6. 레이어 1 & 2

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OSI 계층 개념

  • 프로토콜 계층의 표준 모델
  • L1, 2: 일반적으로 연결됨, 시스템에 따라 다름
  • L3: IP 관련
  • L4: TCP/UDP

계층 1: 물리 계층

  • 개요
    • 물리 신호를 송수신하고 정보를 전송하는 물리계층
    • 실제 물리적 신호 생성
    • 링크 물리적 매체에 따른 동작
      • 이더넷: 유선, Wi-Fi: 무선
  • 절차
    • SDU에서 변조파(물리적 아날로그 신호)
  • 구성
    1. 프로토콜: 의사 결정, 의사 결정 절차
    2. 신호 처리 체인
      • SDU – 부호화 – 변조 – 저주파신호 – 복조 – 복호화 – SDU
  • 변조/복조
    • 개요
      • 통신 이론에 기반한 신호 처리 동작(모뎀)
    • 유형
      • 조정
        • 전송할 정보를 반송파 신호에 넣는 처리
      • 복조
        • 수신된 변조 신호를 원래 전송된 정보로 복원
    • 스펙트럼
      • 개요: 주파수에 따라 진폭이 달라지는 신호
      • 시간/공간 함수를 주파수로 분해
      • 중심 주파수(center frequency), 대역폭(bandwidth) 값으로 표현
  • 인코딩/디코딩
    • 인코딩: 비트 문자열의 쉬운 처리
    • 디코딩: 복원 프로세스
    • 오류 감지: N 비트 추가
    • 오류 정정: 비트 수 N회
  • 특성
    1. 아날로그, 디지털
      • 궁극적으로 변조된 신호: 아날로그 신호
      • 일반적으로 사용되는 디지털 통신
        • 소음에 강함, 첨단 압축 기술, 보안 기술, 손쉬운 시스템 구현
    2. 유선, 무선
      • 케이블
        • 개요
          • 가이드 미디어
          • 작은 대역폭 – 감쇠 감소
          • 잡음에 비해 큰 수신 신호
          • 유선 연결 필요, 물리적 제한 있음
        • 유형
          1. 트위스트 페어
            • 가장 대중적인 통신선, 두 가닥을 꼬아 만든 구조
            • UTP(대중), STP(쌍당 차폐) 사용 가능
          2. 동축 케이블
            • 동축 케이블, 장거리, 고가
          3. 광섬유
            • 고성능 하이엔드 통신 회선
            • Gbps 속도, 가볍고 작음
      • 무선 전화
        • 개요
          • 유도되지 않은 매체
          • 가용 주파수 확보 필요
        • 특성
          • C.freq가 높을수록 거리와 장애물에 의한 감쇠가 커집니다.
            • 주파수가 높을수록 장애물에 약함
          • BW가 증가함에 따라 주파수 선택으로 인한 왜곡이 증가합니다.
            • 주파수에 따라 통신차이 발생
    3. 듀플렉스
      • 개요
        • 송수신 방향을 위한 환경
      • 유형
        1. 심플렉스
          • 단방향 정보 전송(방송)에 사용
        2. 반이중(한 번에 한 방향, 양방향)
          • 워키 토키
        3. 전이중
          • 구현하기 어렵다
  • 성과 지표
    1. 데이터 속도
      • 시간당 비트 전송률(bit/s, bps)
      • 변조 방식에 따라 결정(심볼당 비트 수/심볼 시간)
      • BW와 밀접한 관련
    2. ~ 내내
      • 평균 배송률
      • 초당 전송된 평균 비트 수
    3. 스펙트럼 효율
      • Hz당 전송 속도
      • 데이터 속도 / 전체 / BW(bit/s/Hz)
    4. BER(비트오류율)
      • 비트 오류 확률
    5. SNR(신호 대 잡음비)
      • 잡음비
      • 더 높은 데이터 속도 증가
    6. 채널 용량(섀넌 한계)
      • 오류를 일정 수준 이하로 유지하면서 생성할 수 있는 이론적 최대 전송 속도
      • C = 대역폭 log2(1+SNR)

계층 2: 데이터 링크 계층(MAC)

  • 개요
    • 물리 계층에서 정보 전송 흐름 제어
    • 보내기: 보낼 금액과 방법을 선택합니다.
    • 수신: 수신 PDU를 상위 계층으로 올릴지 여부 선택
    • L1에 따라 L1에 맞게 L2 설계
  • 패킷 오류
    • 노이즈 N
    • 복조/디코딩에 영향을 미치기 위해 수신 신호(r = s + N)에 추가됨
    • 비트 오류가 무작위로 발생합니다.
    • 전송된 패킷과 1bit라도 다른 경우 이벤트
    • 발생 빈도는 SNR에 따라 다름(s
    • 유형
      1. 단일 비트 오류: 간헐적으로 노이즈가 증가하는 분산 비트 오류
      2. 버스트 오류: 수신 신호의 낮은 감도로 인해 특정 구간에서 연속적인 비트 오류
  • 오류 감지
    • 개요
      • 일반적으로 패킷 오류 자체를 인식하지 못함
      • N
      • 따라서 별도의 장치가 필요합니다.
        • 패킷에 패리티 비트를 추가하여 감지
    • 절차
      • TX: SDU에 패리티 비트를 붙임
      • RX : 사용자가 생성한 패리티와 수신한 패리티를 비교하여 오류판정
    • 패리티를 만드는 방법
      1. 홀수/짝수 패리티
        • 총합(데이터+패리티)에서 1의 개수가 홀수 또는 짝수가 되도록 1비트를 더한다.
      2. 2차원 패리티 검사
        • 더 많은 패리티 비트 사용
      3. 체크섬
        • 16비트 단위의 1의 보수 누적 덧셈
        • 최종 결과는 1의 보수 연산을 거쳐 패리티 비트로 붙습니다.
        • 수신측에서 출력값 + 패리티 = FFFF이면 에러 X
    • 패리티 검사 방법
      • CRC(순환 중복 검사)
        • 패리티 비트 생성
          • 이진수 n차 다항식의 나눗셈 원리에 의한 CRC 패리티 비트 도출
          • XOR 방법으로 나누기
          • 약속된 다항식(P) – 제수가 존재함
        • 받는 쪽
          • P로 나누기, 0이면 오차 X
  • 오류 수정
    • 개요
      • 최신 통신 시스템에는 매우 큰 패킷 단위가 있습니다.
      • 동일한 SNR 환경에서 오차 증가
      • 채널 인코딩: 데이터 비트를 변경 가능한 형태로 처리(코드워드)
      • 채널 디코딩: 복원
    • FEC(순방향 오류 정정)
      • 코드율: (원본 데이터 비트 크기(k) / 코드워드 크기(n)) < 1
        • 스케일 n
      • 유형
        1. 블록 코드: 비트를 블록으로 배열하여 코드워드 생성(2차원 배열)
        2. 컨벌루션 코드 & 터보 코드: 앞, 뒤 비트를 누적 가산하여 생성(3G, LTE)
        3. LDPC : 패킷 사이즈가 클 때 유리한 최신 기술(Wi-Fi, 5G)
        4. 폴라 코드: (5G)
      • 효과
        • 목표 BER을 만족하는 SNR을 낮출 수 있음
        • 성능 향상 받기
        • 커버리지가 넓어진다
  • 오류 제어
    • 개요
      • 오류 검출 및 수정 기능을 통한 프로토콜 기능 수행
        • FEC로 오류 수정
        • CRC 및 체크섬으로 오류 결정
        • 재전송 요청(ARQ)
    • ARQ
      • 개요
        • 데이터 링크를 신뢰할 수 있게 만들기
      • 유형
        1. 멈추고 기다려
          • 하나씩 보내다
          • ACK 수신 시 패킷 전송
        2. 슬라이드 창
          • 구동 및 수신 ACK 및 처리
        3. 돌아가기 N
          • N에서 재전송
          • 슬라이드 창 사용
        4. 선택적 반복
          • 특정 PDU 재전송
        5. 하이브리드 ARQ
          • 일반 ARQ는 오류 패킷을 버립니다.
          • 패킷 재활용
          • 오류 패킷 + 재전송 패킷을 결합하여 FEC 수행
          • LTE, 5G
  • MAC(미디어 액세스 제어)
    • L1 엔터티는 공개적으로 링크를 사용합니다.
    • 유선: 허브를 통해 연결된 터미널
    • 무선: 신호 도달 범위 내의 터미널
    • 그 역할은 송수신을 제어하여 엔티티 간의 충돌을 방지하는 것입니다.
    • 비연결 기반 MAC
      • 링크 자원의 구분 및 활용 방법
        • L1 전송 충돌 X
      • 링크 자원의 분할 방식에 따라 기술이 달라짐
        • 주파수, 시간, 코드로 구분
    • 스케줄링
      • 비연결 기반 MAC은 궁극적으로 중앙 집중식 L2 엔터티가 모든 미디어 액세스를 제어할 수 있도록 합니다.
        • 특정 L1이 특정 리소스에서 무엇을 전송하는지 판단하는 과정
    • 경합 기반 MAC
      • 경합 기반 L1/L2는 링크 리소스 점유 및 사용
        • 중앙 집중식 노드가 필요하지 않지만 충돌의 여지가 있음
      • ALOHA -> 슬롯형 ALOHA
        • 랜덤 액세스 채널(LTE/5G)
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