1.Basic Terminologies

Five basic terminologies

1) Message

• information(data) to be communicate -> 주고 받는 정보
• text, numbers, pictures, sound, video, 이들의 combination이 존재한다

2) Sender (송신기)

• the device that sends the data message
• computer, telephone, video camera

3) Reciever (수신기)

• the device that recieves the message
• computer, telephone handset, video camera

4) Medium (통신매체)

• physical path by which a message travels from sender to receiver
  -> sender에서 reciever로 message를 전달해 주는 매체이다
• wire, cable, laser, radio, etc 등이 있다

5) Protocol (규약)

• set of rules that govern data communication
  -> 통신간 지켜야 할 규칙들

Data Flow Direction

-> 컴퓨터 네트워크에서 정보를 주고 받는 방향에 따른 명칭

• simplex: 한 쪽으로만 가능하다
• Full-duplex: 동일 시점에 대해서도 양방향으로 가능하다. (송수신 동시 가능)
• Half-duplex: 동일 시점에 대해서 한방향만 가능하다. (송수신 동시 불가 -> ex. 누르고 말하는 무전기)

Physical Structure

-> 컴퓨터 네트워크에서 Medium의 연결 방식에 대한 명칭

• point-to-point : Station과 Station 1개씩 연결
• Multipoint : Link를 따라 여러개의 stations들이 연결

Physical Topology

-> 컴퓨터 네트워크의 대표적인 연결 형태들

Full Mesh Topology

: 모든 stations들이 서로 연결되어 있는 형태.

장점
1. station이 방해 받지 않고 data를 쏠 수 있다.
2. Robust하다. 즉 통신선이 끊어저도 우회하여 송신할 수 있다. 안정적인 성능을 보인다.
3. Private하며 보안 측면에서 좋다

단점
1. 너무 많은 cabling과 장치들이 필요하다

주로 networks들의 network를 만드는 데 많이 사용된다.

Star(or Tree) Topology

장점
1. 설치시 필요한 케이블의 갯수가 줄어든다.
2. Robust하다. 한 개의 hub-station 연결(link)가 끊어저도, 나머지 stations은 영향을 받지 않는다.

단점
1. Hub가 고장나면 연결된 stations 모두 사용이 불가하다.

Bus Topology

장점
1. 설치하기 매우 용이하며, 가격이 저렴하다

단점
1. 중간에 연결이 끊어지면, 뒤에 stations들은 사용이 불가하다.

Ring Topology

장점
1. 설치하기 매우 용이하며, 가격이 저렴하다

단점
1. undirectional traffic -> 송수신의 방향이 좌우로 되고, 여러 stations들이 경쟁적으로 1개의 줄을 사용하므로, traffic 충돌이 발생한다. 이를 방지하기 위해 half-duplex방법을 쓰지만, 지연이 발생하는 문제가 또 발생한다.
2. ring 중간이 깨지면 전체를 사용 불가하다.

Hybrid Topology

-> combinations of Topologies

Categories of Networks

-> 네트워크 규모에 대한 명칭

LAN(Local Area Network)

LAN은 privately owned하며, 주로 office,building,campus 내의 장치들을 links하는 규모의 네트워크를 말한다. 대표적인 wireless LAN으로는 wifi가 있다.

MAN(Metropolitan Area Network)

MAN은 도시 규모의 네트워크를 말한다. LAN을 연결한 네트워크라고 할 수 있다.
이동통신은 MAN에 속한다고 볼 수 있다.

WAN(Wide Area Network)

원거리 통신을 하는 네트워크들을 연결하는 기술을 의미한다. microwaves라는 기술이 대표적이다.

PAN(Personal Area Network) & BAN(Body Area Network)

PAN의 대표적인 기술로는 bluetooth가 있다. BAN의 경우 생체 wearable devices와 같이 sensor들로부터 정보를 측정하는 기술(bluetooth)이 있다.

Standard

"상호 연동성의 기준"
서로 다른 devices들이 서로 data를 주고받아야 하므로, 일종의 공통된 standard가 있어야 한다.

• De fact(by fact): 어쩌다 사람들이 많이 써서 표준이 된 것. Ex) Windows
• De jure(by law): 규약으로 표준을 정한 것이다. Ex) smartphone 이동통신

2.MAC overview

3.Random Access Protocols

"쏠 데이터가 있다?! 정해진 규칙에 의거하여 다른 stations의 상황을 고려하지 않고 쏜다!"

• Stations 간 우열관계는 존재하지 않는다
• Control system이 존재하지 않는다
• 다른 stations의 상황을 고려하지 않으니 당연히 충돌이 발생한다.

ALOHA

Earliest random access method

• 간헐적으로 소량의 data를 주고받는 것으로 개발되었다
• Random Access protocol을 사용하므로 collision이 필연적으로 발생한다.
• 꼬리에 꼬리를 무는 방식으로 error가 누적되게 되는 문제가 발생한다.
  
• "보낼것 있으면 일단 쏜다 -> if error가 발생하면 잠시 뒤에 다시 쏜다!"

Slotted ALOHA

• messages의 시작과 끝을 맞춘다 -> error을 줄이는 효과가 생각보다 컸다. 또한 error가 발생해도 같은 slot안에서만 발생한다.
  

CSMA

• "Sense befored transmit" -> message가 있는 먼저 감지한 이후에 송신한다.
• 제한된 길이의 유선 케이블 환경 하에서 작동하는 것을 가정한다.
  
• 위의 그림에서 both signal이 겹치면 data는 깨져버리게 된다.
• t2 에서는 C는 signal이 없는 줄 알고 송신했지만, B가 쏜 signal이 delay(propagation time)에 의해 t2보다 늦게 도착하여 충돌이 발생한다. 아래와 같이 propagation delay만큼 기다리지 않으면, 위와 같은 경우를 피할 수는 없을 것이다.
• 한번 송신을 시작하면 Sensing을 하지는 않는다.

Behavior of three persistence methods

제일 좋은 방법은 없다. 각각 방식마다 장단점이 있다.

1) 1-persistent

• Channel을 끊임없이 Sensing하다가, 비어있는 상태가 되면 송신한다.
• 끊임없이 sensing하므로, 전력 사용이 많다
• Delay가 발생하지 않는다
• 바로 쏘면 충돌 확률이 높아진다.

2) Non-persistent

• 드문드문 Sensing하다가, 비어있는 상태가 되면 송신한다
• 전력 소모량이 비교적 작다
• 드문드문 sensing하므로, Delay가 발생한다(긴급 메시지등에 취약)

3) p-persistent

• 끊임없이 Sensing하다가, Busy상태가 끝나면 random하게 기다린 이후 쏜다.

CSMA/CD

기존의 CSMA 방식에서 Collision을 Detect하는 것을 추가한 방법이다.

• 위의 그림에서 t3,t4에서 충돌을 감지하게 되면 송신을 중단한다.
• ethernet을 만드는데 기반이 되었다.
• 유선 환경을 전제

CSMA/CA

무선 연결 환경에서 collision detect를 실행한다.

• RTS(Request To Send) : sender가 data를 보내겠다는 사전 신호이다.
• CTS(Clear To Send) : receiver가 data를 송신해도 된다고 보내는 신호이다.
  * 위의 그림에서 A와 B사이 RTS와 CTS가 지나가면 C와 D도 이것을 듣는다. 이것을 들은 C와 D는 data를 송신하지 않는다. 하지만 만약, C와 D가 CTS를 놓치면, 데이터를 송신할 수 있어 error가 발생할 수도 있다.
• ACK : receiver가 data를 잘 받았다는 message

Hidden station problem

• B와 C간 거리가 멀어 CTS를 놓치게 될 수 있는 문제가 발생한다.

Contention window

• RTS/CTS가 연속적으로 구성되어 있다.
  

4.Controlled Access Protocols

Control이 되는 상황에서 통신이 이뤄진다.

Reservation

• controller가 예약을 받아, 송신을 결정한다.
• Delay가 발생한다는 단점이 있다.

Polling

• Primary station과 secondary stations로 구성되어 있다.
• 모든 data exchanges는 primary devices에 의해 결정되어야 한다. Primary station이 links를 control한다
• 주어진 시간에 channel에 어떤 devices를 사용하게 할 것인가를 primary station이 결정한다.
  
• poll: "보낼 데이터가 있나?" primary가 물어본다. 있으면 Data를 없으면 NAK를 secondary stations들이 primary0에게 전달한다.
• ACK : 잘 받았다는 message이다.

5.Channelization Protocols

Channelization(Channel partition)을 동일 시간 내에 어떻게 할지를 정하는 방법이다.

FDMA

• Frequency-division-multiple-access -> bandwith 내 사용가능 한 주파수가 여러 개 있다.
• 각 station은 주파수를 각각 할당받는다.
• 각 주파수는 specific station에 계속 할당되게 된다.

TDMA

• In time-division multiple access
• stations들이 같은 시간동안 bandwidth를 공유한다
• 각 station은 데이터를 전송할 수 있는 time slot을 할당받는다. 이후, 할당받은 시간동안 데이터를 전송한다
• 빠른 channel을 통해, 압축된 디지털 신호(데이터)를 보내버리고, receiver에서 다시 decompression을 하여 original data를 복원한다.
• 2세대 이동통신이 이 방법을 사용하였다.

CDMA

• 각 station의 고유 code를 이용하여 data를 encoding한 이후, 다 합쳐서 전송하고, 이후 decoding을 하여 각 station별 data를 복원한다.

• FDMA와 다른 점은 one channel만을 사용한다는 것이다

• TDMA와 다른 점은 모든 stations들이 동시에 data를 전송할 수 있다는 것이다(timesharing이 없다)

• 처음에는 군에서 암호화 목적으로 개발되었지만, 확대되어 3세대 이동통신에 사용되었다.
  

• 위의 그림에서 station 4개가 1mb/s 속도라면 Common channel은 4mb/s가 된다 -> Common channel은 processing power가 막강해야 한다.