Ch1-2) Access networks and physical media

Access networks

• 그럼, 1-1)에서 언급한 3가지 component중 2번에 대해서 자세히 알아보자.
• 위에서, end system( end node )와 외부 네트워크를 연결해주는 것이 이 physical media and Access networks라고 하였다. 그럼, 어떻게 연결해주는 것일까?
• (How to connect end systems to edge router?)

1. Residential access net

1. Cable-based access

1. Frequency division multiplexing (FDM) : 하나의 물리적 케이블에 여러 가정집에 전송할 데이터들이, 서로 “다른” 주파수 영역으로 합쳐져 이동하는 형태
   • 하나의 케이블로 여러가지 데이터를 운송할 수 있고, 서로의 간섭이 없어 안정적으로 데이터 제공 가능

 

• 그렇다면, 여러가지 데이터를 운송할 수 있는 이 케이블은 어떤 특징을 가지고 있을까?

가정집에 데이터를 운송하는 과정

 

 

• 하나의 케이블이 가정집에 데이터를 운송하고, 외부 네트워크와 연결되는 전체 과정을 살펴보자.
• 우선, ISP 라우터 (Internet Service Provider)가 외부 네트워크에서 온 데이터를 수신하여 고객의 네트워크로 전달하려 한다. 이 데이터는 cable headend로 이동한다.
• 케이블 헤드엔드란, 이 CMTS를 포함하고 있는 네트워크의 중앙 허브이다. TV 신호와 인터넷 데이터 등 다양한 데이터를 라우터에게서 받아 각 가정에 동축 케이블을 통해 분배한다.
  • 케이블 헤드엔드에 포함된 CMTS (cable modem termination system)는 주로 케이블 모뎀에서 나오는 인터넷 데이터들을 외부 ISP로 보내고, 가정의 케이블 모뎀으로 데이터를 보내는 역할을 한다. 또한, 트래픽을 관리하기도 한다.
• 이렇게 여러 종류의 데이터를 운송할 수 있는 케이블의 이름의 무엇일까?
• 바로 HFC : Hybrid fiber coax이다.
  • 광섬유 (fiber)와 동축케이블(coaxial)이 결합된 케이블이다.
    • 광섬유는 고속 데이터 전송을 맡고 있어, 주로 중앙 허브(케이블 헤드엔드)에서 네트워크의 주요 구간까지 연결된다.
    • 동축 케이블은 가정까지 데이터를 전달하는 부분으로, 여러 가정이 하나의 동축 케이블을 공유해 데이터를 전달받는다.
  • 하지만 데이터를 전송하는 속도는 비대칭적이다.
    • Downstream transmission rate : 40 Mbs - 1.2Gbs (데이터를 사용자에 보내는 과정)
    • Upstream transmission rate: 30- 100 Mbps (사용자가 데이터를 업로드)
  정리하자면 아래와 같다.
• 여러 가정이 하나의 케이블 네트워크를 공유하며, 각각의 가정은 같은 물리적 케이블을 통해 데이터를 주고받는다.
• 이 공유된 액세스 네트워크는 케이블 헤드엔드에 연결되며, 그 이후 데이터를 ISP 라우터를 통해 인터넷으로 전달한다.또한, DSL(Digital subcriber line) 방식으로도 Residential에 access할 수 있다.

DSL 방식

 

DSL 방식은 기존에 존재하던 전화선을 전송 매체로 이용하는 것이다. (구리선 사용 )

• Central office에서, DSLAM이라는 장치를 이용해서 DSL을 수집하고, 이를 ISP 네트워크로 전달한다.
• 이후, 음성신호와 데이터들은 Telephone network에서 서로 다른 frequency로 전송된다.
  • 기존의 구리선을 이용하고, 이는 Central office와 연결되는데, 이는 “해당 가정만을 위한 전용선”이다. 다른 사용자들과 중간에 공유되지 않는다.
• 이후 Splitter이라는 장비에서 음성 데이터는 전화기로 가고, 인터넷 데이터는 DSL modem으로 이동한다.
• 또한, 사용자가 외부 네트워크에 보낼 때에도, 음성 데이터는 telephone network에, 인터넷 데이터는 ISP에 연결된다.

 

2. Wireless-based access

1. WLAN (Wide Local Area Network)
   • 보통 건물 내부 혹은 주변에서 이용, ~30미터 내외의 거리에서 네트워크 제공
   • 와이파이 액세스 포인트를 통해 인터넷에 연결
2. Wide-area cellular access networks
   • 이동 통신사 사업자가 제공하는 네트워크
   • 10km이상의 멀리 떨어진 거리에서도 가능 : 광범위
   • 주로 4G 셀룰러 네트워크가 사용되고, 속도도 빠름
   • 사용자의 스마트폰을 기지국 (base station)에 연결함
     • Wi-Fi 네트워크에서 base station 에 해당하는 역할을 access point라고 함.
     • 1.의 사례에서는 Wi-Fi 라우터가 액세스 포인트임.

그렇다면 기업은 어떤 Access Network를 이용할까?

Enterprise networks

• 주로 회사나 대학교 Network이다.
• wire / wireless link tech를 모두 사용하며 스위치와 라우터가 네트워크에서 주로 데이터들을 관리한다.
• Ethernet
  • 유선 연결을 통해1 00Mbps, 1Gbps, 10Gbps의 속도로 데이터를 전송할 수 있는 이더넷 기술이 사용된다
  • 주로 데탑 컴퓨터나 서버와 같이 고속 데이터 전송이 필요한 장치들을 연결한다.
• Wi-FI
  • 무선 액세스 포인트(Wi-Fi Access Points)를 통해 무선 장치(노트북, 스마트폰)들이 네트워크에 연결된다

그렇다면, 호스트들은 네트워크에 데이터를 어떻게 전송할까?

• application message를 전송 할 때, “packet”이라는 작은 chunks로 나누어 전송하게 된다.
  • 이를 각각 L bits라고 하자.
• 그럼, R 의 Transmission Rates를 가지고 전송하게 된다.
  • R은 Bandwith, Link capacity라고도 불린다. (단위는 b/s)

• 이때, 패킷의 전송 지연도 구할 수 있는데, 공식은 다음과 같다.
• 아래의 공식을 통해 패킷을 전송하기까지의 시간을 알 수 있다.

 

그렇다면, 이제 위의 LINK에 사용되었던 연결 Cable에 대해서 알아보자.

 

Links : Physical media

• Physical link란?
  • Transmitter & reciever 사이에서 데이터를 전송하는 매개체
• Guided media
  • solid media를 따라 propagate하는 신호
  • copper, fiber, coax
• unguided media
  • 자유롭게 propagate하는 신호
  • radio 신호 등

Phyiscal media의 종류

1. Twisted pair(TP)

• 구조: 두 개의 구리선이 서로 꼬여 있는 형태로, 외부 간섭을 줄이기 위해 꼬여 있음.
• 사용처: 주로 이더넷(LAN) 연결과 전화선으로 사용
• 속도: Cat 5는 최대 1Gbps, Cat 6는 최대 10Gbps의 속도를 제공

우리가 흔히 부르는 랜선이란 놈이다

 

2. Coaxial Cable (동축 케이블)

• 구조 : 두 개의 구리 도체로 구성, 한 가운데에 구리선 → 절연체 → 구리선 → 절연체의 구성
• 양방향 통신 가능, 여러 주파수 영역 동시 사용 가능(Broadband)
  • 하나의 케이블에서 여러 주파수 영역 사용 OK~
• 속도 :100Mbps 이상의 전송속도

3. Fiber optic cable (광케이블)

• 구조 : 유리 섬유(glass fiber)로 이루어져 있고, 빛의 펄스(fulse)를 통해 데이터 전송
  • 각각의 펄스는 비트에 해당
• 고속 데이터 전송 지원 : 10-100 Gbps
• 에러율이 낮음 → 신호 손실율이 낮아 리피터(신호 증폭장치)의 간격이 길어도 문제 x, 전자기간섭 x

Wireless Link

1. Wireless Radio의 특성

• 전자기 스펙트럼을 통해 신호가 이동
• 물리적인 wire가 존재하지 않음
• Broadcast : 방송형 통신 가능 → 하나의 송신자가 여러명의 수신자에게 신호 전달 가능
• Half-duplex : “반이중 통신” 사용가능 → 송신자와 수신자가 동시에 통신할 수 없고, 한번에 한방향으로만 데이터가 이동 가능 ex)무전기
• 전파 환경에 영향을 받음
  • 벽이나 건물 등에 부딪힐 때 반사 및 차단 가능
  • 다른 전자기 신호에 의해서 간섭(interference) 가능

2. Radio link types

1. Terrestrial Microwave (지상 마이크로파)
   • 지상에서 사용하는 마이크로파 신호를 통해 데이터를 전송
     • 장거리 통신에 이용 (Tv 방송국과 위성 등)
   • 최대 45Mbps의 속도 제공
2. Wireless LAN(Wi-Fi)
   • 라우터와 무선 기기 사이에서 데이터를 주고받음
     • 100 Mbps의 속도 제공
3. Wide-area (feat. cellular)
   • 광역 셀룰러 네트워크를 통해 지원
   • 4G, LTE는 10 Mbps정도 지원
   • 광범위한 지역에서 무선통신 가능, 기지국 통해 데이터 송수신
4. Satellite (위성 )
   • 위성을 통해 데이터 송수신
   • 채널당 최대 45Mbps 지원
   • 지구와 거리가 멀어 270ms의 시간지연 발생 가능
   • 위성 유형은 2가지
     • geosynchronous : 지구에서 멀리 떨어진 궤도에 위치해 지구의 자전과 동일한 속도로 회전하여 항상 같은 방향을 바라보고 있음.
     • Low-earth-orbit : 지구에서 상대적으로 가까운 궤도에 위치해 빠르게 이동.
       • 지연 시간이 짧고 통신 속도가 더 빠를 수 있지만, 더 많은 위성이 필요