이전 글에도 작성되어 있지만, 네트워크 모델은 여러 모듈로 분리하여 모듈화를 합니다.
이번 글은 네트워크 모델의 계층 중 가장 낮은 계층인 물리 계층에 대해 살펴봅니다.
물리층 통신은 비트(bit) 단위로 이루어집니다.
또한 데이터 흐름(0과 1)은 전자기 신호 형태로 변환되어야 합니다.
데이터는 크게 두 가지로 분류됩니다.
연속적인 값을 가지는 아날로그 데이터와
이산적인 값을 가지는 디지털 데이터가 있습니다.
이 데이터를 표현하는 신호(signal)도 두 가지가 있습니다.
마찬가지로,
연속적인 파형을 가지는 아날로그 신호와
이산적인 파형을 가지는 디지털 신호가 있습니다.
아날로그 신호나 디지털 신호에 상관없이,
신호의 파형에 따라 나뉘는 특성들도 있습니다.
신호에서 특정한 패턴(cycle)이 존재하는 경우, 이를 주기 신호라고 합니다.
그렇지 않은 경우 비주기 신호라고 합니다.
1. 아날로그 신호
아날로그 신호는 연속적인 값을 가지는 신호입니다.
자연에서 수집한 신호들은 모두 아날로그 신호입니다. (소리, 빛, 아날로그 시계, 아날로그 체온계 등)
아날로그 신호는 신호가 하나인 경우도 있지만, 신호가 합쳐지는 경우도 있습니다.
단일 신호를 정현파라고 하며, 정현파들이 합쳐지면 아날로그 복합 신호라고 합니다.
1-1. 정현파 (Sinusoidal wave)
정편하는 더 이상 단순한 신호로 나눌 수 없는 아날로그 신호이며,
주기적인 아날로그 신호의 기본 형태입니다.
그래프를 확인하기 위해서는 용어 정리가 필요합니다.
- 진폭: 파형의 높이를 나타내는 것, 신호의 세기를 표현
- 주기: 신호가 한 사이클을 완성하는 데 걸리는 시간 (단위: 초(s))
- 주파수: 1초 동안 반복되는 신호의 사이클 수 (단위: Hz)
- 위상: 특정 시각에 대한 파형의 상대적인 위치 (각도나 라디안으로 표현)
- 파장: 신호가 한 주기를 지나는 동안 이동한 거리 (동일한 위상을 가지는 두 지점 사이의 거리)
주기와 주파수는 역의 관계를 가집니다. 또한 파장은 전파 속도(파동)와 연관이 있습니다.
(참고: https://blog.spareone.io/23, 주파수는 진동수라고도 하며, 전파 속도는 c로 표현)
시간 영역은 사인 함수로 표현할 수 있으며,
주파수 영역은 델타 함수로 표현할 수 있습니다.
델타 함수로 표현하게 되면 최대 진폭과 주파수를 한번에 확인할 수 있습니다.
위 두 개를 변환(사인 함수 <-> 델타 함수)할 경우 퓨리에 변환을 이용하게 됩니다.
$$ X(t) = \mathbb{F}(x(t)) = \int_{-\infty }^{\infty }x(t)e^{-j2\pi ft} $$
1-2. 아날로그 복합 신호
정현파들의 합을 아날로그 복합 신호라고 합니다.
데이터 통신을 하기 위해서는 복합 신호가 필요합니다.
복합된 신호는 퓨리에 해석을 통해 단순 정현파들로 신호를 분리(주파수 영역 분해)할 수 있습니다.
만약 복합된 신호가 주기를 가지고 있다면, 퓨리에 급수를 통해 사인 및 코사인 함수들의 합으로 분리할 수 있습니다.
신호의 최고 주파수와 최저 주파수의 차이를 대역폭(bandwidth)라 합니다.
복합 신호의 주파수 영역 분해를 통해 대역폭을 알 수 있습니다.
2. 디지털 신호
디지털 신호는 디지털 데이터를 전송하기 위해 설계된 신호입니다.
1초 동안 전송된 비트의 수를 비트율이라고 하며, 아날로그의 주파수와 대응하는 개념입니다.
또한 이것도 마찬가지로 아날로그의 파장에 대응되는 개념이 있는데, 이것을 비트 길이라고 합니다.
이것도 마찬가지로 주기적 / 비주기적 신호가 존재합니다.
하지만 세상은 딱딱 정해진 부분이 잘 없기 때문에 대부분 비주기적인 신호의 형태를 띄며,
이로 인해 주파수 대역을 확정할 수 없는 경우가 많습니다.
문제는 이 신호를 전송 매체를 통해 전달할 때인데,
전송매체는 당연히 각 매체마다 최대로 처리할 수 있는 대역폭이 정해져 있습니다.
전송 매체가 처리할 수 있는 대역폭보다 신호의 대역폭이 크면 신호의 손실이 발생할 수 밖에 없습니다.
신호의 일부 주파수를 전송매체가 통과시킬 수 없기 때문입니다.
디지털 신호는 임의로 만든 신호이기 때문에 바로 전송할 수 없습니다.
즉, 디지털 신호일지라도 전송은 아날로그 신호로 바꾸어서 해야 하며
이 신호를 다시 디지털 신호로 바꾸어 전송받게 됩니다.
그렇다면 이 디지털 신호들은 어떤 방식으로 전송해야 하는가?
크게 두 가지가 있습니다.
2-1. 기저대역(baseband) 전송
디지털 신호를 다른 주파수로 변환하지 않고, 디지털 신호와 비슷한 아날로그 신호를 특정 채널을 통해 그대로 전송하는 방식입니다.
여기서 사용되는 특정 채널을 저대역-통과 채널(low-pass channel)이라고 하며, 주파수가 0부터 시작하는 대역폭을 가집니다.
대역폭의 크기에 따라 넓은 대역과 좁은 대역으로 나눌 수 있습니다.
넓은 대역은 주로 신호의 모양을 유지해야 하는 경우에 사용됩니다. (전용 회선, 동축 케이블, 광섬유 등)
좁은 대역에서는 디지털 신호와 비슷하게 생긴 아날로그 신호를 사용합니다.
물론 한없이 좁아지면 안 되고... N 비트율에 대해서 N/2의 최소 요구 대역폭을 가집니다. 이것보다 좁으면 왜곡이 발생할 수 있습니다.
2-2. 광대역(broadband) 전송
아까도 작성한 내용이지만, 대부분의 신호가 비주기적인 형태를 띄고 있어서 주파수 대역을 확정할 수 없습니다.
하지만 모든 대역을 싹 다 담아서 전송할 수 있는 전송 매체는 이 세상에 없습니다.
따라서 신호를 전송하려면 특정 주파수 영역으로 변조시킨 후 채널을 통해 전송해야 합니다.
이 때 사용되는 채널을 특정 대역 통과 채널이라고 합니다.
디지털 신호를 특정 대역의 아날로그 신호로 변환하는 과정을 변조(modulation)이라고 하며,
반대의 과정을 복조(demodulation)라고 합니다.
이렇게 하면 대역폭을 나누어 사용할 수 있습니다.
3. 전송 장애
신호가 온전히 수신자에게 전송되면 좋겠지만, 안타깝게도 이럴 수는 없습니다.
전송 매체를 통해 신호가 전달될 때에 생기는 장애들이 존재합니다.
3-1. 감쇠 (attenuation)
신호의 에너지가 저항이나 주변 환경으로 인해 감소되는 것을 말합니다.
전송 매체의 길이가 길어질수록 신호의 세기는 약해질 수 밖에 없습니다.
이 문제를 극복하기 위해 중간에 증폭기(amplifier)를 설치하여 신호의 세기를 강제로 증폭시킵니다.
하지만 강제로 증폭하는 만큼 신호에 섞인 잡음도 증폭되는 부작용이 있습니다.
신호의 세기는 데시벨[dB]이라고 하는 단위를 통해 나타냅니다.
주로 음악이나 소리의 세기를 통해 이 단위를 접했을 가능성이 있는데,
소리도 일종의 신호이기 때문에 단위가 같은 것입니다.
데시벨은 아래의 수식을 통해 연산합니다.
$$ 10log_{10}\frac{P_{2}}{P_{1}} $$
음수가 나오면 감쇠, 양수가 나오면 증폭입니다.
\( 1dB = 10log_{10}\frac{P_{2}}{P_{1}} \) 라고 했을 때,
\( P_{2} = 2P_{1} \) 라고 한다면 (신호 크기가 2배)
\( 10log_{10}\frac{2P_{1}}{P_{1}} = 10log_{10}2 \approx 10\times 0.3=3dB \) 가 됩니다.
즉, 3dB는 신호 크기가 기존 대비 2배정도 큰 것입니다.
3-2. 왜곡 (distortion)
신호의 모양이나 형태가 변하는 것을 왜곡이라고 합니다.
위상이나 주파수가 전혀 다른 모양으로 변하게 됩니다.
3-3. 잡음
신호의 전송 과정에서 원하지 않는 신호가 섞여 들어오는 것을 말합니다.
평균 잡음 전력에 대한 평균 신호 전력의 비율을 신호 대 잡음 비(SNR, Signal to Noise Ratio)라고 합니다.
SNR = average signal power / average noise power
SNR은 주로 dB로 나타냅니다.
$$ SNR_{db} = 10log_{10}SNR $$
4. 데이터 전송률 한계
전송 매체를 통해 매초 몇 비트의 데이터를 전송하는지 나타낸 지표를 데이터 전송률이라고 합니다.
데이터 전송률의 한계를 나타낸 것이 최대 데이터 전송률이며, 아래 세 가지의 요소에 의해 결정됩니다.
- 사용 가능한 신호 준위
- 가용 대역폭
- 채널의 품질 (잡음의 정도)
4-1. 나이퀴스트 비트율 (Nyquist bitrate)
무잡음 채널에서의 이론적인 최대 데이터 전송률을 말합니다.
아래 수식으로 구할 수 있으며, L은 신호 준위의 개수입니다.
L을 늘리면 나이퀴스트 비트율은 증가하나, 시스템의 신뢰도가 떨어질 수 있습니다.
$$ Bitrate = 2 \times bandwitdh \times log_2L $$
4-2. 섀넌 용량 (Shannon Capacity)
잡음 채널에서의 이론적인 최대 데이터 전송률을 말합니다.
주로 채널 용량(Channel Capacity)으로 주로 언급되며, 전송 매체(채널)의 특성만을 고려한 데이터 전송률입니다.
$$ Capacity = bandwidth \times log_{2}(1+SNR) $$
5. 네트워크 성능
네트워크의 성능을 결정하는 요인은 크게 세 가지가 있습니다.
5-1. 대역폭
Hz 단위의 대역폭과
비트율 (bps) 단위의 대역폭이 있습니다. (근데 이건 원래 대역폭은 아닙니다.)
5-2. 처리율
네트워크가 실제로 전송할 수 있는 데이터 속도입니다.
5-3. 지연
출발하고 도착하기까지의 시간(전파 시간 + 전송 시간 + 큐 시간)을 의미하는데, 용어에 차이가 있습니다.
- 전파 시간: 발신지에서 목적지까지의 소요 시간
- 전송 시간: 첫번째 비트가 송신지를 떠난 시간 ~ 마지막 비트가 수신지에 도착할 때까지의 시간
- 큐 시간: 중계 장치들이 메시지를 처리하기 전에 잠시 가지고 있는 시간
'데이터통신' 카테고리의 다른 글
| [데이터 통신] 물리 계층 - 아날로그 전송 (0) | 2025.04.22 |
|---|---|
| [데이터 통신] 물리 계층 - 디지털 전송 (0) | 2025.04.22 |
| [데이터 통신] 네트워크 모델 (0) | 2025.04.18 |
| [데이터 통신] 데이터 통신과 네트워크 (0) | 2025.04.17 |
댓글