[network] 신호 장애 원인과 성능 측정 방법

# 컴퓨터네트워크

SIGNAL IMPAIRMENT 신호 장애

전송매체에 결함이 생기면 신호장애를 유발할 수 있습니다.

'신호장애'는 시작부분과 끝부분의 신호가 같지 않음을 의미합니다.

이러한 손상의 원인은 크게 3가지로 나뉩니다.

attenuation, distortion, noise

 

1. 감쇠 & 증폭 (Attenuation & Amplification)

감쇠는 에너지 손실을 의미합니다.

신호는 전송매체를 통과하게 되는데요, 매체의 저항으로 인해 에너지의 일부를 잃게 됩니다.

신호의 전기에너지가 열에너지로 변환되죠. (전선이 뜨거워지는 이유!)

 

그래서 사이사이 증폭기를 설치하여 중간중간 신호의 진폭을 끌어올려줍니다 ! 

 

+ 데시벨 (Decibel)

추가적으로 데시벨이 무엇인지 알아야합니다.

데시벨은 신호가 손실되거나 증폭되는 정도를 표현하기 위해 사용합니다.

두 개의 서로 다른 지점에서 두 개의 신호 또는 하나의 신호의 상대적인 강도를 측정합니다.

 

만약, 

신호가 감쇠되면, 데시벨이 음수이고

신호가 증폭되면, 데시벨은 양수가 됩니다.

 

(P1, P2 : 각 지점에서 신호의 거듭제곱)

 

 

2. 왜곡 Distortion

왜곡은 신호의 형태나 모양이 바뀌는 것을 의미합니다.

여러 다른 신호가 복합적으로 합쳐진 신호에서 왜곡이 발생할 수 있습니다. 

각 신호마다 전송 속도가 다르게 때문에, 최종 목적지에 도달하는 지연이 발생합니다.

 

 

3. 노이즈 Noise

• 열 노이즈 Thermal Noise
  • 전선 내의 전자의 무작위 움직임으로 인해 보내지 않은 신호를 만듦
• 유도 노이즈 Induced Noise
  • 모터나 가전제품 등이 안테나 역할을 하여 발생하는 노이즈
• 혼선 노이즈 Crosstalk
  • 전선, 조명등에서 나오는 spike가 다른 회선에 영향을 주어 발생하는 노이즈
    spike : 매우 짧은 시간에 높은 에너지를 가진 신호
    

+ SNR (Signal-to-Noise Ratio)

SNR은 노이즈에 대해 신호가 얼마나 잘 가는 지를 나타냅니다

다시 말해 노이즈 세기에 대한 신호 세기의 비율입니다

 

SNR

= 평균 신호 전력 / 평균 잡음 전력

= 원하는 것 / 원하지 않는 것

 

따라서,

SNR이 높다면? 신호 손상이 적다는 것이고

SNR이 낮다면? 노이즈에 의한 손상이 크다는 뜻입니다.

위 식은 데시벨로 나타낸 SNR입니다

 

 

성능 Performance 

성능은 무엇을 기준으로 하느냐에 따라 측정 방법이 달라집니다.

이 글에서는 아래 4개의 기준에 대해 더 자세히 알아보겠습니다.

• 대역폭 (Bandwidth)
• 처리율 (Throughput)
• 지연 (Delay)
• 대역폭 X 지연 (Bandwidth X Delay)

 

1. 대역폭으로 성능 측정 Bandwidth

대역폭은두 가지 의미로 해석할 수 있습니다

• 1) 헤르츠 단위의 대역폭
  • 복합 신호에 포함된 주파수의 범위를 의미합니다
• 2) 초당 비트 단위의 대역폭
  • 대역폭은 일정 시간 전송, 수신된 데이터의 양과 비례합니다
  • 초당 비트 단위의 대역폭은 채널이 통과할 수 있는 비트 수로 정의됩니다. 
  • bps(초당 전송 비트 수)

 

2. 처리율로 성능 측정 Throughput

실제로 데이터를 전송할 수 있는 속도를 측정합니다.

초당 비트 단위의 대역폭과 동일해 보이지만 서로 다른 개념입니다.

• 대역폭 : 잠재 성능의 측정 : 상한값을 측정
• 처리율 : 실제 성능의 측정 : 실제값을 측정

-> 그렇기 때문에 처리율은 대역폭보다 항상 작습니다(느립니다)

 

 

 

3. Latency, Delay 지연으로 측정

첫 번째 비트가 전송되고 전체메시지가 목적지에 완전히 도착하는 데 걸리는 시간을 의미합니다.

다음과 같은 4가지 요소로 구성되어 있습니다

• propagation time : 전파 시간
  • 발신지로부터 목적지까지 이동하는 시간
  • 거리 / 속도
  • 매질과 신호의 주파수에 따라 달라짐
• transsmission time : 전송 시간
  • 첫 번째 비트, 마지막 비트 도착 시간 차이
  • = 전체 메시지가 이동하는데 필요한 시간
  • 메시지 크기 / 대역폭
• queuing time : 큐 시간
  • 메시지를 처리하기 전까지 메시지를 대기시키는 시간

 

4. 대역폭과 지연의 곱으로 측정 Bandwidth-Delay Product 

대역폭과 지연은 위에서 각각 측정 기준으로 설명했습니다

대역폭과 지연의 곱은 데이터 통신에서 매우 중요한 지표로 사용됩니다.

파이프의 단면 : bandwidth

파이프의 길이 : delay

파이프의 부피 : bandwidth X delay

파이프의 부피가 성능을 정의합니다

 

따라서 (대역폭 * 지연)은 링크를 가득 채우는 비트의 수가 됩니다

위 사진처럼 대역폭이 1bps, 지연시간이 5s인 링크에서는

5개의 bit로 링크를 채울 수 있습니다

 

 

위 사진처럼 대역폭이 5bps, 지연시간이 5s인 경우에는

25개의 bit가 링크를 가득 채웁니다.