ch03.Physical Layer

Data and Signals

Router : 데이터 통신 네트워크에서 데이터 패킷을 전달하고, 라우팅 결정을 내릴 수 있는 장치나 소프트웨어를 가리킨다.

라우터는 두 개 이상의 네트워크 간에 데이터 패킷을 전송하고, 패킷의 출발지와 목적지 주소를 기반으로 패킷을 적절한 경로로 전달한다. 이를 위해, 라우팅 테이블을 사용해 최적의 경로를 선택한다.

 

Routing : 데이터 패킷을 출발지에서 목적지로 전달하기 위한 경로를 결정하는 프로세스를 가리킨다.

라우팅은 라우터 또는 네트워크 장치에 의해 수행되면 패킷이 네트워크에서 어떻게 이동해야 하는지 결정하는 데 사용되는 규칙과 알고리즘을 포함한다.

라우팅은 최적 경로 선택, 라우팅 테이블 업데이트, 라우터 간의 정보 교환 등을 포함한다.

 

Switch 와 Router의 차이

스위치는 로컬 네트워크 내의 장치 간 통신을 관리하고, 데이터 링크 레이어에서 동작하며, 라우터는 다른 네트워크 간의 통신을 관리하고 네트워크 레이어에서 동작한다.

 

1. 기능과 역할:

Switch : 스위치는 주로 LAN에서 내부 트래픽을 관리하는데 사용된다.

스위치는 네트워크 내의 여러 디바이스 간의 데이터 통신을 위한 로컬 레벨에서 동작한다.

스위치는 MAC주소를 사용해서 데이터 패킷을 전달하고, 패킷을 스위치 내에서 적절한 포트로 전달하는 역할을 한다.

이로써 네트워크 내의 디바이스 간의 효율적인 통신을 지원한다.

Router : 라우터는 여러 네트워크 간의 데이터 패킷을 전달하고, 다른 네트워크로 라우팅하는 역할을 한다.

라우터는 IP주소 기반으로 패킷을 전달하고, 다른 서브넷이나 외부 네트워크로 패킷을 전송하는 데 사용된다.

라우터는 인터넷 연결을 관리하고 여러 네트워크 간에 데이터를 라우팅하여 패킷이 목적지에 도달하도록 한다.

 

2. 작동 수준 : 

Switch : 스위치는 주로 데이터 링크 레이어에서 동작하며, MAC주소를 기반으로 데이터 프레임을 전달한다.

따라서 스위치는 네트워크 내의 로컬 트래픽을 관리하는 데 사용된다.

Router : 라우터는 네트워크 레이어에서 동작하며, IP주소를 기반으로 데이터 패킷을 라우팅하고 다른 네트워크 간의 통신을 지원한다. 

라우터는 보다 높은 수준의 네트워크 관리 및 분리를 담당한다.

 

3.사용 사례 :

Switch : 

LAN내에서 컴퓨터, 스마트폰, 프린터 등의 장치 간에 데이터를 빠르게 전송하기 위해 사용된다,

주로 이더넷 네트워크에서 사용된다.

Router:

라우터는 다른 네트워크 간의 통신을 관리하며, 인터넷에 연결하거나 서브넷을 구성하는 데 사용된다.

다른 네트워크와의 통신을 관리하고 보안 및 라우팅 규칙6을 적용해서 네트워크 간의 효율적인 통신을 보장한다.

 

Analog and Digital Data

Data 는 아날로그 혹은 디지털로 나타낼 수 있다.

아날로그는 연속적인 값을 따르고, 디지털은 이산적인 값을 따른다.

 

신호는 데이터의 전기적 전자기적, 혹은 광적으로 표현할 수 있다.

 

데이터가 디지털, 아날로그로 나타낼 수 있듯이 , 신호 또한 마찬가지로 디지털, 아날로그로 표현할 수 있다.

 

 

Periodic and Non-periodic

주기적 신호는 측정 가능한 시간 프레인 내에서 패턴이 있다. 한 개의 완전한 패턴을 cycle라고 부른다.

비주기적 신호는 time안에서 사이클과 패턴이 없이 반복되는 것이다.

 

신호가 주기적인지 비주기적인지는 data content에 따라 다르다.

 

주기적인 아날로그 신호는 단순, 복합으로 나눌 수 있다.

단순 주기 아날로그 신호는 사인 파형이고, 복합 주기 아날로그는 단순 주기 사인 파형이 여러개가 있는 복합 사인 파형이다.

 

사인 파형에서 진폭에 따라 높은 진폭의 경우, high peak, 낮은 진폭의 경우는 low peak라고 한다. 즉, 진폭은 신호의 강도를 나타낸다.

 

주기는 1초 동안에 한 사이클의 개수이며, 사이클 개수 / 1s로 Hz로 표현한다.

 

만일, 고주파의 경우는 사이클이 짧기 때문에 기지국을 많이 설치하던가, Beam forming을 해서, 특정 목적지에 따라 위치 추적을 계속해서 해당 고주파를 계속 보내준다.

 

Phase(위상)

파형이 몇 도에서 시작하는지에 대한 모양

서로 다른 각도에서 시작하는 사인 파형에 대해 Nbit의 전송 data를 정해서 data stream을 전송한다. 이를 Modulation이라고 한다.

그렇다면, 신호의 종류를 더 다양하게 해서 더 많은 정보를 보내려면?

1. 위상을 잘게 자른다.

2. 진폭을 변경한다.

 

위상을 짧게 자르면, 신호가 불안정 할 때, 수신측에서 몇 도에서 변화된건지 알아보기 힘들다. 다만, 신호가 안정적이라면 상관이 없다.

 

WaveLength

한 cycle동안 신호를 얼마나 멀리 보낼 수 있을까?

 

Time and Frequency Domains

시간-진폭 그래프를 주기-진폭으로 나타내어 아날로그 신호를 주기-진폭 그래프로 간단하게 나타낼 수 있다.

 

Fourier series and coefficients of terms

푸리에 시리즈

Time domain: periodic, Frequency domain : discrete

푸리에 변환

The domain : nonperiodic, Frequency domain : continuous

 

Finding the Fourier series of a periodic square function

Time domain : Time-Aplitute

Frequency domain : Frequency-Aplitute

 

Bandwidth대역폭

대역폭, 통상 지칭은 주파수 대역폭이다.

대역폭의 그래프 x축에서 n까지의 성분이 있을 때, xn-x0

frequency_max - frequency_min

따라서, 할당받는 대역폭의 양이 많을수록, data전송양이 많아진다.

 

Digital Signals

정보는 디지털 신호에 의해서도 표현될 수 있다.

예를 들어, 1은 전압이 있을 때, 0은 전압이 없을 때로 나타낼 수 있다.

디지털 신호는 0과 1의 두 가지 레벨을 가진다. 레벨의 수가 아니라 각 레벨에서 나타낼 수 있는 정보의 양이 중요하다.

 

Bit Rate

1초에 보낼 수 있는 bits의 양, bps

 

bps : 1초에 전달하는 bit 수

ex. 1초에 8bits가 전송됐다 -> 8bps

더 많은 신호 종류 -> 더 많은 양의 data전송이 가능하다.

 

Bit Length

비트 길이는 전송 매체에서 1비트가 차지하는 거리

Bit Length = propagation speed * bit duration

디지털 통신에서 비트 길이는 전송 매체의 속도에 따라 다르다.

 

 

Digital As Composite Analog

푸리에 분석에 기반을 두어, 디지털 신호는 복합 아날로그 신호이다. 

아날로그 신호를 디지털 신호로 변환해서 전송하려면 bandwidth가 무한대이면 가능한데, 무한대를 전달할 수 있는 매체가 없다.

시간-진폭에서 디지털 신호는 수직, 수평 그래프의 형태이다. 수직 성분은 무한의 주기이며, 수평은 영의 주기에서의 시간 영역이다.

주파수 0에서 무한대의 주파수로 가는 것은 그 사이의 모든 주파수가 영역의 일부임을 의미한다.

 

Transmission of Digital Signals

Transmission 에는 2가지 방법이 있다.

(1) Baseband Transmission : 어떠한 주파수대역이 있을 때, 특정 유저만 사용이 가능하고, 그 외에 유저들은 사용하지 못 한다.

(2) Broadband Transmission(Using Modulation) : 어떠한 주파수 대역이 있을 때, 이 대역을 나눈 후, 나눠진 파트들을 유저들에게 각각 할당한다.

 

 

Bandwidth of two-pass channels

주기-진폭 그래프에서..

(1) Low-pass channel, wide bandwidth

(2) Low-pass channel, narrow bandwidth

 

Baseband transmission using a dedicated medium

입력값으로 주어진 신호의 대역폭이 주어진다(무한대)  =>  Input signal

매체가 전송할 수 있는 대역폭은 한정이 되어 있다. => Wide-bandwidth channel

입력값에 대한 매체를 통과한 후 나온 신호의 대역폭 => Output signal

 

Rough approximation of a digital signal

주기-진폭 그래프에서 ...

대역폭 = N/2

x = 0, N/4, N/2 일 때, 대역폭은 N/2-0이다.

 

Simulating a digital signal with first three hrmonics

데이타 통신을 하면서 노이즈가 끼게 되면 송신자가 보낸 신호가 왜곡되는 경우가 발생한다. 이때문에, 잡음 환경 즉, 노이즈에 강한 신호를 생성하기 위해 주파수 대역을 높인다.

 

Modulation of digital signal for transmmission on band-pass channel

인풋으로 디지털 신호가 들어온다 -> 디지털/아날로그 변화기를 거친다-> 아날로그 신호의 대역폭에 대한 아날로그 신호가 인풋으로 된다 -> 어떤 주파수 대역을 갖는 매체를 통과 한다. -> 아날로그 신호가 나온다(표현가능한 주파수 대역) -> 아날로그/디지털 변환기를 거친다 -> 디지털 신호가 아웃풋으로 나온다.

 

Transmission Impairment

Impairment(3) 

1. Attenuation

2. Distortion

3. Noise

 

Attenuation - 신호 감쇠

매체를 통과할 때, 저항으로 인한 열 손실로 인한 에너지 감소로 인해 신호가 약해진다.

고주파 일수록 감쇠가 커진다.

여러 가지 해결방법이 있다. 다만 프로토콜 계층에 따라 사용하는 증폭기가 다양하다.

 

신호 감쇠 (dB)

서로 다른  두 개의 신호 혹은 서로 다른 두개의 타입의 지점에 대한 상대적인 길이를 측정하는 것

dB이 양수면 -> 증폭, 음수면 -> 감쇠

dB = 10log10(p2/p1)

 

DIstortion - 신호 왜곡

주파수들이 매체를 통과할 때, 각각의 주파수들마다 매체를 통과하는 속도가 다르기 때문에 신호가 왜곡되는 문제가 발생한다.

이는, 유선 통신에서 가지는 한계점이다.

 

Delay Distorition

유선 전송 매체(twisted pair, coaxial cable, optical fiber,..)등에 의해 발생한다.

그 이유는 , 

1.메체를 통한 신호의 전파 속도가 주파수에 따라 달라지기 때문이다

또한,

2. 다양한 주파수 성분이 서로 다른 시간에 도착해서 주파수 간 위상 변이가 발생한다.

마지막으로,

3. 한 비트의 일부가 다른 비트로 넘치면 기호 간 간섭이 발생한다.

 

이러한 문제는 equailzation을 통해 해결할 수 있다.

 

Noise

여러 가지 타입이 있다.(5)

 

Thermal noise

열잡음

신호가 매체를 통과할 때 온도에 따라 움직이는 입자의 열적인 활동에 의해 발생한다.

전자 장비나 전기 회로의 저항에서 발생하는 접압에 영향을 미치며, 이전에는 존재하지 않은 신호를 생성한다.

 

N0 = kT(W/Hz)

N0 = 주파수 대역에서의 1Hz당 watts의 노이즈 세기

k = 볼츠만 상수

T = 온도(켈빈)



N = kTB

 

Induced noise

외부 요인에 의해 발생하는 전자 장비 또는 회로에 영향을 미치는 잡음의 일종이다.

이러한 노이즈는 외부 신호, 전기장, 전자기 방사선, 인접한 전선 또는 장비의 상호작용 등 다양한 외부 원인에 의해 유발된다.

 

crosstalk

서로 다른 회로나 전선 간의 전송 선 간 상호작용으로 인한 노이즈이다.

데이터 전송 선이 서로 영향을 미치는 경우 데이터 전송의 오류를 일으킬 수 있다.

 

impulse noise

급격한 신호의 변화 또는 갑작스러운 잡음 펄스가 전송되는 것을 나타낸다.

 

Intermodulation noise

f1, f2라는 신호를 보냈지만, f1+f2의 노이즈가 발생하는 것이다.

 

SNR - 신호 대 잡음 비율

SNR은 신호와 잡음의 강도 또는 크기를 비교하는데 사용된다.

SNR = 신호의 강도/잡음의 강도

 

신호의 강도 : 원하는 신호의 강도 또는 레벨을 나타낸다.

잡음의 강도 : 원하지 않는 잡음의 강도 또는 레벨을 나타낸다.

 

Hight SNR

noise에 비해 신호가 센 것이다.

Low SNR

noise에 비해 신호가 약한 것이다.

 

Data Rate Limits

Performance

1. Performance

-대역폭(Hz)

2. Throughput

-네트워크를 통해 얼마나 빨리 데이터를 전송할 수 있을까

-주파수 대역에서는 Bbps 일 때, 실제로는 Tbps만 보낼 수 있다. 따라서 항상 T < B이다.

3. Delay

-Source의 처음 비트에서부터 도착지까지 메세지 전체가 도달하는데 얼마나 걸렸는가

 

Latency - propagation time + transmission time + queuing time + precessing delay

 

Jitter

시간적으로 불규칙한 신호, 시간 또는 시간 간격의 불규칙한 변화를 의미하며, 주파수 도메인에선 신호의 주기적 진동의 불규칙성을 나타낼 때도 사용된다.

 

통신 시스템에서의 Jitter : 데이터 패킷이나 비트가 전송될 때, 이들의 도착 시간이 일정하지 않고, 불규칙하게 변하는 경우

통신 지연의 불규칙한 변화로 인해 데이터 전송의 정확성과 신뢰성이 저하될 수 있다.

 

오디오 및 비디오 시스템에서의 Jitter : 오디오 또는 비디오 스트림의 샘플링 또는 재생 속도의 불규칙한 변동을 의미한다.

이런 변동이 크면 재생이 끊기거나 뚜렷하지 않게 송출될 수도 있다.