[데이터 통신] Introduction to Data Communication(1)

Data Communication & Networking

Chapter1 Introduction of Data Communication

Communications Networks(통신망)

통신망 종류

• Telecommunication Network(전화 통신망)
• Broadcast Network(방송통신망)
• Data communication Network(데이터통신망)

Data Communications

“Telecommunication”이라는 용어는 원거리에서의 통신을 의미한다. “Data”라는 단어는 데이터를 생성하고 사용하는 당사자들 간에 합의된 형식으로 표현된 정보를 의미한다. 데이터 통신(Data Communications)은 두 장치 간에 어떤 형태의 전송 매체(예: 전선 케이블)를 통해 데이터를 교환하는 것을 의미한다.

데이터(Data) : 수집한 값(value), fact(Text, ASCII, Unicodes, Images, Audio, Video) 정보(Inforamtion) : 데이터가 어떤 의미를 가진 것 (Data + 의미), 어떤 의미를 갖는 값

데이터 통신 시스템의 효과성 데이터 통신 시스템의 성능은 다음 4가지 핵심 요소에 의해 결정된다.

• 전달(Delivery) : 데이터가 올바른 목적지에 도달해야 한다.
• 정확성(Accuracy) : 전송된 데이터는 손상되거나 변경되지 않고 정확하게 전달되어야 한다.
• 적시성(Timeliness) : 데이터는 적절한 시간 내에 도착해야 하며, 지연이 발생하면 가치를 잃을 수 있다.
• 지터(Jitter) : 패킷 도착 시간의 변동을 의미하며, 특히 오디오 및 비디오 스트리밍과 같은 실시간 애플리케이션에서는 최소화되어야 한다.

데이터 통신의 5가지 구성 요소

데이터 통신 시스템 구성

단말 장치(DTE: Data Terminal Equipment)

• 데이터를 송수신하는 장치로, 사용자와 데이터 통신망 간의 인터페이스 역할을 하는 장비를 의미한다.
• 통신 시스템과 사용자의 접점에 위치하여 데이터를 입력하거나 처리된 결과를 출력하는 장치
• 입출력 제어 및 송수신 제어기능 수행

• DTE는 단독으로는 네트워크에 직접 연결되지 않으며, DCE(모뎀)를 통해 물리적인 데이터 전송을 수행한다.

• DTE의 주요 역할
  • 데이터 생성 및 처리 : DTE는 데이터를 생성하고, 이를 네트워크를 통해 전송하거나 수신한 데이터를 처리하는 기능을 한다.
  • 네트워크 인터페이스 장치(DCE)와 연결 : DTE는 DCE를 통해 네트워크에 접속한다.
  • 사용자와 네트워크 간 인터페이스 제공 : 사용자가 데이터를 입력하면 네트워크를 통해 전송되도록 중개하는 역할을 한다.
• DTE 종류
  • 지능형(Intelligent) 단말 장치 : CPU와 저장 장치가 내장된 단말 장치로 프로그램을 설치하여 단독으로 일정 수준 이상의 작업 처리가 가능하다. (컴퓨터, 스마트폰, 태블릿, 라우터, 서버…)
  • 비지능형(Dummy) 단말 장치 : 입력 장치와 출력 장치로만 구성되어 단독으로 작업을 처리할 수 있는 능력이 없는 단말 장치 (키보드, 마우스, 모니터, 프린터, 단순 POS 단말기…)

신호 변환 장치(DCE: Data Circuit Equipment)

• 데이터 통신을 위해 신호를 변환하고, 네트워크와 DTE(단말 장치) 간의 데이터 전송을 중계하는 장비를 의미
• DCE는 DTE(컴퓨터, 터미널 등)에서 생성된 데이터를 네트워크에서 전송할 수 있도록 변환하는 장치

• 컴퓨터나 단말 장치의 데이터를 통신 회선에 적합한 신호로 변경하거나, 통신 회선의 신호를 컴퓨터나 단말 장치에 적합한 데이터로 변경하는 신호 변환 기능을 수행

• DCE의 주요 역할
  • 신호 변환(Signal Conversion)
    • 디지털 데이터를 아날라고 신호로 변환(Modulation)
    • 아날로그 신호를 디지털 데이터로 변환(Demodulation)
  • 속도 및 신호 동기화
    • 데이터 전송 속도를 조정하고, DTE와 네트워크 간 신호 동기화를 맞춰줌
  • 데이터 중계 및 증폭
    • 네트워크를 통해 데이터를 올바르게 전달하고, 신호 감쇠를 방지하기 위해 증폭
  • 에러 검출 및 수정
    • 데이터 전송 과정에서 발생하는 오류를 검출하고 수정
• DCE의 예시
  • 모뎀(Modem) : 디지털 데이터를 아날로그 신호로 변환하여 전화선으로 전송하고, 수신된 아날로그 신호를 디지털로 변환
  • DSU(Data Service Unit) : 데이터 신호를 네트워크에서 사용할 수 있는 디지털 형태로 변환
  • CODEC(Corder-Decorder, 코덱) : 아날로그 신호와 디지털 신호 간 변환을 수행하는 장치, 음성,영상 데이터를 디지털 데이터로 변환(인코딩)하거나, 디지털 데이터를 아날로그로 변환(디코딩)하는 역할
  • 네트워크 스위치, 허브, 리피터, 광케이블 변환기…

통신 제어 장치(CCU : Communication Control Unit)

• CCU는 데이터 통신을 효율적으로 관리하고, 여러 장치 간의 데이터 흐름을 조정하는 장비이다. 쉽게 말해, CCU는 네트워크에서 데이터를 원활하게 송수신할 수 있도록 제어하는 장치라고 할 수 있다.
• 컴퓨터나 통신회선을 통하여 송수딘되는 과정을 제어하고 감시하는 기능
• 데이터 전송회선과 컴퓨터와의 전기적 결합과 전송문자를 조립, 분해

• 통신방식 제어, 다중접속 제어, 전송 제어, 오류 검출 및 정정, 회선의 감시 및 접속 제어

• CCU의 주요 기능
  • 데이터 흐름 제어(Flow Control)
    • 송신, 속도와 수신 속도를 조절하여 데이터 손실을 방지
    • 네트워크 혼잡을 줄이면서 안정적인 통신 환경 유지
  • 오류 검출 및 교정(Error Detection & Correction)
    • 데이터 전송 중 발생할 수 있는 오류를 감지하고 수정
    • CRC(Cyclic Redundncy Check) 등의 기술을 사용하여 데이터 무결성을 보장
  • 데이터 전송 방식 제어
    • 동기식(Synchronous)/비동기식(Asynchronous) 전송 방식 관리
    • 직렬 및 병렬 전송 방식에 맞게 데이터 패킷을 조정
  • 프로토콜 변환(Protocol Conversion)
    • 서로 다른 통신 프로토콜을 사용하는 장비 간의 데이터 변환 수행
    • 예 : 이더넷(Ethernet) 데이터를 시리얼(Serial) 방식으로 변환
  • 채널 제어 및 다중화(Multiplexing & Channel Control)
    • 여러 개의 통신 채널을 관리하고, 필요한 장치에 데이터 우선 전달
    • 데이터가 특정 네트워크 노드에 효율적으로 전달되도록 최적화
• CCU 주요 예시
  • 네트워크 라우터 : 네트워크 패킷을 분석하고, 최적의 경로를 통해 데이터를 전달
  • 통신 프로세서 : 데이터 흐름을 제어하고, 프로토콜 변환 수행
  • 모뎀 컨트롤러 : 여러 개의 모뎀을 관리하며 데이터 송수신을 조절
  • 멀티플렉서 : 여러 신호를 하나의 전송 채널로 합치는 장비
  • 단말 컨트롤러 : 여러 개의 단말기에서 발생하는 데이터를 처리하여 전송
• 컴퓨터와 통신제어장치(CCU) 차이점

차이점 정리

• 통신 제어 프로그램 : 소프트웨어형태로, 컴퓨터 내부에서 네트워크 통신을 관리함(예 : TCP/IP 스택, 방화벽, 네트워크 드라이버)
• 통신 제어 장치(CCU) : 하드웨어 장비로, 컴퓨터와 네트워크 간 데이터 전송을 물리적으로 제어함(예 : 라우터, 스위치, 모뎀)
• 즉, 통신 제어 프로그램은 컴퓨터 내부의 소프트웨어적인 처리 방식이고, CCU는 네트워크에서 데이터를 제어하는 물리적인 장비이다.

데이터 통신 시스템의 특징

• 고속, 고품질의 통신 서비스
• 거리와 시간의 한계 극복
• 대용량 파일의 공동 이용
• 분산 처리 방법 활용
• 시스템 신뢰도 높음

네트워크 개념 및 데이터 통신 기본 요소

데이터 흐름 방향(Direction of Data Flow)

• 단방향(Simplex) : 데이터가 한 방향으로만 흐름(예 : TV 방송)
• 반이중(Half Duplex) : 데이터가 양방향으로 전송되지만, 한 번에 한 방향만 가능(예 : 무전기)
• 전이중(Full Duplex) : 데이터가 동시에 양방향으로 전송 가능(예 : 전화 통화)

네트워크의 주요 요소

• 네트워크 성능(Performance)
  • 전송 시간(Transmit Time), 응답 시간(Response Time)
  • 사용자 수, 전송 매체, 하드웨어/소프트웨어 성능
  • 처리량(Throughput), 지연(Delay)
• 신뢰성(reliability)
  • 데이터가 원본과 동일하게 전송되는지 확인
  • 장애 발생 빈도(Frequency of Failure)
  • 장애 복구 시간(Reconvery Time)
• 보안(Security)
  • 데이터 무결성 및 불법 접근 방비

주요 네트워크 용어(Terminology)

• 처리량(Throughput)/대역폭(Bandwidth) : 데이터 전송 용량을 의미(초당 전송 가능한 비트 수)

  • 통신(Telecommunications) : 통신에서 사용되는 주파수 범위를 의미
  • 컴퓨터 네트워크(Computing) : 인터넷이나 네트워크 연결의 데이터 전송 용량, 일반적으로 bps(bits per second) 단위로 측정됨
  • 데이터 전송 속도(Data Trasmission Rate) : 하나의 통신 채널을 통해 최대 전송 가능한 정보량(예 : 100Mbps, 1Gbps)

• 지연(Latency)/대기 시간(Delay) : 데이터 송신된 후 수신될 때까지 걸리는 시간(실제 데이터가 이동하는 데 걸리는 시간을 의미)

네트워크 토폴로지(Network Topology)

• 물리적 토폴로지(Physical Topology) : 네트워크가 실제로 어떻게 연결되어 있는지 정의
• 논리적 토폴로지(Logical Topology) : 데이터가 네트워크에서 어떻게 흐르는지 나타냄

• 주요 토폴로지 유형
  • 버스(Bus) : 모든 노드가 하나의 중앙 케이블에 연결됨
  • 스타(Star) : 중앙 허브(스위치)에 모든 노드가 연결됨
  • 링(Ring) : 모든 노드가 원형으로 연결되어 있음
  • 메시(Mesh) : 모든 노드가 서로 직접 연결됨
  • 하이브리드(Hybrid) : 여러 개의 토폴로지를 조합한 형태(예 : 스타 백본에 3개의 버스 네트워크 연결)

토폴로지의 목표(Goal of any topology)

1. 높은 대역폭(High throughput)
2. 낮은 지연 시간(Low Latency)

LAN & WAN

LAN과 WAN은 네트워크의 범위와 용도에 따라 구분되는 네트워크 유형이다.

1. LAN(Local Area Network, 근거리 통신망)

• 정의
  • 제한된 지역(근거리) 내에서 운영되는 네트워크
  • 일반적으로 한 건물, 사무실, 학교, 기업 내부 등에서 사용됨
  • 고속 데이터 전송이 가능하며, 네트워크 지연이 적음
• 특징
  • 짧은 거리(수 미터 ~ 수 킬로미터) 내에서 사용됨
  • 고속 데이터 전송(일반적으로 100Mbps ~ 10Gbps 이상)
  • 소유 및 관리가 용이(기업 또는 개인이 직접 구축 가능)
  • 유선(이더넷) 또는 무선(Wi-Fi)방식으로 구성됨
• 예시
  • 회사 내부 네트워크, 학교 캠퍼스 네트워크, 집 안의 Wi-Fi 네트워크

2. WAN(Wide Area Network, 광역 통신망)

• 정의
  • 국가 또는 대륙 간을 연결하는 광범위한 네트워크
  • 여러 개의 LAN을 연결하여 구성됨
  • 데이터 전송 거리가 멀어 속도가 상대적으로 느릴 수 있음
• 특징
  • 광범위한 지역(수백 ~ 수천 km 이상)에서 사용됨
  • 전송 속도가 LAN보다 낮을 수 있음(10Mbps ~ 수백 Mbps 수준)
  • 공공 네트워크(인터넷, 광케이블, 위성통신 등) 사용
  • 비용이 높으며, 주로 정부, 대기업, ISP(인터넷 서비스 제공업체)가 관리
• 예시
  • 인터넷(Internet) : 전 세계를 연결하는 대표적인 WAN
  • 국제 기업 네트워크 : 본사와 지사를 연결하는 네트워크
  • 위성 통신망 : 지구촌 어디에서든 인터넷 사용 가능

Internetwork

인터네트워크(Internetwork)란? : 둘 이상의 개별 네트워크(LAN, WAN 등)가 연결된 네트워크 시스템을 의미한다. 서로 다른 네트워크를 연결하기 위해 라우터(Router), 게이트웨이(Gateway) 등의 장비를 사용한다.

1. LAN1 : 한 회사의 본사 네트워크
   • 내부에서 PC, 프린터, 서버, Wi-Fi 등이 연결됨
   • 라우터를 통해 WAN에 연결됨
2. LAN2 : 같은 회사의 지사 네트워크
   • 사무실 내 여러 장치들이 네트워크로 연결됨
   • 라우터를 통해 WAN에 연결됨
3. WAN : LAN1과 LAN2를 광역 네트워크(WAN)로 연결
   • LAN1과 LAN2를 광역 네트워크(WAN)로 연결
   • 인터넷, 전용 회선, 위성, 광케이블 등의 기술을 사용할 수 있음
   • 장거리 데이터 전송을 담당하며, 속도가 LAN보다 상대적으로 낮음

Heterogeneous Network

Heterogeneous Network(이기종 네트워크)란? : 다양한 유형의 네트워크(LAN, WAN 등)를 서로 연결하여 구성된 네크워크이다.

• 서로 다른 하드웨어, 소프트웨어, 네트워크 프로토콜이 포함될 수 있음
• 네트워크 간 라우터, 게이트웨이, 프로토콜 변환기 등의 장비가 필요함
• 기업, 학교, 정부 기관 등에서 광범위한 네트워크 인프라를 구축하는 데 사용됨

1. LAN
   • 특정 지역(사무실, 캠퍼스, 건물)에서 운영되는 소규모 네트워크
   • 빠른 속도(100Mbps ~ 10Gbps 이상) 제공
   • Wi-Fi, Ethernet 등 다양한 기술 사용
   • 예시. 회사 본사 및 지사의 개별 LAN, 대학 캠퍼스 내 학과별 LAN, 데이터센터 내 서버 네트워크
2. WAN
   • LAN과 LAN을 광범위한 거리에서 연결하는 네트워크
   • 인터넷, 전용 회선, 위성 네트워크 등을 포함할 수 있음
   • 속도는 LAN보다 상대적으로 낮음(10Mbps ~ 수백 Mbps 수준)
   • 예시. 본사와 해외 지사를 연결하는 WAN, 은행 지점 간 네트워크, ISP의 글로벌 네트워크

주요 구성 요소

• 라우터 : 서로 다른 LAN과 WAN을 연결하는 장치
• 게이트 웨이 : 서로 다른 네트워크 프로토콜을 변환하는 장비
• 스위치 : LAN 내에서 데이터 패킷을 관리하는 장치
• 방화벽 : 네트워크 보안을 강화하고 불법 접근을 차단

네트워크 스위칭과 인터넷 아키텍쳐 개요

스위칭(Switching) 개념

인터넷은 스위치(Switch)를 사용하여 네트워크 링크를 연결하는 스위칭 네트워크(Switched Network)이다. 스위치는 네트워크 간 데이터를 전달(Forwarding)하는 역할을 하며, 가장 일반적인 스위칭 방식은 회선 교환(Circuit Switching)과 패킷 교환(Packet Switching)이다.

회선 교환 네트워크(Circuit-Switching Network)

• 특징
  • 두 장치 간에 전용 통신 경로(Dedicated Circuit)를 설정하여 데이터를 전송하는 방식
  • 연결된 동안에는 연속적인 데이터 흐름이 보장됨
  • 통신이 끝나면 회선을 해제하여 다른 사용자가 사용할 수 있도록 함
• Three steps
  1. 설정(Setup, Establish Circuit) - 네트워크가 두 노드 간 전용 경로를 설정
  2. 데이터 전송(Transmit, Deliver Data) - 설정된 회선을 통해 데이터 전송
  3. 해제(Terminate, Close Circuit) - 데이터 전송이 끝나면 회선을 해제
• 예시
  • 전화 네트워크(PSTN, Public Switched Telephone Network)
  • ISDN(Intergrated Services Digital Network)
• 장단점
  • 장점 : 전송 중 데이터가 변질되지 않고, 지연이 적음
  • 단점 : 비효율적(사용자가 대화를 하지 않는 동안에도 회선이 유지됨 -> 자원 낭비)

패킷 교환 네트워크(Packet-Switched Network)

• 특징
  • 데이터를 작은 패킷(Packet) 단위로 나누어 전송
  • 각 패킷은 독립적으로 네트워크를 통과하여 목적지로 이동
  • 저장 및 전달(Store-and-Forward)방식 사용 -> 패킷이 도착할 때까지 버퍼링(Buffering) 수행
• 작동 방식
  • 각 패킷은 개별적으로 경로를 선택하며, 목적지에 도착하면 재조합됨
  • 네트워크의 트래픽 상태에 따라 경로가 동적으로 변경될 수 있음
• 예시
  • 인터넷(Internet)
  • X.25 : 1980년대 사용된 패킷 교환 방식
  • 프레임 릴레이(Frame Relay) : X.25를 대체하는 방식
  • ATM(Asynchronous Transfer Mode) : 고속 데이터 전송 네트워크
• 장단점
  • 장점 : 회선을 독점하지 않아 네트워크 자원을 효율적으로 사용 가능
  • 단점 : 패킷이 여러 경로로 이동하므로, 지연(Latency) 발생 가능

인터넷 아키텍쳐

• 인터넷은 계층적으로 구성된 여러 개의 네트워크로 이루어짐
  • 개별 호스트(Host)와 LAN은 ISP(Internet Service Provider)에 연결됨
  • ISP는 지역(Local), 지역 간(Regional), 국가 단위(Backbone ISP)로 계층화됨
• 인터넷 아키텍쳐(Internet Architecture)
  • POP(Point of Presence) : 인터넷 서비스 제공업체(ISP)가 고객(사용자)과 연결되는 지점
  • CPE(Customer Premises Equipment) : 사용자의 네트워크 장비(모뎀, 라우터 등)
  • ISP의 계층 구조
    • 로컬 ISP(Local ISP) : 일반 사용자와 기업이 가입하는 ISP(예: KT, SK, LG U+)
    • 지역 ISP(Regional ISP) : 여러 로컬 ISP를 연결하는 ISP
    • 백본 ISP(Backbone ISP) : 국제 및 국가 간 트래픽을 처리하는 대규모 ISP
  • NAP(Network Access Point) : 백본 ISP 간 트래픽을 연결하는 주요 지점