Layer 1 & 2

course outline

• OSU layer에서의 layer 1 protocol 개념 및 역할에 대해 이해
• physical layer의 기본 개념 및 역할
• physical layer 사례들

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OSI Layer 개념

 

• 통신 네트워크를 이루는 protocol layer의 표준형 모델
  • 대부분 통신 네트워크는 이런 형태를 갖추고 있다고 이해하면 된다.
  • 7 layer vs. 5 layer model 두가지가 있으며, 아래가 layer1, 위로 갈수록 숫자가 늘어남.
• layer 1, 2, 3 / 4는 공통
  • L1-2는 보통 쌍이며 시스템 별로 서로 다름
  • L3는 사실상 internet protocol(IP)
  • L4는 사실상 TCP / UDP

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Layer 1: Physical Layer

• physical layer(물리계층)이라고 불린다.
  • 1:1 상황에서 직접적인 물리 신호를 주고 받아서 정보를 전달하는 역할
  • 물리적으로 1:1연결 형태에 맞는 실제 물리 신호를 적절하게 생성
  • 1hop으로 연결된 상대방에게 직접 정보 전달 → 직접적인 연결 상태의 1:1상황에서의 신호를 생성
• 링크의 물리 매체에 따라 실제 동작 등이 상이함
  • ethernet: twisted-pair copper wire, coaxial cable
  • wifi, LTE, ...: wireless signal
• 입력 SDU: 보내고자 하는 정보
• 출력: PDU 형태는 아니고 물리적인 아날로그 신호 (modulation wave)
• 나오는 PDU가 전자기파로 나온다. → 정보가 L1을 거쳐서 물리신호로 바뀜
• signal processing chain(신호처리기, 증폭기) 부분과 의사결정 / 판단 을 내리는 procedure(protocol)부분 존재

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Modulation / Demodulation

• 통신 이론 기반의 신호처리 동작
  • 변조 (Modulation): 송신할 정보를 carrier signal에 담는 처리
  • 복조 (Demodulation): 수신된 변조 신호로부터 원래 송신 정보를 복원
• 변복조 기기를 modem이라고 한다.
• 전파를 보내기 위해서 전파를 만들고 전파를 해석하는 역할을 하는 제일 끝단에 있는 HW가 modem이 된다.
• modem에서 정보가 나가고 들어온다.

Modulation Wave의 Spectrum

변조신호를 carrier Frequency에 얹혀지는 형태가 된다. carrier Frequency에 얻혀지면 그 얻혀진게 차지하는 범위가 있다. 그 차지하는 범위가 bandwidth라고 한다.

 

• 변조 신호를 Fourier transform한 것 (X(f) = F{x(t)})
  • fourier transfrom이란 시간 축으로 01010이라는 신호를 주파수로 바꾸는 과정
  • 시간축의 신호를 주파수 영역의 신호로 바꾸는 과정
• 시간축이 아닌 주파수축 관점에서 변조 신호를 볼 때 그 energy 혹은 power가 주파수 (frequency)이다.
  • 주파수: 특정 주기의 정현파 요소
  • 각 주파수 요소가 얼마나 섞여 있는지를 한눈에 보여준다.
• 우리가 보내는 신호를 center frequency(중심 주파수) + bandwidth(대역폭)로 요약될 수 있음
• spectrum: 주파수의 차이에 따라서 다양한 진폭을 보이는 신호이다. 
  • bandwidth내에 있는 주파수의 모양을 말한다.
• bandwidth: 대역폭으로, 아날로그나 디지털로 이루어진 신호를 통신으로서 보낼려고 하면 전자기파로 보내지는데, 이때 전자기파가 차지하는 공간

특정 목적지가지 어떤 길을 선택할거냐 하는게 center frequency , carrier signal 어떤거 할 것이냐를 선택하는 것과 같다.  그리고 그 길의 폭이 어떻게 되냐 하는게 bandwidth이라고 생각하면 된다.

Encoding / Decoding

• 보내고자 하는 원래 bit열을 보내기 쉽게 가공(encoding)하거나 복원(decoding) 처리하는 과정
• encoding 전(입력)과 decoding 후(출력) 입출력 모두 결국 bit sequence

encoding → decoding사이에 하는 일들의 예시)

• error detection: N bit를 추가로 붙임
• error correction : bit 수가 n배가 된다.
• capacity의 개선: scrambling, multiplexing, repetitioin / puncturing 등..

 endcoding을 보낼 때 비트에 추가 작업하는 것, decoding은 해당 조작으로부터 원 정보를 가져오는 것

Network 공학 관점에서의 L1

• network engineer 란 보통 end to end 통신을 위한 network 전체 구성이 주된 역할
  • L1은 network에서 작은 부분에 불과
• network engineer들은 일반적으로 L1에 대해 black box로 간주
  • network engineer들은 L1과 L2에 관심이 없다 
  • 내부 원리 및 동작 mechanism와 같은 L1의 깊은 내용은 모르는 것이 일반적
  • 네트워크 공학에서 다루기는 L1에 해당하는 유무선 통신 기술 내용이 매우 깊음
• 다만 network설계 과정에서 L1은 중요한 요인에 해당
  • 설계 대상이 되는 network 환경에 맞게 L1 기술을 선택할 정도의 지식은 있어야한다
  • L1이 직접 데이터를 전달하므로 L1이 어던 서비스를 제공하는 지 알아야한다.

Physical Layer 특성 Analog vs. Digital

• Analog / digital 통신은 변조 직전 data에 무엇이냐에 대한 기준
  • analog 신호를 그래로 변조하면 analog 통신
  • digital bit를 변조하면 digital 통신
  • 양쪽 방식 모두 궁극적으로 변조 시 나온 신호는 analog signal이다
• 오늘날 일반적으로 digital 통신을 대부분 이용한다.
  • noise에 대해 강함 
  • 디지털 기술의 발전
    • 압축 기술의 발달
    • 시스템 구현의 용이성
    • 강력 보안 기술의 손쉬운 적용

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Physical Layer 특성 Wired vs. Wireless

전송 매체의 특성에 대해서..

wired 특징

Guided media (Twisted pair, coaxial cable, optial fiber 등)에 의한 변조 신호 전달

• 유선 연결이 필요하므로, 송수신 간 물리적 제약 존재
• 보통 대역폭이 작은 대신 감쇄가 적고 noise대비 수신 신호가 큼
• 무선은 누군가가 잡음을 넣을  수 있지만 유선은 그렇게 하지 못함

 

Twisted pair

• 가장 대중적인 통신선
• 2가닥 꼬여있는 구조로 케이블 안에 존재
• Unshielded Twisted Pair (UTP) 혹은 Shielded Twisted Pair (STP) 사용
• 성능 특성에 따라 여러 category로 나뉨

외울 필요는 없고 카테고리가 나뉘어 지고 카테로기 별로 성능이 다르다는 것만 알고 있자

Coaxial cable

• 동축 cable은 구리가 비싸므로 잘 사용하지 않는다.
• twisted pair 보다 도달 거리가 길고 비쌈

Optical fiber

• 고성능의 고급 통신선
• Gbps급 속도, 가볍고 작은 size
• 상용 용도의 통신 인프라로 활용
• 가장 많이 사용한다.

Wireless 특징

unguided media (air, vacuum, seawater 등)에 의한 변조 신호 전달

• 활용 가능한 주파수의 확보 필요

wireless channnel의 특성

• center frequency가 높아질수록 거리 및 장애물(벽 등)에 의한 감쇄가 심해짐 
  • 높은 주파수일 수록 장애물에 약해진다
• bandwidth가 커질수록 frequency selectivity에 이한 왜곡이 심해짐

왼쪽 그래프가 오른쪽처럼 왜곡이 된다.

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Physical Layer 특성 Duplex

Duplex: 송수신 방향에 대한 환경

 

Simplex

• 단방향 통신만 가능
• 한쪽은 송신, 다른 한쪽은 수신만 함
• 방송과 같은 일방적 정보 전달 시스템에서 주로 활용
• 방송의 경우 송출만 가능, 티비의 경우 수집만 가능, 라디오의 경우 수신만 가능..

Half duplex

• 양방향 통신, 한 순간에 한방향만 이루어짐
• 위키토키 (무전기): 말할때 송신만, 들을때는 수신만 가능
• Time Division Duplex (TDD)
• wifi: 공용 주파수 안에서 하기에 api 보내기만 하거나 받기만 한다.

Full duplex

• 양방향 통신, 한 순간에 동시에 양방향 통신가능
• LTE

Physical Layer 성능 지표

Data rate

• 시간당 bit 전송률 (bit/s, bps) : 순간 전송률
• throughput과 비슷한 개념
• 변조 방식에 따라 결정 → (symbol 당 bit 수) / (1 symbol의 시간 길이)
• bandwidth와 밀접한 관계

throughput

• 평균적인 전송률
• bandwidth 가 넓을 수 록 전송률은 올라감
• 비교적 긴 시간동안 data를 전송했을 때 초당 전송된 bit 수의 평균

spectral efficiency

• Hz당 전송률 → 주파수 효율
• data rate / throughput에서 bandwidth를 나눈 값 (bit/s / Hz)
• 성능이 좋으면 높아진다.
• SNR 이 높으면 높아진다.
• 다른 bandwith에서 속도를 측정하고 싶을 때 사용

Bit Error Rate (BER)

• bit 오류율
• 보통 x축은 Signal to Noise Ratio (SNR) 로, 수신 채널 환경
• SNR = signal power / Noise power = 10 이되면 좋다고 말한다.
• 예를 들어서 SNR이 클수록 말하는 목소리가 noize에 묻히지 않고 잘 들림을 의미
• 낮을 수록 좋은 성능임을 의미

Channel Capacity (Shannon limit)

• error가 일정 수준 이하로 유지하면서 낼 수 있는 이론 상의 최대 전송률
• channel이 가질 수 있는 최대한의 전송률
• system을 아무리 개선이도 channer capacity를 넘을 수 없음, 하지만 SNR을 높이는 방법이 있음

BER이 줄어들 수록 좋음, 우측 표를 해석해 보면 같은 BER 에서 x축을 비교해보면 더 작은 SNR이 더 성능이 좋다는 뜻이다 같은 BER에서 더 작은 SNR로 해결이 가능한게 성능이 좋은것이다.

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Layer 2: Link Control

course outline

• OSI layer에서 Layer 2 protocol 개념 및 역할에 대해 이해
• media access control의 개념 → L1과 제일 구분되는 개념
• data link control이 개념

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Layer 2: Data Link Layer

L1물리 계층에서의 정보 전송 흐름을 제어하는 역할

• 송신: 보낼까 말까, 얼만큼 보낼까 / 어떻게 보낼까
• 수신: 상위 계층으로 수신 PDU를 올릴까 말까

보통 L1과 pair관계이다.

• L1에 의존적이며, L1에 맞게 L2가 설계되는 것이 일반적임

Packet Error

• 통신 시스템에서 error는 피할수 없는 숙명이다
  • 어느 환경이나 random process인 noise N(t) 존재하므로 error 발생
  • 노이즈가 수신신호에 더해져 demodulation / decoding에 영향을 줌 → 예를 들어서 소음이 큰 경우 말을 들을 수 없다.
  • 결과적으로 bit error가 확률적으로 발생할 수 밖에 없음.

packet error

• 원래 보낸 packet과 비교할 때 1bit라도 다른 경우의 이벤트 → 이런 경우 pakect 전체가 error났다고 볼 수 있다.
• packet error는 Signal to Noise Ratio (SNR)에 따라 발생 빈도가 달라짐
  • 수신된 신호 크기 (|s(t)|)가 N(t)대비 충분히 크면 packet error는 안 일어남 → SNR이 크면
  •  (|s(t)|)가 N(t)대비 작으면 packet error가 자주 일어남 → SNR이 작으면
• 수신 신호 환경에 따라 error bit 패턴이 달라짐. 아래 두가지 패턴이 있다.
  • single bit errors: 간헐적인 noise 증가로 분산된 bit가 각각 오류가 난 경우 → 한 bit씩 에러난 경우
  • burst errors: 수신 신호 감도가 낮아지면서 연속적으로 bit error 발생 → 뭉쳐서 error가 난 경우, 현실적으로 이런 경우가 대다수이다.

 

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Error Detection

수신 Layer2는 일반적으로 packet error를 스스로 알지 못함

• 원래 송신된 packet의 bit pattern을 수신측이 알지 못함 → 원래 의도한 송신 packet bit pattern을 모르므로 정확히 뭘 보냈는건지 몰라서 에러가 나도 정확한 정보인지 아닌지 알 지 못한다.
• N(t)는 random process이므로 error는 random으로 발생

따라서 L2가 packet error를 파악하려면 별도의 장치가 필요

• 원래 보낸 packet에 추가적으로 bit를 붙여서 packet error를 찾아내는데 활용
• 여기서 추가적으로 붙이는 bit를 parity bit라고 한다

parity를 활용한 error detection 과정

TX에서 parity를 붙이고 RX에서 내가 만든 parity와 수신된 parity를 비교해서 error여부 판정한다.

Parity 생성방법

odd / even parity

• 가장 간단한 형태
• 1 bit를 붙여서 전체 data + parity bit들의 1의 개수가 홀수 혹은 짝수가 되도록 함

2-dimensional parity check

• 더 많은 parity bit 활용
• 이 방법 대신 동일한 복잡도를 가진 checksum을 사용

checksum

• internet에서 주로 활용하는 방식
• 16bit 단위로 끊어서 1's complement 누적 덧셈 수행
• 최정 결과를 1's complement operation을 해서 parity에 붙임
• 수신 측은 동일한 방식으로 누적 덧셈을 해서, 결과를 parity와 더했을 때 FFFF가 나오면 error-free로 판단
• 계산 문제 미출제 이런 개념이 있다 정도만 이해

cyclic Redundancy check (CRC)

• 계산 문제 출제
• 가장 강력하고 두루 활용되는 parity check 방식
• 2진수의 n차 다항식 나수셈 원리를 통해 n bit CRC 도출
• 송수신 측에서는 서로 약속된 polynomial (P)로 나누기를 함
• 수신 data bit를 대상으로 P로 나누었을 때 나머지를 CRC parity bit 로 뒤에 붙임
• 수신 측 검산
  • 약속된 polynomial (P)로 나누어보고 나머지 (R)가 0인지 여부 확인

R이 01110

• 자주 활용되는 CRC polynomial

Error Correction

예전 (2G정도) 통신 시스템은 L2에서 보내는 기본 packet단위 크기가 크지 않았음.

→ 음성 서비스 중심의 GSm의 경우 약 200bit 정도 수준

하지만 최근 통신 시스템은 L1에서 보내는 기본 packet단위가 매우 큼 → 수천~수십만 bit 까지 가능

packet error는 packet 내 bit가 많아질수록 빈반하게 일어남

• packet size가 커진 최근 통신 시스템은 동일 SNR 환경에서 더 packet error가 빈번하게 일어나기 만련 → 동일 SNR 환경이라면 비트가 길어질수록 error가 증가

보통 parity를 통해 packer error가 검출되면 packet 재전송이 이뤄진다.

• 단 패킷 재전송은 지양해야할 부분
• 따라서 error detection하기 전인 decoding 단계에서 최대한 error correction을 통한 복구가 중요하다.
• Error detection뿐 아니라 error correction 기능까지 필요로함.

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Forward Error Correction (FEC)

 

보통 앞에서의 parity를 통해 packet error가 검출되면 packet재전송이 이루어짐   

하지만 이런 재전송이 성능 관점에서 바람직한 방향은 아님

따라서 스스로 error를 고칠 수 있으면 고치는 것이 바람직함

channel coding scheme

스스로 error를 고치는 법

• channel encoding: data bit를 재가공해서 고칠 수 있는 형태 (codeword)로 만듦 (bit 뻥튀기)
• channel decoding: encoding: encoding된 bit를 decoding하여 원래 bit 복원 (이 과정에서 error정정이 일어남)

FEC의 과정

code rate: K / n (원래 data bit 크기 / code word 크기) → 보통 1보다 작음

• 통신 환경이 안좋다면 n을 늘려서 codeword를 늘린다. code rate가 낮아짐.
• 통신 환경이 좋은 편이라면 n을 조금만 늘려서 전송 데이터를 줄인다, code rate가 높아짐

FEC 종류

어떤 종류들이 있다 정도는 알아야함. keyword만 익히기

• block code: bit 를 block (2차원 배열)로 배치하여 codeword생성
• convolutional code & Turbo code : convolution 원리를 활용
  • 앞뒤 bit 를 누적 더하기 하여 codeword 생성
  • 3G, LTE에서 주로 활용
• LDPC: 가장 최근 기술로, 이론상의 한계치에 가장 근접
  
  • packet size가 클때 유리하면, wifi, 5G에서 활용됨
• polar code: 5G에서 활용

FEC 효과

• tartget BER (Bit Error Rate)를 만족하는 SNR을 낮출수 있는 효과 →같은  BER에서 SNR이 낮을수록 좋음
• 전계가 약한 환경에서 수신 성능 개선 → 강전계 환경으로 개선되도록 할 수 있다.
• coverage가 넓어진다. (SNR의 범위를 아래로 늘릴수 있으므로) → 기지국에서 같은 power 신호를 쏠때 멀리갈 수록 SNR은 낮아진다. 근데 FEC로 수신 성능 개선해서 더 많은 서비스 가능하다.

같은 BER을 낮은 SNR으로 해결가능 한것이 더 좋은 성능을 가진 것이다.

                                   

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Error Control

Layer 2은 error detection / correction 기능을 활용해서 아래 protocol function동작을 할 수 있음 

• FEC를 통해 error 수정 시도
• error detection을 통해 error 여부 판단, CRC나 checksum (parity 이용해서)
• 필요 시 송신에게 재전송 요청 → ARQ (L2에서 돌아가는 프로토콜 function)
• ARQ는 궁극적으로 unrelieable data link를 reliable하게 만들어주는 역할
• ARQ: stop and wait, go back N, selective repeat

ARQ (Automatic Repeat Reuest) 자동 재전송 요구이다. 재전송 기반 에러 제어로 신뢰성있는 데이터 전달을 위해, 재전송을 기반으로 하는 에러제어 방식

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Flow Control

 

송수신 entity 사이에 교환되는 PDU 개수 조정 (양조절)

stop and wait → ARQ의 stop and wait와 같은 원리로 동작

• 하나씩 전달
• ACK이 오면 다음 packet 전송
• link utilization 이 좋지 않음. 비효율적이다.

slide window

• 일전 범위(window)에 대해 몰아서 전달
• 몰아서 ACK를 받아 처리
• 다양한 복잡한 상황이 연출될 수 있음

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ARQ 종류

stop and wait 

• 위에 설명 참고

go back N

• N부터 재전송
• slide window 활용

selective reject

• 특정 seq만 재전송

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hybrid ARQ

일반적인 ARQ는 error packet은 버린다.

HARQ는 erro packet을 재활용하는 것이 키포인트 → error packer 과 이후 재전송된 packet을 잘 결합해서 forward error correction을 한다. 

• FEC 동작과 ARQ 재전송 개념을 잘 합친 기법 → ARQ처럼 error난 packet을 버리고 재전송하는 것 보다  효과적이다.
• FEC와 비슷한 수준의 정보처리율과 ARQ와 비슷한 수준의 신뢰도를 얻을 수 있음
• LTE, 5G 등에서 활용

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Media Access Control (MAC)

좌) 유선에서 link 공유 , 우) 무선에서 link 공유

L2에서만 하는 기능

실제로 L1에서의 link란 여러 entity들이 공용으로 사용하는 경우가 많음

• 한 L1 entity가 송신한 통신 신호를 동시에 받는 L1 entity들은 그 link를 공용으로 쓴다고 봐야함
• 유선: hub를 통해 연결된 단말들이 link를 공유
• 무선: 신호가 도달하는 영역 내의 단말들이 link를 공유
• 두 entity가 동시에 공용 link를 사용하면 충돌로 인해 packet error 발생

이 L1 entity들 간 송수신을 제어하여 충돌을 막는 것이 MAC의 역할 

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non-Contention 기반 MAC (중앙집권적)

• link의 자원으 나눠서 사이 좋게 사용하는 방식
  • L1 전송이 충돌하는 일이 없음
• link 자원을 어떻게 나누냐에 따라 기법이 달라짐
  • Frequency Division Multiplexing
  • Time Division Multiplexing
  • Wavelength Division Multiplexing
  • Code Division Multiplexing

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Scheduling

non-contention 방식은 궁극적으로 중앙집권적 L2 entity가 모든 media access 를 제어하는 방식

• 특정 L1이 특정 자원을 통해 전송하는 것을 결정하는 과정을 scheduling이라고 함

대표적인 예시: LTE / 5G 기지국

• 1ms 단위로 scheduling 수행
  • 수신 단말과 단말에게 보낼 data, 자원 결정
  • 송신 단말 및 자원 결정

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Contention 기반 MAC

경쟁 기반으로 L1 / L2들이 link 자원을 점유해서 사용한다. non-contention처럼 중앙집권적 node가 불필요하나 충돌의 여지가 있다.

• ALOHA -> Slotted ALOHA
  • Random Access Channel (LTE/5G)
• IEEE 계열 MAC (ethernet, WiFi)
  • Carrier Sensing Multiple Access/Collision Detection → 유선에서만 사용할 수 있는 방식
  • Carrier Sensing Multiple Access/Collision Avoidance → 무선에서만 사용할 수 있는 방식
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