ADSL
인터넷과 가정/회사 네트워크
인터넷 내부에 존재하는 라우터에서 데이터(패킷)를 전송하는 동작은 가정이나 회사 내에 존재하는 라우터에서 데이터를 전송하는 동작과 매우 유사하다.
사실상 가정이나 회사의 네트워크 규모가 커지면 인터넷이 된다고 봐도 무방하다.
하지만 완전히 동일한 것은 아니고 인터넷과 회사/가정 네트워크에는 몇 가지 차이가 존재한다.
먼저 중계 장치 간 거리이다.
회사/가정 네트워크의 경우 중계 장치 간 거리가 길어도 수백 미터이다. 이 정도 길이만 되더라도 이더넷의 케이블을 연장했을 때 가장 가까운 중계 장치에 연결이 가능하다.
하지만 인터넷에서는 가장 가까운 전화국과의 거리만 해도 최소 수 킬로미터이다.
또한 미국망에 접근하려고 한다면 태평양을 건너야 하므로 길어야 수백 미터인 이더넷 케이블로 둘 사이를 연결하는 것은 불가능하다.
두 번째로 패킷의 중계 대상을 제어하는 방법도 다르다.
인터넷과 회사/가정 네트워크의 라우터는 경로표에 등록된 인접 라우터 정보에 기초하여 중계 대상을 판단한다는 큰 개념 자체는 동일하다.
하지만 경로표에 정보를 등록하는 부분이 다르다.
인터넷은 가정/회사 네트워크와 비교했을 때 너무나도 많은 라우터가 존재하며 라우터 1개에 저장되어야 하는 경로 정보가 10만 개 이상이나 존재한다.
또한 통신 회선에 장애가 발생하거나 인터넷에 새로 접속하는 회사가 있을 때마다 경로가 수정되므로 라우터에 저장되는 경로 정보는 계속해서 변화한다.
이렇게 변화가 많은 많은 양의 정보를 일일히 수동으로 제어하긴 힘들기 때문에 자동화가 필수적이며 이 때문에 회사나 가정 라우터와는 다른 구조를 통해 정보를 등록한다.
물론 회사나 가정 라우터에도 경로표에 자동으로 경로 정보를 저장하는 구조가 있지만 여러 가지 이유 때문에 다른 구조를 활용해야 한다.
액세스 회선
먼저 알아둬야 할 것은 인터넷의 라우터 중계 동작은 지금까지 배웠던 이더넷의 라우터 중계 동작과 거의 동일하다는 점이다.
단지 인터넷 접속용 라우터는 액세스 회선의 규칙에 따라 패킷 송신 동작을 수행한다는 점에서 이더넷 규칙의 라우터와는 다르다.
액세스 회선은 인터넷과 가정/회사 LAN을 연결하는 통신 회선을 말한다.
가정에서는 액세스 회선으로 ADSL, FTTH, CATV, 전화 회선, ISDN 등을 사용하며 회사의 경우 전용 회선 등이 추가된다.
의미가 어려울 수 있으니 조금 더 직관적으로 알아보자.
액세스 회선는 가정/회사 네트워크와 인터넷을 연결하는 중간자의 역할을 수행하는데 한쪽은 실제 인터넷에 연결시켜 주는 프로바이더와 연결되어 있으며 한쪽은 가정/회사 네트워크에 연결되어 있다.
만약 가정/회사 네트워크에서 패킷을 송신한다면 액세스 회선을 타고 인터넷으로 뿌려지는 것이고 반대의 경우 또한 액세스 회선을 통해 가정/회사 네트워크로 패킷이 들어올 것이다.
그렇다면 한 가지 개념을 추가로 알 수 있다.
만약 회사 네트워크에서 바로 회사 네트워크로 연결한다고 가정하자. 그렇다면 이때 액세스 회선이 필요할까?
정답은 "No"이다.
액세스 회선은 회사 네트워크에서 프로바이더로 패킷을 전달하기 위한 회선이다. 그런데 회사 네트워크에서 회사 네트워크로 바로 보낼 경우 굳이 프로바이더를 통해 인터넷을 거치지 않아도 패킷 송신이 가능하다.
따라서 이더넷 회선을 통해서만 패킷을 보내면 되므로 액세스 회선이 필요 없는 것이다.
이를 정리하자면 액세스 회선이란 통신 사업자(SKT, KT, LG 등)가 제공하는 통신 서비스(인터넷)를 이용할 때 사용자와 통신 사업자의 프로바이더를 연결하는 회선이라는 것이다.
즉, "송신지 - 프로바이더 - 통신 서비스 - 프로바이더 - 수신지" 과정으로 패킷이 전달될 때 송신지와 프로바이더, 프로바이더와 수신지를 연결해 주는 것이 액세스 회선인 것이다.
ADSL
ADSL은 Asymmetric Digital Subscriber Line의 약자이다.
ADSL에 대해 자세히 알아보기 전 직역을 통해 의미를 유추해보자.
ADSL을 직역하자면 "비대칭 디지털 가입자 회선"이라는 의미이다.
그렇다면 ADSL을 사용할 경우 어떠한 요소가 비대칭(사용하는 회선은 같지만 동작에 따라 차이가 존재할 것) 일 것이며 디지털 가입자들이 프로바이더에게 패킷을 보낼 수 있는 액세스 회선의 일종이라는 의미일 것이다.
이젠 ADSL의 정의에 대해 알아보자.
ADSL이란 전주(전봇대)에 설치된 전화용 금속제 케이블을 통해 고속으로 통신하는 기술의 일종으로 사용자가 인터넷으로 향하는 상향(업로드)과 인터넷에서 사용자를 향하는 하향(다운로드)의 통신 속도가 다른 기술을 가리킨다.
ADSL이라는 동일한 액세스 회선을 사용하는 업로드와 다운로드 속도가 다르기 때문에 Asymmetric(비대칭)이라는 단어가 붙었음을 알 수 있다.
ADSL 기술을 사용한 액세스 회선은 위 이미지와 같은 구성도를 가진다.
이전에 배웠던 내용을 복습해 보며 어떻게 패킷이 전달되는지 간략하게 알아보자.
먼저 PC에서 Request Message를 만든 뒤 패킷으로 변환될 것이고, 이 패킷은 가정용 PC에서 만들어진 패킷이므로 프라이비트 주소로 송신지 IP 주소가 설정되어 있을 것이다.
이 패킷이 인터넷 접속용 라우터에 도착하면 해당 라우터에서 주소 변환 기능을 통해 헤더에 있는 프라이비트 주소가 글로벌 주소로 변경된 뒤 ADSL 액세스 회선으로 뿌려진다.
이후 패킷은 ADSL 모뎀과 전화 케이블을 통해 사용자 측 전화국에 도착할 것이며, ADSL 사업자의 네트워크를 경유하여 프로바이더(ISP; Internet Service Provider)에 도착할 것이다.
이를 간단히 정리하자면 아래와 같다.
가정용 내부망에서 만들어진 패킷이 인터넷 접속용 라우터에 의해 글로벌(인터넷)용 패킷으로 전환된다.
이후 ADSL 사업자에 의해 프로바이더에 패킷이 전달되면 프로바이더가 제공하는 통신 서비스(인터넷)를 사용해 패킷을 목적지까지 전달할 수 있다.
ADSL 모뎀
ADSL 기술을 활용한 사용자 측 패킷 전달 과정
ADSL 사업자를 통해 프로바이더에게 패킷이 전달되는 과정에서 패킷은 여러 형태로 모습을 바꾸는데 그 과정은 아래 이미지와 같다.
인터넷 접속용 라우터까지 패킷이 전달되는 과정은 이전까지 설명했던 이더넷 네트워크에서 패킷이 전달되는 과정과 동일하므로 설명은 생략하겠다.
ADSL 기술을 사용할 때 주의 깊게 봐야 할 헤더는 "PPPoE 헤더"와 "PPP 헤더"이다.
인터넷 접속용 라우터는 위 2가지의 새로운 헤더와 라우터에서 기본적으로 붙이는 MAC 헤더, 총 3개의 헤더를 붙인 뒤 ADSL 모뎀으로 패킷을 전달하는데 이 과정을 자세히 알기 위해선 BAS라는 패킷 중계 장치의 지식이 필요하므로 상세한 내용은 나중에 설명하겠다.
일단 지금은 ADSL이 PPPoE라는 프로토콜로 동작할 경우 인터넷 접속용 라우터가 PPPoE 헤더와 PPP 헤더, MAC 헤더 총 3가지를 붙여 ADSL 모뎀으로 패킷을 보낸다는 것 정도만 알아두자.
인터넷 접속용 라우터로부터 패킷을 수신받은 ADSL 모뎀은 패킷을 ATM 셀로 작게 분할한다.
셀은 맨 앞부분에 헤더(5바이트)를 가지고 있으며 그 뒤 데이터(48바이트)가 이어지는 구조로 되어 있다.
TCP 프로토콜이 애플리케이션에서 받은 데이터를 분할하는 것과 동일한 개념이라고 생각하면 된다.
그렇다면 왜 굳이 패킷을 셀로 분할하여 송신할까?
이 이유를 알기 위해선 ATM에 대해 간략하게 알아보고 넘어가야 한다.
ATM은 Asynchronus Transfer Mode의 약자로 전화 회선의 개념에 기초한 구형 전화 기술의 연장선에 있는 통신 방식이다.
ATM에서는 "셀"이라는 작은 데이터를 이용하여 데이터를 운반하는데 TCP/IP와 유사한 것처럼 보이지만 컴퓨터 통신에는 적합하지 않다.
다른 이유가 있을 수도 있겠지만 IP는 비연결 프로토콜로써 연결을 계속 유지하지 않는 프로토콜인 반면에 ATM은 연결 프로토콜로써 통신 연결이 계속 유지되어야 하는 프로토콜이라는 것이 ATM이 이더넷(컴퓨터 통신)에 적합하지 않은 가장 큰 이유가 아닐까 싶다.
비연결 프로토콜이란 연결 상태를 유지하지 않는 프로토콜로써 연결을 유지하는 비용이 들지 않아 싸지만 매번 새로운 연결을 수행해야 하므로 연결을 할 때마다 자신이 누구인지를 알려줘야 한다.
연결 지향 프로토콜은 통신 연결이 유지되는 것을 지향하는 프로토콜로써 연결을 계속 유지하기 위한 비용이 들기 때문에 비싸지만 연결 상태가 유지되고 있으므로 어떤 사람이 데이터를 보냈는지 알려주지 않아도 알 수 있다.
대표적인 비연결 프로토콜로는 HTTP 프로토콜이 존재하며 연결 지향 프로토콜에는 전화 통화가 존재한다.
그렇다면 이더넷에는 왜 연결 지향 프로토콜인 ATM과는 적합하지 않을까?
첫 번째 이유로 이더넷은 연결을 실행하는 주체가 자주 바뀐다는 점이다. 예를 들어 노트북에서 LAN 선을 꽂아 이더넷을 활용했다 LAN 선을 뽑고 회의실에 들어가 와이파이로 연결하는 상황을 생각해 보자.
이때 LAN 선을 꼽았을 때의 IP 주소와 와이파이를 사용했을 때의 IP 주소는 다를 것이다.
이런 상황에서 과거 연결 정보를 사용한다면 LAN 선을 꼽았을 때의 정보로 패킷이 전달될 것이기 때문에 와이파이로 접속하고 있는 현재 컴퓨터에선 정보를 못 받을 위험이 존재한다.
두 번째 이유로 패킷은 항상 순서대로 수신지에 도착하지 않는다는 것이다.
연결 지향 프로토콜에서는 도착하는 데이터의 순서가 중요하다. 내가 "죽을 만들 준비가 되었다"라는 전화 통화를 했는데 "죽을 준비가 되었다 만들"이라고 데이터가 도착하면 의미가 완전히 바뀌어 버릴 것이다.
하지만 HTTP 프로토콜에선 패킷이 항상 순서대로 도착하는 것이 보장되지 않는다.
패킷 A가 A1, A2, A3로 분할되었다 하더라도 A2, A3, A1 순으로 도착할 수 있으며 이런 상황에도 패킷을 A로 재조립할 수 있어야 한다.
만약 그렇지 못할 경우 A1, A2, A3가 모두 도착했지만 패킷이 도착하지 않은 것으로 생각해 다시 패킷 송신을 의뢰하는 참사가 일어날 수 있다.
이러한 이유로 연결 지향 프로토콜인 ATM을 이더넷에 쓰는 데에는 한계가 존재하는 것이다.
ATM을 간략하게 알아봤으니 이젠 왜 ADSL 모뎀이 패킷을 ATM 셀로 분할하는지 알아보자.
ADSL 기술 개발이 시작되던 당시 통신 업계에선 ATM 기술을 사용하는 것이 유력시되었고 통신 사업자들 또한 ATM 관련 설비 투자를 진행했다.
ATM 기술을 활용할 때 ATM 셀을 사용한다면 다른 설비들과 자연스럽게 연대되기 때문에 개발 투자 비용이나 설비 투자 비용을 줄일 수 있었고, 이런 경제적인 이유 때문에 패킷을 ATM 셀로 분할하여 사용하게 되었다.
물론 이러한 이유가 없다면 굳이 ATM 셀로 분할하지 않아도 상관은 없으며 실제로 ATM 셀로 분할하지 않는 유형의 ADSL 모뎀을 사용하는 ADSL 사업자도 있다.
ADSL 신호 변조
ADSL 모뎀은 패킷을 ATM 셀로 분할한 뒤 분할된 셀을 전기 신호로 변환한다.
이더넷의 LAN의 경우 사각형 신호를 이용해 0과 1을 나타내는 간단한 방식을 사용하였지만 ADSL은 조금 더 복잡한 방법을 사용한다.
이렇게 복잡한 방법을 사용하는 이유는 ADSL을 통해 패킷을 주고받을 두 지점 사이의 거리가 멀기 때문이다.
신호는 거리가 멀어질수록 신호 세기가 약해지고 사각형의 경우 신호 세기가 약해지면 파형이 뭉개질 위험성이 크다.
또한 사각형 신호는 넓은 범위의 주파수를 포함하고 있는데 신호의 주파수가 높아지면 주위에 방사되는 노이즈의 양이 증가하므로 주파수 폭이 넓어질수록 노이즈를 제어하기가 어렵다.
이런 단점들은 패킷을 주고받는 지점 사이 거리가 가까운 이더넷에서는 큰 문제로 다가오지 않지만 거리가 멀면 멀수록 치명적으로 느껴지며, 이러한 이유로 패킷을 주고받을 두 지점 사이 거리가 먼 ADSL에선 사용할 수 없는 것이다.
ADSL 모뎀은 완만한 파형(정현파)을 합성한 ㄴ신호에 0과 1의 비트 값을 대응시키는 기술을 사용하는데 이를 "변조 기술"이라고 한다.
ADSL은 "진폭 변조(ASK)"와 "위상 변조(PSK)"라는 변조 기술을 결합한 "직교 진폭 변조(QAM)"이라는 방식을 사용한다.
그렇다면 ASK와 PSK, QAM에 대해 단계별로 알아보자.
진폭 변조(ASK)
ASK에 대해 공부하기 전 진폭이 뭔지부터 알아보자.
출처 : https://www.researchgate.net/figure/Typical-modulation-schemes-a-ASK-b-PSK-and-c-FSK_fig7_328086028
진폭 변조 방식(ASK)란 진폭 크기에 따라 0과 1을 대응시키는 방법이다.
가장 간단한 방식은 위 이미지처럼 진폭이 작은 신호를 0, 진폭이 큰 신호를 1로 대응시켜 변환하는 방식이다.
ASK에선 진폭의 단계를 늘림으로써 대응시키는 비트 수를 늘릴 수 있다.
예를 들어 진폭을 4단계로 설정할 경우 가장 작은 진폭을 00, 두 번째를 01, 세 번째를 10, 네 번째를 11에 대응시키는 방식으로 사용할 수 있는 것이다.
진폭의 단계를 늘릴수록 대응시킬 수 있는 비트의 수가 늘어나며 자연스럽게 한 번에 운반할 수 있는 데이터의 양도 늘어나게 된다.
한 번에 운반할 수 있는 데이터의 양이 늘어나니 전송 속도 또한 향상될 것이다.
그렇다면 아예 진폭의 단계를 2³⁰처럼 큰 값으로 늘려 한 번에 30비트 데이터를 보낸다면 엄청난 전송 속도를 가지지 않을까?
아쉽지만 그럴 순 없다.
신호는 전달되는 과정 중 신호의 세기가 약해지며 노이즈의 영향을 받아 파형이 변형될 수 있다.
이런 상황에서 진폭의 단계를 매우 많이 늘린다면 신호를 수신하는 측에서 신호를 디지털 데이터로 변환하며 잘못 해석할 위험성이 커지며 이는 오류의 원인이 될 것이다.
따라서 최대한 진폭의 단계를 늘리되 수신 측에서 잘못 해석하지 않을 정도의 수준으로 진폭 단계 수를 정해야 한다.
위상 변조(PSK)
PSK에 대해 배우기 전 위상에 대해 먼저 알아보자.
위상은 진폭처럼 그래프를 보면 바로 이해되는 개념이 아니므로 약간 설명하고 넘어가겠다.
위상이란 단위 시간을 기준으로 했을 때 그래프의 모양으로 단위로는 도(º)를 사용한다.
다르게 말하자면 시간 축을 따라 앞뒤로 이동될 수 있는 파형에서 이동된 양이다.
이 말도 조금 어려운 용어 설명이라 생각하는데 위 이미지를 통해 확인해 보자.
일반적으로 파형을 생각한다면 가장 위의 sin(x) 그래프의 파형을 생각할 것이다.
하지만 이 파형이 꼭 0도에서 시작한다는 보장은 없다. 파형은 90도에서 시작할 수도 있고 180도에서 시작할 수도 있을 것이다.
이렇듯 똑같은 파형이더라도 시작점이 어디냐에 따라 파형의 모습이 약간씩 다른데 파형의 시작점을 바로 "위상"이라고 하는 것이다.
참고로 위 이미지에선 파형의 시작점이 각각 0, 90, 180, 270으로 모두 다르지만 이는 쉬운 이해를 위해서 이렇게 그린 것이고 실제로는 모든 파형이 0도에서 시작한다고 생각하면 된다.
위상에 대해 어느 정도 알았으니 이제 이 위상을 사용하는 PSK에 대해서도 알아보자.
출처 : https://www.researchgate.net/figure/Typical-modulation-schemes-a-ASK-b-PSK-and-c-FSK_fig7_328086028
위상 변조는 신호의 위상에 0과 1을 대응시키는 방식이다.
위 이미지에서는 0도 위상을 1에, 180도 위상을 0에 대응시킴으로써 디지털 데이터를 신호로 변환했다.
PSK 또한 ASK처럼 위상의 각도 단계를 세분화시킴으로써 한 번에 더 많은 비트를 변환할 수 있으며 이를 통해 고속화가 가능해진다.
하지만 위상 변조 또한 진폭 변조와 동일한 이유로 위상의 각도 단계를 무한히 늘릴 수는 없으며 신호를 수신하는 측에서 잘못 변환하지 않을 정도로 각도 단계를 세분화해야 한다.
직교 진폭 변조 방식(QAM)
ADSL에서 사용하는 직교 진폭 변조 방식이란 위에서 설명한 위상 변조 방식과 진폭 변조 방식을 결합한 방식이다.
위 이미지에선 진폭 변조와 위상 변조에 1비트를 대응시켰다.
이때 진폭 변조와 위상 변조를 결합할 경우 (진폭 변조 비트 + 위상 변조 비트) 비트분의 데이터를 대응시킬 수 있다.
즉, 1개의 파에 4개의 비트를 대응시킬 수 있으므로 진폭 변조나 위상 변조 1개 방법을 사용하는 것보다 고속화가 가능해지는 것이다.
물론 직교 진폭 변조 방식을 사용하더라도 진폭 변조의 진폭 단계 제한과 위상 변조의 위상 단계 제한이 없어지는 것은 아니지만 두 방법의 제한된 단계를 결합함으로써 한 가지 변조 방법을 사용하는 것보다 훨씬 많은 비트를 대응시켜 고속화 가능해지는 것이다.
여러 가지 주파수를 활용한 신호 송/수신
진폭 변조, 위상 변조, 직교 진폭 변조에서는 모두 1가지의 주파수를 가진 파를 사용했다.
위 그래프에서 "파장"이라는 값이 있는데 이 파장이라는 값은 "주기"라는 말로 표현할 수도 있으며 주기의 역을 취한 값이 주파수이다. 즉, 지금까지는 모두 파장이 같은 정현파를 사용했다.
하지만 ADSL에서는 굳이 신호를 단일 주파수의 파로 한정할 필요는 없다.
주파수가 서로 다른 파를 혼합하면 파를 합성할 수 있고 특정 주파수의 파만 통과시키는 필터 회로를 사용하면 주파수마다 파를 분리할 수 있다.
이런 방식을 통해 여러 주파수의 파를 합성한 것을 신호로 사용하는 것이 가능해지며 이 경우 대응시키는 비트 수는 사용하는 파의 수를 곱한 것만큼 증가한다.
즉, (진폭 변조 비트 X 위상 변조 비트 X 다른 주파수의 파 개수) 만큼의 비트를 한 번에 보낼 수 있는 것이다.
ADSL은 이 성질을 이용하여 다수의 파에 비트값을 대응시켜 고속화를 진행한다.
이 부분이 어렵다고 생각하여 이미지를 보며 자세히 설명해 보도록 하겠다.
먼저 그래프를 보는 법부터 봐야 하는데 위쪽 빨간색 숫자는 "주파수"를 의미한다.
그리고 아래 파란색 숫자는 몇 번째 파인지를 나타내는 것으로 "채널"을 의미한다.
먼저 음성은 0 ~ 4kHz의 주파수의 파를 사용해 데이터를 송신한다.
1개의 파밖에 사용하지 않으므로 음성 신호는 4kHz의 주파수를 가진 파장을 통해 데이터를 보낼 것이다.
상향(업로드)의 경우를 보자.
일단 주파수 범위는 25 ~ 138kHz임을 알 수 있다.
그런데 음성과 다르게 채널의 수가 많다. 6 채널부터 31 채널까지 존재하기 때문에 총 26 채널을 활용하는 것이다.
즉, 상향 과정에선 6 ~ 31 채널 중 1개의 파를 선택하여 신호로 만들 수 있는 것이다.
예를 들어 6 채널을 사용해 패킷을 신호로 변환하고 싶다면 25kHz ~ 29.3125kHz의 주파수대를 사용하는 파를 통해 변환할 수 있는 것이다.
하향의 경우 G.992.2에선 33 ~ 127(총 95 채널), G.992.1에선 33~255(총 223 채널) 채널을 사용하여 진행함을 알 수 있다.
이젠 왜 상향(업로드)과 하향(다운로드)의 전송 속도가 다른지 유추할 수 있을 것이다.
업로드에선 26개의 파만 사용하지만 다운로드에는 95나 223개의 파를 사용할 수 있다. 위에서 말했듯 사용할 수 있는 파의 개수가 많아질수록 한 번에 보낼 수 있는 데이터 비트 수 또한 곱 연산으로 증가한다.
즉, 업로드에 비해 거의 3 ~ 9배 정도 많은 파를 사용하는 다운로드의 속도는 업로드의 속도와 동일하지 않을 것이다.
이때 중요한 점이 1가지 더 있는데 모든 채널(파)에 대응할 수 있는 비트 수가 동일하지 않다는 것이다.
6 채널에 4비트(00,01,10,11)를 대응시켰다 하더라도 7 채널에 4비트가 대응됐을 것이라고 확정할 수 없다는 것이다.
이유는 노이즈 등의 상태에 의하여 1개 파에 대응할 수 있는 비트 수가 변화되기 때문이다.
노이즈가 없는 주파수의 파에는 다수의 비트를 대응시켜도 수신 측에서 잘못 해석할 위험성이 적기 때문에 괜찮겠지만 잡음이 있는 주파수의 파에는 다수의 비트를 대응시킬 경우 수신 측에서 잘못 해석할 위험성이 크므로 소수의 비트를 대응시켜야 한다.
위에서 볼 수 있듯 다운로드에 사용하는 주파수는 높다.
앞서 말했듯 파의 주파수가 높을수록 신호가 보내지는 과정에서 신호가 약해지기 쉽고 노이즈의 영향 또한 강하게 받는다.
거리가 멀어질수록, 주파수가 높아질수록 이런 경향은 강해지므로 전화국에 멀어질수록 속도가 떨어지게 되는 것이다.
잡음이나 감쇠 등의 회선 특성은 전화 회선마다 전부 다르며 시간에 따라 변화하는 것도 있다.
따라서 ADSL은 회선의 상태를 조사하여 사용할 파의 개수와 각 파에 대응시킬 비트 수를 판단해야 한다.
이를 위해 ADSL에서는 모델의 전원을 공급하면 시험 신호를 보내며 수신 상태에 따라 파의 수나 비트 수를 판단하는데 이 과정을 "트레이닝"이라고 하며 수초에서 수십 초가 소요된다.
사용자에서 사용자 측 전화국으로
스플리터
위에 설명한 방식을 통해 ADSL 모뎀은 ATM 셀을 전기 신호로 변환했다.
이렇게 변환된 전기 신호는 "스플리터"라는 장치로 들어가는데 이때 ADSL 신호는 전화의 음성 신화와 섞여 전화 회선을 통해 흘러나간다.
이 단계에 스플리터는 단순히 전화 회선에 신호를 흘리기만 할 뿐 특별히 하는 일은 없다.
스플리터가 일을 하는 것은 전화 회선을 통해 신호가 사용자 측 전화국의 스플리터로 흘러들어 왔을 때이다.
(이는 패킷을 송신할 때의 상황이며 패킷을 수신하는 상황에서는 사용자 측의 스플리터가 그 역할을 수행할 것이다)
ADSL은 전화 회선을 사용하는 통신 기술로써 전화 회선을 통해 들어오는 신호에는 전화의 음성 신호와 ADSL 신호가 혼합되어 있는 상태이다.
이런 상황에서 이 신호를 그대로 전화기에 흘릴 경우 ADSL 신호가 전화 음성 신호의 노이즈가 되어 전화 음성을 듣기 어려워지며 ADSL 입장에선 전화 음성 신호가 보내야 할 패킷의 노이즈가 될 것이다.
스플리터는 일정한 주파수를 초과하는 신호를 차단하는 기능을 통해 ADSL의 높은 주파수 신호를 차단하여 이러한 문제를 방지하는 역할을 수행한다.
이 경우 전화기에는 ADSL의 높은 주파수 신호가 걸러져 전화의 음성 신호만 흐를 것이다.
또한 ADSL 모뎀 내부에 ADSL에 사용하는 주파수에서 벗어난 불필요한 주파수를 차단하는 기능이 있으므로 불필요한 음성 신호가 차단되므로 ADSL 입장에선 온전히 패킷만을 인터넷에 보낼 수 있게 된다.
위 설명을 읽었을 땐 혼합 신호 중 ADSL 신호만 걸러내는 것은 ADSL 모뎀에서 수행하며 스플리터는 전화 신호를 걸러내는 역할을 수행하기 때문에 스플리터는 ADSL 측이 전화기 측에 끼치는 영향을 방지하기 위해 사용하는 것으로 이해할 수 있다.
하지만 스플리터는 전화기 측이 ADSL 측에 끼치는 영향을 방지하는 역할도 수행한다.
스플리터가 없을 경우 수화기를 들고 회선을 접속한 상태와 수화기를 내려놓아 회선을 끊은 상태에서는 신호를 전달하는 쪽이 달라진다.
수화기를 내려놓으면 전화기의 회로는 회선에서 분리된 상태이지만 수화기를 들면 전화 상대와 회선이 연결된 상태가 되어 그곳으로 신호가 흘러갈 것이다.
이 경우 신호의 전달 방향이 변경되기 때문에 노이즈 등의 성질이 바뀔 것이며 이 때문에 ADSL은 회선의 상태를 조사하는 트레이닝을 다시 실행해야 한다.
앞에서 말했듯 트레이닝은 수초에서 수십 초의 시간이 소요되며 이 시간 동안 패킷의 송/수신이 중단된다.
스플리터는 이러한 문제를 방지하는 역할도 가지고 있다.
물론 고속으로 트레이닝을 다시 실행할 수 있다면 스플리터가 없어도 문제는 없을 것이다.
하지만 스플리터가 없을 경우 ADSL 신호가 전화 음성 신호의 노이즈가 되어 전화 소리를 듣기가 어려워지기 때문에 최신 사양의 ADSL에서도 스플리터를 사용하는 것이 일반적이다.
스플리터에서 사용자 측 전화국으로
위에서 스플리터에 대해 설명했는데 사용자 측 스플리터에서 바로 사용자 측 전화국의 스플리터로 신호가 전송되는 것은 아니고 몇 가지 중간 단계를 거친다.
먼저 사용자 측 스플리터 앞에는 전화 케이블을 꽂은 모듈형 커넥터가 존재한다.
그리고 모듈형 커넥터를 통과하여 전화의 옥내 배선을 빠져나가면 IDF나 MDF가 존재한다.
옥내 배선이란 건물 안에서 쓸 전력을 위한 배선이라고 생각하면 된다.
IDF란 Intermediate Distribution Frame의 약자로 중간 배선반을 의미하며 MDF란 Main Distribution Frame의 약자로 주 배선반을 의미한다.
배선반이란 전화 가입자로부터 오는 선을 끌어들여 교환기에 전달하기 전 통제하기 위해 달아 놓은 장치를 의미한다.
어려워 보일 수도 있지만 그냥 전화국으로부터 오는 외부 배선과 집에 있는 옥내 배선을 연결한 장치이다.
단독 주택의 경우 전화 배선이 많지 않으므로 배선반 없이 밖의 배선이 직접 옥내 배선에 연결되어 있는 경우도 있다.
배선반을 통과한 신호는 보안기를 거치는데 보안기는 낙뢰와 같이 밖의 전화선에서 과대한 전류가 흘러들었을 때를 대비한 장치로써 내부에는 퓨즈 등이 들어있다.
보안기를 지나면 지금까지 옥내(집 내부)에 존재했던 신호가 집 외부에서 흐르게 된다.
보안기를 지난 신호는 전주(전봇대)의 전화 케이블로 들어간다.
전화 케이블의 신호선은 굵기가 0.32 ~ 0.9mm인 금속으로 만들어져 있고 아래와 같은 구조로 묶여 있다.
출처 : 성공과 실패를 결정하는 1%의 네트워크 원리
가는 신호선은 신호의 감쇠가 비교적 크지만 싸기 때문에 전화국에서 가까운 장소에 사용되며 굵은 신호선은 비싸지만 신호의 감쇠가 상대적으로 작기 때문에 멀리까지 케이블을 연장할 때 사용된다.
케이블은 사용자와 가까운 곳에는 전주에 설치되어 있지만 어느 지점에서 전주의 둘레에 묶은 금속의 파이프 속에 들어가 지하로 들어가게 되는데 이곳을 "궤선점"이라고 부른다.
궤선점이라 찾으면 이미지가 없어서 饋線点으로 검색하니 일본어 사이트에 사진이 나와 있다.
아래 사진에서 볼 수 있듯 전주 옆에 하얀색 원기둥 여러 개가 붙어 있는데 이 원기둥 내부에 신호선이 들어 있으며 지하로 들어가게 되는 것이다.
그렇다면 왜 가정에서 전화국까지 전주로 연결하지 않은 것일까?
전화 케이블은 주택이나 건물마다 설치되어 있기 때문에 전화국에 가까울수록 많은 수의 케이블이 집중되어 있을 것이다.
이렇게 많은 케이블을 전부 전주로 전화국까지 연결하는 것은 상당히 비현실적인데, 전화국 주변을 온통 전봇대 밭으로 만드는 것도 말이 안 되지만 재난 방지 차원에서도 문제가 발생할 수 있다.
따라서 전화국에 어느 정도 가까워졌다면 지하에 전화 케이블을 매설한다.
전화국에 가까워질수록 지하 케이블의 수는 증가할 것이고 이를 모아 매설하는 부분은 지하도처럼 되는데 이 부분을 "동도"라고 한다.
아래 사진이 동도인데 지하에 존재하며 보다시피 여러 개의 케이블이 존재하고 있다.
이 또한 동도라 치면 독도 사진이 나와서(펄럭) 한자 洞道로 쳐서 구한 이미지이다.
동도를 통해 전화국에 들어간 케이블은 전화국의 MDF에 하나씩 연결된다.
전화 케이블에서의 노이즈
전화 케이블 속을 신호가 통과할 때 여러 가지 노이즈의 영향을 받는다.
전화 케이블에서의 노이즈는 이더넷의 트위스트 케이블 노이즈와 동일한데 바로 케이블 외부에서 들어오는 노이즈와 케이블 내부에서 발생하는 노이즈(크로스토크)이다.
거기에다 노이즈를 고려하여 개발된 트위스트 케이블과는 달리 전화 케이블은 ADSL의 높은 주파수 신호를 가정하고 만든 신호선이 아니므로 트위스트 케이블보다 노이즈의 영향을 받기 쉽다.
트위스트 페어 케이블을 흐르는 신호는 사각형 신호가 1개뿐이므로 이 신호가 변형되면 디지털 데이터를 읽을 수 없어 오류가 발생한다.
하지만 ADSL 신호는 다수의 주파수로 나뉘어 있으므로 노이즈와 주파수가 겹치는 신호만 영향을 받아 사용할 수 없게 된다. 즉, 사용할 수 있는 신호의 수가 감소하여 속도가 저하되는 것이다.
특히 노이즈가 많은 장소에 전화 케이블이 설치되어 있는 경우 속도 저하의 가능성이 높아지는데 대표적인 예시가 전철의 선로 옆이다.
전차가 팬터그래프(pantagraph; 전차 지붕의 집전장치)를 통해 가선에서 전력을 받을 때 불꽃이 튀어 노이즈가 방사될 수 있으며 AM 라디오의 전파 영향을 받을 수도 있다.
케이블 내부에서 발생하는 노이즈 영향을 받을 수도 있다.
위 전화 케이블 이미지에 나타난 쿼드 속이나 인접한 서브 유닛 가까운 위치에 ADSL의 신호선과 ISDN 회선의 신호선이 함께 들어 있을 경우 ISDN 회선에서 누설되는 노이즈에 ADSL 신호가 영향을 받을 수 있다.
이 때문에 ADSL 기술이 실용화된 초기에는 ISDN 영향을 방지하는 기술이 주목받았지만 현재는 ISDN 회선의 영향을 방지하는 기술이 확립되었으므로 큰 걱정을 할 필요가 없어졌다.
DSLAM & BAS
전화 케이블을 통해 신호가 전화국에 도착했다면 MDF(배선반)와 스플리터를 통과하여 DSLAM에 도착한다.
DSLAM이란 DSL Access Multiplexr의 약자로 전화국용 ADSL 집합 모뎀을 의미한다.
다수의 ADSL 모뎀을 하나의 케이스에 넣은 기기라고 생각하면 된다.
사용자 측 ADSL 모뎀에서 ATM 셀을 신호로 변환시켰듯 전화국 측 ADSL 모뎀인 DSLAM에선 신호의 파형을 읽어 진폭과 위상을 조사한 뒤 신호를 ATM 셀로 복원시킨다.
(만약 패킷을 수신하는 경우라면 사용자 측 ADSL 모뎀이 DSLAM 역할을 수행할 것이다)
ADSL 모뎀과 DSLAM의 동작 방식은 동일하므로 전화국에 사용자 측에서 사용하는 ADSL 모뎀을 여러 개 설치해도 정상적으로 동작할 것이다.
하지만 이 경우 여러 개의 ADSL 모뎀이 장소를 차지할 뿐 아니라 여러 기기를 유지 보수하는 것은 어렵기 때문에 다수의 ADSL 모뎀에 해당하는 기능을 묶어 하나의 케이스에 넣은 DSLAM이라는 장치를 활용하는 것이다.
DSLAM과 사용자 측 ADSL 모뎀은 완전히 동일하지는 않다.
사용자 측 ADSL 모뎀은 이더넷과 연결되어 있기 때문에 이더넷 인터페이스를 가지고 있으며 이를 통해 사용자측 라우터나 PC와 이더넷 패킷 형태로 대화할 수 있다.
하지만 DSLAM은 이더넷 인터페이스를 가지지 않고 대신 ATM 인터페이스를 가진 것이 대부분이다.
이 때문에 DSLAM은 신호를 ATM 셀로 복원시킬 수는 있지만 분할된 ATM 셀을 합쳐 이더넷 패킷 형태로 만들지는 못한다.
그래서 DSLAM은 ATM 셀 형태 그대로 후방의 라우터인 BAS와 주고받는다.
DSLAM이 신호를 ATM 셀로 변환하였다면 이 ATM 셀들은 BAS라는 중계 장치에 도착한다.
BAS는 Broadband Access Server의 약자로써 라우터의 일종이다.
BAS도 ATM 인터페이스를 가지고 있는데 이 ATM 인터페이스는 수신한 셀을 원래 패킷으로 복원하는 기능이 있다.
따라서 DSLAM이 준 ATM 셀들을 원래의 이더넷 패킷으로 복원하며 BAS의 수신 동작은 끝난다.
수신한 패킷의 MAC 헤더는 목적지 라우터인 BAS(BAS도 라우터이다)를 가리키고 있을 것이며 PPPoE 헤더도 BAS의 인터페이스에 패킷을 건네주기 위한 제어 정보이다.
즉, BAS의 인터페이스가 패킷을 수신한 시점에서 MAC 헤더와 PPPoE 헤더는 본인의 역할을 다했으므로 BAS에서 사라진다.
이더넷 인터페이스를 가진 라우터에서 패킷을 수신했을 때 기존 MAC 헤더를 제거하는 것과 동일한 것이다.
이후 BAS는 터널링용 헤더를 붙여 터널링의 출구를 향해 패킷을 중계한다.
터널링의 출구에는 프로바이더 측 전화국이 있으며, 더욱 정확히 말하면 프로바이더 측 전화국에 있는 터널링용 라우터가 존재한다.
터널링용 라우터에선 터널링용 헤더를 분리하고 IP 패킷을 추출한 뒤 인터넷을 위한 헤더를 붙이고 프로바이더에게 패킷을 전달함으로써 인터넷의 내부에 패킷이 전달되는 것이다.
