데이터 통신 시스템은 원활한 데이터 전송을 위해 다중화(Multiplexing, MUX)와 교환기술(Switchig Technology)를 사용한다.
패킷 전송의 개념과 다중화
다중화기(Multiplexer)는 n개의 입력 디바이스가 동시에 하나의 데이터링크를 상호 공유하도록 해주는 특별한 장치이다. 역다중화기(Demultiplexer)는 다중화기의 역과정을 수행한다.
다중화는 데이터링크의 효율성을 극대화하기 위해 다수의 디바이스가 단일 데이터링크를 공유해 전송하는 효율적인 데이터 전송 기술이다. 일반적으로 데이터통신 시스템은 다수의 디바이스로부터 나오는 데이터 신호를 하나의 전송링크로 전송되도록 하는 다중화 과정과 링크를 통해 수신된 신호를 출력 디바이스에 일치시키는 역다중화 과정을 포함한다.
다중화 기술의 종류
다중화 기술은 구현 방식에 따라 주파수 분할 다중화, 시분할 다중화, 통계적 시분할 다중화로 구분된다. 이중 시분할 다중화를 동기식 시분할 다중화, 통계적 시분할 다중화를, 비동기식 시분할 다중화로 구분하기도 한다.
주파수 분할 다중화
주파수 분할 다중화(Frequency Division Multiplexing)는 데이터링크(채널)의 주파수 대역폭을 몇 개의 작은 주파수 대역으로 나누어 각각 부채널(Sub Channel)로 재구성한 후 각 부채널을 여러 디바이스에 할당함으로써 각 디바이스로부터 나오는 신호를 동시에 전송하는 방식이다. 데이터링크의 대역폭을 나누어서 만든 부채널상의 신호는 서로 다른 주파수 대역으로 변조(Modulation)되어 전송된다. 수신지는 적절한 필터(Filter)를 통해 각 부채널의 신호를 구분한 후 각 부채널별로 복조(Demodulation)해 본래의 신호로 재구성한다.
부채널 간의 상호 간섭을 방지하기 위해 보호 대역(Guard Band)을 사용하는데 이는 대역폭을 낭비하는 결과를 가져와 채널 이용률을 낮추는 요인이 된다. 주파수 분할 다중화의 장점은 비교적 간단한 구조로 구현되므로 가격이 저렴하고 그 자체가 주파수 편이 변복조기 역할을 하므로 별도의 변조기나 복조기가 필요하지 않다.
시분할 다중화
시분할 다중화(Time Division Multiplexing)는 채널에 할당된 데이터 전송 허용시간을 일정한 시간 슬롯(Time Slot)으로 나누고 채널도 다시 부채널로 나누어 각 시간 슬롯을 부태널에 순차적으로 할당해 사용하는 방식이다. 시분할 다중화를 사용하는 각 부채널은 주기적으로 돌아오는 시간 슬롯을 이용해 자신의 데이터를 전송한다. 동기식 시분할 다중화(Stnchronous Time Division Multiplexing)라고도 한다.
각 단말기는 입출력 어댑터(I/O Channel Adapter)에 연결되는데 이러한 어댑터는 버퍼 역할을 수행하며 동시에 다중화기 단말기와 데이터를 주고받기 위해 필요한 제어 기능도 수행한다. 그래서 각 어댑터에는 단말기와 시분할 다중화기의 내부 동작 속도 차이를 보상하기 위한 버퍼 기억장치가 있다.
시분할 다중화기는 각 부채널을 차례로 스캔(Scan)하는 동작을 수행해 시간 슬롯을 각 부채널에 할당한다. 이때 부채널에 전송할 데이터가 없는 경우에도 시간 슬롯이 할당되는데, 이는 낭비되는 시간이다.
시분할 다중화는 구조가 비교적 간단해 구현이 용이하고 비용이 저렴하다는 장점이 있다. 또한 데이터 전송률의 조절이 가능하다. 단점으로는 시간 슬롯의 낭비를 들 수 있다.
통계적 시분할 다중화
통계적 시분할 다중화(Statistical TDM)는 시분할 다중화의 단점을 보완한 것으로, 동적으로 대역폭을 각각의 부채널에 할당하는 방식이다. 시분할 다중화는 시간 슬롯을 각 부채널에 무조건 할당하지만, 통계적 시분할 다중화는 데이터 전송을 하고자 하는 부채널에만 시간 슬롯을 할당하는 동적 할당 방식을 통해 대역폭의 낭비를 최소화한다. 단점은 회로가 복잡해지고 비용이 증가한다는 것이다. 비동기식 시분할 다중화(Asynchronous TDM)라고도 한다.
교환기술
데이터 전송을 원하는 디바이스들이 각각 서로 데이터 전송을 하려면 연결이 필요하다. 원거리에 위치한 모든 디바이스를 점 대 점으로 연결하는 것은 비효율적이므로 교환기술을 이용한다. 교환기술은 다수의 디바이스 상호 간에 최적의 연결성을 제공한다.
데이터통신 네트워크는 데이터를 전송하는 데 사용되는 기술과 구조에 따라 교환 데이터 통신 네트워크(Switched Data Communication Network)와 방송 데이터통신 네트워크(Broadcast Data Communication Network)로 구분된다. 교환 데이터통신 네트워크는 다시 회선교환 네트워크, 메시지교환 네트워크, 패킷교환 네트워크 등으로 구분되며, 방송 데이터통신 네트워크는 패킷 라디오 네트워크, 위성통신 네트워크, 지역 네트워크 등으로 구분된다.
회선교환
회선교환(Circuit Switching)은 두 지점 사이에 데이터통신이 이루어지기 전에 먼저 전용 전송로(Dedicated Transmission Path)를 설정하는 방식이다. 전용 전송로는 데이터링크들로 구성되며, 이 전송로를 회선(circuit)이라 한다. 회선교환 방식의 예는 전화 네트워크 시스템이다.
회선교환 방식은 회선을 할당받아 사용하기 때문에 안정적이고 실시간 데이터 서비스가 가능하다. 그러나 연결이 설정된 회선은 데이터가 전송되지 않을 때도 다른 사용자가 사용할 수 없으므로 효율성이 떨어진다. 전화, 센서, 원격측정 등과 같이 비교적 데이터 흐름이 연속적인 경우에 널리 사용된다.
메시지교환
메시지교환(Message Switching)은 데이터의 논리적 단위를 교환하는 방식이다. 두 스테이션 사이에 전용 전송로를 설정할 필요가 없으며, 메시지에 수신지 주소를 첨부해 전송한다. 메시지는 노드에서 노드로 네트워크를 통해 전송되는데 각 노드에서는 메시지를 수신하면 잠시 저장해 그 다음 노드로 보낸다. 이를 축적 후 전달(Store and Forward)이라고 한다.
메시지 교환 방식은 메시지를 축정한 후 전송하기 때문에 전송로를 효율적으로 이용할 수 있어 회선교환 방식보다 적은 비용으로 네트워크 설계가 가능하다. 상대 스테이션이 다른 스테이션과 데이터교환 중이거나 고장 등의 이유로 메시지를 수신할 수 없을 때도 메시지를 수신했다가 수신 가능한 상태일 때 전송할 수 있다. 데이터 전송량이 폭주할 때도 축적 기능을 이용해 교환 네트워크의 혼란 상태를 피할 수 있다. 동일한 내용의 메시지를 동시에 다수의 스테이션으로 보내는 방송 형태의 전송이 가능하다. 필요에 따라 우선순위 전송이 가능하다. 메시지 분실을 방지하기 위해 번호를 부여하거나 전송 날짜, 시간 등을 추가로 전송할 수 있다. 코드의 속도가 서로 다른 단말기끼리도 메시지교환이 가능하다.
패킷교환
패킷교환(Packet Switching)은 메시지교환 방식과 회선교환 방식의 장점을 결합하고 단점을 최소화 한 방식이다. 패킷이란 소화물을 뜻하는 패키지(package)와 덩어리를 뜻하는 버킷(bucket)의 합성어로, 데이터 전송 시 정해진 크기와 형식에 맞도록 구성한 데이터 블록을 말한다. 분할된 각각의 패킷에는 번호가 붙고 수신지 주소가 기록되며, 오류검출 비트도 포함된다. 메시지교환 방식과 매우 유사하나 데이터 길이에 제한요소가 추가된 셈이다.
패킷교환은 패킷 형태로 만들어진 데이터를 패킷교환기가 수신지 주소에 따라 적절한 경로를 선택해 전송하게 하는 방식이다. 노드가 교환기의 역할을 수행하는 점에서 메시지교환 방식과 비슷하나, 메시지교환 방식처럼 노드가 메시지를 축적하지 않는다. 따라서 빠른 응답시간이 요구되는 응용에도 사용할 수 있다.
패킷교환 방식은 패킷 스트림을 어떻게 처리하느냐에 따라 데이터그램 패킷교환 방식과 가상회선 패킷교환 방식으로 구분된다. 데이터그램 패킷교환은 패킷 스트림을 독립적으로 처리하는 방식으로, 연결설정 단계가 불필요하고 혼잡을 피해 경로 구성을 할 수 있는 융통성이 커진다. 가상회선 패킷교환은 논리적 연결설정(Logical Connection)을 하는 방식으로, 에러제어와 흐름제어가 가능해 신뢰성이 높아진다.
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