1. Physical Layer - 아날로그·디지털 신호와 프로토콜

> Physical Layer에서는 신호(signal)를 전송함 ![[Physical Layer - Figure 2.2 Comparison of analog and digital signals.png]] ## 1. ==아날로그 신호== > 통신에 사용되는 아날로그 신호는 주로 주기적(periodic)임, sine wave ![[Physical Layer - Figure 2.3 A sine wave.png|center|550]] **아날로그 신호의 3요소** - ==**Frequency(f)**==: **1초에 몇 번 반복되었는지**, 헤르츠(Hz)로 표현됨, 5GHz면 1초에 $5*10^9$ 번을 떠는거임 - Period(T): 주기 혹은 cycle, 시간으로 표현됨 - f = 1/T - ==**Phase**==: **0으로부터의 상대적인 포지션**(offset) - Peak ==**Amplitude**==: **진폭**, 최고 강도의 절댓값(그림에서 볼 수 있듯이 **가운데 지점부터 측정해야 함**) **그 외 요소들** - Wavelength: 한 파형의 길이, 파장 - wavelength을 λ으로, propagation speed를 c로, frequency를 f로, period를 T로 나타내면 $λ = c/f = c*T$ - Composite Signal: 많은 sine wave로 구성된 복합적 신호 - ==**Bandwidth**==: **대역폭**(수도관 같은 개념, 넓을수록 많은 데이터를 보낼 수 있음), 복합 신호에 포함된 주파수의 범위 - 해당 신호에 포함된 최고 주파수 - 최저 주파수 ## 2. 디지털 신호 > 대부분의 디지털 신호는 주기적이지 않음(nonperiodic) ![[Physical Layer - Figure 2.5 Two digital signals, one with two and one with four bit-levels - 10 -.png|center|600]] **펄스 형태의 디지털 신호** - 2개 이상의 level로 신호를 구분할 수 있음(신호에 몇 비트를 담을 지에 따라 달라짐, 1비트면 2개 2비트면 4개~) - ==**레벨을 늘리면 대역폭과 전송 속도가 증가할 수 있지만, 레벨 간의 간격이 좁아지면서 오류가 생길 가능성이 높아진다**==(노이즈나 왜곡에 더 민감하게 작용할 수 있음) - 따라서 신호를 안정적으로 유지하기 위해서는 적절한 레벨을 선택해야 한다 **Bit Rate 계산 (단위: bps)** - 1초에 보낼 수 있는 bits의 수 - nonperiodic한 특성 때문에 아날로그 신호의 frequency 대신 쓰이는 속성 - **Example 2.3** - 1초에 "100페이지 * 24문장 * 80문자 * 8비트(글자 1바이트 = 8비트)" 의 데이터를 다운 받음 - = 1,536,000 bps - = 1.536 Mbps (1Mbps = 10^6bps) ![[Physical Layer - Example 2.3.png|center|500]] **Bit Length 계산** - 전송 매체에서 비트가 차지하는 거리, bit length = 1 / bit rate - 아날로그 신호의 wavelength랑 비슷한 개념 - 한 비트 보내는데 몇 초 걸리는지 계산한 논리적 개념 - **Example 2.4** - Bit Rate 역수 ![[Physical Layer - Example 2.4.png|center|500]] **통신 환경에 따른 디지털 신호 transmission 방법** - Baseband transmission(디지털 신호 그대로 보내기, 기기 안/낮은 주파수) - Broadband transmission(아날로그 신호로 변형해서 보내기, 기기 밖/높은 주파수) ## 3. 신호가 변형되는 이유 3가지 ![[Physical Layer - Figure 2.6 Attenuation and amplification.png|center|450]] - **attenuation**: 감쇠, 진폭이 약해짐 - **amplifier**를 통해 주변 노이즈보다 신호를 증폭해서 중계해줌으로써 해결함, 상대적임(dB값) - **distortion**: 왜곡, 신호의 형태가 변화된 것 - 서로 다른 주파수로 구성된 복합 신호에서 발생할 수 있음 - ==**noise**==: 환경적인 요소, 노이즈 - **==SNR==(Signal-to-Noise Ratio) = (average signal power) / (average noise power)** - 신호와 잡음의 강도를 비교하여 시스템이 얼마나 잡음에 민감한지를 나타내는 지표 - 값이 클수록 신호가 잡음보다 강하다는 것을 의미함. 따라서 높은 SNR은 더 좋은 신호 품질을 나타냄 - ${SNR(dB)} = 10 \log_{10} \left(\frac{P_{\text{signal}}}{P_{\text{noise}}}\right)$ ![[Physical Layer - Example 2.5.png|center|500]] - **Example 2.5** - 신호의 세기가 P1에서 P2로 가면서 1/2가 되었음. 이 경우 감소량(attenuation)은? - $10 \log_{10}$은 일반적으로 전력의 비율을 데시벨(dB)로 변환하기 위해 사용되는 공식 ## 4. Data Rate > '채널을 통해 얼마나 빠르게 데이터를 전송할 수 있는가' 가 데이터 통신에서 가장 중요하게 고려할 부분임 **Date Rate의 3요소** - bandwidth, 대역폭 - level 수 - 채널 퀄리티, 노이즈의 수준 (interference, 간섭) ### ==Data Rate 계산 방법== **1. Nyquist Bit Rate, 노이즈가 없다고 가정** - 채널의 대역폭을 기반으로 한 **신호의 최대 전송률**을 나타내는 개념 - Nyquist의 비트률은 디지털 신호의 이론적인 최대 전송률을 나타내며, 디지털 신호가 채널을 통해 전송될 때 발생할 수 있는 최대 전송률을 제한함 - $R_{\text{Nyquist}} = 2*B* \log_2(L)$ - B는 대역폭, L은 레벨 수, $\log_2(L)$은 레벨을 얼마나 나눴는지를 의미함(db만 log 밑이 10임) ![[Physical Layer - Example 2.6.png|center|500]] - ==**Example 2.6 - 노이즈 없는 이상적인 상태에서 20kHz로 265kbps 속도를 내고 싶은데 얼마나 많은 레벨 수가 필요할까?**== - **레벨 구하기 공식** - $265000 = 2*20000*\log_2(L)$ → $\log_2(L) = 6.625$ → $L = 2^{6.625}$ → 98.7 - 98.7이면 반올림해서 99레벨이 필요함 - **레벨은 비트에 따라 2배씩 늘어나니까 $2^6 = 64$ 는 부족하고 $2^7 = 128$, 128개의 레벨이 필요함** - 이때 bps는 $2*20000*\log_2(128)=280000$ 이니까 kbps는 280임 - $\log_a(M) = x$ 에 대해서 $M = a^x$ - Hz도 $10^3$씩 곱해짐 (Hz - kHz - mHz) **2. Shannon Capacity, 노이즈 있는 채널의 경우** - 통신 채널이 전송할 수 있는 **최대 정보 전달률**을 나타내는 개념 - 통신 채널이 가질 수 있는 이론적인 한계를 나타냄 - $C = B * \log_2(1 + SNR)$ - ==**여기서 SNR은 SNRdB 값이 아님.**== SNRdB값으로 주어지면 SNR 값을 역으로 찾아야 함 - $3dB = 10\log_{10}(x)$ 에서 x 값을 찾아야 함. 이 경우 $x=2$ ![[Physical Layer - Example 2.7.png|center|500]] - **Example 2.7** - SNR이 거의 0에 가까운 환경에서는 대역폭에 관계없이 Capacity가 0임 - 노이즈가 너무 많아서 데이터를 온전하게 전송하기 힘든 환경임 ![[Physical Layer - Example 2.8.png|center|500]] - **Example 2.8** - 보통 전화선의 대역폭은 3,000Hz이고 SNR은 3,162임. 이때 Capacity를 계산하면 - $C = B * \log_2(1 + SNR) = 3000* \log_2(1 + 3162) = 34881$ ![[Physical Layer - Example 2.9.png|center|500]] - ==**Example 2.9 - 대역폭이 1Mhz이고 SNR이 63인 채널이 있을 때 적절한 bit rate와 signal level은 얼마일까?**== - 먼저 Shannon 공식을 통해 **최대 속도(upper limit)를 계산함** = 6Mbps - $C=B* \log_2(1 + SNR)=10^6*\log_2(64)=6Mbps$ - 더 나은 성능을 위해 4 Mbps로 보낸다고 했을 때, Nyquist 공식을 써서 레벨을 구할 수 있음 - $4Mbps = 2*1MHz*\log_2(L)$ → $\log_2(L)=2$ → $L=4$ - 4Mbps에 시그널 레벨은 4개로 나누면 되겠다. (한 신호에 두 비트) ## 5. 네트워크 성능 측정 지표 - **Bandwidth**: 대역폭 - 어떤 이더넷의 대역폭이 100Mbps라면, 네트워크가 초당 100 Mbps의 데이터를 전송할 수 있다는 것을 의미함 - **Throughput**: 처리량, 해당 레이어의 데이터를 보내는 속도(how fast) - ==**capacity와는 다른 개념**== - capacity: 네트워크가 이론적으로 전송할 수 있는 최대 데이터 양, 네트워크의 물리적인 특성에 의해 결정되며, 대역폭, 전송률 등의 요소에 의해 영향을 받음. - throughput: 처리량은 실제로 전송된 데이터의 양을 나타내며 이는 네트워크의 capacity과는 다를 수 있음, 네트워크의 용량이 100 Mbps라고 해도 네트워크가 혼잡하거나 패킷 손실이 많다면 실제로 전송되는 데이터의 양은 이보다 적을 수 있음. - **Latency(Delay)**: 지연 시간 - Latency = propagation delay(물리적 거리, 전송 매체에 따른 딜레이) + transmission delay(비트가 초당 얼만큼 빠져 나가는지, capacity delay, 물리 기기의 처리 능력과 관련 있음) + **queuing delay**(큐, 버퍼에 머무르는 시간, 가장 큰 변수) + processing delay(헤더 읽고 쓰기, 데이터 변환 등 모든 처리 시간) - **Jitter**: 데이터가 얼마나 일정하게 가는지 - 패킷이 발신측에서 수신측으로 전송되는 동안 발생하는 시간의 불규칙한 변화를 나타냄 - 지터가 높을수록 패킷의 도착 시간이 불규칙하게 변동하며, 낮을수록 패킷의 도착 시간이 일정함 ![[Physical Layer - Example 2.10.png|center|500]] - **Example 2.10** - 대역폭이 2배로 증가하면 데이터 전송 속도도 2배로 증가함 ## ==6. Conversion== ### Digital-to-Digital **Line Coding** ![[Physical Layer - Figure 2.8 Line coding and decoding.png|center|500]] - 라인 코딩은 데이터가 컴퓨터 메모리에 **비트 시퀀스로 저장된다고 가정**함 → 비트 시퀀스로 **펄스** 만들기 - 기기 내 통신처럼 근거리에서 에러가 거의 없을 때 쓰임 **Block Coding** - m비트의 블록을 n비트의 블록으로 변경함(여기서 n은 m보다 큼) → $mB/nB$ encoding 기법 - synchronization(데이터가 곧 간다는 걸 알려주는 데이터)과 에러 감지를 위해 **redundancy** 데이터가 필요함 - Block Coding 과정 1. **division**(쪼개기) 2. **substitution**(변환) 3. **combination**(버퍼에 redundancy 데이터 넣는 과정) - 무선 통신에 많이 쓰이는 방법 ### Analog-to-Digtal 간혹 카메라나 마이크 등을 통해 아날로그 데이터를 얻게 됨. 오늘 날에는 ==**디지털 신호가 노이즈에 덜 민감하기 때문에**== 아날로그 신호를 디지털 신호로 바꾸는 경향이 있음 **PCM(Pulse-Code Modulation)** ![[Physical Layer - Figure 2.9 Components of PCM encoder.png|center|550]] - ==**PCM 과정**== 1. **Sampling**: $T$ s(T초)마다 아날로그 신호를 샘플링함 2. **Quantizing**: 샘플링된 신호를 정량화, 양자화(quantizing) 함 → 모든 샘플이 펄스로 간주됨 3. **Encoding**: 양자화된 값 즉, 펄스가 비트 스트림으로 인코딩 됨 ![[Physical Layer - Example 2.13.png|center|400]] - **Example 2.13** - 샘플 당 8 bits라고 가정했을 때, 사람 목소리를 디지털화 하기 위한 Bit rate는 얼마인가? - Nyquist-Shannon Sampling Theorem - 모든 신호는 그 신호에 포함된 가장 높은 진동수의 2배에 해당하는 빈도로 일정한 간격으로 샘플링하면 원래 신호를 완벽하게 기록할 수 있다 - 가청 주파수 4000 * 2 = 8000 샘플/s → Bit rate = 8000 * 8bits = 64,000bps = 64kbps **DM(Delta Modulation)** ![[Physical Layer - Figure 2.10 The process of data modulation.png|center|500]] - PCM이 복잡해서 **==좀 더 단순한 변환 방법==**을 고안함 - 회로 구현이 간단하고, 연산량이 적기 때문에 저렴한 비용으로 구현할 수 있음 - PCM은 각 샘플의 절대적인 값(신호의 amplitude 값)으로 신호를 표현하고, DM은 **==각 샘플의 상대적인 변화량(이전 샘플 대비 변화량)==**으로 신호를 표현함 - PCM은 정확한 신호의 크기를 보존하는 반면, DM은 신호의 상대적인 변화를 감지함 ### Digtal-to-Analog 디지털 신호를 전송하는 것이 이상적이지만, 이는 낮은 주파수에서 시작하는 채널이 필요함 반면에 채널이 0에서 시작하지 않는 경우(즉, 대역 통과 bandpass 채널인 경우), 아날로그 전송만 가능함 **ASK(Amplitude Shift Keying)** ![[Physical Layer - Figure 2.11 Binary amplitude shift keying.png|center|500]] - 캐리어 신호의 **==진폭==**이 데이터를 나타내기 위해 변조됨 - $S$: **signal rate(보우드, baud), 초당 전송되는 심볼(신호)의 수** - $B$: 대역폭(bandwidth) - $r$: 한 번 변조(modulate)하는 데 사용되는 비트 수 - $d$: 변조 및 필터링 과정에 따라 결정되는 요소 (0과 1 사이의 값) - 만약 bandpass 채널이 있다면, 주파수 $f_c$ 를 선택하여 변조된 신호가 해당 대역폭을 차지하도록 할 수 있음 - $f_c$는 캐리어 주파수(carrier frequency)를 나타냄 - **문제점**: **거리에 따른 신호 강도의 감소에 취약함** - ASK는 신호의 진폭을 변갱해서 디지털 데이터를 전송함 - 그거리가 멀어질수록 전달되는 신호의 진폭이 감소하게 되는데, 이는 신호의 강도가 약해지는 것을 의미함 - ASK에서는 신호의 강도를 바탕으로 신호를 구별하기 때문에 거리가 멀어질수록 신호의 강도가 감소하면 신호를 제대로 구분하기 어려워짐 - 결과적으로, 신호의 변형이 발생할 수 있으며, 이는 통신 오류를 초래할 수 잇음 **FSK(Frequency Shift Keying)** ![[Physical Layer - Figure 2.12 Binary frequency shift keying.png|center|450]] - 캐리어 신호의 **==주파수==**가 데이터를 나타내기 위해 변조됨 - Binary FSK(BSFK)는 이미지처럼 두 가지 캐리어 주파수를 고려하여 이진 데이터를 전송하는 방법임 - 전송할 데이터를 두 가지 주파수로 표현함으로써 송수신기가 이해하기 쉬움 - 노이즈에 상대적으로 강하고 신호의 강도에 따라 변화하는 문제가 없음 - **다만 symbol이 증가할수록 주파수의 양도 늘어남** → 주파수도 효율적으로 관리해야 하는 자원임 **PSK(Phase Shift Keying)** ![[Physical Layer - Figure 2.13 Binary phase shift keying.png|center|450]] - 캐리어 신호의 **==Phase==**가 데이터를 나타내기 위해 변조됨 - **Binary PSK(BPSK)**에서는 각각 0°와 180°의 위상(Phase)을 갖는 두 신호가 사용됨 ### Analog-to-Analog e.g 라디오 통신 - 정부는 각 라디오 방송국에 좁은 대역폭을 할당한다 - 각 스테이션에서 생성되는 아날로그 신호는 모두 동일한 범위의 저역 통과 신호다 - 서로 다른 스테이션을 들을 수 있으려면 저역 신호를 각각 다른 범위로 전환해야 한다 **Amplitude Modulation (AM)** ![[Physical Layer - Figure 2.14 Amplitude modulatino.png|center|500]] - amplitude를 취해서 2개를 곱함 - Oscillator: 떠는 애.. **Frequency Modulation (FM)** ![[Physical Layer - Figure 2.15 Frequency modulation.png|center|500]] - frequency를 취해서 2개를 곱함 ## 7. 멀티플렉싱 ![[Physical Layer - Figure 2.17 Dividing a link into channels.png|center|500]] - 멀티 플렉싱(Multiplexing)이란 **==여러 신호의 동시 전송을 가능하게 하는 기술의 집합==** - 링크의 대역폭이 연결된 모든 장치의 대역폭 요구량보다 큰 경우, 해당 링크가 여러 장치 간에 공유될 수 있음 - 이더넷 스위치의 대역폭이 연결된 모든 장치의 대역폭 요구량보다 큰 경우, 스위치를 통해 여러 장치가 동시에 통신할 수 있음 - 멀티플렉싱된 시스템에서는 n개의 라인이 하나의 링크의 대역폭을 공유하고 있음 - 왼쪽의 링크는 전송 스트림을 **multiplexer**에 보내고 단일 스트림으로 결합함 - 수신 측에서 해당 스트림은 **demultiplexer**에 공급된 후에 스트림을 다시 쪼개서 각각의 전송에 해당하는 라인에 지시함 - DEMUX 통해서 본인 데이터만 가져감 **Frequency-division multiplexing (FDM)** ![[Physical Layer - Figure 2.18 Frequency-division multiplexing.png|center|500]] - 여러 신호를 동시에 전송하기 위해 **주파수를 분할**하여 사용하는 기술 - 전송되는 신호들의 결합된 대역폭보다 전송 링크의 대역폭이 큰 경우에 적용될 수 있음 (= 주파수 대역폭이 충분히 넓은 경우에 사용가능) - 채널을 중첩되지 않도록 분리하기 위해 사용되는 미사용 대역폭의 조각들인 **==가드 밴드(guard bands)==**를 통해 채널을 분리함 - 신호가 겹치지 않도록 하는데 도움이 됨 **Time-division multiplexing (TDM)** ![[Physical Layer - Figure 2.19 Time division multiplexing (TDM).png|center|500]] - 여러 연결이 하나의 통신 매체를 공유하면서 각 연결이 전체 대역폭을 독점하는 것처럼 보이도록 함 - 대역폭을 다 쓰지 않고(낭비하지 않고), 연결마다 시간을 나눠 씀 - 여러 연결이 **하나의 링크의 높은 대역폭을 공유할 수 있도록** 함 - 각 연결이 일정한 주기적인 시간 슬롯(time slot)을 할당받아 해당 시간 동안에만 전송을 수행함 ## 8. Transmission Media ==**transmission media(전송매체)**==는 physical 계층 아래에 위치하며 physical 계층에 의해 직접 제어됨 ![[Physical Layer - Figure 2.20 Transmission media and physical layer.png]] ### Guided Media - 유선 **Twisted-Pair Cable** ![[Physical Layer - Figure 2.21 Twisted-pair cable.png|center|450]] - 주로 구리로 이루어진 두개의 도체로 구성되며, 각각 플라스틱 절연체가 함께 꼬여있음 - UTP(Unshielded Twisted Pair): 플라스틱 커버가 있는 케이블 와이어 쌍 - STP(Shielded Twisted Pair): 플라스틱 커버 아래에 금속 실드가 있음, 외부 간섭을 막아서 신호가 좀 더 멀리감 - 선의 굵기가 가늘수록, 신호 감쇄량(attenuation)이 큼 - 고주파일수록, 신호 감쇄량이 큼 **Coaxial Cable** ![[Physical Layer - Figure 2.22 Coaxial cable.png|center|250]] - Twisted-Pair Cable 보다 높은 주파수 범위의 신호를 전송함 (성능 조금 더 굿) - 더 높은 주파수 범위 → 더 넓은 대역폭 확보 → 전송속도 빨라짐 - 절연 피복으로 둘러싸인 중앙 코어를 가지고 있음 **Fiber-Optic Cable(광섬유 케이블)** ![[Physical Layer - Figure 2.24 Optical fiber.png|center|500]] - 유리나 플라스틱으로 만들어져 빛의 형태로 신호를 전달함 - 빛의 굴절을 이용함 - 어떤 물질에서 진행하는 빛이 다른 물질로 들어가면 광선이 방향을 바꿈 ### Unguided Media - 무선 물리적 도체가 아니라 전자파를 이용함 신호는 일반적으로 자유 공간을 통해 방송되므로 이를 수신할 수 있는 장치가 있는 사람은 누구나 사용할 수 있음 ![[Physical Layer - Figure 2.25 Electromagnetic spectrum for wireless communication.png|center|500]] **Radio Waves(전파)** - radio waves와 microwaves 사이에는 명확한 구분이 없지만, 보통 3kHz에서 1GHz 사이의 주파수를 가진 전자기파를 radio wave라고 하며, 1GHz에서 300GHz 사이의 주파수를 가진 전파를 microwave라고 함 - radio wave는 대부분 전방향성(omnidirectional)임 → 전방향으로 신호가 다 터짐 - 장점: 송신 안테나와 수신 안테나의 매칭이 필요없다(정렬이 필요없음) - **단점: 간섭에 취약함** - 한 안테나가 송신하는 전파는 동일한 주파수 또는 대역을 사용하여 신호를 보낼 수 있는 다른 안테나에 의해 간섭을 받기 쉬움 **Microwaves** - microwave는 **단방향임(unidirectional)** - 근데 설계하기 나름. 와이파이는 양방향이자너 - 덕분에 간섭에 상대적으로 강함 - 안테나가 microwave를 송신할 때, 좁게 포커싱함 - radio wave와는 달리 매칭이 필요함 **Infrared(적외선)** - **근거리 통신**에는 300GHz ~ 400THz(1mm ~ 770nm 파장)의 주파수를 가진 적외선파를 사용할 수 있음 - 높은 주파수로 인해 벽을 통과 못 해서 상호 간의 간섭을 방지할 수 있음 - 근데 통신하는 입장에서는 답답할지도