컴퓨터 네트워크(2023.9.26)

<Date rate와 Singal rate>
- data rate : the number of data elements(bits) sent in 1s[bps] = bit rate
- signal rate : the number of signal elements sent in 1s[baud] = baud rate
- 주파수 대역폭(width)이 넓어질수록 데이터 전송속도가 떨어지고, 주파수 대역폭이 좁아질수록 데이터 전송속도가 빨라진다
- BW 는 1/bit rate에 비례
- Goal : increasing the data rate while decreasing the signal rate
- Digital data bit(pulse shape)를 전송하기 위해서는 이상적으로는 무한대의 통신 채널 대역폭이 필요하다
  -> 현시적으로 불가능. 즉, 항상 통신 채널 대역폭으로 한정되어 있다




<통신 시스템에서의 3가지 중요 동기(Synchronization)> -> 송수신기 사이에 동기(synchronization), system clock 가 맞아야 한다
1. carrier synchronization 
  - 주로 모뎀에서 사용
2. bit synchronization 
  - 송수신기간의 system clock과 bit가 맞아야한다
3. frame synchronization  
  - 소켓단위로 데이터를 전송할 때 패킷의 처음 시작하는 부분(header)을 확인




<Block Coding>
- Coding
  1. Channel Coding : 데이터를 송신기에서 수신기로 보내면 에러가 발생하는데 수신기가 error detection(에러 발견을 알아냄, 저속) 또는 error correction(에러 위치를 알아냄, 고속)를 시행 
  2. Source Coding : JPeg, NPeg와 같이 파일을 가지고 압축을 하는 것(용량을 줄임)

- Block Coding : block 단위로 code bit를 데이터 중간중간 추가하여 Channel Coding하는 것




<Block coding concept>
- Division of a stream into m-bit groups -> mB-to-nB substitution(Encoding) -> Combining n-bit groups into a stream
  - message(m bits) + code bits(n-m bits) => codeword(n bits) //기본적으로 block 단위로 처리
  - 2^m possible messages                   => 2^n possible codewords 
- code bits가 많을 수록 여러 error 검출이 가능
Q. m비트로 만들 수 있는 메시지의 갯수 = 2^m




<Pulse Code Modulation(PCM)>
- to change an analog signal to digital data(digitalization) is called pulse code modulation(PCM)

- A PCM encoder has three processes
  1. Sampling : 시간영역에서 Analog신호를 등간격으로 Sampling
  2. Quantizing(양자화) : Sampling한 값을 Mapping 시켜준다
  3. Encoding : 디지털 코드워드(Code Word)를 붙여준다, Sample 하나 당 세 비트
 - 1/Ts = fs, fs >= 2fn(샘플링 주파수(fs)는 신호주파수(fn)보다 최소한 2배이상 높아야한다)
   1) Nyquist rate sampling : fs = 2f(신호주파수를 2배)
   2) Oversampling : fs = 4f(신호주파수를 4배)
   3) Undersampling : fs = f (x)




<Components of a PCM decoder(수신기)>
Digital data(하나의 Sample을 3bit씩) -> Connect samples -> Low-pass filter(스무딩하게 만들어준다) 




<Delta Modulation(DM)>
- PCM보다 간단하지만 PCM은 하나의 Sample을 3bit씩 변환해주는데 DM은 1bit씩만 변환한다 -> 데이터 전송량이 1/8로 줄어든다
- DM finds the change from the previous sample 
- 기준값(디지털신호)을 설정하여 기준값보다 아날로그 신호가 더 크면 1을 생성(Generated binary data) 아니면 0을 생성
  결국 Generated binary data를 보내준다(ex. 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1)




<Analog Transmission>
- 'digital transmission(디지털 전송)' is desirable, it needs a 'low-pass channel(통신채널이 낮아야한다)'
- analog transmission is the only choice if we have a bandpass channel
- 'Converting digital' data to a 'bandpass analog' signal is traditionally called digital-to-analog conversion
  - digital signal을 bandpass channel을 보내기 위해서는 Modulation해야한다
- 'Converting' a 'low-pass analog singal to a 'bandpass analog' signal is traditionally called analog-to-analog conversion
- Modulation
  - Carrier Signal(반송파 신호) = 정보가 없는 주기적인(Periodic) Waveform
  - Modulation signal(Digital Data) = 정보가 있는 Signal




<Digital-to-Analog Conversion>
1. Amplitude shift keying(ASK)
2. Frequency shift keying(FSK)
3. Phase shift keying(PSK) : 위성을 바꾼다
4. Quadrature amplitude modulation(QAM)




<Multiplexing>
- 여러개의 신호를 하나의 link로 통일하여 동시에 전송
- 개인의 link를 통신채널 link 하나로 구성하여 데이터 전송속도를 higher-bandwidth links로 바꾼다
Q. Multiplexing에 대해서 설명하라
- 여러개의 신호를 하나의 link로 통일하여 동시에 전송

- 송신기에서 n개의 Input lines이 존재(MUX) -> 1 link(논리적 개념), n channels(logical 개념) =Multiplexing -> n Output lines(DEMUX)
*MUX : Multiplexer
*DEMUX : Demultiplexer

- Multiplexing의 종류
  1. Frequency-division multiplexing
  - 하나의 링크로 되어있는 bandwidth를 여러개로 잘라서 전달(modulate를 해야한다)
  - 여러개의 통신채널을 하나로 만들고 Guard band를 구현한다
    주파수를 multiplexing하기전에 moudulation을 하고 MUX할 때 3개의 filter로 demultiplexing한다
    각각의 채널에 채널신호가 수신이된다.
    변조기, 모뎀, 수신기의 filter가 필요하다
*Guard band : to prevent signals from overlapping

  2. Wavelength-division multiplexing
  3. Time-division multiplexing☆
  - 하나의 링크를 시간을 나누어 사용한다
  - 송신기쪽에서 4개의 체널이 있을 때, frame을 통해 time slot를 전달한다
  - 한 frame에서 time slot이 3개라면 한 time slot 당 시간이 T/3으로 줄어든다
  - TDM is a digital multiplexing technique for combing several low-rate channels into one high-rate channel
*multiplexing을 할 때 하나의 frame에 4개의 통신채널을 보내야한다고 한다면 하나의 frame을 4개로 보낸다 
 [ 1 | 2 | 3 | 4 ]에서 []는 frame이고 1,2,3,4는 time slot이라고 한다

- 문제
Int the previous figure, the data rate for each input connection is 1kbps. If 1 bit at a time is multiplexed(a unit is 1 bit), 
what is the duration(폭, 시간축) of
1. each input slot, = 1ms
2. each output slot, and = 1/3ms
3. each frame? = 1ms




<Interleaving>
- 번갈아가면서 보내는 것
- 연속적인 버스트에러를 랜덤에러로 변환할 때 사용하는 기술
- 입력되는 비트를 연속적으롭 ㅗ내지 않고 특정 패턴으로 순서를 바꿔 전송한다
Q.인터리빙의 동작 원리를 설명하라




<Digital hierarchy(디지털 계층구조)>
- 64kbps의 통신채널을 24개로 묶어서 MUX한 것, Rate(Mbps) : 1,544  : T1
- T1 line 1,544Mbps = 24*64kbps + 8kbps over head(protocol을 위해 head가 붙는다)




<Wavelength-Division Multiplexing> - 광통신에서 사용하는 용어
- high-data-rate capability of fiber-opic cable
- FDM과 원리가 같지만 빛으로 보낸다는 다른점이있다





<Transmission media> - 전송매체
- physical layer : 물리적으로 데이터를 전송

- Classes of transmission media
  1. Guided(wired) : 유선
  1) Twisted-pair cable : LAN케이블
    - Twisiting makes it probable that both wires are equally affected by external influence
      between the two, receives no wanted signals. The unwanted signals are mostly cancelled out
      전자파가 작용할 때 양 전극체가 0V가 되기 때문에 잡음이 없어진다

   a) UTP(Unshilded twisted pair)
  - Plastic cover
  - ex) LAN port(RJ-45 Plug), 전화선 플러그(RJ-9)
   
   b) STP(Shielded twisted pair)
  - Plastic cover + Metal shield = 밖의 전자파가 Metal shield를 뚫고 들어오지 못한다

Q. Twisted pair cabel의 장점 : 전자파가 작용할 때 양 전극체가 0V가 되기 때문에 잡음이 없어진다

  2) Coaxial cable : 동축케이블(영상과 같은 대역폭이 넓은 데이터를 전송할 때 사용)
  - 케이블중에서 가장 주파수 대역폭이 넓은 통신매체(higher frequency ranges than those in twisted pair cable)
  - 동축케이블 구성 : Plastic Cover > Insulator > Outer conductor(shield), 외부전자파를 막아준다 > Insulator(절연선) > Inner conductor(신호선)
 
  3) Fiber-optic cable : 광케이블
- made of glass or plastic
- If a ray of light traveling through one substance suddenly enters another substance(of a different density),
  the ray changes direction
- 굴절률과 관련

  - 광케이블 종류
    a) Multimode
      - Step index
        - 반사가 급격히 일어나서 퍼짐이 많다(very high distortion)
      
      - Graded index
        - 빛이 스무딩하게 꺾여서 step index보다는 파형이 좋다

    b) Single mode
      - 거의 신호 변화가 없이 수신

- 광케이블의 장/단점
  - 장점
    - Higher bandwidth : 데이터 전송 속도가 높다
    - Less signal attenuation(no repeater necessary within 50km distance) : 신호의 감쇠가 높다
    - Immunity to electromagnetic interference : 전자파의 간섭에 보안
    - Light weight : 가벼움
    - Greater immunity to tapping 

 - 단점
    - Difficult installation & maintenance : 유지보수하기 어려움
    - Unidirectional light propagation(two wire necessary) : 양방향 통신이 불가능
    - expensive : 비용이 비싸다

  2. Unguided(wireless)
  1) Radio wave : 전파신호(고자파통신)
  2) Microwave : 전파신호(고주파통신)
  3) Infrared : TV 리모콘(저속, 제어용도로 사용)




<Propagation methods> -전파가 전달되는 방법
- lonosphere
  1) Ground propagation(below 2MHz)
  2) Sky propagation(2-30MHz)
  3) Line-of-sight propagation(above 30MHz)





<Infrared> - 적외선
- 단거리 통신
- 빛을 통과하지 못한다




<Transmission modes>
1. Parallel(병렬통신)
- 송수신기간에 한번에 여러 비트를 전송할 수 있다
- 한 번에 8bit씩 전송, 비용이 커진다

2. Serial(직렬통신)
- 한 번에 보낼 때 8bit씩 보내는데 converter가 있어서 순서대로 한 비트씩 보낸다
- 장점 : 선이 한가닥만 있어도 된다
- 단점 : 느리다

  1. Asynchronous transmission(비동기 방식) 
  - UART방식 모드(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)
  - 보통 8bit단위 전송, frame 단위로 전송
  - 1(Stop bit, header) 1 1 1 1 0 1 1 1(Data) 0(Start bit, trailer) -> Stop bit, Start bit는 overhead(8bit를 보내기위한 부수적) -> 보내는건 10bit, 데이터는 8bit
  - 아무때나 보내고싶을 때 보내기 때문에 비트동기는 맞추지만 frame동기는 일정하지 않다 -> 비동기방식
  - 사이의 시간에는 손해를 보게된다

  2. Synchronous transmission(비동기 방식)
  - 장점 : 데이터 전송 효율이 떨어진다, 좀 더 빠르게 보낼 수 있다
  - 단점 : 편하다

  3. Isochronous transmission
  - 직렬로 데이터를 보내기는 하지만 frame을 아무때나 일정한 시간내에 보낸다 -> 규정시간이 존재
  - Time dependent
  - Jitter가 허용
  - Refers to process where data must be delivered within certain time constriant
  - ex) streaming video