[CISA 이론 정리 - 4장] 05 통신 관리 및 기기

1. 통신 제어

(1) 신호 품질 저하(Signal degradation)

감쇠(Attenuation)

• 전송 매체를 따라 전파되면서 신호의 진폭이 절감하는 현상

• 고주파 신호가 저주파 신호보다 감쇠가 크게 발생한다.

• 증폭기(Amplifier)나 재생기(repeater)를 사용하여 완화한다.

※ 증폭기: 아나로그 신호를 강화하며 잡음을 제거하지는 않다,

※ 재생기: 디지털 신호를 강화하며 잡음을 제거한다.

지연 왜곡(Delay distortion)

• 유선 금속 매체의 경우 중심 부분이 전송 속도가 더 빠르다.

• 여러 주파수가 동시에 전송될 때 발생한다.

• 주파수 요소마다 전파 속도가 서로 달라서 발생한다.

잡음(Noise)

• 매체 주변의 외부 신호가 전송 신호의 해석을 방해하는 현상

• 열 잡음(Thermal Noise): 전송 매체 내의 열에 의한 잡음

• 누화(Crosstalk): 인접한 전송 매체간 신호의 섞임 현상

• 변조 잡음(Modulation Noise): 주파수간 상호 간섭이 원인

• 충격 잡음(Impulse Noise): 번개 등 충격에 의한 데이터 유실

(2) 오류 대응 접근법

후위 오류 제어(Backward Error Control)

• 자동 재전송 요청(ARQ: Automatic Repetition reQuest) 기법

• 오류를 검출하면 송신 측에 피드백하여 재전송을 요청한다.

• Feedback error control이라고도 한다.

전위 오류 제어(Forward Error Control)

• 수신 측에서 수신 메시지의 오류를 직접 수정한다.

• 재전송으로 인한 통신 트래픽 발생을 줄일 수 있다.

• 해밍 코드 등으로 오류 검출과 정정을 수신 측에서 수행한다.

(3) 오류 검출 기법

패리티 검사(Parity Check)

• 바이트 단위의 비트 열 안에 오류가 발생했는지를 검사한다.

• 1의 개수를 홀수 또는 짝수가 되도록 여분의 비트를 부가한다.

• 수평 패리티 검사 방식과 수직 패리티 검사 방식이 있다.

블록 섬 검사(Block Sum Check)

• 수평 패리티 검사와 수직 패리티 검사를 병행한다.

• 패리티 검사는 바이트 당 1회 오류가 발생했을 때만 검출한다.

• 블록 섬 검사는 거의 대부분의 오류를 검출한다.

체크 섬(Check Sum)

• 일정 크기의 데이터의 합을 일정 수로 나눈 나머지를 사용한다.

• 계산이 단순하고 크기가 작아 효율적이다.

• 체크 섬 역시 모든 종류의 오류를 검출하지는 못한다.

순환 잉여 검사(CRC: Cyclic Redundancy Check)

• 프레임 꼬리에 체크 디지트 셋을 추가해 다발성 오류를 검출한다.

• 배타적 논리합(Exclusive OR) 연산을 사용해 신속하게 계산한다.

• FCS(Frame Check Sequence)라고도 한다.

암호학적 해시 값(Cryptographic Hash Value)

• 암호학의 해시 함수를사용하여 메시지 다이제스트를 계산한다.

• 데이터 무결성에 대한 가장 강력한 보증을 제공한다.

• 암호학적 체크 섬이라고도 부른다.

※ 중복 검사(Redundancy Check): 전송 메시지로부터 계산하여 얻은 부가적인 데이터를 메시지와 함께 전송하여 전송 중에 오류가 있는지 검사하는 기법들을 총칭한다.

※ 체크 섬은 종종 전송 오류 검출 기법 전체를 가리키는 광의적 표현으로도 사용된다.

(4) 오류 정정 기법

해밍 코드(Hamming Code)

• 미국 벨 연구소의 해밍이 개발한다.

• 데이터 오류 검출과 정정이 모두 가능한 대표적 기법이다.

• 정보 속도(Information rate) 및 해밍 거리라는 개념을 사용한다.

2. 통신 장비

(1) 기본 장비

재생기/허브(Repeater/Hub)

• 신호를 강화/재송신하여 전송 거리를 연장한다.

• 아주 작은 규모의 네트워크를 구성하는 데 사용할 수도 있다.

• 사용 중인 포트 수가 늘어나면 전송 속도가 느려진다.

• ISO/OSI 모델의 물리적 계층에서 작동한다.

※ 더미 허브: 허브에 연결된 모든 포트로 브로드캐스팅한다.

※ 스위칭 허브: 점대점 전송 기능이 있는 허브

브리지(Bridge)

• 2개 이상의 LAN을 연결하여 하나의 망으로 만들어 준다.

• (반대로) 하나의 망을 두 개의 영역으로 분리한다.

• 네트워크의 물리적 주소(=MAC 주소)를 사용한다.

• 소프트웨어 기반이며 사용도가 매우 낮다.

• ISO/OSI 모델의 데이터 링크 계층 이하에서 작동한다.

스위치(Switch)

• 기본 기능/특성은 브리지와 동일하지만 하드웨어 기반이다.

• 포트 수가 허브나 브리지보다 많으며 속도가 줄어들지 않는다.

• 일반적으로 스위치란 L2(=데이터 링크 계층) 스위치이다.

※ L3 스위치: L2 스위치에 라우팅 기능 추가

※ L4 스위치: 트래픽 상황에 기반한 로드 밸런서 기능 추가

※ L7 스위치: 콘텐트에 기반한 로드 밸런서 기능 추가. 콘텐츠(서비스) 스위치, 웹 스위치, 응용 스위치라고도 한다.

※ 벤더들은 마케팅 목적으로 스위치를 매우 넓은 의미로 사용한다.

※ 다기능 스위치를 사용하면 망의 복잡성과 구축비용이 낮아진다.

라우터(Router)

• 복수의 이질적 망을 연결하고 중개 경로를 결정한다.

• 특정한 망을 LAN, WAN, 인터넷과 연결해 준다.

• 라우터의 가장 큰 특징은 인터넷과의 연결해 주는 것이다.

• 네트워크의 논리적 주소(= IP 주소)를 사용한다.

• ISO/OSI 모델의 네트워크 계층 이하에서 작동한다.

※ 브라우터(Brouter): 브리지와 라우터의 기능을 통합한 장비

게이트웨이(Gateway)

• 다양한 종류의 망과 메인프레임 간에 프로토콜을 변환한다.

• ISO/OSI 모델의 전체 계층(응용 계층 이하)에서 작동한다.

(2) 기타 장비

모뎀(MoDem)

• PSTN(공중교환전화망)을 통한 컴퓨터 통신을 가능하게 한다.

• 디지털 신호를 아나로그 신호로 변환/역변환하는 장치이다.

클러스터 제어기(Cluster Controller)

• 여러 통신 단말기들을 제어하는 장비

• 수신 메시지를 버퍼에 저장하였다가 각 단말기에 전달한다.

다중화/집중화기(Multiplexor/Concentrator)

• 물리적 회선을 논리적 회선으로 분할 또는 결합하는 장치

• 다중화기: 하나의 고속 회선을 여러 저속 회선들로 분할한다.

• 집중화기: 여러 저속 회선들을 하나의 고속 회선으로 결합한다.

• 데이터 다중화 방법에는 TDM(시분할 다중화), ATDM(비동기적 TDM), FDM(주파수 분할 다중화), 통계적 다중화가 있다.

전위 통신 처리기(Front End Processor)

• 메인 컴퓨터와 여러 통신 회선들을 연결하는 장비

• 통신 기능을 전담하여 메인 컴퓨터의 부하를 완화한다.

• 포맷 변환, 메시지 처리, 오류 진단/로깅/수정 등을 수행한다.

프로토콜 변환기(Protocol Converter)

• 복수의 장비들 간의 이질적 프로토콜들을 상호 변환해 주는 장비로서 상호운용성을 향상한다.

• 예) 비동기 전송과 동기 전송 간 프로토콜 변환

(3) 장비 간 속도 차이 조절

스풀(Spool)

• 데이터를 버퍼에 임시 저장했다가 주변 장치에 전달한다.

• Simultaneous peripheral operations on line의 약자

버퍼(Buffer)

• 스풀 데이터를 임시 저장하는 고속의 보조 기억 장치

• CPU와 주변 장치의 속도 차이를 완충하는 대안이다.

3. 통신 네트워크의 유형

(1) LAN 토폴로지

① LAN의 개념적 아키텍처는 다음과 같은 유형이 있다.

버스/선형(Bus/Linear)

• 장치들이 버스(백본 역할을 하는 전송 매체)에 파생적으로 연결된다.

• 장점) 구축과 사용이용이하며 케이블이 적게 필요한다.

• 단점) 백본에 문제가 있으면 전체가 마비되며 문제 파악이 어렵다.

• 예) 이더넷(Ethernet): CSMA/CD 방식으로 충돌을 사후 대응한다.

※ 충돌(Collision): 사용 중인 버스에 신호를 전송하면 유실되는 현상

※ CSMA/CD: Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect

링(Ring)

• 장치들이 물리적 또는 논리적으로 원형인 매체를 따라 연결된다.

• 장점) 감쇠 현상이 적고 장거리 연결과 확장이 가능하다.

• 단점) 특정 장치나 구간이 고장 나면 전체가 마비된다.

• 예 1) 토큰 링: 토큰을 사용하여 충돌을 방지하는 CSMA/CA 방식

• 예 2) FDDI: 광섬유로 백본을 이중화한 링형의 LAN 표준

※ CSMA/CA: Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance

※ FDDI: Fiber Distributed Data Interface

스타(Star)

• 장치들이 중앙 컴퓨터(=허브)에 연결되며 이를 통해 통신한다.

• 장점) 특정 노드의 문제가 다른 노드에 영향을 주지 않는다.

• 단점) 중앙 허브가 고장나면 전체가 마비된다.

트리(Tree)

• 버스 형의 백본을 따라 스타 형의 하위 망들이 연결된다.

• 장점) 관리하기 쉬운 하위 망들로 구성된 대형 망 구축에 적합하다.

• 단점) 백본이 고장 나면 전체가 마비된다.

완전연결(Mesh)

• 각각의 장치가 다른 장치들 모두 또는 일부와 연결된다.

• 장점) 중복성(Redundancy)으로 인해 가용성이 증가한다.

• 단점) 구조가 복잡하고 설치가 어려우며 비용이 많이 소요된다.

(2) 일반적인 네트워크 유형 구분법

PAN(Personal Area Network)

• 개인의 컴퓨터, 프린터, 스캐너, 모바일 기기를 연결한 망

• 무선이나 USB 케이블로 연결할 수 있으며 piconet이라고도 한다.

• 보통 10m 이내의 규모이지만 최대 100m까지도 확장할 수 있다.

LAN(Local Area Network)

• 가정, 사무실, 캠퍼스 규모에서 연결한 데이터 전송률이 높은 망

• 대표적인 LAN 표준으로는 이더넷, 토큰 링, FDDI가 있다.

※ SAN(Storage Area Network): 저장 기능에 특화된 LAN

※ VLAN(Virtual LAN): 물리적으로 연결된 하나인 LAN을 논리적으로 분할하여 통신 트래픽의 전달 범위를 제한한 LAN

MAN(Metropolitan Area Network)

• 도시나 지방 규모의 WAN을 가리키는 표현

※ 데이터 전송률: LAN ＜ WAN ＜ MAN

• 대표적 MAN 표준은 DQDB(Distributed Queue Dual Bus)이다.

WAN(Wide Area Network)

• 도시, 지방, 국가, 대륙 등을 연결하는 대규모 통신망으로서 WAN의 아키텍처에는 다양한 형태의 아키텍처가 혼재되어 있다.

• WAN은 LAN들과 기타 유형의 네트워크들을 연결하는 데 사용되는데 가장 큰 규모의 WAN은 인터넷이다.

• 많은 WAN은 특정 조직을 위해 구축되는 사설 네트워크이다.

• 하지만 ISP(인터넷 서비스 제공자)가 구축한 WAN은 타 조직의 LAN을 인터넷에 연결시켜 준다.

※ 무선(Wireless) 기술/장비를 이용하여 구축한 네트워크를 각각 WPAN, WLAN, WMAN, WWAN이라 한다.

(3) 네트워크 표준 및 프로토콜

① 네트워크 아키텍처의 표준화와 호환성은 LAN/WAN의 통합성, 효율성, 보안성, 확장성(scalability)을 촉진하며 인터넷과의 연결을 가능하게 한다.

② 이 밖에도 상호운용성(interoperability), 가용성(availability), 유연성(flexibility), 유지보수성(maintainability)을 향상하는 데 기여한다.