개요
오늘은 컴퓨터 네트워크의 통신 시스템에 대해서 알아보도록 하겠습니다.
통신 시스템
컴퓨터의 데이터 통신 시스템은 크게 정보를 보내는 송신 측과
정보 전달을 담당하는 전송 매체(=채널), 그리고 정보를 받는 수신 측으로 구분할 수 있습니다.
이러한 구조를 그림으로 표현하면 아래와 같습니다.
데이터 통신을 위해 송신 측에서 담당하는 기능은 다음과 같습니다.
- 부호화(encoding)
- 정보원 부호화 (source encoding)
- 채널 부호화(chanel encoding)
- 암호화(encryption)
- 다중화(multiplexing)
- 변조(modulation)
송신 측 담당 기능
| 구분 | 설명 |
| 정보원 부호화 (source encoding) |
음성이나 영상과 같은 아날로그 정보를 컴퓨터에 입력하기 위해 디지털 데이터로 변환하는 기능입니다. |
| 채널 부호화 (chanel encoding) |
다양한 전송 매체를 통해 전송하는 데 적합하도록 오류 검출 및 동기 맞춤을 위해 컴퓨터의 디지털 데이터를 다른 형태의 디지털 신호로 변환하는 기능입니다. |
| 암호화 (encryption) |
정보가 전송되는 도중 허가되지 않은 제삼자나 해커에 의해 정보가 유출되는 것을 방지하기 위해 평문을 암호문으로 바꾸는 것입니다. |
| 다중화 (multiplexing) |
전송 매체를 여러 사람이 공유하여 사용하게 하기 위한 기술로, 전송 매체의 효율을 높이기 위함이 목적입니다. 구체적으로 두 개 이상의 저수준의 채널들을 하나의 고수준의 채널로 통합하는 기술을 의미합니다. |
| 변조 (modulation) |
정보를 저장, 전송하기 위해 전기적 신호로 변환하는 것을 의미합니다. 구체적으로 원하는 정보에 따라 반송파 신호의 진폭, 주파수, 위상 정보를 변경하여 변조된 신호를 얻는 기술을 의미합니다. |
송신 측과 수신 측을 이어주는 전송 매체는 정보 전달의 통로 역할을 담당합니다.
전송 매체, 즉 채널(chanel)에서 사용하는 매체는 크게 무선과 유선으로 구분할 수 있습니다.
| 구분 | 종류 |
| 유선 매체 | 트위스티드 페어, 동축 케이블, 광섬유 |
| 무선 매체 | 무선 라디오, 마이크로파, 통신위성 |
수신 측에서 데이터 통신을 위해 담당하는 기능은 아래와 같습니다.
- 복조(demodulation)
- 역다중화(de multiplexing)
- 암호 해독(decryption)
- 복호화(decoding)
수신 측 담당 기능
| 구분 | 설명 |
| 복조(demodulation) | 수신된 아날로그 신호로부터 디지털 데이터를 복원하는 기능 |
| 역다중화(de multiplexing) | 다중화된 데이터를 각각의 사용자 데이터로 분리하는 기술 |
| 암호 해독(decryption) | 수신된 암호문을 해독하여 원래의 평문으로 복원하는 기능 |
| 복호화(decoding) | 부호화된 정보를 부호화되기 전으로 되돌리는 처리 혹은 그 처리 방식 디지털 데이터를 아날로그 형태로 변환하여 음성이나 영상을 재생하는 기능 |
추가로 컴퓨터 사이에 주고받는 데이터의 신뢰성을 위해서 아래와 같은 기술도 필요로 합니다.
- 라우팅(routing)
- 오류 제어(error control)
- 흐름 제어(flow control)
- 시스템 보안 관리(system security)
데이터 통신의 신뢰성을 위한 기술
| 구분 | 설명 |
| 라우팅(routing) = 경로 배정 | 송신한 데이터가 수신 측에 도착하기 위해 어떤 경로를 경유하여야 하는지 결정하는 기술. |
| 오류 제어(error control) | 송신한 데이터가 오류가 없이 수신 측에 정확히 도착하도록 하는 기술. |
| 흐름 제어(flow control) | 송신 측과 수신 측 간에 원활한 데이터 전송이 이루어질 수 있도록 송신 측의 전송 속도가 수신 측의 처리 속도보다 빠르지 않도록 전송 속도를 조절하는 기술. |
| 시스템 보안(system security) |
패스워드를 사용하여 인가되지 않은 사용자나 해커가 시스템에 문단으로 접근하지 못하게 함으로써 시스템을 보호하고 외부의 공격을 탐지하여 신속하게 시스템을 원래의 상태로 복원하는 기술. |
위에서 설명한 기술은 모두 원활한 데이터 통신을 위해 필요한 기술이지만,
그중에서도 오류 제어(error control)는 매우 중요한 기술입니다.
왜냐하면, 데이터 통신 과정에서 오디오와 비디오 전송 시에 발생한 오류는
음성이나 영상의 품질이 저하되는 정도의 문제를 일으키지만,
일반 파일 전송 시에 오류가 발생하면, 나비 효과처럼 시스템 전체에 치명적인 오류를 발생시킬 수 있으므로
잠재적으로 큰 위험 요인이 될 수 있습니다.
따라서, 오류 제어에서는 수신한 데이터에 오류가 있으면 재전송을 요청하는 방법이냐,
수신한 데이터를 이용하여 자체적으로 오류를 정정하는 방법으로 예기치 못한 오류에 대응합니다.
정보의 표현
데이터 통신에서 정보는 0과 1 이진수의 조합을 통해 정보를 표현합니다.
이때, 0과 1로 표현된 정보 단위를 비트(bit)라고 하고
비트가 8개 모인 것을 바이트(byte) 비트가 32개 모인 것을 워드(word)라고 합니다.
데이터 통신에서는 정보 전달에 사용하는 기본 단위는 바이트(byte)입니다.
이렇게 0과 1로 표현된 정보는 그 조합에 따라 어떤 정보를 의미하는지 약속하지 않으면
사람이 이해할 수 있는 정보로 변환하기 어렵습니다.
따라서, 궁극적으로는 사람이 이해할 수 있는 정보로 변환하기 위해
컴퓨터에서는 다음의 두 가지 코드를 통해 비트의 조합을 해석합니다.
- ASCII 코드
- EBCDIC 코드
예컨대, ASCII 코드에서 문자 `A`를 의미하는 비트 조합은 0100001입니다.
반면에 EBCDIC 코드에서 문자 `A`를 의미하는 비트 조합은 1100001입니다.
따라서 두 컴퓨터가 서로 다른 코드로 문자를 해석하고 있다면,
데이터를 주고받는데 문제가 생길 수 있으며 기본적으로는
정보를 주고받는 컴퓨터 사이에서는 같은 코드로 통신하여야 합니다.
정보의 유형
컴퓨터에 저장하는 정보는 다음과 같이 크게 네 가지로 구분할 수 있습니다.
| 정보 유형 | 설명 |
| 텍스트 (text) |
문서, 프로그램 등과 같은 자료를 말하며 정보량이 많지 않아 정보 저장 및 전송에의 어려움이 적음 |
| 오디오 (audio) |
음성, 악기 소리, 효과음과 같이 사람이 들을 수 있는 정보를 의미. 디지털 정보에서 아날로그 음성으로의 변환은 PCM(Pulse Code Modulation)이라는 기법을 통해 변환시킬 수 있음. |
| 비디오 (video) |
그림이나 사진과 같은 정지 영상, TV나 영화와 같은 동영상, 3D 입체 영상 등이 있으며, 정보량이 매우 커 정보의 저장 및 전송에 고도의 압축이 필요함. 또한, 데이터 전송 시에도 고속의 전송 속도가 필요함. |
| 멀티미디어 (multimedia) |
위의 3가지 유형이 합쳐진 형태로, SNS나 메신저와 같은 환경에서 자연스레 조합되어 생성됨. |
데이터 전송 속도
데이터 통신에서 전송 속도를 나타내는 단위는 아래와 같이 크게 두 가지가 있습니다.
| 단위 | 설명 |
| bps (bit per second) |
1초 동안에 전송되는 비트의 수 |
| baud (보) |
1초 동안 전송되는 신호 요소(signal element)의 수 |
데이터 통신에서 정보의 전송 속도는 신호의 펄스폭(pulse width)과 밀접한 관계가 있습니다.
아래의 그림 1.2와 같이 펄스폭이 1ms, 1㎲인 신호가 있다고 가정하겠습니다.
이때 bps를 단위로 할 때 1초당 전송되는 속도는
1ms에서 1초에 10^3개의 펄스, 즉 10^3 비트를 전송할 수 있으므로 1kbps가 됩니다.
그리고 1 ㎲ 에서 1초에 10^6개의 펄스, 즉 10^6 비트를 전송할 수 있으므로 1Mbps가 됩니다.
여기서 전송 속도는 펄스폭이 좁아질수록 높아진다는 것을 알 수 있습니다.
하지만, 펄스폭을 좁힐수록 전송 도중 오류가 발생할 확률이 올라가기 때문에 적정한 수준을 찾는 것이 중요합니다.
bps와 baud 간에는 아래의 수식을 통해 서로 변환할 수 있습니다.
위 수식을 통해 그림 1.2의 전송 속도를 보(baud)로 변환하면 1000 baud가 됩니다.
왜냐하면 그림 1.2에서는 신호의 세기가 일정하게 반복되므로 변조 상태 변화 값은 1입니다.
따라서, 위 수식에 따라 변환하면 두 단위 간에 값이 서로 같아지는 것입니다.
그러나, 아래의 그림 1.3과 같이 펄스 곡선의 세기가 서로 다른 경우를 살펴보도록 하겠습니다.
이때, 펄스의 폭을 1ms라고 한다면 1초에 1,000개의 신호를 전송할 수 있으므로 1000 baud가 됩니다.
그런데, 이 경우 한 펄스에 2비트의 정보를 보낼 수 있으므로 변조 상태의 변화수, 즉 신호 요소의 수는 2가 됩니다.
따라서 이를 bps 로 환산하면 전송 속도는 2kbps가 됩니다.
이처럼 bps와 baud는 신호 요소의 수에 따라서 서로 달라질 수 있습니다.
따라서 신호 요소가 M개인 펄스에 대하여 두 단위 간의 관계식은 아래와 같이 정의할 수 있습니다.
그림1.3에서 확인할 수 있듯이 펄스의 폭을 같게 유지할 때는 신호 요소의 숫자를 늘려서 전송 속도를 높일 수도 있습니다.
인터넷
서로 다른 통신망들을 연결하는 기술을 인터네트워킹(internetworking)이라고 하며,
이렇게 연결된 통신망 자체를 인터넷(internet)이라고 말합니다.
엄밀한 의미에서 인터넷은 월드 와이드 인터넷(WWW, World Wide Web)을 일컫는 말입니다.
이러한 인터넷은 아래와 같은 특징을 가집니다.
- 세계 최대의 통신망입니다.
- 통제 기관이 없이 운용됩니다.
- TCP/IP 프로토콜을 사용합니다.
- 클라이언트/서버 형태로 동작합니다.
- 수많은 서버를 수많은 사용자가 이용합니다.
- 인터넷 뱅킹, 게임 등 다양한 응용 애플리케이션을 지원합니다.
인터넷의 주요 발전 과정은 다음과 같습니다
- 1969년 ARPANET(Advanced Research project Agency) 구축
- 1982년 TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol) 도입
- 1990년 ARPANET 폐지
- 1993년 웹 브라우저 Mosaic 공개
인터넷 표준 (RFC)
인터넷은 운용 주체가 없이 관리되고 있지만, 전 세계 어디서나 원활히 통신하기 위해서는 인터넷을 위한 표준은 필요로 합니다.
대표적으로 IP 주소 및 도메인 이름을 관리하는 데에는
IANA(Internet Assigned Numbers Authority)라는 기관이 관여하고 있으며,
인터넷 관련 표준 RFC(Request for Comments, 요청 사항 문서)를 제정하는 데에는
IETF(Internet Engineering Task Force)가 관여하고 있습니다.
이처럼 인터넷에서 사용하는 대표적인 표준들은 다음과 같습니다.
| RFC | 프로토콜(Protocol) |
| RFC 768 | UDP(User Datgram Protocol) |
| RFC 791 | IP(Internet Protocol) |
| RFC 792 | ICMP(Internet Control Message Protocol) |
| RFC 793 | TCP(Transmission Control Protocol) |
| RFC 821 | SMTP(Simple Mail Transfer Protocol) |
| RFC 826 | ARP(Address Resolution Protocol) |
| RFC 1058 | RIP(Routing Information Protocol) |
| RFC 1066 | Management INformation Base for TCP/IP Based Internet |
| RFC 1105 | BGP(Boarder Gateway Protocol) |
| RFC 1157 | SNMP(Simple Network Management Protocol) |
| RFC 1247 | OSPF(Open Shortest Path First) Version 2 |
| RFC 1889 | RTP : Transport Protocol for Real-Time Applications |
| RFC 1945 | HTTP/1.0 Hypertext Transfer Protocol |
| RFC 2373 | IP Version 6 Addressing Architecture |
| RFC 4302 | IP Authentication Header |
| RFC 4303 | IP Encapsulating Security Payload |
| RFC 4443 | ICMPv6 for the IPv6 Specification |
네트워크와 환경설정
물리적으로 서로 다른 곳에 있는 컴퓨터 간에 정보를 주고받는 데에는 네트워크가 필요하고,
이러한 네트워크의 연결 및 구성은 보통 나라별로 ISP(Internet Service Provider)라고 분류되는 회사에서 제공합니다.
한국의 경우 대표적으로 KT, SK브로드밴드, LG U+등이 있습니다.
이러한 네트워크는 개인 또는 단체인지에 따라 네트워크 환경의 구성이 살짝 다릅니다.
우선 학교나 기업같이 많은 사람이 사용하는 네트워크의 경우 ISP를 통해 전용선을 받고
별도의 IP 주소와 DNS(Domain Name System) 서버를 등록하여 사용합니다.
반면에, 일반 가정에서는 DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol)이라는 서버에 의해 IP 주소가 자동으로 할당됩니다.
통신의 역사
데이터 통신 기술은 과학과 기술의 발전과 함께 꾸준히 성장해 왔습니다.
이러한 데이터 통신 기술의 주요 발전 과정은 아래와 같습니다.
- 1642 파스칼의 계산기
- 1673 라이프니츠 휠(4칙 연산)
- 1832 전자기 유도(마이클 패러데이)
- 1844 공중 전신기(사무엘 모스)
- 1876 전화(알렉산더 그레이엄 벨)
- 1890 자동 전화 교환기(앨몬 스트로저)
- 1891 키네토스코프(토마스 에디슨)
- 1896 무선 전신(마르코니)
- 1904 2극 진공관(암브로세 플레밍)
- 1906 3극 진공관(리 드 포레스트)
- 1932 TV 방송(NBC)
- 1943 콜로서스(앨런 튜링)
- 1946 ENIAC(펜실베니아 대학교)
- 1947 트랜지스터(윌리엄 쇼클리, 존 바딘, 윌터 브래튼)
- 1957 인공위성(스프투니크 1호)
- 1958 IC(텍사스 인스트루먼트)
- 1969 ARPANET(미 국방성)
- 1971 전자 교환기(벨 연구소)
- 1971 마이크로 프로세서(인텔)
- 1972 C 프로그래밍(데니스 리치)
- 1982 TCP/IP 프로토콜(로버트 칸)
- 1989 WWW(팀 버너스 리)
- 1991 셀룰러폰(GSM)
- 1996 CDMA 상용화(한국)
- 2007 아이폰(애플)
- 2012 구글 글래스(웨어러블 기기)
참고 자료
오창석 | 데이터 통신과 컴퓨터 네트워크 | 내하출판사
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