유선 통신 네트워크의 구조 및 원리

 

 

 

 전기차를 공부하는 데 있어, 자율주행 SDV가 대세화 되면서 통신 시스템의 이해는 필수적입니다. 차량 내 통신 시스템뿐만 아니라 차량 간, 차량과 인프라 간 통신도 매우 중요하기 때문에 네트워크의 기본 원리를 이해하는 것의 중요성이 대두되었습니다. 이를 위해서는 아날로그와 디지털 방식의 발전에 대해 이해하는 것이 필요합니다. 그럼 시작해보죠

소리 전달의 원리

 

일반적으로 통화를 한다는 일에서 떠오르는 의문은 "우리는 어떤 방식으로 소리를 전달하는 걸까?"에서 출발합니다.

 

음성은 기본적으로 공기의 압력 변화, 즉 음파의 형태로 존재합니다. 전화 시스템에서 음파는 먼저 마이크를 통해 전기 신호로 변환됩니다. 마이크는 음파의 기계적 진동을 전기적 진동으로 변환하는데, 이 과정에서 아날로그 전기 신호가 생성됩니다. 이 전기 신호는 유선 네트워크를 통해 전달되며, 수신 측에서는 스피커가 다시 이 전기 신호를 음파로 변환하여 우리가 들을 수 있는 소리로 재생합니다.

 

이 과정에서 전화 신호는 일정한 대역폭을 사용하며, 신호의 품질을 유지하기 위해 증폭기가 사용되는데. 이와 같은 방식은 비교적 단순하고 효율적이지만, 장거리 전송 시 신호 감쇠 및 왜곡 문제를 야기하였 습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 디지털 신호 전환이 필요해졌고, 이를 통해 신호의 안정성과 효율성을 향상시킬 필요성이 대두되었다 정도만을 이해하시면 됩니다

 

고전적인 유선 전화는 위에서 설명했듯이 마이크를 통해 음파를 전기 신호로 변환하여 전달했습니다. 이 방식은 유선 연결을 통해 음성을 전송하기 때문에 안정적이고 간단한 구조였었죠.

 

그러나 이러한 음성 전송 방식이 대규모로 확장되면서, 회선의 다양성이 필요해 졌고, 신호의 안정성, 여러 사용자 간의 동시 연결, 그리고 네트워크 자원의 효율적인 사용 등에 제한사항이 있었습니다.

전화 교환기의 발전 과정

위에서 설명했듯 가장 단순한 방법은 모든 전화기를 1대1로 선을 연결하는 것입니다. 예를 들어, 10대의 전화기를 연결하려면 각 전화기마다 나머지 9대와 연결이 필요하여 총 45개의 회선이 필요하게 됩니다.

 

이러한 방식으로 연결되는 장치의 수가 많아질수록 필요한 회선 수가 기하급수적으로 증가하며, 이는 매우 비효율적이죠. 수천, 수만 대의 전화기가 연결되는 상황에서는 회선 수를 감당하기 어렵기 때문에 이러한 1대1 연결 방식은 실질적으로 불가했죠

 

 

이를 해결하기 위해 도입된 방식이 스위칭 방식(Switching Method)입니다. 스위칭 방식은 많은 사용자들이 동시에 통신할 수 있도록 자원을 효율적으로 관리하는 기술입니다. 주요 스위칭 방식으로는 회선 교환(Circuit Switching), 패킷 교환(Packet Switching), 그리고 메시지 교환(Message Switching) 으로 발전해 왔지만 이는 나중에 다루고 우선은 회선 교환 방식을 보시죠.

 

회선 교환 방식은 두 통신 장치 간에 하나의 물리적인 경로를 설정하여 연결이 끝날 때까지 독점적으로 사용합니다. 이 방식은 두 장치가 통신을 시작할 때, 네트워크에서 하나의 전용 경로를 설정하고, 이 경로를 통신이 끝날 때까지 유지합니다. 예를 들어, 전화 통화의 경우, 발신자가 전화를 걸면 교환기가 상대방과 연결되는 경로를 설정하고, 이 경로는 통화가 종료될 때까지 다른 사용자가 사용할 수 없습니다.

 

 초기에는 전화국에 설치된 수동 교환기를 통해 전화를 연결했으며, 교환수들이 물리적으로 선을 연결해 통화를 이루어지게 했습니다. 이후 이러한 교환 시스템은 점차 전동식 기계 교환기로 발전하였고, 이를 통해 통화 연결이 자동으로 처리될 수 있게 되었습니다.

 

전동화된 교환기는 많은 전화 가입자 사이의 연결을 빠르게 스위칭할 수 있어 통신 효율을 크게 향상시켰습니다. 이러한 자동화 과정은 전화의 보급을 가속화시켰고, 더 많은 사람들이 전화 서비스를 이용할 수 있도록 만들었습니다. 또한, 전기 스위치 기술의 발전은 결국 전자 교환기로 이어져, 더 큰 용량과 빠른 속도의 통신을 가능하게 했습니다.

아날로그와 디지털 신호 전환의 필요성

뿐만아니라 과거 아날로그 신호로 음성을 전달할 때, 장거리 통  신에서는 신호의 왜곡과 감쇠가 큰 문제가 발생했습니다. 신호가 물리적 거리를 이동할 때, 전송 매체의 특성으로 인해 신호의 세기가 약해지고, 잡음이 섞여 원래의 음성을 제대로 재현하지 못하는 경우가 많았죠

 

이러한 문제를 해결하기 위해 음성 신호를 디지털화하여 전송하는 방식이 도입되었습니다. 디지털화된 신호는 오류 검출 및 수정이 용이하며, 증폭 과정에서도 신호의 왜곡이 적어 더 안정적으로 음성을 전달할 수 있었고, 이 과정에서 음성 압축 기술인 보코더(Vocoder)를 활용해 데이터를 효율적으로 전달함으로써 대역폭 사용을 줄이고, 더 많은 사용자가 동시에 통신할 수 있게 되었습니다.

회선 교환 방식의 한계점

여기서 문제가 발생합니다. 초기 통신 네트워크는 회선 교환 방식(Circuit Switching)은 두 사용자 간에 하나의 물리적 경로를 통해 연결하는 방식이라 설명 드렸죠?

 

문제는 이 방식이 인터넷과 같은 데이터 네트워크에 적용되었을 때 매우 비효율적이라는 점입니다. 회선 교환 방식은 연결이 유지되는 동안 전체 대역폭을 점유하기 때문에, 다수의 사용자가 동시에 연결해야 하는 인터넷 환경에서는 비효율성이 높았다는 점입니다.

패킷 교환 방식의 등장

 

인터넷 환경이 대두화 되며 이 비효율성을 해결하기 위해 인터넷에서는 패킷 교환(Packet Switching) 방식을 채택했습니다.

 

패킷 교환 방식에서는 데이터를 작은 단위인 패킷으로 나누어 전송하고, 각 패킷은 네트워크 내에서 독립적으로 경로를 설정하며 목적지로 전달됩니다. 각 패킷은 라우터와 스위치를 거쳐 최적의 경로를 찾아 이동하며, 도착지에서 다시 재조합 되는 과정을 거칩니다.

 

이러한 과정에서 패킷들이 서로 다른 경로를 통해 이동하더라도 최종적으로 올바른 순서로 재조합되면 사용자는 문제없이 웹 페이지를 로딩하거나 데이터를 받을 수 있습니다.

 

패킷 교환 방식은 데이터를 분할하여 전송하기 때문에 하나의 회선에 여러 사용자가 동시에 접근할 수 있어 자원 효율성이 매우 높을 뿐만 아니라, 또한, 회선이 고장 나더라도 패킷이 다른 경로를 통해 전달될 수 있어 네트워크의 유연성과 신뢰성을 크게 향상시켰다 보시면 됩니다.

패킷 교환 방식의 지연 문제

 

하지만 패킷 교환 방식에는 지연 시간(Latency)이라는 문제가 있습니다. 패킷들이 목적지까지 독립적으로 이동하다 보니, 각 패킷이 다른 경로를 선택하게 되어 대기 지연(Queuing Delay), 처리 지연(Processing Delay), 전송 지연(Transmission Delay) 등이 발생할 가능성이 높죠 니다. 특히 라우터에서 많은 패킷이 동시에 도착하면 먼저 도착한 패킷부터 처리하게 되므로 대기 지연이 발생하며, 라우터의 처리 속도나 전송 선로의 대역폭에 따라 다양한 지연 요소가 영향을 미칠 수 있습니다.

 

그 이외에도 유선 네트워크에서는 일반적으로 전파 지연(Propagation Delay)도 발생할 수 있습니다. 이는 신호가 광케이블을 통해 전송될 때, 광섬유 내 빛의 속도가 진공에서의 빛의 속도보다 느리기 때문에 발생하는 지연입니다. 보통 광섬유 내 빛의 속도는 빛의 속도의 약 2/3 정도이므로, 물리적인 거리와 매체의 특성에 따라 전송 지연과 전파 지연이나 전송지연은 사실상 거의 없습니다.

 

주된 문제였던 처리지연과 대기지연을 해결하기 위해 여러 가지 기술적 발전과 최적화 노력이 기울여졌습니다. 먼저, 패킷이 라우터를 통해 빠르게 처리될 수 있도록 라우터의 하드웨어 성능을 지속적으로 향상시키고, 고속 처리 프로세서를 도입하였습니다. 또한, 큐 관리 알고리즘(QoS, Quality of Service)을 개선하여 데이터 흐름의 우선순위를 지정함으로써 중요한 데이터 패킷이 지연 없이 우선 처리되도록 하는 괴정도 있었죠.

 

이러한 노력에는 라우터에서의 효율적인 스케줄링 기법 도입, 대역폭 관리, 트래픽 혼잡 제어 등 다양한 기술이 개발 되었으며, 우리는 이러한 기술적 개선을 통해 네트워크의 지연 시간을 최소화하고, 사용자 경험을 향상된 네트워크를 활용하고 있다 이해하시면 됩니다.

 

결론적으로, 전화망과 인터넷망은 각각 회선 교환과 패킷 교환이라는 서로 다른 구조를 가지고 있습니다. 이러한 구조적 차이는 각 네트워크의 목적과 사용 환경에 최적화된 결과이며, 각각의 방식은 장단점을 가지고 있습니다. 그렇다면 이동통신망은 어떤 구조를 사용하고 있을까요? 이에 대해서는 다음 글에서 더 깊이 알아보도록 하겠습니다.