[컴퓨터통신] 네트워크의 자원 공유와 다중화 (Resource Sharing & Multiplexing)

목차 (OPEN)

• 📑 들어가며
• 🟥 다중화 (multiplexing)
• 🟧 다중화 방식 1 - 주파수 분할 다중화 (FDM: Frequency Division Multiplexing)
• 🟨 다중화 방식 2 - 시간 분할 다중화 (TDM: Time Division Multiplexing)
• 🟩 다중화 방식 3 - 통계적 다중화 (Statistical Multiplexing)
• 🟦 3가지 다중화 방식 요약
• 📚 결론

 

 

 

 

📑 들어가며

네트워크에서 통신을 하기 위해서는 node를 연결해주는 link가 필요하다.

하지만 이 link를 새로 까는 일은 비용이 매우 비싸고, 비효율적이다.

따라서 한정된 link를 여러 사용자가 효율적으로 공유하는 것이 중요하다.

 

그리고, 이러한 문제를 해결하기 위해 등장한 개념이 바로 다중화(Multiplexing)이다.

 

 

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🟥 다중화 (multiplexing)

다중화란 여러 사용자의 데이터를 하나의 물리적 링크를 통해 동시에 보낼 수 있도록 해주는 기술이다.

 

 

예를 들어, 위 그림처럼 L1, L2, L3의 데이터가 하나의 링크를 통해 전송되고,

수신 측 R1, R2, R3에서는 각자의 목적지에 맞게 구분되어 전달되는 것이 다중화 기술을 이용한 결과이다.

 

이는, 하나의 물리적 링크를 여러 개의 논리적 링크처럼 사용하는 것이라고 보면 된다.

 

 

그리고 이처럼 데이터를 섞어서 보내는 장치를 MUX(Multiplexer),

다시 분리해서 우너래 데이터로 복원하는 장치를 DEMUX(Demultiplexer)라고 부른다.

 

 

이러한 다중화의 방식으로는 크게 3가지가 있는데,

아래에서 하나씩 살펴보도록 하자.

 

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🟧 다중화 방식 1 - 주파수 분할 다중화 (FDM: Frequency Division Multiplexing)

 

FDM이란 위 그림처럼 하나의 링크를 여러 개의 주파수 대역으로 나누어,

각 사용자에게 서로 다른 주파수를 할당해주는 방식이다.

즉, 여러 신호가 동시에 전송되지만 주파수 영역에서 구분될 수 있다.

 

이러한 FDM의 특징은,

채널 간의 간섭을 막기 위해서 guard band(왼쪽 그림에서의 채널 사이사이에 있는 빈공간)이 필요하다는 것이다.

그리고 물론, 이러한 guard band 공간이 생기는 것은 자원 낭비로 볼 수 있다.

 

 

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🟨 다중화 방식 2 - 시간 분할 다중화 (TDM: Time Division Multiplexing)

 

TDM이란 위 그림처럼 하나의 링크를 시간으로 나누는 방식이다.

하나의 링크를 시간 단위로 쪼개서 여러 사용자가 순서대로 번갈아 데이터를 전송하게 된다.

 

이러한 TDM의 특징은,

각 사용자에게 일정한 Time Slot이 배정되어 번갈아가면서 데이터를 전송하는 것이기는 하나 (오른쪽 그림 참고),

이게 아주 빠르게 순환하기 때문에 사람이 보기에는 모두 동시에 전송되는 것처럼 보인다는 것이다.

 

 

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🟩 다중화 방식 3 - 통계적 다중화 (Statistical Multiplexing)

TDM이 time slot을 미리 나누어서 고정해두는 것이었다면,

통계적 다중화란 똑같이 time slot을 나누되, 보낼 데이터가 있는 사용자에게만 동적으로 slot을 할당하는 방식이다.

 

 

예를 들어, 이 그림이 우리가 앞서 봤던 TDM의 예시이다.

현재 첫 번째 사이클에서는 A와 B만 데이터를 보내고,

두 번째 사이클에서는 B와 C만 데이터를 보내고 있다.

그러나 TDM은 time slot을 나누어서 모두에게 고정적으로 slot을 배분해주는 것이기 때문에

데이터를 보낼 게 없는 애들한테도 time slot을 나눠주어서 낭비가 발생하게 된다.

 

 

반면에 이 그림은 통계적 다중화의 예시인데,

보낼 데이터가 있는 애들에게만 time slot을 나눠주기 때문에 C1, D1, A2, D2가 사라져있는 것을 볼 수 있다.

 

그리고 이는 앞선 포스팅에서 살펴봤떤 bursty한 트래픽을 처리할 때 매우 효율적이다.

(보낼 데이터가 있다 없다 하는 상황에서 있는 애들한테만 링크를 나눠주는 거니까)

 

하지만, TDM은 고정된 time slot이었기 때문에 시간 단위로 누가 보낸 데이터인지 구분이 가능했다면,

통계적 다중화는 누가 보낸 데이터인지 구분할 방법이 없기 때문에, 각 데이터를 구분하기 위해서 헤더를 붙여주어야 한다.

(두 번째 그림에서 각 데이터 사이에 있는 하얀색 빈 공간이 헤더가 붙을 공간이다.)

따라서 헤더로 인해서 어쩔 수 없이 overhead가 발생하게 된다.

 

 

그래서 최악의 경우, A, B, C, D 사용자가 끊임없이 데이터를 모두 보내고 있다면,

TDM의 경우 고정된 타임 슬롯 내에서 번갈아가면서 알아서 데이터를 보내면 되지만,

통계적 다중화에 대해서는 각 데이터마다 모두 헤더를 붙여줘야 돼서 오히려 TDM 보다 효율이 떨어지는 경우가 생기기도 한다.

 

 

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🟦 3가지 다중화 방식 요약

구분	FDM	TDM	통계적 다중화
분할 기준	주파수	시간	비동기적 요구
특징	동시에 전송 guard band 필요	순차적 전송 고정된 time slot	유동적 slot 헤더 필요
장점	실시간 동시 전송 가능	단순하고 규칙적	효율적 자원 활용 가능
단점	주파수 낭비 발생	비활성 구간 낭비	오버헤드 발생
적합한 환경	음성 통신, 방송	일정한 트래픽	bursty한 데이터 통신

 

 

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📚 결론

네트워크에서 중요한 것은 '한정된 링크라는 자원을 어떻게 나눠쓸 것인가'이다.

그리고 오늘 포스팅에서 정리했던 다중화가 바로 이 문제를 해결하기 위한 핵심 기술이며,

이는 오늘날의 인터넷, 통신망, 방송망 등 모든 데이터 전송 구조의 근간이 된다.

 

안 그래도 아무리 효율적으로 링크를 설치한다 하더라도,

전 세계에 있는 수많은 사람들이 사용을 하게 될 텐데 이를 어떻게 커버하지? 라는 궁금증이 있었는데,

오늘 공부한 내용을 바탕으로 그 답을 조금은 알게된 것 같다.

 

결국, 다중화란 제한된 자원을 똑똑하게 나눠 쓰는 기술이었고,

그 덕분에 우리가 매일 아무 문제 없이 인터넷을 사용할 수 있는 것이다.