[책 review] #2. Physical Layer에 대하여

교재 : Data Communications and Networking

저자 : BEHROUZ A. FOROUZAN

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저번에 TCP/IP 5계층을 알아봤는데, 그 중에서 가장 낮은 level인 physical layer을 알아보도록 하자.

 

 

인터넷에선 이렇게 진행한다.

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2.1 Signals

physical layer에서 데이터는 signal 형태로 바뀌어야 흘러갈 수 있다.

signal에는 analog와 digital이 있다.

아날로그는 연속적이며 smooth한 신호이고, 디지털은 discrete한 신호라고 볼 수 있다.

 

1) 아날로그 신호

: 주기신호 혹은 비주기 신호

: 사인파는 더이상 decomposed 되지 않는 가장 기본 신호

: 일상의 신호들은 거의 다 사인파가 합쳐진 주기신호라고 볼 수 있다.

: composite signal의 bandwidth는 합쳐진 신호들 중에서 가장 높은 freq에서 낮은 freq을 뺀 값이다.

 

2) 디지털 신호

: 0과 1로 이루어진 신호.

: two level은 한 자리 디지털 신호, four level은 두 자리 디지털 신호.

: 비주기신호

: Bit rate라는 개념이 존재하는데, The number of bits sent in 1 second. 단위시간동안 전송된 비트의 개수. 단위는 bps

: Bit length라는 개념이 존재하는데, The distance one bit occupy on the transmission medium. 한 bit가 전송매체에서 차지하는 거리. 즉, 한 비트가 유지되는 시간을 의미. bit length = 1 / bit rate [sec/bit]

: 디지털 신호를 전송하는 방법은 baseband로 전송하거나 bandpass로 전송하거나. baseband는 아날로그로 변경하지 않고 전송하는 것이고, broadband는 digital 신호를 analog로 바꾼 후, analog로 전송하는 것.

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2.2 Signal Impairment

신호는 전송 중에 손상되곤 한다.

1) attenuation : 감쇠

: loss of signal energy.

: 따라서 이 감쇠를 극복하기 위해 amplifier, 즉 증폭기가 필요함.

: dB로 신호의 전력을 나타냄.

2) distortion : 왜곡

: 신호의 모양이 바뀌는 것.

: 다른 주파수를 가진 신호들이 모인 복합 신호에서 왜곡이 발생할 수 있다.

3) noise : 노이즈가 신호에 추가되는 것

: 채널을 거치며 신호에 잡음이 추가되는 것

: SNR(Signal-to-Noise Ratio)가 높으면 높을수록 신호 대비 잡음이 낮다는 것을 알 수 있다.

 

Data rate limits

데이터 통신에서 중요한 것은 how fast we can send data, in bits per second, over a channel.

이 data rate는 3가지 요인의 영향을 받는다.

1) the bandwidth available : 대역폭이 높을수록 data rate가 높아짐

2) level of signals we use : 신호 level이 높을수록 data rate가 높아짐

3) quality of the channel : SNR이 높을수록 data rate가 높아짐

 

나이퀴스트 공식 - noiseless channel에서 data rate를 계산할 때 사용

Bit rate = 2*(Bandwidth)*log_2(Number of levels of signal)

 

샤논 공식 - noisy channel에서 data rate를 계산할 때 사용

Bit rate = Bandwidth*log_2(1+SNR)

 

보통 샤논을 이용해서 noise가 있을 때 data rate을 구한 뒤, 나이퀴스트를 사용하여 level of signal을 결정한다.

Performance

data rate도 알았으니, 이제는 network의 퍼포먼스를 판단할 줄 알아야 함.

퍼포먼스 판단에 영향을 주는 것들을 공부해봅시다.

 

Bandwidth : 네트워크에서 대역폭은 data rate로 가정하기도 한다.

Throughput

: measure of how fast we can actually send data through a network

: 실제로 초당 몇 개의 비트를 receiver에게 보낼 수 있는지

Latency(= Delay)

: how long it takes for an entire message to completely arrive

: 지연되는 시간들의 measure

: propagation delay + transmission delay + queuing delay + processing delay (데이터 전송할 때 일어나는 4가지 딜레이)

 

Bandwidth와 delay는 link performance의 metric이 됨.

둘을 곱하면 Volume이 된다.

Volume = Bandwidth * Delay

Volume이 크면, bandwidth가 크다고 가정한다. 왜냐하면 Delay는 큰 차이가 없기 때문에.

 

Jitter은 네트워크 정체 또는 경로 변경으로 인해 data packet이 도착하는 사이의 시간 변화.

delay가 변화 없이 오는게 좋기 때문에, Jitter가 크면 안 좋다.

receiver가 어플을 실행했을 때, 이 어플이 time-senstive한 경우(비디오 데이터, 오디오 데이터와 같이) Jitter은 특히 더 작아야 한다.

 

bandwidth와 throughput의 차이점.

옛날엔 참 대역폭과 처리량 두 개가 무슨 차이인지 너무 감이 안 왔는데, 이젠 알겠다.

 

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2.3 Digital Trnasmission

디지털 신호를 전송하는 방법

디지털 신호로 보내거나, 아날로그 신호로 보내거나.

 

Digital-to-Digital Conversion

line coding -> block coding -> scrambling 으로 DtoD 변환을 한다.

line coding은 항상 필요한 과정이고, block coding과 scrambling은 필요할 수도 불필요 할 수도.

 

line coding은 Transform 하기 전에 digital data를 digital signal로 만드는 과정을 뜻한다.

digital data를 line coding해서 디지털 signal로 변경한다.

Block coding은 수신측에서 synchronization을 위해서 추가적인 redundancy bits를 추가해주는 것을 의미한다.

한 블럭마다 bits를 추가해 주기 때문에, block coding이라고 하는 것이다.

 

Analog-to-Digital Conversion

기본적으로 digital 신호는 아날로그 신호에 비해 noise에 더 강인하다.

 

pulse code modulation(PCM)을 거치거나 Delta modulation(DM)을 거쳐서 디지털 신호로 변환.

 

PCM은 아날로그 신호를 sampling한 뒤, encoding, quantizing을 해서 digital data로 아날로그 신호를 변환해준다.

PCM

 

PCM은 신호 전체를 보고, 항상 진폭이 얼만지 제시하는 꽤 복잡한 테크닉이기에, 전 sample과의 차이를 비교하여 큰지 작은지만 제시하는 DM을 사용하기도 한다. (현재 샘플이 이전 샘플보다 크면 1, 더 작으면 0인 디지털 데이터로 만들어줌)

DM

 

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2.4 Analog Transmission

bandpass channel을 사용할 땐 아날로그 신호가 필요하다.

 

Digital-to-Analog Conversion

ASK(Amplitude Shift Keying) : 디지털 데이터로 carrier signal의 진폭에 변화를 주는 것.

여기서 Baud rate란, 주어진 시간에 signal element가 총 몇 개 있느냐를 묻는 것임

 

FSK(Frequency Shift Keying) : 디지털 데이터로 carrier signal의 주파수에 변화를 주는 것

PSK (Phase Shift Keying) : carrier signal의 위상에 변화를 주는 것

(통신공학, 디지털 통신 때 죽어라 배웠던 경험이 있다)

 

Analog-to-Analog Conversion

아날로그 신호에서 아날로그 신호로 왜 변환이 필요할까?

 

만약 medium이 bandpass 신호만 전송할 수 있다면, modulation을 이용해서 lowpass인 아날로그 신호를 bandpass 아날로그로 만들어줘야 한다.

따라서 freq 상에서 신호를 옮겨줘야 한다! 이게 바로 아날로그 투 아날로그 변환.

 

1) AM (Amplitude Modulation)

carrier signal을 기존 아날로그 신호의 진폭에 따라 변화시키는 것이다.

oscillator은 carrier signal을 만드는 역할을 한다.

 

2) FM(Frequency Modulation)

carrier signal의 주파수를 바꿔주는 것.

VCO는 특정 freq을 갖는 신호를 만들어준다.

 

3) PM(Phase Modulation)

carrier 신호의 위상을 변화시킴.

AM, FM은 기존 아날로그 신호의 진폭을 보고 결정하지만, PM은 기울기를 본다.

 

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2.5 Multiplexing

multiplexing이란, 여러 사용자가 channel을 share 중일 때, 다중화 하는 것이다.

privacy와 anti-jamming을 위해 expand the bandwidth of a channel을 하는 것이다.

논리적으로 n개의 채널이 있다고 가정 하는 것이다.

 

1) FDM(Frequency-Division Multiplexing)

bandwidth of a link가 combined bandwidth of the signals일 때 FDM을 사용한다.

주파수를 나누고 사용자별 채널을 제공.

 

2) TDM(Time-Division Multiplexing)

시간별로 채널을 나누는 것.

사용자별로 채널을 점령할 시간이 다르다.

 

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2.6 Transmission Media

physical layer에서 사용하는 통신 Media는 뭐가 있을까

데이터가 physical layer을 거치면 transmission media로 이동된다.

 

Guided Media 

: Signal이 유도돼서 전송된다. 

: 주로 wired-cable에서 사용된다.

 

1) Twisted-Pair Cable

: two conductors, plastic insulation, twisted together.

2) Coaxial Cable

: Twisted-pair cable보다 높은 freq을 갖고있는 신호를 옮길 수 있다.

: 가운데에 Central core이 존재한다.

3) Fiber-Optic Cable

: 광섬유 케이블, 앞에 것들은 electric signal을 전송하지만, 여기선 signal in the form of light. 이게 차이점.

: 빛이기 때문에, 입사각에 따라 흐름이 달라질 수 있다.

 

 

Unguided Media : Wireless

유도가 안돼고 그대로 쭉 전송되는 Media. 바로 무선통신.

 

radio waves, microwaves, infrared.

radio waves는 omni directional. 사방팔방으로 뻗어나간다.

microwaves는 unidirectional. 한 쪽으로만 뻗어나간다. 따라서  microwaves를 전송할 땐 송신기끼리 빗나가게 쏠 수 있다.

infrared는 cannot penetrate walls한 특징이 있다.