데이터통신 5주차 공부내용

MUX : 컴퓨터가 동시에 통신할 때(FDM, TDM, PSK, QAM)

Multiplexing : 다중화. 선 한개에 여러 신호 전송 (inpt-전화기, 컴퓨터를 연결하는 선을 모을 때 필요함. )

1. FDM : 주파수 분할 멀티플렉싱
2. TDM : 시간 분할 멀티플렉싱
3. WDM : 파장 분할 멀티 플렉싱

4byte -> 32bit -> 만들 수 있는 양의 정수 최대값 = 2^32

1. 충남대의 전화기/컴퓨터는 몇 대? (추론 능력)
정확한 정답이 있는 것이 아니라 논리적인 유추를 요구하셨습니다. 예를 들어, 교수가 약 1,000명, 직원이 약 2,000명이라고 가정하면 대략 3,000대의 전화기(또는 컴퓨터)가 있다고 추론할 수 있습니다. 이처럼 수천 대의 기기가 외부망(전화국 등)과 연결되어 동시에 통신하려면 선 하나를 여러 채널로 나누는 다중화 기술이 필수적이라는 점을 설명하셨습니다.

2. 충남대의 IP 주소는 몇 개? (네트워크 지식 기반 계산)

• 전제: 현재 사용하는 IPv4 주소는 총 4바이트(32비트)로 이루어져 있으며, 전 세계 전체 IP 개수는 이론상 232인 약 43억 개입니다.
• 힌트: 충남대가 사용하는 IP 대역은 168.188.x.x입니다. 즉, 전체 4바이트 중 앞의 2바이트는 고정되어 있고 뒤의 2바이트만 다르게 할당됩니다.
• 결론: 변동 가능한 뒤의 2바이트는 16비트이므로, 이를 통해 만들 수 있는 최댓값은 65,535개입니다. 따라서 충남대는 이론적으로 약 64K(약 6만 5천 개)의 IP 주소를 보유하고 있다는 결론이 나옵니다.

1. FDM (주파수 분할 다중화)

1-1 개념

여러 사람이 동시에 이야기 하는 것을 실어보내야 할 때
-> 사람목소리는 1개의 동일한 주파수라 섞임

==주파수를 나누는 기술, 아날로그 매체에서 여러개의 신호가 안섞이게 함==
여러 개의 신호를 각각의 반송 주파수에 실어보내는 변조기술

= 대역폭을 겹치지 않게 한다.
ex : KBS(102.1MHz), MBC(95.7MHz) 등 방송국마다 서로 다른 주파수 대역을 나누어 쓰기 때문에 신호 간섭 없이 원하는 방송을 들을 수 있는 것

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같은 주파수 범위에 있음 -> 반송 주파수에 실어 주파수 대역 이동(변조)
그 후 넓은 주파수 대역폭 안으로 나란히 합침. (굳이 원래의 낮은 주파수를 고집할 필요가 없음)

대역폭은 통신 매체가 제공할 수 있는 전체 주파수의 범위
채널은 그 거대한 대역폭을 여러 사용자가 나눠 쓰기 위해 쪼개어 할당한 개별적인 논리적 통신 경로 (도로의 개별 차선)

대역폭이 주어졌을 때 채널로 나눔

1-2 예제 : 아날로그 채널에서 디지털 전송

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1MHz 를 4개로 나눔
채널 하나의 파동이 250kHz인데 각각 1Mbps 전송률을 가짐
(1초에 250k번 흔들리고 그 안에 1M 를 다 처넣어야됨)

즉 파동 한번 쏠 때마다 1M/250k = 4 -> 4bit 씩 묶어서 보내야함
(전송률/파동) 따라서 16 QAM (2^4) 사용

350

1-3 예제 : 전화기 연결 문제

충남대에 전화기가 3600대 있을 때 다중화해서 케이블을 줄임
작은 단위를 FDM 으로 묶어서 큰 단위로 만들고, 케이블 한가닥에 수백개의 통화를 실어 보내는 것.

12개 채널 --- 4 kHz --- FDM --- 5 Group (48 kHz,12 voice channels)

5 Group (48 kHz,12 voice channels) 5개 --- FDM --- 240 kHz, 60 voice channels

10 supergroup 240 kHz, 60 voice channels 100개 --- FDM --- 2.52MHz 600 voice channels

세부과정

1단계: Group (그룹) 만들기

• 개별 음성 채널: 사람의 목소리 하나를 아날로그로 전송하는 데 필요한 기본 주파수 대역폭을 4 kHz로 잡습니다.
• 다중화(FDM): 이 개별 통화 채널 12개를 FDM(주파수 분할 다중화)으로 묶어서 '1개의 Group'을 만듭니다.
• 결과: 대역폭은 48 kHz (12채널 × 4 kHz)가 되며, 이 그룹 통로 하나로 12명의 통화를 동시에 실어 나를 수 있습니다.

2단계: Supergroup (슈퍼그룹) 만들기

• 다중화(FDM): 1단계에서 만들어진 48 kHz 대역폭의 Group 5개를 다시 FDM으로 합쳐서 더 큰 '1개의 Supergroup'으로 묶습니다.
• 결과: 대역폭은 240 kHz (5그룹 × 48 kHz)가 되며, 동시에 60명 (12채널 × 5그룹)이 통화할 수 있는 굵은 통로가 됩니다.

3단계: Mastergroup (마스터그룹) 만들기

• 다중화(FDM): 이번에는 240 kHz 대역폭을 가진 Supergroup 10개를 한 번 더 FDM으로 묶어 거대한 덩어리로 만듭니다.
• 결과: 총 600명 (60채널 × 10슈퍼그룹)의 통화를 동시에 처리할 수 있게 됩니다.
• 💡 2.52MHz가 된 이유: 이론상 대역폭은 2.4 MHz (10슈퍼그룹 × 240 kHz)가 되어야 하지만, 전송 중 옆 채널의 신호가 넘어와 혼선이 일어나는 것을 막기 위해 채널 덩어리들 사이에 빈 공간인 '보호 대역(Guard Band)'을 추가하기 때문에 최종적으로 2.52 MHz라는 거대한 대역폭을 차지하게 됩니다

1-4 예제 : 휴대폰 연결 문제

• 문제
• FDM을 이용하는 1개의 휴대폰(AMPS) 기지국에서 몇 명의 단말기를 동시에
통화가능하게 하는가?
• 가정
• 사람목소리 주파수: 3KHz
• 휴대폰 1개는 FM으로 변조를 하여 30KHz로 만든다.
• 기지국 하향 주파수: 824 - 849 MHz
• 기지국 상향 주파수: 869 - 894 MHz
• 제어 채널: 43개 사용

전화는 양방향 : 상향 대역(25MHz)에서 30kHz 크기의 차선 하나, 그리고 하향 대역(25MHz)에서 30kHz 크기의 차선 하나를 동시에 짝(Pair)을 지어 사용하게 되기 때문에 계산은 25MHz 에서 이루어짐

25MHz 주파수 대역 / 30KHz(휴대폰 하나) = 833.3 (채널 개수)
여기서 제어 채널 43개를 빼면 790개의 채널이 남게 됨.

즉 해당 기지국에서는 790명이 통화 할 수 있음

2. WDM

FDM 의 변형. 빛의 파장별로 나누는 방식.
광케이블에서 빨 파 초 등 다른 파장으로 동시 전송함.

3. TDM : 시간 분할 다중화

input bit duration = 1/입력속도
output bit duration = 1/출력속도
output bit rate = 채널 수 * 입력 속도
output frame rate = 출력속도 / 프레임 bit 수
frame duration = 1/frame rate

duration = 1개당 걸리는 시간(초) = 1 / rate

-1초에 1MBps = 1/1Mbps = 1ms

rate = 1초에 몇 개 = 1/duration

FDM이 같은 시간 다른 주파수라면 TDM 은 같은 주파수, 서로 다른 시간 슬롯 (디지털에 유용)
디지털 기술, 시간을 전송 단말기에 나눠주는 것
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A B C D E A B ... 순서로 돌아가면서 각 채널을 시간 슬롯에 넣어서 보낸다.

MUX -> 단일링크 -> DEMUX -> conversation

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3개 채널에서 각 1Kbps
T초마다 1슬롯씩 가져오고, 프레임 하나에 채널을 3/T씩 나눠넣음
(slot = 채널 1개가 쓰는 시간 조각)

질문

1. T초 (입력에서 T초마다 1개 가져옴)
2. T/3초 (T초 안에 3개를 보내야 함. 1개당 쓸 수 있는 시간임)
3. T초 : 프레임이 T초마다 나와서
4. 1/T (frame/초) : T초에 프레임 1개 (duration 역수)
5. 3Kbps : 입력 3개 * 1Kbps

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1. 1/1Mbps
2. 1/4Mbps
3. 4 * 1Mbps
4. 4Mbps/4bits = 1M frames/s

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1. 4채널 100bytes 8bit

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1. 400 Kbps
2. 프레임 1개 = 4채널 * 2bit

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Rate 가 커피줄 수록 채널도 크다

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나이퀴스트써서 2 4000 8bit 해서 64 Kbps 구하고
거기에 채널 수 24개 TDM 으로 묶기 위해 24를 곱하고 오버헤드 더하면 T1이 나옴
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Cable

동축 케이블 (Coaxial Cable) -> TV, 이더넷에 사용
외피복 -> 편조 차폐막(추가 차폐) -> 포일 차폐막 -> 절연체 -> 구리선

5-데이터통신-cable-공개 강의 자료와 교수님의 실제 수업 녹취록을 종합해 보면, 교수님께서는 단순히 케이블의 종류(UTP, 동축케이블 등)를 기계적으로 암기하는 것을 원하지 않으십니다.

대신 "우리가 쓰는 인터넷이 눈에 보이지 않는 마법이 아니라, 철저하게 물리적인 선(해저 케이블 등)과 전파에 의해 연결되어 있으며, 이 물리적 제약이 현실 세계(자연재해, 금융, 법적 규제)에 어떤 영향을 미치는가?"를 이해하는 데 엄청난 강조를 두셨습니다.

시험이나 전체적인 이해를 위해 반드시 챙겨야 할 교수님의 핵심 강조 포인트 3가지를 정리해 드립니다.

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1. 5ms 지연 시간의 경제적 가치: 하이버니아 익스프레스 (Hibernia Express)

교수님께서 수업 시간에 질문까지 던져가며 가장 길고 중요하게 설명하신 에피소드입니다.

• 상황: 미국 뉴욕과 영국 런던 사이(대서양)에 기존 해저 케이블이 멀쩡히 있는데도 불구하고, 수천억 원을 들여 무려 4,600km 길이의 새로운 해저 케이블을 깔았습니다.
• 이유 (교수님 강조 질문): "왜 수천억을 들여 새로 깔았을까?" 그 이유는 지연 시간(Latency)을 고작 5ms(0.005초) 단축하기 위해서입니다.
• 핵심 정답: 뉴욕의 월스트리트와 런던의 증권 거래소(선물 거래)에서 다른 경쟁자보다 단 5ms라도 먼저 정보를 받고 주식을 사고팔기 위해서입니다.
• 시사점: 통신에서 지연 시간(Delay/Latency)을 줄이는 것이 단순한 속도 향상을 넘어 얼마나 엄청난 금전적 가치를 지니는지 공학자로서 이해해야 한다는 점을 강조하셨습니다.

2. 인터넷의 물리적 취약성: 해저 케이블과 자연재해

인터넷 트래픽이 위성이 아닌 바다 밑의 '해저 광케이블'을 통해 대륙 간 이동을 한다는 물리적 현실을 강조하셨습니다.

• 지진과 트래픽 저하: 2011년 일본 지진이나 2006년 대만 지진 당시의 실제 데이터 그래프를 보여주시며, 지진으로 인해 해저 케이블이 끊어지자 일본 전체 인터넷 트래픽의 약 10%가 갑자기 뚝 떨어지는 현상을 설명하셨습니다.
• 우회 경로 (라우팅): 이렇게 물리적인 선이 끊어지면, 인터넷은 마비되는 것이 아니라 홍콩 등을 거쳐 다른 길(Detoured Route)로 우회해서 데이터를 전달하도록 설계되어 있다는 점도 언급하셨습니다.
• 국내 사례: 2018년 KT 아현국사 지하 통신구 화재 사건을 언급하시며, 물리적 케이블 하나가 불타면 그 지역의 카드 결제, 통신망이 완전히 마비되는 현실을 짚어주셨습니다.

3. 무선 통신(전파)의 특징과 정부 규제 (파워 제한)

유선(케이블)을 넘어 무선 매체를 설명하실 때, 무선 통신망을 지배하는 '파워(출력) 제한'의 원리를 매우 강조하셨습니다.

• 주파수는 국가 재산: 이동통신(LTE, 5G) 기지국은 정부로부터 수조 원을 주고 주파수를 사서 쓰기 때문에, 출력을 강하게 쏴서 수 킬로미터(km) 밖까지 신호를 보낼 수 있습니다.
• 와이파이/블루투스는 왜 좁을까?: 반면 우리가 집에서 쓰는 와이파이나 블루투스(2.4GHz 등)는 무료로 누구나 쓸 수 있게 개방되어 있습니다.
• 교수님 강조 포인트: "누구나 무료로 쓰는 대신, 다른 사람의 통신에 간섭(혼선)을 주지 않도록 신호의 세기(Power)를 엄청나게 작게 제한해 두었다." 만약 개인이 임의로 파워를 증폭시켜 10km씩 날아가게 개조하면 전파법 위반으로 잡혀간다고 농담을 섞어 강조하셨습니다.

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💡 요약 및 시험 대비 팁: 해당 파트를 공부하실 때는 UTP 케이블 가닥 수 같은 단순 암기보다는, "광케이블은 파장(빛의 색깔)을 이용하고, 해저 케이블 단절은 국가적 트래픽 저하를 부르며, 5ms의 지연 시간 단축은 금융 거래에서 수천억의 가치를 지니고, 무선 와이파이는 전파 간섭을 막기 위해 법적으로 송신 파워를 제한한다"는 교수님의 스토리텔링과 물리적 인과관계를 중심으로 복습하시기 바랍니다. 족보에서도 이러한 교수님의 농담이나 예시가 그대로 문제화된다고 언급되어 있으니 이 에피소드들을 꼭 챙겨두세요!