다중화 기법

1. 자원 나누어쓰기

프로토콜은 여러가지 종류가 있는데 SNA, TCP/IP, OSI 등의 구분은 컴퓨터 제조회사 혹은 국제표준화기구 등에 의해 조직적으로 개발된 서로 연관성을 갖는 프로토콜의 집단이다. SNA는 IBM에 의해 사용되고 TCP/IP는 인터넷에서 사용된다. OSI는 전반적인 사용자를 확보하고 있지는 못하다.

PDU(Protocol Data Unit)는 프로토콜에서 정보를 실어 나르는 기본 단위를 의미한다. 물건이 컨테이너 단위로 이루어지는 것처럼 정보의 전송은 PDU 단위로 이루어진다.

하드웨어 자원 뿐만이 아니라 소프트웨어 자원도 여러 사람이 어떻게 효율적으로 나누어 쓸 것이냐하는 것이 가장 큰 문제이다. 자원을 나누어 쓰되 자원을 얻기 위해 각자가 기다리는 시간은 최소화 되어야 하며 모든 이용자에게 평등하게 사용기회가 주어져야 하며 시스템 전체로 보아서는 최대의 성능(throughput)을 유지하여야 한다. 그리고 또한 관리 자체를 위한 오버헤드(overhead)는 최소가 되어야 하며 자원의 이용에는 균형이 유지되어야 한다. 즉 특정자원만 과도하게 이용되고 나머지 자원들은 한가하게 놀아서는 안된다. 또 필요하다면 특정 이용자에게 우선권(priority)을 줄 수도 있어야 한다.

이상은 운영체제의 교과서에 나오는 자원 나누어 쓰기의 몇가지 원칙이다. 자원을 나누어 쓰는 이유는 자명하다. 자원을 나누어 씀으로써 좀 더 적은 경비를 들이면서도 똑같은 서비스를 얻기 위함이다.

세상에 자원이 무한대로 많아서 모든 사람들이 공짜로 쓸 수 있다고 하면 머리 아프게 어떻게 효율적으로 나누어 쓸 것인가를 고민할 필요가 없을 것이다. 필요한 모든 사람에게 원하는 자원을 모두 주어버리면 그만일 것이고 그렇다면 컴퓨터 운영체제의 거의 대부분 기능이 소용없게 될 것이다.

운영체제를 연구하는 컴퓨터 과학자들은 대부분의 시간을 사용자 접속(user interface) 부분에 쏟아야 할 것이다. 그러나 무한한 자원은 단지 상상일 뿐이고 실제 그러한 일은 절대로 나타나지 않을 것이므로 운영체제를 연구하는 컴퓨터 과학자들의 일거리가 금방 사라질 것 같지는 않다.

2. 대역폭 개발과 활용

이러한 자원 나누어쓰기의 문제는 통신분야에서도 똑같이 존재한다. 컴퓨터의 경우와 마찬가지로 통신교과서의 상당부분 또한 자원 나누어쓰기에 많은 페이지를 할애하고 있다.

컴퓨터에서의 중요자원이 중앙처리장치(CPU), 주기억장치, 보조기억장치, 데이터베이스 혹은 파일이라고 한다면 통신에서의 중요 자원은 무엇보다 대역폭(bandwidth)이라고 할 수 있다.

대역폭이란 정보의 전송채널이 얼마 만큼의 정보 전송능력을 갖느냐 하는 능력이고 도로에 비유한다면 도로폭이 된다. 도로의 폭이 넓어야 도로의 수송능력이 커지듯이 통신에서는 채널의 대역폭이 넓어야 채널의 전송능력이 커진다. 다른 말로 하면 통신 용량이 커지는 것이다. 통신의 원가에서 대역폭이 차지하는 비용의 몫은 거의 절대적이다.
물론 통신원가에서 스위칭장비나 단말기등도 상당 부분을 차지하기는 하나 통신채널이 차지하는 비율에는 훨씬 못미친다. 또한 스위칭장비도 어떻게 보면 대역폭을 나누어 쓰기 위한 보조장비로 볼 수 있으므로 통신원가의 대부분은 결국 대역폭의 비용이라고 볼 수 있다.
따라서 당연히 통신공학자들은 대역폭을 효율적으로 나누어 쓰는 방법을 개발하여 어떻게 통신비용을 줄일것인가에 주목하지 않을 수 없다. 똑같이 투자한 대역폭을 많은 사람이 나누어 쓰면 쓸수록 개인당 통신비용은 줄어들 수 있기 때문이다.

통신기술의 역사를 보면 그 내용의 상당 부분이 이 대역폭과의 싸움으로 볼 수 있다. 대역폭과의 싸움은 두가지로 볼 수 있는데 그 하나는 어떻게 더 넓은 대역폭을 확보하느냐 하는 것이고 또 하나는 같은 대역폭을 어떻게 효율적으로 나누어 쓰느냐 하는 것이다.

더 넓은 대역폭을 확보하고자 하는 노력은 결국 어떻게 높은 주파수의 신호를 만들고 이를 멀리까지 원형 그대로 보낼 수 있느냐 하는 것으로 귀결될 수 있는데 이는 높은 주파수를 안정적으로 만들어낼 수 있는 소자의 개발과 최근의 광통신기술로 해결되어 가고 있다.
대역폭 넓히기 작업의 첫째 목적은 넓은 대역폭을 여러 사람이 나누어 씀으로써 한사람당 통신비용을 최소화하자는 것이다.
일반적으로 대역폭을 100배 넓히면 100배 만큼의 사람이 동시에 이용할 수 있는데 반하여 대역폭을 100배로 넓히는데 소요되는 비용은 그보다 훨씬 적게 들므로 대역폭을 넓혀 나누어 쓰는 것이 통신 비용을 현격하게 낮출 수 있는 방법이 되는 것이다.

대역폭 넓히기 작업의 두번째 목적은 고속 통신 요구를 수용하기 위함이다.
모노 음악보다는 스테레오 음악을 전송하기 위한 대역폭이 더 넓어야 되고 흑백 TV보다는 컬러 TV를 전송하기 위한 대역폭이 더 넓어야 하며 기존의 TV보다는 HDTV를 전송하기 위한 대역폭은 더욱 넓어야 한다. 통신 이용자의 대부분은 사람이고(음성통신) 팩스나 컴퓨터 통신의 이용 비율은 아직 낮은 편이나 시간이 지날수록 통신이용 비율은 사람으로부터 컴퓨터 쪽으로 옮겨가고 있다.
이 또한 고속 통신 요구의 필요성이 커지고 있는 이유이다. 왜냐하면 앞으로 대부분의 컴퓨터 통신은 넓은 대역폭이 요구되는 멀티미디어 통신을 하게 될 것이기 때문이다.

3. 주파수 분할과 시분할

대역폭의 넓히기가 주로 하드웨어적인 기술에 의존한다면 대역폭 나누어쓰기 기술은 하드웨어 기술로 출발하여 최근에 와서는 소프트웨어 의존도가 매우 커지고 있다. 왜냐하면 하드웨어 보다는 소프트웨어가 휠씬 융통성을 발휘하기가 쉽기 때문이다.

정보를 전송하기 위해서는 전기 혹은 광신호를 이용해야 하는데 이런 신호는 주파수 영역과 시간 영역들로 구분할 수 있다. 따라서 대역폭 나누어쓰기도 결국 이 두가지 관점에서 출발한다.

즉 주파수 영역을 나누어쓰는 방법이 주파수 분할 다중화(Frequency Division Multiplexing) 이고 시간 영역을 나누어 쓰는 방법이 시분할 다중화(Time Division Multiplexing) 이다.

주파수 분할 다중화 방식은?

주파수 분할 다중화 방식은 마치 넓은 도로를 몇개의 차선으로 나누는 것과 똑같이 넓은 대역폭을 몇개의 좁은 대역폭으로 나누어 사용하는 것이다. 이는 하나의 큰 공간을 몇개의 방으로 나누어 사용하는 것과도 같은 개념이다.

주파수 분할 방법은 아날로그적인 방법이다. 사람의 음성이나 데이터나 주파수 분할 다중화 방법에서는 아날로그 형태로 전송되기 때문이다.

사람의 음성을 전송하기 위해서는 3KHz의 대역폭이 필요하다. 다른 말로하면 음성대역폭(voice grade bandwidth)은 3KHz이다. 따라서 여기 48KHz의 대역폭을 갖는 채널이 있다면 이를 주파수 분할하여 12명이 동시에 통화할 수 있다.
현실적으로 음성대역폭은 3KHz이지만 앞뒤의 여유를 생각하여 약간띄우기 때문에(guard band) 음성대역폭은 이 여유분을 포함하여 4KHz가 되고 48KHz÷4KHz=12가 되는 것이다.
8KHz의 대역폭을 갖는 채널을 데이터 통신에서 이용하는 경우에도 똑같다. 왜냐하면 우리가 보통 사용하는 모뎀은 음성대역폭에서 동작하는 모뎀이므로 이 모뎀 역시 여유분을 포함하여 4KHz의 대역폭이면 충분히 신호를 전송할 수 있기 때문이다.

주파수 분할 다중화 방법은 가장 고전적인 다중화 방법으로 차츰 그 이용 빈도가 줄어갈 것으로 보인다. 왜냐하면 주파수 분할 다중화 방법은 시분할 다중화 방법에 비해서 비효율적이며 앞으로는 모든 전송은 디지탈로 이루어질 것이기 때문이다.

시분할 다중화 방식은?

시분할 다중화 방법은 앞에서 말한대로 시간을 조각내어 이 조각낸 시간 단위(time slot)를 여러 이용자에게 할당하여 음성 혹은 데이타를 전송하게 하는 방법이다.

T1은 미국식의 시분할 다중화 방식이며 속도는 1.544Mbps, E1은 유럽방식으로 속도는 2.048Mbps이며 T1 다중화에는 음성 24개, E1 다중화에는 30개의 음성이 실리게 된다. 장거리 전송로에서는 이 두가지 시분할 다중화 방식이 주로 이용된다.

데이터 전송을 위한 시분할 다중화 방식에서는 앞에 설명한 기본적인 시분할 방식에서 약간 변형된 방법이 이용된다.
기본적인 시분할 다중화 방법을 동기식 시분할 다중화 (Synchronous Time Division Multiplexing)라고 하고 변형된 방법을 비동기 시분할 다중화(Asynchronous Time Division Multiplexing)라고 부른다.

4. 동기/비동기식 다중화

동기식 시분할 다중화는 시간의 조각(time slot)을 모든 이용자에게 규칙적으로 할당해주는 방법으로 이용자들이 실제로 보낼 데이타를 갖고 있거나 있지 않거나를 막론하고 무조건 타임 슬롯을 할당하게 되는데 이 경우 보낼 데이타를 갖고 있지 않은 터미널에 할당된 타임 슬롯은 낭비되게 되는 비합리적인 면이 있다.

비동기식 시분할 다중화 방법은 이러한 낭비 요인을 없애기 위해 개선된 방법으로 실제로 전송할 데이타를 갖고 있는 터미널에게만 타임 슬롯을 할당하고 여유있는 타임 슬롯은 또 다른 터미널에게 할당함으로써 동기식 방법과 같은 대역폭(속도)을 갖는 경우에도 더 많은 터미널을 지원할 수 있게 한다.
여기서 동기식이니 비동기식이라고 말하는 것은 타임 슬롯 할당의 규칙성을 두고 말하는 것으로 동기식은 규칙적으로 비동기식은 임의(random) 필요에 따라 할당하는 것을 의미한다.

동기식 시분할 다중화 방식이 동기식 단말기를 지원하고 비동기식 시분할 다중화기가 비동기식 단말기를 지원하는 방식이라고 오해하면 절대로 안된다.
비동기식 시분할 다중화기가 대역폭(채널)의 이용효율을 높여주는 것은 틀림없으나 트래픽이 모든 단말기에서 연속적으로 발생하는 경우에는 오히려 성능저하를 가져올 수 있고 전송지연이 발생할 수도 있다.
그러나 데이타 트래픽은 통계적으로 보아 모든 단말기에서 연속적으로 발생활 확률이 그렇게 크지 않기 때문에 충분히 그 존재의의가 있는 것이다. 비동기식 시분할 다중화기를 통계적 시분할 다중화기(statistical time division multiplexing)라고 부르는 이유가 여기에 있다.

또 다른 차이점은 동기식 방법이 모든 프로토콜에 대해 투명성 (transparency)을 갖는데 비해 비동기식은 프로토콜 의존적 (protocol sensitive)이라는 것이다.

이는 동기식 방법이 모든 이용자에게 사용하든지 안하든지 불문하고 타임 슬롯을 할당하므로 모든 이용자가 자신에게 할당된 최고 속도의 트래픽이 연속적으로 발생하여도 아무런 말썽이 있을 수 없는데 비해

비동기식 방법은 다중화기 간의 링크의 속도보다 더 많은 수의 단말기를 거느리게 되므로 모든 단말기가 최고 속도의 트래픽을 연속적으로 발생시킨다면 데이타의 분실 우려가 있고 분실을 막기 위해서는 흐름제어 기법이 필요한데 이 흐름제어기법은 프로토콜마다 차이가 있기 때문이다.

따라서 비동기식 시분할 다중화기에서는 포트마다 프로토콜이 다를 수 있으므로 주의를 기울여 사용해야 한다.

5. 다중화 방법의 확장

우리가 근거리통신망(Local Area Network)에서 사용하는 매체 액세스 제어(MAC: Medium Access Control) 방법도 모두 대역폭을 나누어 쓰기위한 방법의 일종이다. 다만 근거리 통신망에서 사용하는 CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection) 나 토큰 패싱(token passing)등의 방법은 대역폭 나누어 쓰기에 교환(스위칭)의 개념이 더해진 프로토콜이다.

근거리통신망은 기본적으로 하나의 전송매체가 갖는 대역폭을 나누어 쓰고자 하는데서 출발한 것으로 볼 수 있는데 근거리통신망에는 여러개의 노드들이 연결되고 여러개의 노드간에 상호통신이 가능해야 하므로 스위칭의 개념이 필요하다.

멀티플렉싱(multiplexing)과 멀티플 액세스(multiple access)의 차이는 멀티플렉싱(다중화)은 채널의 양쪽에 연결된 상대방이 고정되어 사용되는데 반해 멀티플 액세스는 한 채널을 모든 이용자가 상호접속하여 통신할 수 있게 해주는 기술이라는 점이다.
여기서 상호접속은 결국 스위칭이며 상호접속은 절대로 동시에 일어나서는 안된다. 근거리 통신망은 하나의 채널 하나의 대역폭을 가지므로 동시에 접속이 일어난다는 얘기는 결국 충돌이 일어난다는 이야기이고 충돌이 일어난다는 것은 정보전송에 실패했다는 것을 의미하기 때문이다.

따라서 멀티플 액세스(다중 접근) 프로토콜에는 모두 충돌에 대처할 수 있는 기술(mechanism)이 포함되어 있다. CSMA/CD는 가능하면 충돌을 회피하지만 충돌의 가능성을 완전히 배제하지는 못하고 충돌이 발생했을 때의 사후 조처를 프로토콜의 알고리즘에 포함시키고 있으며 토큰 패싱 방법들은 사전에 충돌이 발생하지 않도록 프로토콜이 짜여져 있다.

ATM(Asychronous Transfer Mode)에서도 대역폭 나누어쓰기가 이루어지는데 이때 사용되는 개념은 비동기식 시분할 다중화 방법과 같으며 무선통신에서의 TDMA(Time Division Multiple Access)도 결국 시분할 방법에 근거한 멀티플 액세스 방법이다. TDMA는 위성통신에서도 이용된다.

이와같이 모든 대역폭 나누어쓰기 방법은 주파수 분할 다중화의 개념이나 시분할 다중화의 개념을 그대로 이용하거나 약간의 변형을 거쳐 만들어진다.
따라서 획기적인 새로운 방법이 등장하기 전까지는 이 두가지 방법이 대역폭 나누어쓰기 방법으로서는 계속해 쓰일 것으로 보인다.

출처 : http://www.sudo21.net/co-jb-7.htm