정통공 중간정리(통곡의 정통공...)

카테고리 없음 2023. 4. 16. 02:20

인터넷에서 사용되는 5계층 프로토콜 스택이란? :

(L5) 애플리케이션 계층

(L4) 전송 계층

(L3) 네트워크 계층

(L2) 데이터 링크 계층

(L1) 물리적 계층

새로운 서비스의 개발과 기술의 발전은 밀접하게 연결되어 있다. 예를 들어,

Netflix 서비스 -- 애플리케이션 계층(L5)의 DASH 프로토콜
5G and WiFi6E를 이용한 서비스들 -- OFDMA(Chap.10) at Data link layer (L2)
온더고 스트리밍 서비스 -- 4G/LTE(L2)
그러나 이 모든 Internet 서비스들은 3계층에서는 IP (Internet Protocol)을 사용한다.

네트워크 트래픽 유형: 서로 다른 응용 프로그램은 인터넷에 대해 서로 다른 서비스 품질을 요구할 수 있습니다.

Loss-sensitive applications: Email, VoD streaming, Remote access(Telnet), P2P file sharing, Web document downloading : 이런 응용들은 네트워크에 no loss를 요구함
Bandwidth and/or Latency-sensitive applications: Real-time applications like VoIP, real-time streaming, online gaming, etc : 이러한 응용들은 최대지연 (max. delay/delay jitter) and/or 최소대역폭(min. throughput)(전송속도)를 요구하는 응용들임.

% 지연 지터는 네트워크 연결에서 이동하는 패킷이 목적지에 도달하는 지연의 변형 입니다.

IoT(Internet of Thing) 서비스 요구 사항

장비 및 S/W 측면에서 저렴한 비용
저전력(전류): 일반적으로 배터리로 작동
높은 적용 범위(무선 범위)
고용량 : 밀집된 지역에서 많은 연결 수

5G는 IoT에 적합하지 않으므로 LPWA(Low-Power Wide Area)가 개발되었습니다. 두 가지 유형의 LPWA

셀룰러용 NB-IoT
비셀룰러용 LoRA 및 SigFox

기술 동향

더 높은 주파수, 더 높은 데이터 속도, 더 작은 장치, 더 저렴함: Tbps 이더넷 / Gbps WiFi / Gbps 5G
네트워크가 더 지능화됨: 전달 --> 방화벽, 로드 밸런서 등
1990년대 초 웹 서비스의 등장은 인터넷의 대중화와 보안 이슈로 이어졌다.
이동성은 WAN 트래픽을 예측할 수 없게 만들고 클라우드 컴퓨팅의 출현으로 이어졌습니다.
OpenRoaming is a technology to help 5G in collaboration with WiFi6E. (5G가 고주파수를 사용하므로 신호의 직진성이 강해 실내에서 연결이 불안정함. 이를 보완하기위해 WiFi6와 추가 인증없이 연결하도록하는 기술이 OpenRoaming이며 HotSpot 2.0에 구현되어있음)
멀티클라우드

퍼블릭 클라우드 : AWS, Azure, Google 클라우드(Office 365, Dropbox와 같은 스토리지 및 애플리케이션 제공, Dropbox..(SaaS)
프라이빗 클라우드 : 네이버의 춘천 각 등 자사 데이터센터
Edge Computing: a distributed computing framework that brings enterprise applications closer to data sources such as IoT devices or local edge servers. (IBM에서 발췌한 정의임. 결과적으로 public cloud를 사용하는데 소요되는 latency를 줄이려는 목적임)

Network as a service (NaaS) : 단편적인 예로 비싼 H/W 구매, S/W 관리자 필요없이 가입하나로 network을 구축하여 서비스를 제공하는 것이 가능하게하는 기술임.

(#1-15) WAN 가 성장하게된 배경은 ?

고품질 영상을 생성하는 이동 인터넷 단말기의 확장
Client-Server 구조에 기반한 응용 개발의 확산
Cloud-computing 기술의 발전
팬데믹으로 인한 재택근무 확산

(#1-16) 융합

적용 분야 : 음성, 데이터, 이미지, 영상이 결합된 스마트 기기
Networks : Separate for Voice (PSTN) and Data (Internet) --> combined into ISDN 그리고 이동통신망도 4G 부터 음성과 데이터가 하나의 망으로 통합됨.

% PSTN (공중 전화 교환망, Public Switched Telephone Network) : 과거로부터 사용되던 일반 공중용 아날로그 전화망을 지칭 => 아날로그

% 종합정보통신망(ISDN : Intergrated Service Digital Network) : 음성,영상,데이터 등의 서비스마다 별개로 운용되던 통신망을 하나로 통합한 네트워크. 네트워크 기기 내부가 디지털화

Transmission system: 한 곳(TX)에서 다른 곳(RX)으로 신호를 전송하는 시스템

애플리케이션 및 QoS

인터넷에서 실시간 트래픽을 생성하는 애플리케이션은 무엇입니까? :VoIP, Video conferencing, 온라인 게임, real-time streaming
인터넷에서 손실에 민감한 트래픽을 생성하는 애플리케이션은 무엇입니까? : 이메일, Telnet, FTP, 웹 문서 다운로드, Netflix와 같은 VoD 스트리밍

transmission line(link)의 속성

"링크 대역폭 또는 전송 속도(비트/초)"로 표시되는 링크 용량
오차율로 표현되는 신뢰도(error rate)
비용

transmission link를 고를 때 고려해야하는 부분

링크신뢰성(error rate)
감쇄없이 전송가능한 거리(distance without attenuation)
가격(cost)
링크용량(Transmission rate)

흐름 제어와 혼잡 제어

Flow control : 발신자 (소스 호스트) 는 수신자의 버퍼 오버플로를 방지하기 위해 전송 속도를 조정합니다.
Congestion control : 발신자 (소스 호스트) 는 라우터 의 버퍼 오버플로를 피하기 위해 전송 속도를 조정합니다.

링크 활용도를 높이는 두 가지 기술

멀티플렉싱: multiplexing은 L1에서 하나의 링크에 여러 개의 신호를 동시에 전송하는 기술이며, 이를 이용하여 서로 다른 소스 호스트에서 전송이 시작된 응용 데이터들이 WAN(Wide Area Network)에서 하나의 전송 매체로 동시에 전송될 수 있다.
압축: compression 기술을 이용하면 고품질, 고용량의 사용자 데이터를 저용량/저비용 링크에 전송하는 것이 가능해진다. (2G TDMA 기술이 나오도록 도움)

% 다중화 대 다중 액세스(또는 미디어 액세스 제어): 유사점과 차이점은 무엇인가?

두 가지 WAN 기술

회로 스위칭(CS)

고정된 수의 사용자가 동시에 사용할 수 있습니다.
데이터 전송 시작 전 연결 설정: 소스와 대상 간에 경로(end-to-end path)와 리소스(link BW) 예약 --> 순차적 전송
데이터 전송 중(src와 dst 호스트 간의 통신) : NO (transmission/processing/queueing) delays
Connection(route and resource(link BW)) set-up delay이 데이터 전송 시작 전 발생 --> 리소스 예약으로 인해 네트워크에서 버퍼링 필요 없음
레이어 1의 동기식 TDM: 사전 할당된 시간 슬롯 > 주소 지정 필요 없음 > 비트 오버헤드가 없지만 일부 입력(사용자)이 유휴 상태일 때 링크 BW가 낭비될 수 있음
사용자 수는 고정되어 있음.
예 : 음성용 PSTN

패킷 스위칭(PS)

연결 없음(e2e 경로 및 리소스) 통신 전 btw src 및 dst 설정 : No delay before sending data
하나의 큰 메시지가 여러 개의 작은 패킷으로 나뉩니다. --> 각 패킷은 통신 중에 "독립적으로" 전달됩니다(라우터는 어떤 패킷이 어떤 애플리케이션에 속하는지 모릅니다.)
btw src 및 dst 통신 중 (transmission/processing/queueing) delays --> 지연/손실이 발생할 수 있음
레이어 1의 통계 TDM(또는 비동기 TDM): 동적으로 할당된 시간 슬롯 --> 필요한 각 데이터 처리 --> 비트 오버헤드 그러나 간헐적이고 폭발적인 트래픽을 전달하는 데 적합하며 한 명의 사용자가 전체 링크 속도를 사용할 수 있음.
예 : 인터넷
버퍼가 무조건 필요

Packet switching 망에서 전송되고 있는 패킷이 라우터의 input buffer에 들어오면

processing delay > queueing delay > transmission delat > propagation delay 순으로 지연이 생긴다.

LAN 대 WAN

WAN은 LAN보다 트래픽 패턴, 관리 및 토폴로지 측면에서 더 복잡합니다.
WAN은 LAN보다 트래픽/오류/혼잡이 많습니다.
WAN은 LAN보다 예측하기 어렵습니다.
LAN보다 WAN에서 더 적은 링크 대역폭을 사용할 수 있습니다.
LAN에서 온프레미스 서버에 액세스하는 것이 WAN에서 클라우드에 액세스하는 것보다 빠릅니다.
WAN은 LAN보다 높은 비용이 필요합니다.
WAN이 LAN보다 링크의 용량

네트워크 연결 방법

여러 ISP는 IXP(Internet eXchange Point, 타사)를 통해 서로 연결할 수 있습니다.
두 ISP는 피어링으로 연결할 수 있습니다.
고객 ISP는 제공자 ISP의 네트워크 장치 집합인 PoP(Point of Presence)를 통해 제공자 ISP와 연결됩니다.
KT 직원이 우리(인터넷 가입자)집에 방문하여 설치하는 장비를 CPE(customer premiss equipment)라고 한다.
KT, SKT, LGU+ 같이 인터넷 접속 서비스를 제공하는 사업자를 ISP(internet service provider)라고한다.
우리(인터넷 가입자)집과 연결된 KT 장비를 CO(central office)라고 한다.
인터넷 서비스를 제공하기 위해 네트워크 장비(라우터 등) 와 케이블을 설치해야하며, 이러한 network infra를 제공하는 사업자를 NSP(network service provider)라고 한다. => 이들이 모여 작업해야 WAN이 완성된다.

표준화 기관

- ISO: 국제표준화

- ANSI: ASCII(컴퓨터 간의 전자통신을 위한 표준 데이터 인코딩 형식), SQL 표준화 => ISO에 들어가 있다.

- IEEE: L2에 있는 LAN 표준화(미디어 액세스 제어 MAC(CSMA/CD(ethernet), CSMA/CA(wifi))

- IETF: L5,L4,L3의 PROTOCOL(IP, TCP, HTTP) 표준화

- ITU: FR(fram Relay)

프로토콜의 정의

계층화된 프로토콜 스택을 사용하여 통신 기능은 각 계층에서 구현되는 하위 기능으로 나뉩니다.
장치의 N 계층에 있는 프로토콜은 메시지(제어 정보)를 교환하여 다른 장치의 동일한 계층 N에 있는 동일한 프로토콜과 통신합니다.
각 계층 프로토콜(예: TCP)은 인접한 하위 계층 프로토콜(예: IP)에 대한 서비스 사용자이고 인접한 상위 계층 프로토콜(예: HTTP)에 대한 서비스 공급자입니다.

애플리케이션 계층(L5)과 전송 계층(L4)은 호스트에만 상주합니다.
라우터 또는 L2-스위치를 통해 사용자 데이터를 전달하는 데 네트워크(L3), 데이터 링크(L2) 및 물리적(L1) 계층과 같은 3개 계층만 필요합니다.

전송 계층은 응용 계층 프로토콜(또는 프로세스)을 찾기 위해 포트 번호로 식별되는 소켓을 사용합니다 . (예: HTTPs 서버 응용 프로그램(L5)은 포트 #=443으로 식별된 소켓을 호출하여 HTTP 응답 메시지를 클라이언트로 다시 보냅니다.)
네트워크 계층은 IP 주소를 사용하여 dst 프로세스가 실행되는 dst 호스트를 찾습니다 .
데이터 링크 계층은 원홉 전송을 지원하며LAN용 데이터 링크 계층은 LLC(Logical Link Control) 및 MAC(Media Access Control)의 두 하위 계층으로 구성됩니다.
--- LLC는 전송 매체에 의존하지 않음 : LLC 유형 1/2/3
--- MAC은 전송 매체에 따라 다름: CSMA/CD, CSMA/CA
ARP(Address Resolution Protocol)는 LAN에서 기본 게이트웨이 라우터의 IP 주소(L3 주소)와 일치하는 MAC 주소(L2 주소)를 찾습니다.

계층화된 프로토콜 스택을 사용하여 통신 기능은 각 계층에서 구현되는 하위 기능으로 나뉩니다. 그리고 한 장치의 계층 n에 있는 프로토콜은 다른 장치의 동일한 계층 n에 있는 동일한 프로토콜과 메시지를 교환하여 통신합니다.
애플리케이션(L5) 및 전송(L4) 계층은 엔드 호스트에만 존재합니다.
라우터나 스위치를 통해 사용자 데이터를 전달하기 위해서는 네트워크(L3), 데이터 링크(L2) 및 물리(L1) 계층 등 3개 계층만 필요합니다.
5계층 인터넷(TCP/IP) 프로토콜 스택

L5) 애플리케이션 L: VoD 스트리밍용 HTTP, SMTP, FTP | 실시간 스트리밍을 위한 DNS, HTTP...

L4) 전송 L : TCP | UDP | QUIC 또는 SCTP

L3) 네트워크 L: IP

L2) 데이터 링크 L : LAN 또는 ATM에서 LLC / MAC(이더넷, Wi-Fi), WAN에서 FR ..

L1) 물리적 L : TP(Twisted Pair), 동축 케이블, 광섬유, /라디오, 위성 ....

각 계층의 Role(기본 서비스), Addressing, PDU 이름

L5 응용 프로그램 L: 지원 네트워크 응용 프로그램 서비스 btw src & dst 호스트, URL

L4) Transport L : 프로세스 간 통신. btw src 및 dst 호스트, 포트 번호, 세그먼트

L3) 네트워크 L : host-to-host comm(목적지 호스트로 라우팅), IP 주소, 데이터그램(또는 패킷)

L2) Data Link L : 특정 네트워크(예: Ethernet, Wi-Fi 등)에 따른 1홉 전송, LAN의 MAC 주소, 프레임

UDP가 internet chechsum을 이용하여 error detection은 하나 error correction는 하지 않는다.

반면, TCP는 에러가 발생한 데이터를 다시전송(retransmission)하는 방식으로 error correction을 수행하다.

인터넷과 TCP의 역사 : ARPANET(NCP) --> NSFnet(오리지널 TCP/IP) --> 인터넷(업데이트된 TCP/IP 및 보안 문제)

현재 사용되는 Internet의 원조는 70년대 등장한 네트워크(ARPANET 이라고 부름)이고 그때는 TCP 대신 NCP를 사용했다는 의미임. 이후 NSFnet 으로 성장했고 이때 부터 지금 사용하는 TCP/IP가 시작되었음. 현재 사용되는 Internet은 90년대 초 WWW의 발전으로 급 성장하게되었으며 불특정다수가 연결되면서 security 이슈가 대두되었음.

프로토콜이 큰 헤더를 정의

더 많은 제어 정보 포함
더 많은 서비스(기능)를 제공하고
시간이 더 걸림

% 인터넷에 연결된 특정 process에게 데이터를 전달하기 위해 그 process가 실행되고 있는 호스트가 인터넷에 연결된 NIC 카드에 설정된 IP address와 그 process가 사용하는 port number, 이 두 가지를 알아야 합니다. 이때 IP address 와 port number를 각각 집주소와 수취인에 비유하는데, 이는 인터넷에서의 통신과 우체국을 이용한 편지통신이 유사하기 때문입니다. 즉, IP address를 이용해서 중간 라우터들이 destination host를 찾아주게 되므로 IP 주소를 집 주소에 비유하며, destination host에 도달한 후 port number를 이용해서 해당 process에게 데이터를 전달하므로 port number를 수취인에 비유하게 됩니다.

인터넷을 사용하기 위해 설정해야 하는 세 가지 IP 주소

귀하의 IP 주소
기본 라우터의 IP 주소
DNS 서버의 IP 주소

인터넷(패킷 스위칭) 라우터의 주요 동작: Store-and-Forward

각 라우터는 하나의 패킷 전체를 입력 버퍼 에 저장 합니다 .
그리고 라우팅 테이블과 유사한 포워딩 테이블을 기반으로 입력 버퍼에서 출력 버퍼로 패킷을 전달합니다 .
저장 후 전달 후 패킷은 출력 버퍼에서 전송을 기다립니다. queueing delay입니다 .

오늘 설명한 한 장의 화면에서 보충 설명을 하면,

Source host (C)에서 destination host (S)로 가는 모든 IP packet의 (source IP address, destination IP address)는 동일하게 (IP_c, IP_S) 이다.
다시 말해서, 라우터와 destination host (web server, S)의 3 계층 (Network layer)은 모두 IP 해더에 있는 (IP_c,IP_S) 를 보게 된다.
그러나 2계층 해더의 주소는 경유하는 네트워크에 따라 형태가 다른 2계층 주소 형태가 들어간다. (예를 들어 Ethernet LAN 을 지나갈때는 (source MAC address, destination MAC address), ATM WAN을 경유할때는 VPI/VCI가 2계층 주소로 사용된다.)

% 결과적으로 destination IP address 만으로 서버 호스트를 찾을 수 없는 이유는 인터넷이 다양한 기술의 네트워크들로 연결되어있기 때문입니다.

IPv6에는

IPv4보다 4배 더 큰 IP 주소로 IP 주소 고갈 해결(32bit -> 128bit)
QoS를 구현하기 위한 흐름 레이블을 지정했지만 성공하지 못함.
IPv4보다 기능이 적고 라우터 처리 속도가 빨라짐.
error detection기능이 없다.

SAP(Service Access Point)는 하나의 엔티티에 인접한 두 레이어가 기능, 즉 프리미티브(요청/표시/응답/확인)를 호출하여 서로 통신하는 논리적 위치입니다.

TSAP btw L5 및 L4: 소켓
다른 SAP는 함수 호출 입니다.

신호

여러 주파수로 구성
신호의 절대 대역폭 = 주파수 스펙트럼의 주파수 범위 폭.
ex) 신호가 10GHz, 20GHz, 30GHz 3가지 주파수로 구성되어 있다면 --> 절대 대역폭은 20GHz이다.

아날로그 신호 대 디지털 신호
1. 디지털이 더 높은 대역폭 사용, 전송속도 빠름, 유선만 가능

모뎀 대 코덱

아날로그 데이터 --> "코덱" --> 디지털 신호
디지털 데이터 --> "모뎀" --> 아날로그 신호

전송 매체

전자기 신호(비트 스트림)로 표현되는 데이터를 전달하기 위한 송신기(TX)와 수신기(RX) 사이의 물리적 경로를 의미합니다 .
각 신호가 전송되기 위해 여러 채널로 분할될 수 있습니다. 즉, 채널은 송신기와 수신기 간의 논리적 경로입니다.
직접 연결 : TX와 RX는 Layer 1 장치(앰프, 리피터, 허브)를 통해서만 연결됩니다.
Point-to-point : 두 개의 장치만 직접 링크를 통해 연결됩니다.
Multi-point : 3 or more devices are connected via a direct (shared) link : 이 direct link가 shared medium (즉 한 개의 TX가 신호를 보내면 모든 (직접 연결된) RX들이 받게됨)에 연결되어있음.)

cf. Hub는 신호를 분산(split)하여 전송하는 1계층 장비

채널 대역폭(BW)은 채널에서 정의된 주파수 스펙트럼의 범위이다.
단, 유효 대역폭은 채널 노이즈를 고려하여 결정된다.
데이터 속도
하나의 링크는 여러개의 채널로 구성되며, 각 채널은 상위데이터가 전송되는 논리적인 길이다.

(채널/신호) BW를 초과할 수 없습니다.
감쇄, 왜곡, 노이즈 및 간섭의 영향을 받습니다.
따라서 채널 A가 채널 B보다 대역폭이 더 큰 경우 A가 B보다 더 많은 데이터를 전송할 수 있습니다.

그러나 질문에 올바르게 답하기 위해서는 채널의 특성(전송 매체의 정점)을 함께 고려해야 합니다 .
섀넌의 법칙: 실제 BW(및 마지막으로 데이터 속도)를 높이려면 BW와 SNR을 모두 높여야 합니다.

SNR : 신호 대 잡음비
실제 RX에서 받는 신호를 에러없이 판독하려면 TX가 보내는 신호 강도의 절대 값만 높여서는 안된다. medium에서 전송 손상(attenuation, distortion, noise)을 이겨내는 기술이 추가되어 결과적으로 RX에서 받는 신호의 세기가 잡음신호보다 커야한다.
TX와 RX 사이에 최종적인 data rate을 높이려면 BW만 높여서는 안되며 SNR도 함께 증가시켜야한다. 이것이 샤논의 법칙이다.

대역폭은 Hz 또는 bps로 나타낼 수 있습니다. 예를 들어 10GHz 대역폭은 10Gbps를 의미합니다.
고주파 ....... 저주파보다, 더 많은 bw, 더 많은 data rate, 작은 coverage => 직진성 높음 => 증폭기 많이 둬야함, 더 많은 감쇄 => 케이블 종류로 줄여야됨

다음은 물리계층에서 신호전달 시 발생할 수 있는 현상이다. Drap-and-drop으로 아래 단어를 골라 문장이 참이되도록 완성하시오.

신호가 전송되는 중 거리에 따라 혹은 전송 미디엄의 성질에 따라 신호 세기가 약해지는 현상을 attenuation이라 한다. => 디지털 취약

delay deistortion는 signal이 receiver 도착했을 때, signal을 구성하는 주파수들의 전파속도가 달라 발생하는 시그날 왜곡(out-of-phase)현상을 말한다.=> 디지털이 취약

또한, 신호 전송 중 발생하는 다양한 noise들 중 crosstalk은 twisted Pair에서 주로 발생하는 noise로 두 구리선에서 전송되는 신호가 서로 결합하는 현상을 말하며, => 아날로그가 취약
intermodulation 은 같은 링크에서 전송되는 여러 개의 신호들 중 두 개 주파수의 합 혹은 차에 해당하는 주파수가 생성되어 다른 신호 전달을 방해하는 현상을 말한다. => 디지털이 더 취약
impulse도 디지털이 취약

디지털 신호는 아날로그 신호보다 감쇠에 더 민감하므로 주어진 거리에서 더 많은 중계기가 필요할 수 있습니다.
감쇄는 "미디어 길이" 및 "주파수"에 비례하며 매체에 따라 다릅니다.

repeater

신호 강도 증가
노이즈 제거 후 신호 재생성
디지털 신호에 사용

amplifier

신호 강도 증가
아날로그 신호에 사용

가이드 미디어 전송의 데이터 속도는 미디어 자체의 특성에 영향을 받습니다. 한편 무선매체의 성능은 주로 신호의 대역폭(BW)에 의해 결정된다.

전송 용량 = 데이터 속도(~1Mbps) < 신호 대역폭(1MHz)

데이터 속도는 "거리"와 "통신 방식(p2p, mp)에 따라 달라집니다.
미디어에 연결된 더 많은 수신기 -> 전송 중에 더 많은 감쇄가 포함됩니다.
전체 데이터 속도는 감쇠, 지연/감쇠 왜곡, (임펄스) 노이즈, 간섭(또는 누화), 거리, 공유 매체에 연결된 수신기 수 및 데이터가 통과하는 매체 자체의 신호 대역폭의 영향을 받을 수 있습니다. .

3개의 유선 미디어: TP(Twisted Pair), 동축 케이블(coax), 광섬유

주파수: TP < 동축 < 광섬유(높음)
BW(데이터 속도): TP < 동축 < 광섬유(추가)
감쇄: TP > 동축 > 광(낮음) --> 중계기 사이의 공간: TP < 동축 < 광(길음)
전송 거리: TP < coax < Optical(더 길다)

Guided transmission medium은 케이블 성질에 따라 상위 응용에게 제공되는 data rate 이 달라질 수 있는 반면, unguided transmission medium의 성능은 antenna에서 출력되는 signal 의 대역폭(bandwidth)에 더 의존적이다.

RX 에서 TP의 신호 전력 관계

P_t : TX에서의 신호 강도
P_r : RX에서의 신호 강도, TX와 RX 사이의 거리에 비례(거리가 길수록 P_r이 낮음)
P_c : TX 근처에서 RX에 유도된 누화 강도

삽입 손실(A_dB) = P_t/P_r

감쇄량
낮을수록 좋다
TX와 RX 사이의 주파수와 거리에 비례

NEXT 손실(NEXT_dB) = P_t/P_c

누화 거부 기능(P_c)
높을수록 좋다
주파수와 역수이며 TX와 RX 사이의 거리와 관련이 없습니다.

ACR(Attenuation-to-Crosstalk Ratio) next손실 - 삽입 손실

수신 신호 강도(P_r)가 누화(P_c)에 비해 얼마나 큰지.
이상적으로는 NEXT_dB > A_dB, 즉 P_r > P_c입니다. 그렇지 않으면 누화 제거가 필요합니다.

더 나은 통신은 더 낮은 삽입 손실(A_dB)과 더 높은 다음 손실(NextdB)을 의미합니다.

애플리케이션

TP: 전화선, 이더넷 , 가입자 루프(LAN)
동축: CATV, 이더넷 , 가입자루프(LAN), 장거리전화서비스(WAN), 해저케이블(WAN)
optical Fiber: Ethernet , 가입자 루프(LAN), 장거리 전화 서비스(WAN), 해저케이블(해저케이블)(WAN)

d. Twisted pair (TP)는 crosstalk이 발생할 수 있으며, 다양한 TP 케이블들 중 near-end crosstalk loss 값 (NEXT_dB)이 높고 Insertion loss 값 (A_dB)이 작은 것일수록 crosstalk이 적다.

f. 동일한 TP 케이블을 사용할 경우라도 전송하는 시그널의 주파수가 낮을수록 crosstalk 제거 성능이 더 좋다.

안테나

무지향성 안테나

radiates "uniformly in all direction in one plane (한 평면에서만 균등)"
종류) 다이폴 안테나
용도) 라디오 방송용 안테나, 휴대전화용 안테나, FM라디오, 워키토키, 무선컴퓨터네트워크, 무선전화기, GPS 등

지향성 안테나

특정 방향으로 더 큰 힘을 발산합니다.
종류) 파라볼라 안테나, 헬리컬 안테나, 혼 안테나
응용) 셀룰러 네트워크의 섹터 셀, 위성 TV, 두 개의 LAN 연결 등

안테나 길이와 파장에 관한 질문이다.
만일 통신에 사용되는 주파수 대역이 3GHz 인 경우 ,

안테나 길이는 2.5 cm 이다. % 단위에 주의 할 것!

% 안테나 길이는 신호 파장(wavelength)의 4 분의 1로 설치한다고 가정한다.
% 신호의 이동 속도는 3 x 108 m/s 로 가정한다.
신호파장은 신호주기(T) 와 신호속도(여기서는 3x10^8 m/s)의 곱, 즉 (1/freq) x (3x10^8 m/s) = (3x10^8 m/s)/(3x10^9 m/s) = 0.1m = 10 cm
따라서 안테나 길이는 10cm의 1/4 이므로 2.5 cm 이다.

세 가지 무선 전파 작업

(~ 2 MHz) : 지상파 전파 - 장거리, ex) AM
(2~30MHz) : 하늘파 전파 - 지구 곡률과 전리층 사이의 다중 홉, 예) 군사 통신, Amature 무선
(30MHz ~ ) : Radio LoS (Line-of-Sight) ex) broadcast radio, Microwave comm.(FM, UHF TV), Satellite communication / Optical LoS : 가시광선/적외선/자외선 (광무선통신)

Terrestrial microwave 통신에 사용되는 parabolic dish 안테나는 line-of-sight로 전송되므로 방해물이 없는 고지대에 설치되어 장거리 통신에 사용된다.

위성통신에서 uplink와 downlink의 주파수는 혼선(interference)를 방지하기 위해 다른 주파수 대역을 사용한다.

우리나라에도 위성통신을 이용한 해상긴급구조 서비스가 지원되고 있다.

Isotropic antenna는 이론적인 안테나로 실제로 사용되지는 않는다.

낮은 주파수를 사용하는 Radio LoS 전송방식이 Optical LoS 방식 보다 멀리 전파된다.

6장

serial communication: 단일 채널을 통해 비트 후 다른 것, 주요 관심사는 TX와 RX 사이의 클럭 동기화 이다.

asynchronous serial transmission : 클럭 동기화가 없습니다. L1에서 타이밍 정보(시작 비트 1개, 정지 비트 1~2개: 오버헤드)가 계층 2 프레임에 추가됨
synchronous serial transmission: 레이어 2는 클록 동기화를 유지하려는 레이어 1의 도움으로 "패킷 경계"(소위 프레이밍)를 찾는 데 집중할 수 있습니다(way1: 추가 와이어를 통해 별도의 클록 신호 사용, way2: 클록 전송 데이터 신호의 정보 --> 인코딩)

인코딩 대 프레이밍

인코딩 : TX에서 비트 스트림의 모든 비트를 올바르게 인식(예: Manchester Encoding 등).
프레이밍 : 정확한 패킷 경계 인식

Manchester encoding : 디지털 인코딩의 한 형태로, 송신측은 비트 중간에 전압변이를 만들어 전송하고 수신측은 전압변이 감지로 전달된 신호를 파악하여 전송 속도를 알아낼 수 있게 된다. 아래 두가지 방식이 있으며, 송/수신 사이 동기화가 간단하고 오류율이 적으나 대신 동일한 데이터 전송시 추가 대역폭이 필요하다.

- G.E. Thomas Convention (수업시간에 보여준 방식) : a bit value of “1” is a transition from high to low (하향천이) and a bit value of “0” is a transition from low to high (상향천이)

- IEEE 802.3 규칙 : "1"의 비트 값은 로우에서 하이로 의 전환( )이고 "0"의 비트 값은 하이에서 로우로의 전환( 손바닥천이 )입니다. 데이터 인코딩은 데이터와 클럭 신호 사이의 XOR을 사용하여 수행할 수 있습니다.

오버헤드(계층 3 PDU인 데이터 페이로드를 제외한 추가 비트) 및 효율성을 계산하는 방법은 무엇입니까? 오버헤드 비트/전체비트
비동기 및 동기 통신의 장단점을 말할 수 있습니까?

asynchronous transmission 방식은 작은 단위로 tx와 rx사이의 sync를 맞추므로 깨질 경우 다음 단위에서 바로 다시 맞출 수 있다는 장점이 있는 반면, 대용량 데이터를 전송할 경우 bit overhead가 크다.

synchronous transmission 방식은 전송하는 데이터의 앞뒤에 특정 bit pattern을 추가하여 송수신 사이의 frame을 인지하는 방식이므로 대용량 데이터 전송에 적합하여 LAN에 자주 쓰인다.

데이터 통신 시스템의 오류 검출 원리가 아닌 것은?
L2에는 패리티 검사 및 CRC가 있고(in nic 카드), L3(IPv4) 및 L4(TCP/UDP)에는 인터넷 체크섬이 있다.

데이터 링크 계층 또는 물리 계층에서 패리티 검사

홀수/짝수 패리티 검사는 (데이터 + 패리티)의 1이 홀수/짝수가 되도록 합니다.
단일(홀수/짝수) 패리티 검사는 짝수 비트 플립을 감지할 수 없지만 홀수 비트 오류는 감지할 수 있습니다.

2D 패리티 검사는 단일 비트 오류를 감지하고 수정할 수 있지만 100% 정확도는 아닙니다.
2D 패리티 검사는 한 행 또는 한 열에서만 짝수 비트 플립을 감지하고 수정할 수는 없습니다 .
2D 패리티 검사는 한 행 또는 한 열에서만 홀수 비트 플립을 감지하고 수정할 수 있습니다.
2D 패리티 검사는 사각형을 형성하는 짝수 비트 플립을 감지할 수 없습니다.
2D 패리티 검사는 사각형을 형성하는 홀수 비트 플립을 감지할 수 있습니다.

% 에러 감지는 했으나 수정을 못한다는 것은 정확히 어느 비트가 flip되었는지 측정할 수 없기 때문임.

L3(IPv4 전용) 또는 L4(TCP 및 UDP)에 의한 인터넷 체크섬

인터넷 체크섬 방식을 채택한 경우 데이터가 5AD3 EE35인 경우 소스에서 어떤 메시지를 보낼까요?
목적지에서 수신한 메시지가 59D3 EF35 B6F6이면 메시지가 수락됩니까?
16비트 떨어진 두 비트가 서로 교환된 형상의 에러 (ex. ....0..... 1 .... at TX ---> .......1.....0.... at RX) 혹은 (16-bit alignment한 후) 서로 더해지는 어떤 한 row 16비트 가 다른 row의 16비트와 통으로 뒤바뀐 형상의 에러는 감지 못함.

.ipv4,tcp,udp 모두 checksum 필드 길이는 16bit이다.

even parity check을 사용하는 시스템에서 tx가 보내고자 하는 data가 01010001이였다. 상대 RX가 받은 data+parity bit가 101000011이라면 에러가 없는 것으로 판단한다.2-dimensional parity check에서 짝수개의 비트가 flip된 경우에도 망가진 비트들이 직사각형 모양을 이루면 감지가 불가능하다.

L2 또는 L1에서 CRC(Cyclic Redundancy Check).

D(k) 및 F(nk)를 포함하는 T(n)에 대한 CRC(n, k), n = 실제로 전송된 비트 수, k = 원래 데이터 비트 수
CRC(n, k)는 FCS(Frame Check Sequence), F(n-k)를 계산하는 것입니다.
(idea) TX and RX share the same divisor, P ==> TX "computes F(n-k)" which makes T(n) divisible by P (만일 T(n)에 어떤 비트들이 flip되면 RX에서 P로 나눴을때 나눠떨어지지 않음. 그런 경우 error detected!) ==> RX detects errors by dividing T(n) by P(=공유값).
3가지 구현 방법: Modulo 2 산술, mod 2 연산을 사용하는 다항식, 디지털 논리

FCS보다 P가 1비트 많다.

항의 개수 4개 => 3개의 XOR gate

5bit FCS => 5개의 레지스터 필요 = p()의 최고차수는 5

다항식을 사용하여 k=10이고 P( )의 최고 차수가 6이라면 CRC를 사용할 때 실제로 TX에서 RX로 보낸 총 비트는 얼마입니까? (10비트 데이터) + (6비트 FCS) = 16비트

2가지 오류 수정 방법: BEC(retx) 및 FEC
BEC가 적합하지 않은 상황을 말할 수 있습니까?

위성 통신과 같이 긴 전파 지연을 포함하는 데이터 통신은 무선 통신과 같이 낮은 데이터 전송률을 제공합니다.
지연에 민감한 실시간 애플리케이션

FEC의 예는 해밍 코드 H(n, k) 입니다 . n = 코드워드 비트 수, k = 원래 데이터 비트 수

원래 데이터 속도가 얼마나 감소했는지 나타내는 코드 속도(= k/n) . 즉, 응용 프로그램이 코드 속도 = 1/2로 10Mbps를 구현하려는 경우 최소한 데이터 속도(10Mbps X 2) = 20Mbps인 링크가 필요합니다.
중복률은 (nk)/n: 중복률이 클수록 더 많은 BW가 필요함

#7-3 슬라이드 답
1. 전송 지연: 12마이크로초
2. 전파 지연: 0.33마이크로초
Flow control: RX에서 수신 버퍼 오버플로를 방지하기 위해 TX에서 전송 속도를 조정합니다.
흐름 제어는 다음에 의해 영향을 받습니다.

Transmission time : 데이터 전송률이 R = L 비트 / R bps 인 링크로 L 비트 프레임의 모든 비트가 전송되는 시간
Propagation time : TX에서 RX로 1비트가 이동하는 시간 = (TX와 RX 사이의 거리) / (링크 전파 속도) = d / V

< Stop-and-Wait Flow control >

TX는 한 프레임을 보낸 후 RX로부터 ACK를 받을 때까지 더 이상 프레임을 보낼 수 없습니다 --> 한 프레임 전송 중
Sliding window보다 비효율적이며 , 특히 프레임 크기가 작거나 주어진 메시지에서 프레임 수가 많을 때 .
사용률 = (전송시간(프레임) / (총 동작시간, 즉 1주기), 1주기 =T_trans(프레임) + 2 x T_prop

< Sliding window Flow control >

어떻게 작동합니까? TX는 RX의 ACK 프레임을 기다리지 않고 W로 표시된 윈도우 크기의 제한에서 하나 이상의 프레임을 보낼 수 있습니다.

각 프레임의 헤더에서 전송되는 (k비트) sequence number가 필요합니다.

(예) k=3인 경우 프레임 번호는 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 0, 1, 2, 3, 4, ....
k = 3일 때 W는 8이 될 수 없습니다. 왜? 중복되니까

W = TX가 RX로부터 ACK를 받지 않고 보낼 수 있는 프레임 수. 단위: 프레임

W의 값은 수신자의 버퍼 크기를 고려하여 결정해야 함
W의 값은 k 비트 = 시퀀스 번호 필드의 비트 수와 관련됩니다.
실수 W <= 최대 시퀀스 번호 필드 크기가 k 비트일 때 W = (2^k - 1).

슬라이딩 윈도우는 RX에서 ACK를 기다리는 동안 추가 프레임을 보낼 수 있으므로 Stop-and-wait 프로토콜보다 효율적입니다.
창 크기에 따른 활용도 W

(사례 1) W >= (T_trans + 2 x T_prop) / T_trans --> 사용률이 100%임
(사례 2) W < (T_trans + 2 x T_prop) / T_trans --> 이용률 = ( W x T_trans ) / (T_trans + 2 x T_prop) x 100 < 100%

< 슬라이딩 윈도우 흐름 제어에 사용되는 두 개의 ACK >

RR5는 RX가 Frame4까지 잘 수신되었고 F5에 대한 준비가 되었음을 의미 합니다.
RNR5는 RX가 Frame4까지 잘 수신되었지만 F5에 대한 준비가 되지 않았음을 의미 합니다 . <-- 흐름 제어 전용

<Piggybacking : 전이중 연결에서 사용자 데이터와 ACK를 함께 전송하여 대역폭 절약 >

전이중 통신 시스템에서만 사용됩니다. (하나의 노드가 동시에 보내고 받을 수 있습니다.)
(case 1) sending (user DATA + new ACK) <-- 만일 작은 시간차로 RR4 를 보내야하면서 동시에 F5를 보내야 한다면, data seq. num=5, ACK seq num.=4 로 해더에 표기하고 payload에 IP 패킷을 넣은 frame 한 개만 RX에게 전송하면 됨.
(case 2) sending only (ACK) <-- 만일 TX가 RX에게 RR4를 보내야하는데 TX가 RX에게 보낼 IP 패킷이 없다면 RR4 라는 ACK frame 만 전송.
(case 3) sending (user DATA + repeated ACK) <-- (case1) 이후, 즉 만일 TX가 RX에게 마지막으로 RR4 프레임을 보낸 이후 보낼 IP 패킷이 있어 F6를 보내야할 경우라면, data seq. num=6, ACK seq num.=4 (case1과 동일한 값)로 해더에 표기하고 payload에 IP 패킷을 넣은 frame 한 개만 RX에게 전송하면 됨.

< 자동 반복 요청(ARQ) >

"잃어버린 프레임"을 감지하는 방법: TX에서 타임아웃, RX에서 순서가 맞지 않음(슬라이딩 윈도우를 사용하는 경우에만)
"reliable transmission"이란 무엇을 의미합니까? : 손실 없이 순차적으로 데이터 전송
ARQ는 BEC(Backward Error Correction), 즉 TX에 의한 재전송입니다.

Stop-and-wait ARQ < Stop-and-Wait Flow control >

양의 ACK(ACK0/ACK1), 부정적인 ACK 없음(그냥 안보내면 TX가 시간초과해서 알아서 재전송 해줌)
Q: ACK0/ACK1과 같은 대체 ACK가 필요한 이유는 무엇입니까? RX의 ACK가 손실되었을 때 TX가 보낸 중복 프레임을 구별하기 위해.

Go-back-N ARQ < Sliding window Flow control >

두 개의 ACK 프레임: RR, REJ,
Q: REJ5는 무엇을 의미합니까? : F5부터 다시보내
Send window size = 2^k - 1, 수신 창 크기 = 1, 여기서 k=시퀀스 번호 필드 크기
전송 버퍼에서 가장 오래된 unacked 프레임 에 한 번만 연결되고 TX 는 timeout 시 가장 오래된 unacked 프레임에서 다시 보냅니다 . 한편, i n HDLC TX는 RX가 순서대로 수신한 마지막 프레임의 시퀀스 번호를 확인하기 위해 RR을 RX로 보냅니다 .

Selective reject ARQ < Sliding window Flow control >

두 개의 ACK 프레임: RR, SREJ,
RX에서 더 많은 버퍼 공간이 필요 하고 윈도우 관리가 더 복잡하지만 GBN보다 재전송 오버헤드가 적음 --> GBN보다 위성 통신과 같은 긴 전파 연결에 더 적합함
Send window size = receive window size = (2^k ) / 2, 여기서 k=시퀀스 번호 필드 크기
송신 버퍼의 개별 프레임에 첨부된 타이머. 시간이 만료될 때마다 해당 프레임이 재전송됩니다. 한편, i n HDLC TX는 RX가 순서대로 수신한 마지막 프레임의 시퀀스 번호를 확인하기 위해 RR을 RX로 보냅니다.

<고수준 데이터 링크 제어(HDLC)>

serial communication은 한개의 line에 한번에 한 비트씩 전송하는 방식으로 HDLC라는 프로토콜에 의해 실행된다.

HDLC는 WAN의 지점 간 링크에 사용됩니다.
HDLC는 TCP와 마찬가지로 연결지향형 프로토콜이므로 링크 설정(데이터 전송) 및 링크 연결 해제 단계로 구성됩니다.
48비트 MAC 주소를 사용하는 이더넷과 달리 HDLC는 8비트 주소를 사용합니다.
HDLC에서 비트 스터핑이란 무엇이며 왜 필요한가요?
HDLC는 정보 프레임(I-프레임), 감시 프레임(S-프레임) 및 비번호 프레임(U-프레임)의 세 가지 유형의 프레임을 정의합니다.
HDLP는 IP 패킷을 전달하기 위해 어떤 프레임 유형을 사용합니까? I-프레임

.k bit data block을 n-bit codeword로 인코딩하는 hamming code를 사용하는 시스템에서 n의 크기가 증가할수록 error correction의 정확도는 높아지나 링크의 utilization은 떨어진다.

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