Exploring Wired Networks: Telephone, Cable TV, SONET/SDH, and ATM Overview
전화 네트워크, 케이블 TV 네트워크, SONET/SDH & ATM, 데이터통신 13주차
Goals
다양한 유선 네트워크의 발전과 특징을 설명할 수 있다.
(Explain the development and characteristics of various wired networks.)
다양한 유선 네트워크 상에서 데이터 통신 서비스를 제공하기 위해서 설계된 기술을 설명할 수 있다.
(Explain the technologies designed to provide data communication services over various wired networks.)
Contents
1️⃣ 전화 네트워크 (Telephone Networks)
2️⃣ 케이블 TV 네트워크 (Cable TV Networks)
3️⃣ SONET/SDH
4️⃣ ATM
📍 용어정리(Terminology)
지역 루프(Local Loop) 각 가정에서 사용하는 일반 전화기와 관련된 개념이다. 전화기와 전화국 교환기가 연결된 구역을 지역루프라고 한다.
'전화 네트워크'는 컴퓨터 발명 이전에도 등장한 오래된 네트워킹 기술이다. 초창기에는 아날로그 시스템으로 등장했고 현재는 디지털 시스템으로 교체된 상황이지만 '지역 루프'만은 유일하게 아날로그 시스템으로 유지되고 있다. 이러한 이유로 이 구간을 이용해서 데이터 통신을 하고자 할때는 다른 개념(전화선 모뎀, DSL 기술)이 필요하다.
SONET/SDH 오늘날 많이 사용하는 광케이블의 규격에 맞게 새롭게 개발된 "광 전송 시스템 표준"을 뜻한다.
1️⃣ 전화 네트워크 (Telephone Networks)
개요(Overview of Telephone Networks)
✅ 전세계, 전지구를 뒤덮는 네트워크로써 최초의 네트워크이다. 회선교환 네트워크(Circuit switching network) 방식으로 1800년대 후반부터 시작되었다. 200년이상 지속된 네트워크로써 현재 우리가 사용하는 인터넷은 1970년부터 시작된것으로 비교했을 때 굉장히 오래된 네트워크이다.
✅ 전통 전화 시스템(POTS, plain old telephone system)은 음성을 전달하는 아날로그 시스템이다. 요즘은 디지털 시스템으로 변환되었기 때문에 많이 사용되진 않는다.
✅ 공중 전화망을 가리키는 말로서 PSTN(Public Switched Telephone Network)이라는 용어도 많이 사용된다.
- 참고로 공중 데이터망은 PSDN(Public Switched Data Network)라고 한다. 인터넷망은 PSDN의 대표적인 예이다.
✅ 근래에는 상당부분이 디지털 시스템으로 진화하여 아날로그/디지털이 섞여있다.
- 가입자 전화기와 인접 전화국 사이(지역루프, Local Loop)만 아날로그 시스템이고, 나머지 부분은 디지털 장비로 대체되어 있다. (2024년 기준)
주요 요소(Main components of Telephone Networks)
지역루프(Local loop) 가입자 전화기와 가까운 종단국(end office) 또는 지역국(regional office)을 연결하는 트위스티드-페어 케이블
간선(trunk) 전화국들 사이의 통신을 담당하는 전송 매체
교환국 (switching office) 교환기를 사용하여 여러 개의 지역 루프 또는 간선을 연결하며 서로 다른 가입자들 사이를 연결
- 참고로 빨간 박스 부분은 이미 디지털화 되었고 PCM방식(Pulse Code Modulation ) 을 통해서 사람의 음성을 디지털 데이터로 변환하여 데이터 전송에 활용한다.
원리 (Principle of Telephone Networks)
지역루프는 위에 설명했듯이 아날로그 시스템으로 구성되어 있기 때문에 사람의 음성을 전달하는 "음성 데이터의 영역"과 전화기의 버튼 누르는 신호를 인지하는 "버튼 신호 영역"
이 구분되지 않는 문제가 존재하게 된다. 이러한 아날로그 시스템의 한계를 극복하기 위한DTMF, SSS7 를 알아보자
음성 데이터 전송과 통화 연결 (Voice data transmission and call connection)
DTMF, (Dual Tone Multi-Frequency) 전화기 버튼을 누를 때마다 일정하게 정의된 2개의 주파수 성분의 신호가 발생되는것을 일컫는다.
- 전화기의 버튼 구조로는 가로줄, 세로줄마다 주파수의 정의가 다르다. 전화기에서 발생시키는 주파수는 총 7개이다. 예를 들어 5 를 눌렀을땐, 가로줄 & 세로줄해서 2개의 주파수가 발생된다. 이 2개의 주파수가 섞여서 교환기까지 전달되게 된다. 교환기는 주파수가 어느 줄에서 왔는지 해독하는 시스템을 DTMF라고 한다.
SS7 (Signaling System 7)음성 데이터 전송은 회선 교환 네트워크로 이루어져 있으나, 신호 전달은 별도의 데이터그램 네트워크(SS7, 시그널링 시스템 7)로 이루어진다.
- 요즘 전화서비스는 부가서비스를 많이 제공한다 (결제, 설문조사 등) 이러한 부가서비스를 실행하기위한 제어메세지가 시그널링 네트워크를 통해서 전달이 되는 구조다
종단국(end office)에서 이를 분리하여 디지털 데이터로 변환하고 별도의 신호 네트워크(signal network)로 전달한다.
사용자가 버튼을 눌렀을 때 SP(인접 교환국)에서 어느 번호로 전화를 거는지 인식을 한다. (2)
별도의 네트워크를 통해 연결 설정 절차를 수행하게 된다. (시그널링 네트워크)
전화 네트워크에서는 사람의 음성, 메세지 네트워크가 분리되어있다. 즉 번호(버튼) 전달과 사람의 음성이 전달되는 네트워크가 물리적으로 분리되어 있는 구조이다.
참고로 지역루프는 별도의 네트워크는 아니고 물리적인 전선일 뿐이다.
문제 극복 기술 (Technology to solve Telephone Networks problem)
전화네트워크를 통해서 인터넷을 연결하고 싶을 때 고민해볼 점은, 아날로그 형태인 '지역루프'를 통해 사용자 데이터를 어떻게 전달할 것인가? 이다. 이 해결책으로 전화선 모뎀, DSL기술에 대해 알아보자.
전화선 모뎀(Telephone networks modem)
지역루프의 아날로그 선로를 통해서 디지털 데이터 & 신호를 잘 전달하기 위한 변환시켜주는 장치이다. 모뎀(Modem) Modulation & Demodulation을 할 수 있는 장치
전화선과 교환기까지의 로컬루프에 설치되어있는 '전화선' 은 사람의 음성을 잘 전달하기 위해 최적화 되어있는 선로이다. 그렇다보니 통상적으로 전화선은 300Hz ~ 3300Hz까지의 주파수 성분을 전달할 수 있도록 설계되어있다. (1번)
음성의 경우에는 주파수 성분이 어느 정도 찌그러져도 알아들을 수 있지만 데이터 신호는 전혀 오류 없는 무결성이 중요하므로 600Hz~3000Hz에 걸치는 2400Hz만을 이용하도록 설정되어 있다. (2번)
지역루프는 아직까지 아날로그 영역이므로 이 부분에서 모뎀을 사용하여 디지털 데이터를 아날로그 신호로 변환해서 전달해야 한다. (3번)
모뎀의 표준 (Standard for Modem)
이러한 변환을 적절히 수행하기 위한 모뎀의 표준이 정의되어 있다.
ITU-T 국제표준기구에서 발표한 V-계열 표준
➡️ V.32(9,600bps) & V.32bis(14,400bps)
격자 코드 변조(trellis-coded modulation)
변조와 부호화기를 통합하고 QAM에 중복 비트를 추가한 방식
➡️ V.34bis(33,600bps)
➡️ V.90(56kbps)
DSL (Digital Subscriber Line) 기술
전화선 모뎀은 느린 단점이 있다. 고속화하기 위한 시도가 많이 있는데 DSL기술 또한 그 대안에 해당한다. 기존의 지역루프를 변경하지 않고, 모뎀을 사용하지 않는 고속 디지털 통신 서비스를 지원하는 기술이다.
✅ 전화국의 교환기에 설치된 4kHz 필터(사람의 음성외의 신호를 모두 차단하는 의미로 설치가 되었었음) 를 제거하고, 4kHz이상의 높은 주파수 대역을 모두 활용하여 총 1.1MHz까지의 대역폭을 사용할 수 있게 되었다.
✅ 단, 음성 서비스 채널과 데이터 서비스 채널을 모두 분리해서 동시에 데이터 교환이 될 수 있도록 설계되었다. 이로 인해 전화를 하면서 데이터 통신도 동시에 이용이 가능하게 구현되었다. ➡️ FDM방식 (로컬루프의 주파수대역을 용도별로 구분해 놓았다.)
✅ DSL기술에는 용도에 따라 ADSL, VDSL, HDSL, SDSL이라는 기술로 세분화 되어있다.
- ADSL (Asymmetric DSL) 비대칭 디지털 가입자 회선
✅ 하향(전화국 가입자)의 전송속도가 상향(가입자 전화국)보다 높다.
- 가정에서 인터넷을 사용하는 경우에는 보통 서비스를 제공받는 경우가 대부분이기 때문에 하향(사용자)의 속도를 높이는데 집중 되었음을 알 수 있다.
ADSL modem: 디지털데이터를 로컬루프를 통해서 아날로그 신호형태로 전달을 해야하는 상황에서 ADSL 모뎀은 필수적으로 사용된다.
DSLAM: 이 교환기 장비도 위에 언급된 모뎀의 역할을 수행한다. 분리 기능이 내장되어 있다.
Splitter: 사람의 음성과 데이터를 분리하는 역할 (주파수에 따라 신호를 구분한다)
Upstream: 컴퓨터-인터넷 방향으로 데이터를 전송할 때 사용하는 주파수의 영역을 뜻한다.
Downstream: 업스트림의 반대이다. 전화선 모뎀 (56kbps)과 비교하면 DSL은 (100Mbps) 로 훨씬 빠름을 알 수 있다.
2️⃣ 케이블 TV 네트워크 (Cable TV Networks)
개요(Overview of Cable TV Networks)
전통적으로는 지역적으로 “공동 안테나”를 사용하여 수신된 방송신호를 각 가정으로 재전송하는 의미로써 초기에 설치되었다.
- 케이블 TV 네트워크의 다양한 이름: 동네 안테나 TV, CATV, Community Antenna TV
케이블 TV 네트워크의 유형 - 전통적
(Type of Cable TV networks - Traditional)
✅ 공동 안테나로부터 가입자까지의 방향으로 일방적으로 TV신호가 전달되는 단방향 네트워크의 특성을 가지고 있었다. 하지만 점차 양방향으로 통신할 수 있는 구조로 신호가 변경되었다.
✅ 주로 전송 대역폭이 넓은 네트워크 구축이 가능한 동축 케이블(Coaxial cable)을 사용한다. 지역이 좁지 않기 때문에 신호의 감쇄를 보충하기 위한 여러 개의 증폭기(Amplifier)가 사용되었다.
✅ 요즘 위의 사진 같은 구조는 찾아보기 어렵다.
케이블 TV 네트워크의 유형 - 현대
(Type of Cable TV networks - Modern)
광섬유-동축 혼합 네트워크(HFC, Hybrid Fiber-Coaxial)
요즘은 대부분 광섬유와 동축케이블이 혼합되어있는 HFC가 대부분이다.
✅ 가입자단에 이미 설치되어 있는 동축 케이블은 변경하지 않고, 지역 케이블 꼭지(RCH, Reginal Cable Head)에서부터 각 지역 분배기까지 광케이블을 사용하는 케이블 TV 네트워크
✅ 이렇게 함으로써 증폭기의 개수를 감소시킬 수 있으며 대역폭이 증가하여 양방향 통신이 원할하게 가능해지는 구조로 변경되었다.
케이블 TV 네트워크를 통해서 데이터 전송을 어떻게 하면 잘 할 수있을까? 라는 고민이 떠올랐다. 고민하기 전에 케이블 TV 방송이 어떻게 설계되었는지 알아보자
데이터 전송을 위한 케이블 TV 네트워크
(Data Transmission for Cable TV Network)
✅ 케이블 TV 네트워크를 통해 전달되는 방송 채널에서 동영상 대역 채널당 6MHz을 갖도록 정의하였고 총 80개의 채널이 전달될 수 있도록 채널폭이 정의가 되었다. 필요한 대역폭은 480MHz이다. (6MHz * 80)
✅ 주파수는 칼처럼 끊는 것이 불가능하기 때문에 채널과 채널사이에 보호대역이 필요하다. 그러한 마진을 계산했기 때문에 사이에 갭을 확인할 수 있다.
✅기존의 동영상 대역(Video band)를 방해하지 않기 위해, 그리고 양방향 통신이 가능하도록 상향 (Data upstream), 하향 (Data downstream)이 양쪽에 설계가 되었다. 가자들이 공유한다.
CMTS CM, CMTS 디지털 데이터 신호 - 아날로그 신호 변환을 원활하게 수행할 수 있는 역할을 한다.
SONET과 SDH는 일반 사용자에게 많이 알려져 있는 이름은 아니다.
예전 차시에 E1/T1은 음성채널을 다중화하는 기술이라고 배웠다. 이 방법은 역사가 오래된 기술에 해당한다. 다만 전송기술이 많이 발달하기 이전에 설계된 기술이라는 것이 큰 단점이있다.
오늘날과 같은 빛을 통해 신호를 전달하는 고속화된 광섬유와 비교했을때 E1/T1과의 성능 차이는 극명하게 갈렸다.
이러한 문제를 해결하기 위해 나온 개념이 SONET/SDH이다.
즉 정리하자면 근본적인 출발지는 E1 / T1이므로 사람의 목소리를 어떻게하면 잘 다중화 할 것인가? 의 관점으로 설계가 되었다고 할 수 있다.
3️⃣ SONET (Synchronous Optical Network) & SDH (Synchronous Digital Hierarchy)
개요(Overview)
✅ SONET은 ANSI에서 표준화되고 SDH는 ITU-T에서 표준화 수행된 프로토콜로서 광케이블을 이용한 광대역통신에서 주로 사용
✅ SONET/SDH는 동기식 전송 방식을 사용하여서 하나의 매스터 클럭에 맞추어 동작되도록 설계되었다.
✅ 광케이블 사용 특성상 최소 51.84Mbps에서 최대 2.5Gbps까지 빠른 전송이 표준으로 되어있다.
✅ 보다 쉬운 다중화를 지원하며(E1/T1에서는 번거롭고 연관성이 없어서 다중화가 어려웠다.) 이로인해 다중화된 프레임(음성채널)에서 특정 프레임을 빼거나 추가하기가 용이한 구조로 설계가 되었다.
SONET/SDH 데이터 (SONET/SDH data)
STS(synchronous transport signal) SONET에서 정의하는 프레임 구조를 뜻한다. 전기적 신호의 계위를 미국에서 정의하였다.
STM(synchronous transport module) STS에서 정의하는 프레임구조이다. 전기적 신호의 계위를 유럽에서 정의하였다.
OC 정의된 STM의 구조가 광신호로 구조가 표현될때는 Optical Carrier 라고 부른다.
STS-3은 STM-1로 매칭된다. 이름이 다르긴하지만 실제적인 구조로 봤을땐 완벽히 호환가능하다. 프레임구조가 깔끔하게 정리되어있고 증가율도 규칙적으로 정리가 되어있음을 알 수 있다.
SONET 장치(Equipment of SONET)
STS MUX(다중화기/역다중화기)
Regenerator(재생기)
- 신호가 약해졌을 때 광신호를 재생하여 신호의 세기를 키워주는 역할을 한다.
ADM(Add/Drop Multiplexer)
다른 발신지로부터 유입된 데이터 중에서 전체 신호를 역다중화하지 않은 상태에서 원하는 채널만 역다중화하여 추출할 수 있는 장치이다. 말은 복잡하지만 간단하다. 예를들어 위의 SONET/SDH 데이터율을 보면 STS-192는 9953.280 Mbps로 굉장히 빠르다. 이런 상황에서 느린 곳으로 MUXING/DEMUXING하게 되면 어려울수 있지만 ADM에서 Add, Drop으로 구현 할 수 있다.
마찬가지로 전체 신호를 역다중화 후 새로운 채널을 추가하여 다중화하지 않더라도, 일부 채널만 새롭게 다중화 프레임에 추가할 수 있다.
STS 프레임 (STS Frame)
✅ STS프레임은 항상 1초당 8000프레임으로 구성된다.
✅ 사람의 음성(아날로그)를 디지털 데이터로 변환하는 PCM 방식도 8kHz의 샘플링레이 사용하고 있다. STS 프레임 구조에서도 PCM의 방식을 그대로 가져왔음을 알 수있다.
✅ 음성신호를 디지털정보로 변환할 때의 8000Hz 샘플링 속도와 일치하다. 즉 사람의 음성을 잘 전달하기 위해 어떻게 할 것인가에 대한 고민이 여전히 포함되어 있는 기술이다.
✅ 프레임의 점유시간은 항상 125usec로 동일하다.
✅ 계위(SONET/SDH 데이터율, 표참조)에 따라서 프레임의 크기가 변경된다.
✅ 프레임내부의 1바이트는 디지털화된 음성채널 하나를 운반할 수 있다.
사람과 사람간의 대화 - 전화 통신 서비스, 인터넷 뉴스 기사를 읽는 서비스, 넷플릭스(거대한 데이터 파일 교환), 메신저(작은 데이터 파일 교환) 등 데이터를 전달하는 서비스 입장을 보면 다양한 기술이 요구된다. 이것을 하나의 네트워크에 통합시켜서 모두 다 서비스를 하겠다는 것은 어려운 이야기가 될 수 밖에 없다. ATM에서는 이것을 초기의 목표로 잡고 시작한 방식이다. 현재 실현되진 않았다. 은행의 현금입출금 기계와는 전혀 관계가 없고 통신기술의 일부이다.
4️⃣ ATM(Asynchronous Transport Module)
✅ 초고속 서비스가 가능해지는 시점에 여러 서비스들을 모두 수용하는 거대한 목표로 하는 광대역 통합 정보통신망을 구축하기 위하여 개발된 프로토콜이다. ATM포럼이 초기설계를 담당했고 국제표준기구인 ITU-T에서 채택된 방식이다.
✅ 데이터를 53바이트(아주 작은 크기)의 고정 셀(cell)로 나누어서 전송하는 통계적 TDM방식의 실제적인 프로토콜이다.
✅ 고정된 크기로 제한(고정길이 방식)하여 데이터 전송율과 전달지연 시간을 예측 가능하고, 구현 복잡도가 낮아지며 하드웨어 구현이 용이해진 장점을 얻게 되었다.
고정길이 방식에서는 가변길이 방식과 비교했을 때 지연시간을 조절할 수 있다.
이러한 이유로 데이터의 크기가 작은 이유를 설명할 수 있다.
계층(Layer)
✅ 2 & 3 계층이 섞여있음을 알 수 있다. 하위에 물리 계층을 깔고 있다.
✅ AAL1, AAL2, AAL3/4, AAL5: ATM 프로토콜의 범위가 너무 커서 단독으로 모든 서비스들을 커버하기 어려웠기 때문에 부수적인 서비스 특징을 반영시키기 위해 추가한 계층의 AAL의 구성요소 들이다.
응용 적응 계층(AAL, Application Adaptation Layer)
✅ ATM계층과 상위 계층의 중간에 위치한다.
✅ 다양한 서비스 데이터(상위 계층의 데이터)를 ATM계층에 전달하기에 적합하게 데이터를 적합한 길이로 분해하고 재결합하면서 오류를 수정하는 기능을 수행하는 층이다.
✅ SAR(Segmentation and Reassembly) 부계층과 CS(Convergence Sublayer) 부계층으로 세분화된다.
✅위 계층의 특성(고정/가변 데이터율, 데이터 길이 등)에 따라서 사용하는 AAL타입이 달라진다. AAL1, AAL2, AAL3/4, AAL5로 나뉜다.
ATM 계층의 역할(Role of ATM layer)
경로지정, 트래픽관리, 교환, 다중화 서비스를 제공한다.
혼잡제어 기능을 제공한다.
가상회선 방식(Virtual Circuit network)으로 교환 기능 제공한다.
가상경로(VP)와 가상채널(VC)을 정의하여 채널에 계층적인 관리를 수행한다. 이것은 9차시의 가상회선 네트워크에서 배운 가상회선식별자(VCI)와 동일한 역할을 수행한다.
학습퀴즈(Quiz)
학습정리(Summary)
