한데, 여유 영역으로 0.65 GB가 더 요구된다. 여기서, 예비율 30%를 두어 계산한 결과 는 표 7.12에 기술된 것처럼 14.5 GB이다. 그런데 현재 제공되는 하드디스크의 단위가 4 GB와 9 GB로 나뉘어 있기 때문에 실제 적용은 16 GB(4 GB 3) 혹은 17 GB(4 GB 2 9 GB 1)가 될 것이다. 7.5 하드웨어 산정 DB를 관리하는 시스템 서버의 하드웨어 선정을 위해 필요한 트랜잭션, 메인 메모리, 소요 HDD의 크기는 다음과 같다. 트랜잭션(tpm): 37,015 메인 메모리(Main Memory): 3.8 GB HDD: 17 GB 위의 값들에 근접한 최근의 컴퓨터 시스템의 사양을 조사한 결과는 표 7.13과 같다. 표 7.13 컴퓨터 사양 비교 모델 구분 HP N-Class IBM S7A Compaq GS 140 SUN E6500 CPU 종류 PA-RISC 8500 360 또는 440 MHz RS64-II 266 MHz Alpha 21264 Ultra SPARC-II 525 또는 575 MHz 336 또는 440 MHz CPU 개수 1~8 4~12 2~14 1~30 Memory 256 MB~16 GB 256 MB~32 GB 4 GB~28 GB 256 MB~30 GB I/O 버스 유형 PCI PCI PCI/EISA Sbus/PCI 최소/최대 슬롯 12/12 14/56 0/144 3/45 시스템 대역폭 3.8 GB/sec 2.8 GB/sec 3.2 GB/sec I/O 대역폭 5.8 GB/sec 2 GB/sec 1.2 GB/sec SPECint95 TPC-C(tpmC) 52(440 MHz) 2,100(8 CPUs) 50,000 tpmc 8 CPU~440 MHz 47.7(575 MHz) 1,990(8 CPUs) 34,139 tpmc 37,540 tpmc 53,049 tpmc 12 CPU~262 MHz 14 CPU~575 MHz 24 CPU~336 MHz 이들 4개의 모델 중에서 하나를 결정해야 한다면 이제는 가격이 중요한 결정 변수가 될 것이다. 또한, 새로운 시스템을 구축하는 것이 아니라 기존의 시스템을 확장하는 것 192 7장 교통관리시스템 규모 산정
이라면 사용자의 숙지와 유지관리, 소프트웨어의 이식성 등의 조건들 때문에 이전에 사 용했던 시스템이 어떤 것이었는지가 가장 중요한 선택의 기준이 될 것이다. RISC(Reduced Instruction Set Computer) RISC는 연산 효율과 처리속도를 높이기 위해 사용 빈도가 높은 기본 명령어의 집합만을 내 장시켜 내부 기능을 간소화한 프로세서이다. RISC 프로세서는 명령어 수가 제한되어 있어 간 단한 명령은 CISC(Complex Instruction Set Computer) 프로세서보다 실행속도가 빠르지만 복 잡한 명령은 속도가 느리고 비효율적이다. 이 프로세서는 명령 수를 줄여 제어계를 단순하게 하고 하드웨어의 설계를 쉽게 하거나 처리 속도의 고속화를 겨냥한다. 또한, 명령 세트에는 사용빈도가 높은 기본명령을 선택하며, 명령어 길이를 통일하여 각각의 명령을 같은 사이클 시간으로 실행할 수 있도록 하는 것이 많다. 명령 수가 줄기 때문에 컴파일러 등 소프트웨어 의 부담은 무거워진다. 최초의 RISC는 미국 IBM사가 개발한 미니컴퓨터 801이고 10 MIPS의 성능을 달성했다. 대표적인 RISC 프로세서로는 Sun Microsystems의 SPARC나 DEC의 Alpha, IBM과 Motorola의 Power PC 등이 있다. 7.6 TCP/IP 프로토콜에 따른 통신 데이터량 산정 방법 시스템에서 요구하는 통신망 설계를 위해서는 기본적으로 통신 데이터량을 파악할 필 요가 있다. 통신 데이터량은 프로토콜이 고려되어야 하는데, 가장 일반적인 통신 프로토 콜은 TCP/IP(Transmission Control Protocol & Internet protocol)이다. 이 TCP/IP는 기종 이 다른 컴퓨터 간의 통신을 가능하게 하기 위해 미국 국방부 네트워크인 ARPANET에 서 사용한 전송 계층(TCP)과 네트워크 계층(IP) 프로토콜이다. 초기의 ARPANET는 NCP(Network Control Program)라는 패킷 전송 프로그램을 사용하여 4개의 대학교와 국 방부 시스템을 연결하였다. 그러나 NCP는 기능적으로 다른 네트워크를 연결할 수 없다 는 큰 단점이 있었고, 이를 해결하기 위해 설계된 프로토콜이 TCP/IP이다. 그림 7.6에서 보는 바와 같이, TCP/IP의 오버헤더의 크기는 기본적으로 26 byte이고, 순수 데이터 부분은 48 byte부터 시작하여 8 byte씩 증가할 수 있으며 이렇게 계속 증가 한 데이터 부분은 1,500 byte까지 증가할 수 있다. 예를 들어, 그림 7.7과 같이 전송하려는 순수 데이터의 크기가 1 byte라면 이때의 통신 데이터량은 오버헤드 26 byte, 데이터 48 byte를 합쳐 74 byte가 된다. 7.6 TCP/IP 프로토콜에 따른 통신 데이터량 산정 방법 193
그림 7.6 데이터 증감에 따른 TCP/IP 프레임 그림 7.7 TCP/IP를 이용한 1 byte 데이터 전송 또, 그림 7.8과 같이 전송하려는 데이터의 크기가 54 byte라면, 오버헤드 26, 데이터는 56 byte가 되어 총 통신 데이터량은 82 byte이다. 194 7장 교통관리시스템 규모 산정
그림 7.8 TCP/IP를 이용한 54 byte 데이터 전송 7.7 통신 데이터량 (1) 검지기의 1회 전송 시 최대 통신 데이터량 하나의 차량당 순수 데이터량은 18 byte이고, 이는 TCP/IP에 의해 전송하고자 하면 48 byte 기본 데이터 부분에 포함된다. 또, 54대의 데이터, 즉 30초 동안 하나의 검지기 가 통신회선을 통해 전송하고자 하는 데이터의 크기는 최대 972 byte이므로 이를 TCP/IP에 의해 전송하고자 하면 26 byte의 헤더와 976 byte인 데이터 부분으로 이루어 진 총 1,092 byte가 되는 것이다. 26 byte 976 byte 1,092 byte 또, 200대의 검지기 모두 센터로 전송되므로 센터에서는 218.4 kbyte의 통신 데이터량 을 갖는다. 1,092 byte 200 byte 218.4 kbyte 시스템에서 요구하는 통신 시스템은 218.4 kbyte의 일시적인 통신을 감당할 수 있는 통신망, 통신설비를 갖추는 것이 기본적인 요구사항이다. 7.7 통신 데이터량 195
제 8 장 데이터베이스 설계 8.1 분산 데이터베이스와 교통시스템 8.2 분산 데이터베이스 개요 8.3 분산 데이터베이스의 구조 8.4 분산 환경의 형태 8.5 분산 데이터베이스의 통합 8.6 복제, 수평 분할, 수직 분할 8.7 분산 DBMS의 특징 이 장에서는 분산 데이터베이스의 일반적 특징과 구조, 분산 컴퓨팅 환경의 다양한 형태를 설명한다. 또한, 분산 데이터베이스가 갖는 주요 특성인 복제, 수평 분할, 수직 분할, 그리고 분산 데이터베이스를 관리하는 데이터베이스 관리시스템에 대해 기술한다.
8.1 분산 데이터베이스와 교통시스템 서울시와 경기도를 비롯하여 대전, 대구, 울산, 부산, 제주 등 많은 지자체에서 이미 교 통관리시스템을 구축ㆍ운영 중에 있다. 이것은 마치 교통관리시스템이 지자체별로 나뉘 어 있는 듯이 보이고, 별개의 시스템들로 보이게 한다. 그러나 도로를 따라 여행하는 운 전자에게 있어서는 그 시스템들은 별개가 아니며, 별개이어서도 안 된다. 가령, 서울에서 부산으로 여행가는 운전자를 생각해보자. 그 운전자는 교통방송, VMS 혹은 네비게이션 을 통해 교통정보를 받게 되는데, 지자체라는 행정구역과 무관하게 연속적인 길안내와 교통정보를 원할 것이다. 이렇듯 도로를 따르는 연속적인 정보제공은 현재도 어느 정도 가능하지만, 끊어짐 없이 자연스럽고 연속적인 정보제공을 위해서는 지자체 교통관리시 스템 간의 연계가 자연스러워야 한다. 좀 더 정확하게 말하자만 각 데이터베이스 간의 자연스런 연계가 필요한 것이다. 따라서, 교통관리시스템은 그 자체가 분산 데이터베이스라고 할 수 있고, 지자체 교통 관리시스템 간의 통합적 운영이 반드시 필요한 시스템이라고 말할 수 있다. 그러나 교통 관리시스템이 분산데이터베이스 시스템으로서의 역할을 다하기 위해서는 다음과 같은 특징을 지녀야 한다. 첫째, 운전자의 정보 접근방법이 동일해야 한다. 동일한 접근 방법 으로 로컬 시스템과 원격 시스템을 접근할 수 있어야 한다. 둘째, 운전자가 데이터베이 스 시스템의 위치에 관계없이 정보에 접근할 수 있어야 한다. 셋째, 지역 간 데이터베이 스 간의 데이터 이동에 제약이 있어서는 안된다. 넷째, 운전자가 요구한 정보가 여러 데 이터베이스 시스템과 관련이 있다 해도 이에 대한 처리가 가능해야 한다. 마지막으로 분 산되어 있는 여러 개의 시스템은 어느 한 시스템에 장애가 발생하더라도 전체 시스템은 이상 없이 작업 처리가 가능해야 한다. 8.2 분산 데이터베이스 개요 (1) 분산 데이터베이스의 정의 분산 데이터베이스는 간단히 말하자면, 여러 지역에 분산되어 있는 데이터베이스들의 집합이고, 이들 분산된 데이터베이스들은 하나의 시스템처럼 사용할 수 있다면 이를 분 산데이터베이스 시스템이라 부를 수 있다. 이때 분산된 각각의 데이터베이스는 역시 분 산되어 있는 지역 데이터베이스와 연결되어 전체의 데이터가 논리적으로 같은 위상에 놓이게 되는 것이다. 8.2 분산 데이터베이스 개요 199
이렇듯 분산 데이터베이스에는 데이터의 분산과 논리적 연계라는 두 가지 중요한 속 성이 있다. 모든 데이터가 하나의 동일한 위치에 존재하는 것이 아니며, 이 점에서 분산 데이터베이스는 하나의 노드에 집중되어 있는 중앙집중형 데이터베이스와는 구별된다. 분할(fragmentation)은 분산 데이터베이스에서 가장 중요한 개념으로 테이블들을 중복 되지 않는 논리적 단위로 분리하는 작업을 말하며, 수평 분할, 수직 분할이 있다. 수평 분할의 경우에는 튜플을 집단으로 하며, 수직 분할의 경우에는 속성을 집단으로 하여 분 할한다. 기업의 부서별 업무 단위와 같이 지역적 분리가 곧 업무적 분리인 경우에는 수 직 분할을, 교통시스템과 같이 지역적으로 분리되어 있어도 업무 내용이 유사한 경우에 는 수평 분할을 하게 된다. (2) 데이터베이스 통제 분산 데이터베이스는 중앙집중형 데이터베이스와는 달리 중앙 통제력이 약하다. 일반 적으로 분산 데이터베이스에서는 데이터베이스 전체에 대한 접근을 통제하는 전역 데이 터베이스 관리자(Global Database Administrator)를 두어 계층적 구조에 따라 통제한다. 또 각각의 지역 데이터베이스 관리자(Local Database Administrator)가 별도로 존재하여 각 지역 데이터베이스에 대한 접근을 통제한다. 이들 지역 데이터베이스 관리자들은 자 치적으로 지역 데이터베이스를 관리하며, 경우에 따라서는 다른 지역 데이터베이스 간의 조정도 수행할 수 있다. 이러한 특성을 지역 자치성(Local Autonomy)이라고 한다. 그림 8.1 테이블 속성과 튜플 200 8장 데이터베이스 설계
(3) 데이터 독립성과 분산 투명성 분산 데이터베이스에서도 데이터의 독립성은 중요한 사항인데, 데이터 독립성이란 데이터의 구조가 애플리케이션과 무관하다는 것을 의미하며 이는 프로그램을 일단 작성 한 뒤에 데이터의 구조를 변경하더라도 프로그램은 전혀 영향을 받지 않는 것을 말한다. 또, 분산 데이터베이스는 분산 투명성(Distributed Transparency)이라는 특징을 갖는다. 분산 투명성이란 프로그램을 작성할 때 프로그래머는 데이터베이스의 위치를 고려하지 않아도 되는 것을 말한다. 다시 말해, 프로그래머는 데이터가 하나의 데이터베이스에만 존재하는 것처럼 생각할 수 있는 것을 말한다. 투명성이 보장된 데이터베이스 시스템은 데이터가 다른 지역 데이터베이스로 이동하더라도 프로그램에는 아무런 영향을 주지 않 는다. (4) 데이터 중복 분산 데이터베이스에서는 데이터 중복(Data Replication)이 다음과 같은 장점을 갖는 다. ㆍ 데이터가 여러 노드에 중복되어 저장되어 있다고 할 때, 지역 데이터베이스 내에서 독립적인 업무 처리가 가능해져 지역 자치성이 높아진다. ㆍ 한 지역 시스템 혹은 데이터베이스에 문제가 발생하여도 다른 지역 시스템으로부터 필요한 데이터를 즉각적으로 이용할 수 있는 가용성이 높아진다. 그러나 이러한 중복은 지역 데이터베이스들 내에 중복 저장되어 있는 데이터들의 일 관성 유지가 어렵고, 시스템의 통신 부담이 커지는 등의 문제가 있으므로, 어느 정도까 지 중복을 허용하느냐 하는 것은 여러 가지 요인을 고려하여 결정해야 할 것이다. (5) 기타 특징 이 밖에 분산 데이터베이스는 효율적인 데이터 접근을 위한 최적화 방법, 일관성의 유 지를 위한 무결성, 문제 발생 시에 트랜잭션의 회복, 그리고 동시성 제어 및 보안 등에서 중앙집중형 데이터베이스보다 좀 더 복잡하고 어려운 기술적 문제를 안고 있다. 여기서, 무결성(integrity)이란 데이터베이스의 내용이 서로 모순되는 일이 없는 것을 말하며, 회복(recovery)이란 데이터가 손상되거나 파손되는 경우 이를 원상 복구하는 것을 말한 다. 또, 보안(security)이란 데이터베이스와 프로그램에 사용 권한이 없는 이용자의 접근 을 통제하는 것을 말한다. 8.2 분산 데이터베이스 개요 201
8.3 분산 데이터베이스의 구조 (1) 지역 내부 스키마 물리적인 데이터 구조는 시스템마다 서로 차이가 있다. 이러한 사실은 노드마다 개별 적인 내부 스키마 29) 에 대한 정의가 있어야 함을 의미한다. 이를 지역 내부 스키마(Local Internal Schema)라고 한다. (2) 전역 개념 스키마 한편 시스템 전체의 관점에서 보면 데이터는 전역 개념 스키마(Global Conceptual Schema)에 의하여 기술되어야 하며, 이를 통해 모든 노드 데이터에 대한 논리적인 구조 를 기술할 수 있게 된다. (3) 지역 개념 스키마 분산 데이터베이스에서 데이터는 분할(fragmentation) 또는 중복(replication)된다. 이러 한 분할 및 중복의 문제를 다루기 위하여, 데이터에 대한 논리적인 구조가 필요하며, 이 것이 바로 지역 개념 스키마(local conceptual schema)이다. 지역 개념 스키마들이 모여 전역 개념 스키마를 구성한다. (4) 외부 스키마 애플리케이션 및 데이터베이스에 대한 접근은 전역 개념 스키마에서 정의한 외부 스 키마(external schema)에 의하여 이루어진다. (5) 분할 전역 개념 스키마는 분산 데이터베이스의 데이터를 정의함에 있어서 데이터베이스의 분산을 고려하지 않는다. 다시 말해, 전역 개념 스키마는 중앙집중형 데이터베이스와 동 일한 방법으로 정의할 수 있다. 전역 데이터베이스 테이블은 분할이라는 방법을 이용하 여 데이터베이스를 중복되지 않게 나눈다. 분산 데이터베이스를 분할하는 방법에는 수평 분할과 수직 분할의 두 가지 형태가 있 다. 29) 스키마란 데이터베이스 내의 개체와 개체들의 관계 그리고 제약조건 등에 대한 명세를 말한 다. 202 8장 데이터베이스 설계
그림 8.2 분산 데이터베이스의 구조 수평 분할은 각각의 지역 데이터를 해당 지역 데이터베이스에 각각 저장하는 방법으 로 지역 데이터베이스의 속성이 유사할 경우 사용할 수 있다. 수평 분할에 의한 데이터 베이스를 동질형 분산 데이터베이스라 한다. 수직 분할은 데이터 속성들을 몇 개의 그룹으로 나누어 지역 데이터베이스에 저장하 는 것을 말한다. 분산 데이터베이스에서 지역 데이터베이스의 각 속성 그룹이 어떤 특정 성질을 나타낼 때, 이 분할 방법이 매우 유용하다. 수직 분할에 의한 데이터베이스를 이 질형 분산 데이터베이스라 한다. 분할은 데이터베이스 시스템의 다수 개의 데이터베이스에 위치하는 전역 테이블의 논 리적인 부분이다. 할당 30) 스키마(Allocation Schema)는 분할이 어느 데이터베이스에 위 치할 것인가를 결정하며, 이 할당 스키마에 정의된 구조가 분산 데이터베이스의 중복 또 는 비중복을 결정한다. 30) 분할된 데이터베이스 구조를 물리적 구조로 바꾸는 과정으로 네트워크의 여러 데이터베이스 에 이들을 나누어 저장하는 방법을 말한다. 8.3 분산 데이터베이스의 구조 203
8.4 분산 환경의 형태 분산 데이터베이스 환경은 통신 네트워크로 상호 연결된 지역 데이터베이스 시스템의 집합으로 이루어져 있다. 분산 데이터베이스의 주요 목적은 사용자가 원격지의 데이터베 이스를 마치 자신의 데이터베이스에 접근하듯이 하여 원하는 작업을 수행할 수 있도록 하는 것이다. 분산 데이터베이스 설계는 분산 환경의 형태를 결정하고 현재 구현된 시스템에 적합 한 분산 데이터베이스의 구조를 선정하는 작업으로 이루어진다. 가장 기본적인 분산 환경의 형태는 한 노드 31) 에서 사용자가 원격지의 또 다른 노드인 데이터베이스에 접근하는 클라이언트 서버 구조(client server architecture)이다. 이때 데 이터베이스에의 접근을 요청하는 노드를 클라이언트라 하고, 노드에서 요청한 데이터를 제공하는 노드를 서버라고 한다. 이외에 널리 알려진 분산 환경으로는 파일 서버 방식과 분산 데이터베이스 방식이 있다. (1) 파일 서버 방식 파일 서버 방식은 중앙집중 방식 32) 과는 달리 다수의 컴퓨터가 그림 8.3과 같이 네트워 크로 연결되어 있다. 파일 서버 방식은 일반적으로 한 대의 파일 서버와 다수의 사용자 클라이언트로 구성되어 있는데, 여러 대의 파일 서버가 네트워크로 연결될 수도 있다. 이런 경우, 서로 다른 데이터베이스가 파일 서버에 저장되어 있다면 파일 서버 방식이라 고 볼 수 있지만, 한 데이터베이스가 여러 컴퓨터에 분산, 저장되어 있다면 이는 파일 서 버 방식이 아닌 분산 데이터베이스 방식이 된다. 그림 8.3에서 보는 바와 파일 서버 방식 에서 사용자 컴퓨터는 필요한 응용 프로그램과 DBMS 33) 를 각각 보유하고 있고, 파일 서 버는 DBMS가 없이 데이터베이스 파일만을 보관하고 있다. 사용자 컴퓨터에서 데이터 처리 요구가 발생하면, 사용자 컴퓨터의 DBMS가 운영 시스템을 통해 파일 서버 컴퓨터 31) 하나의 컴퓨터 혹은 데이터베이스 등으로 생각하면 된다. 32) 중앙집중 방식은 가장 널리 사용되는 방식의 하나로 한 장소에 위치한 단일 컴퓨터에서 모든 데이터베이스 처리가 이루어진다. 중앙 컴퓨터에는 데이터베이스뿐만 아니라 DBMS, 응용 프 로그램 등이 집중되어 데이터를 중앙에서 직접 처리하며, 사용자는 단말기를 통하여 메시지와 데이터를 중앙 컴퓨터에 전송하고 결과를 전송받는다. 이 때문에 대부분의 단말기 화면은 그 래픽보다는 문자 형태의 단순하고 원시적인 경우가 많았다. 33) DBMS(Database Management System, 데이터베이스 관리시스템)는 다수의 컴퓨터 사용자들 로 하여금 데이터베이스 내 데이터의 추가ㆍ수정ㆍ삭제 및 축적한 자료구조의 정의, 저장, 검 색 및 갱신, 정보의 기밀보호 등의 기능을 수행하는 소프트웨어를 말한다. 204 8장 데이터베이스 설계
에 데이터베이스 파일을 전송해 줄 것을 요청한다. 이 요청을 받은 파일 서버는 데이터 베이스 파일의 복사본을 사용자 컴퓨터에 전송한다. 파일 서버 방식은 네트워크를 통한 전송량이 상대적으로 많고, 병행 제어가 데이터베이스 수준에서만 가능하기 때문에, 한 사용자가 데이터베이스에 접근하여 사용하고 있는 경우에는 다른 사용자가 접근할 수 없어서 데이터베이스의 가용성이 떨어진다. 이러한 문제점으로 인하여 파일 서버 방식은 다수의 사용자가 동시에 대량의 데이터 처리를 하는 경우에는 거의 사용되지 않는 방식 이다. 그림 8.3 파일 서버 방식 (2) 클라이언트 서버 방식 클라이언트 서버 시스템은 다수의 컴퓨터가 네트워크와 연결되어 있다는 점에서는 파 일 서버 시스템과 동일하지만, 데이터베이스가 저장되어 있는 컴퓨터에 DBMS가 함께 있다는 점에서 파일 서버 시스템과 다르다. 클라이언트 서버 방식은 파일 서버의 발전 형태로, 그 구조는 그림 8.4와 같다. 한 대의 데이터베이스 서버와 다수의 클라이언트가 근거리 통신망으로 연결되어 있으며, DBMS와 데이터베이스 파일이 모두 데이터베이스 서버에 위치하고 있다. 여기서 클라이언트는 사용자의 데이터나 명령을 받아, 데이터베 이스 서버에 데이터 처리를 요구하며, 그 처리 결과를 사용자에게 통보한다. 클라이언트 서버 방식과 파일 서버 방식 간에는 분명한 차이가 존재한다. 예를 들어 어느 구간의 교통정보를 검색하고자 할 경우에 파일 서버 방식에서는 파일 서버에 8.4 분산 환경의 형태 205
DBMS가 없다. 따라서 모든 구간의 교통정보를 네트워크를 통해 사용자 컴퓨터로 전송 하고, 사용자 컴퓨터에서 필요한 구간의 교통정보를 검색하게 된다. 반면에 클라이언트 서버 방식에서는 데이터베이스 서버 내에 DBMS가 존재하기 때문에, 그 구간의 교통정 보만을 추출하여 그것을 네트워크를 통하여 클라이언트에 전송할 수 있다. 따라서 경우 에 따라서는 효율성과 처리시간 모두 클라이언트 서버 방식이 뛰어날 수 있다. 그림 8.4 클라이언트 서버 데이터베이스 구조 (3) 분산 데이터베이스 방식 분산 데이터베이스 방식은 앞서 설명한 방식들과는 달리 하나의 논리적 데이터베이스 가 지역적으로 분산되어 저장, 관리되는 방식이다. 그림 8.5에서 보는 바와 같이 하나의 논리적 데이터베이스가 대의 물리적 컴퓨터에 분산되어 있는데, 이들 각각은 지역 데 이터베이스로 표현되어 있다. 물론, 이들 지역 데이터베이스들은 한 장소에 위치할 수도 있고, 서로 다른 장소에 위치할 수도 있다. 분산 데이터베이스는 이론적으로 한 장소 또는 여러 장소에 위치할 수 있으나, 일반적 으로 서로 다른 지역에 위치한 컴퓨터에 분산할 때, 보다 높은 효용을 기대할 수 있다. 특히 조직이 여러 곳에 분산되어 있고, 각 지역별로 저마다의 데이터 처리 요구가 있을 때 분산 데이터베이스가 적절하게 활용될 수 있다. 분산 데이터베이스는 데이터가 저장되어 있는 물리적 장소에 가능한 가깝게 위치시킴 으로써 통신망을 통하여 전송되는 시간과 비용을 절감할 수 있다. 또한 동일한 데이터를 206 8장 데이터베이스 설계
여러 곳에 복제하면(지역 데이터를 다른 지역에 복제), 데이터의 분산으로 위험성이 감 소되고, 데이터의 가용성과 신뢰성이 증가한다. 그리고 각 지역의 요구 수요에 맞게 설 계할 수가 있어 시스템이 상당히 유연해질 수 있다. 그러나, 분산 데이터베이스는 설계 및 관리가 어렵고, 데이터 무결성을 완전히 보장할 수가 없다는 것이 문제로 지적된다. 또한, 여러 지역에 분산된 데이터 항목을 결합하여야 할 경우, 그 처리 방법에 따라 응답 시간의 차이가 큰 것도 문제가 된다. 분산 데이터베이스에는 동질형 분산 데이터베이스(Homogeneous Distribute)와 이질형 데이터베이스(Heterogeneous Distribute)가 있다고 앞서 설명하였다. 동질형 분산 데이터 베이스 환경 34) 은 분산 환경 내의 지역 데이터베이스가 동일한 데이터베이스를 갖고 있 는 경우이며, 이때 하드웨어 및 운영체제는 반드시 동일할 필요는 없다. 그러나 각 노드 에 대한 통신 소프트웨어는 데이터 요청 및 교환을 위하여 동일한 프로토콜을 가져야 한 다. 또, 데이터베이스 언어 및 데이터 모델이 네트워크상의 모든 노드에서 동일하므로, 클라이언트 노드에서 제기된 데이터베이스 요청은 번역될 필요가 없다. 반면 이질형 분 산 데이터베이스 환경에서는 하드웨어, 운영체계, 통신 시스템 및 DBMS가 상이해도 무 방하다. 여기서 상이한 DBMS란 데이터 모델 및 데이터베이스 언어가 같지 않음을 의미 한다. 또, 클라이언트에서 제기된 요청은 서버가 그 요청을 수행할 수 있도록 번역되어 야 한다. 이러한 이질성에는 여러 등급이 존재한다. 예를 들어, 상이한 DBMS인 경우에 는 관계형 데이터 모델이나 표준 SQL 35) 을 이용하면 상호 간에 호환이 가능하다고 하지 만, 서로 다른 DBMS에서 동일한 SQL을 완벽하게 수용하지는 못한다. 따라서 지역이 다른 데이터베이스의 호환을 위해서는 해당 시스템만을 위한 별도의 표준이 필요한 것 이 현 실정이다. 34) ITS 시스템들은 정보수집시스템이 상이하고 담당하는 지역도 다르지만, 수집 정보들을 상호 공유해야 할 경우가 많다. 이런 경우, 이들을 연계하는 시스템(혹은 컴퓨터)의 데이터베이스 는 자연스럽게 각 지역의 데이터베이스를 두고 있는 분산 데이터베이스 방식이 된다. 국가 ITS 아키텍처에서는 기능을 정의하고, 데이터베이스 테이블의 속성들과 테이블 간의 상호 관 계를 정의해 놓았기 때문에 광역적 차원에서의 ITS는 분명 분산 데이터베이스 방식을 채용하 고 있다고 볼 수 있다. 35) 데이터베이스의 검색, 저장, 갱신, 데이터 정의 등을 실행하는 데이터베이스 하부 언어이다. 8.4 분산 환경의 형태 207
그림 8.5 분산 데이터베이스 구조 8.5 분산 데이터베이스의 통합 개인용 컴퓨터 및 네트워크 기술의 급속한 향상, 시스템의 개방화 추세는 기존의 많은 컴퓨팅 환경을 분산 처리 환경으로 변화시키고 있다. 그러나 이러한 분산 처리 환경에서 는 분산된 데이터베이스, 애플리케이션 등을 통합해야 한다는 부담과 서로 다른 이기종 하드웨어 및 네트워크 프로토콜 사이의 인터페이스를 맞추는 것이 큰 문제점이자 동시 에 극복해야 할 과제가 되고 있다. 이의 해결책으로 미들웨어(Middleware)가 있다. (1) 미들웨어 도입 효과 미들웨어는 네트워크가 구축된 분산 컴퓨터 환경에서 사용자의 컴퓨터와 네트워크상 에서 실행되는 응용 프로그램들 간의 데이터를 자유롭게 연계시킴으로써 애플리케이션 개발이 용이하도록 지원하는 소프트웨어를 말한다. 미들웨어를 도입함으로써 얻을 수 있는 효과는 다음과 같다. ㆍ 시스템의 개발 기간 단축 및 비용 절감 ㆍ 환경 변화에 대한 신속하고 유연성 있는 대응 ㆍ 네트워크 프로토콜에 대한 독립성 유지 ㆍ 다양한 하드웨어 환경하에서의 용이한 시스템 구축 208 8장 데이터베이스 설계
(2) 미들웨어의 종류 미들웨어는 다음과 같이 크게 세 가지로 분류할 수 있다. DBMS 개발 기업에서 제공하는 미들웨어 서로 다른 DBMS에 대한 투명한 접근을 위해 데이터베이스 개발 기업들은 서로 다른 DBMS로의 게이트웨이(Gateway) 접근 방법을 제공한다. 게이트웨이는 각 장비들 간의 프로토콜의 차이, 언어의 불일치, 오류 및 시스템 카탈로그의 차이에 대한 한계를 극복 하고 다른 DBMS에 대한 접근이 가능하도록 해 준다. 대부분의 게이트웨이는 호스트 컴 퓨터에 존재하는 데이터에 원격 접근을 지원하고 있으며, 최근에는 유닉스 환경의 관계 형 DBMS를 위한 게이트웨이도 소개되고 있다. 애플리케이션 개발 기업에서 제공하는 미들웨어 최종 사용자를 위한 개발 도구들은 그 자체의 성능도 중요하지만, 데이터베이스와의 연계된 성능 역시 매우 중요하다. 이를 위하여 애플리케이션을 개발하는 기업에서는 자 사의 제품과 DBMS와의 연동을 위한 드라이버를 제공하고 있다. 제3의 전문회사에서 제공하는 미들웨어 제3의 소프트웨어 전문회사에서 제공하는 미들웨어로 DBMS 개발기업이 제공하는 미 들웨어에 비하여 좀 더 일반적인데, 다양한 DBMS에서 제공하는 운용 드라이버를 포함 하고 있다. (3) TP 모니터 이러한 미들웨어와는 별개로 최근 몇 년간 유닉스 환경하에서 이용하고 있는 트랜잭션 처리 모니터(Transaction Processing Monitor, 이하 TP 모니터)라는 것이 있다. TP 모니 터는 온라인 트랜잭션 처리 시스템(On-Line Transaction Processing System, 이하 OLTP) 구축 시에 뛰어난 성능을 제공해 주는 소프트웨어이다. 유닉스용 TP 모니터는 시스템의 전체 성능을 대폭 향상시키고, DBMS만으로는 쉽지 않은 고수준의 처리 능력과 신뢰성 을 실현시킬 수 있다. TP 모니터의 기본적인 기능은 트랜잭션의 스케줄링(Scheduling), 로깅(Logging), 복구(Recovery) 등이 있으며, 시스템 장애 시에 데이터베이스 시스템의 분산 처리를 수행한다. 8.5 분산 데이터베이스의 통합 209
8.6 복제, 수평 분할, 수직 분할 분산 데이터베이스 설계의 중요 요소로서 복제, 수평 분할, 수직 분할 등이 있다. (1) 복제 데이터 복제는 동일한 데이터를 둘 이상의 장소에 중복하여 저장하는 방법을 말하며, 장점으로는 빠른 응답 속도와 어느 한 노드의 컴퓨터 또는 통신망의 고장 시에도 데이터 를 쉽게 이용하거나 복구할 수 있다는 것이다. 그러나 데이터를 갱신할 때마다 원격의 복제 데이터 역시 함께 갱신해야 하므로 복잡성이 증가하고 비용이 많이 들며, 저장 장 소 역시 많이 필요하다는 단점이 있다. 따라서, 복제는 동일한 데이터를 여러 장소에서 자주 접근할 필요가 있으나, 갱신이 그리 자주 발생하지 않는 데이터에 적합하다. 교통 시스템의 경우 통계용 데이터의 복제가 필요하다고 할 수 있다. (2) 수평 분할 수평 분할은 한 테이블의 레코드를 분할하여 둘 이상의 서로 다른 장소에 저장하는 것 을 말한다. 여러 지역에서 유사한 업무를 수행하며, 수집, 처리, 갱신하는 데이터의 속성 이 같을 경우 수평 분할을 통해 데이터베이스를 관리할 수 있다. 지역별 전력사용량 데 이터베이스, 지역별 교통량 등이 여기에 해당한다. 즉, 수행하는 업무(예: 혼잡 관리, 교 통정보제공 등)가 동일하지만, 목적하는 대상은 지역별로 다른 경우 엔티티와 속성은 동 일하며 단지 레코드의 실제 값만이 다르게 된다. 표 8.1과 표 8.2는 서로 다른 물리적 데이터베이스를 갖는 경우로서, 수평 분할을 통해 관리되고 있다. 표 8.1 A~E 간의 교통정보(예) 구간 번호 구간명 교통량(v/m) 평균속도(km/h) 평균통행시간(m) 0001 A-B 1000 50 50 0002 B-C 1100 55 45 0003 C-D 500 80 40 0004 D-E 600 90 30 210 8장 데이터베이스 설계
표 8.2 J~N 간의 교통정보 (예) 구간 번호 구간명 교통량(v/m) 평균속도(km/h) 평균통행시간(m) 0010 J-K 900 70 20 0011 K-L 880 85 23 0012 L-M 700 85 35 0013 M-N 200 120 35 (3) 수직 분할 수직 분할은 한 관계의 속성을 분할하여 둘 이상의 서로 다른 장소에 저장하는 것으 로, 각 지역에서 요구하는 데이터의 속성이 서로 다른 경우에 유효하다. 예를 들어, 어느 교통관리센터의 유지보수 부서와 기술지원 부서는 서로 다른 지역에 위치하고 있다. 이 들이 주로 이용하는 데이터가 유지보수 부서는 검지기명과 재고량이고, 기술지원 부서는 검지기의 프로토콜 데이터라고 할 때 이들 데이터를 부서 업무와 동일하게 각각 분리하 여 저장하는 경우를 수직 분할이라 한다. 표 8.3은 수직 분할되어 관리되는 데이터베이스를 보여주고 있다. 표 8.3 부서별 수직 분할 유지보수 부서 기술지원 부서 검지기번호 검지기명 재고량 검지기번호 프로토콜 MW120 초단파 검지기 48 MW120 HDLC IM115 영상 검지기 20 IM115 SDLC 8.7 분산 DBMS의 특징 데이터베이스를 둘 이상의 장소에 분산시키고, 이를 하나의 논리적 데이터베이스와 같 이 사용하기 위해서는 기존의 DBMS가 갖는 기능 외에 원격의 지역 데이터베이스를 중 복, 분할, 저장, 교환, 갱신하는 등의 관리 기능이 필요하다. 따라서, 분산 DBMS는 일반 적인 DBMS 방식의 그것보다 훨씬 더 복잡해질 수밖에 없다. 분산 DBMS의 기본적인 특성은 다음과 같다. 8.7 분산 DBMS의 특징 211
(1) 위치 무관성 분산 DBMS는 사용자나 응용 프로그램이 접근할 데이터의 물리적 위치에 관계하지 않는 위치 무관성 의 특성을 갖추어야 하며, 위치 무관성을 보장받기 위하여 지역의 데 이터에 접근할 수 있는 데이터 사전 및 주소록을 관리하여야 한다. 또한 데이터 사전 및 주소록에는 지역 데이터베이스에 저장되어 있는 데이터의 메타데이터와 위치정보를 저 장하고 있어야 한다. 각 지역의 컴퓨터 시스템은 그 지역에 저장된 데이터베이스를 관리 하는 지역 DBMS, 다른 지역의 데이터베이스를 연계시키기 위한 분산 DBMS, 분산 데 이터 사전 및 주소록을 가지고 있어야 한다. (2) 복제 무관성 복제 무관성 은 사용자나 응용 프로그램이 접근할 데이터가 물리적으로 여러 곳에 복 제되어 있는지의 여부에 관계하지 않는 특성을 말한다. 즉, 복제 무관성으로 인하여 사 용자나 응용 프로그램은 분산 데이터베이스의 모든 데이터가 중복 없이 단 한 번만 저장 된 것처럼 인식하게 된다. 복제 무관성과 위치 무관성이 보장될 경우, 사용자는 물리적 으로 여러 지역에 분산되고 복제된 데이터베이스를 중앙집중 방식의 단일 데이터베이스 처럼 사용할 수 있게 된다. (3) 병행 무관성 병행 무관성 은 여러 사용자나 응용 프로그램이 동시에 분산 데이터베이스에 대해 트 랜잭션(저장, 갱신, 검색 등의 명령)을 수행할 경우에도 그 결과가 동일한 성질을 가리킨 다. 분산 DBMS는 각 지역마다 트랜잭션 관리자라고 불리는 프로그램이 있고, 지역의 트랜잭션 관리자는 분산 데이터베이스의 병행 제어를 위하여 서로 간에 필요한 정보를 교환하다. 병행 제어에는 일반적으로 차단(locking)과 시간기록기(time stamp)의 두 가지 방법이 있다. 차단은 여러 곳에 복제된 데이터 항목의 어느 한 사본을 특별 사본으로 지 정하고, 그 사본이 저장된 지역으로 모든 차단과 해제 요청을 보내는 것이다. 시간기록 기는 모든 트랜잭션에 대하여 트랜잭션이 일어난 시간과 장소를 기록하여 트랜잭션 간 의 충돌을 방지하는 방법이다. 시차가 다른 여러 곳에 데이터베이스가 분산되어 있을 수 있으므로, 지역 시간이 아닌 모든 지역에서 동일하게 적용할 수 있는 절대 시간으로 기 록하여야 한다. 시간기록기의 목적은 모든 트랜잭션이 순서대로 진행되도록 보장하여 차 단의 필요성을 제거하는 것이다. 212 8장 데이터베이스 설계
(4) 실패 무관성 실패 무관성 은 데이터베이스가 분산되어 있는 각 지역의 시스템이나 통신망에 이상 이 발생하여도 데이터의 무결성이 유지되는 특성을 의미한다. 모든 논리적 트랜잭션은 원자 트랜잭션으로 취급되어야 하며, 만약 논리적 트랜잭션을 구성하는 물리적 트랜잭션 중 어느 하나의 실행이라도 실패하면 그 논리적 트랜잭션은 취소되어야 한다. 분산 데이터베이스 환경하에서는 다음과 같은 문제가 발생하였을 때의 조치가 반드시 필요하다. 개별 지역 시스템의 손상 분산 DBMS는 일부 지역의 시스템에 이상이 발생하더라도, 다른 나머지 지역에서 가 능한 트랜잭션은 계속 수행하여야 한다. 통신망의 실패 각 지역을 연결하는 통신망의 일부 또는 전부에 이상이 발생했을 경우, 그에 상응하는 조치가 있어야 한다. 분산 실행의 실패 여러 지역의 데이터가 하나의 논리적 트랜잭션에 의하여 갱신될 경우, 어느 한 지역의 물리적 트랜잭션 중 하나라도 실행되지 못하면 그 논리적 트랜잭션은 취소되어야 한다. 8.7 분산 DBMS의 특징 213
제 9 장 유무선 통신 기술 9.1 유선 통신망(Wired Network) 9.2 무선 통신망(Wireless Network) 이 장에서는 유선 통신망과 무선 통신망의 현황과 기술동향에 대해 기술한다. 현 지능형 교 통시스템은 유선 통신망을 기반으로 개발되어 왔으나, 점차 무선 통신방식의 적용이 증가하 고 있는 추세이다.
9.1 유선 통신망(Wired Network) 9.1.1 원거리 통신망[WAN(Wide Area Network)]의 개요 원거리 통신망(WAN)은 보통 호스트 컴퓨터라고 불리는 중대형 컴퓨터(메인프레임)와 원격지의 단말기를 연결할 필요성 때문에 생겼다. 초창기에 WAN은 주로 아날로그 회선 인 일반 전화선(PSTN)을 사용하였고, PSTN을 데이터 통신에 활용하기 위해 등장한 것 이 모뎀(MODEM)이다. 호스트, 단말기로부터 생성되는 디지털 데이터를 아날로그 신호 로 바꾸고(MOdulation), 이 신호를 다시 디지털 데이터로 변화시키는(DEModulation) 기 능을 갖고 있는 모뎀은 진정한 WAN의 시작이나 다를 바 없었다. 이후, 집중화 장비로 알려진 먹스(Multiplexer)가 등장하였는데, 먹스는 호스트로부터 전송된 데이터를 여러 개의 단말기에 공급하는 장비로 가장 먼저 나온 형태는 시분할 먹 스(Time Division Multiplexer, TDM)였다. TDM은 모뎀의 발전형태인 DSU(Digital Service Unit)와 짝을 이루어 56 Kbps/64 Kbps 미만의 속도를 제공했다. 그러나, TDM 역시 회선 낭비를 불러오는 기능상의 단점으로 인해 사라지고 STDM (Statistical TDM)이 이를 대신하게 되었다. STDM은 전송 지연시간을 상당히 줄인 장비로 서 CSU(Channel Service Unit)와 함께 사용돼 56 Kbps/64 Kbps뿐만 아니라 T1(1.544 Mbps)과 E1(2.048 Mbps)의 속도까지 지원했다. STDM이 활용되기 시작한 후 T1 회선 을 제공하는 TDM이 새로 개발돼 금융권에 도입되기 시작했다. STDM은 TDM과는 달 리 다양한 프로토콜을 전송하는 장점이 있는 반면, 표준화 미비로 사설 네트워크에 한정 된다는 약점이 있었다. 표준화의 필요성으로 탄생된 X.25에 이르러 WAN은 표준화의 길로 접어들 수 있게 되었다. 1980년대에 등장한 X.25는 경제적이고 효율적인 망 구성과 망의 관리가 용이해 상당한 인기를 구가했다. 그러나 X.25 역시 64 kbps의 데이터 전송 속도만을 제공하는 한계를 갖고 있었다. 이와 함께 사용되는 장비의 가격이 고가라는 점도 단점으로 작용했다. 프레임 릴레이는 X.25의 단점을 보완한 망 기술로서 최고 2 Mbps의 속도를 제공하며, 음성, 문자 데이터 등을 동시에 전송할 수 있는 것도 문자 데이터만을 전송하는 X.25에 비해 유리한 점으로 지적되고 있다. 최근에는 ATM이 새롭게 구축되는 시스템에서 선호하는 통신망 기술로 인정받고 있 다. 9.1 유선 통신망(Wired Network) 217
9.1.2 WAN 기술 비교 (1) X.25 1980년대까지 WAN은 주로 X.25망이나 점대점 방식의 전용회선이 주를 이루었다. 그 러나 전용회선은 성능이 뛰어난 반면 막대한 비용을 지불해야 하고, X.25는 가격이 저렴 한 반면 수 Mbps급인 LAN을 지원하기에는 역부족이라는 단점을 갖고 있다. 지역적으로 멀리 떨어져 있는 터미널과 컴퓨터 또는 컴퓨터와 컴퓨터 사이의 데이터 통신은 초기에는 일반 전화선을 통해서도 가능했으나 음성 전용으로 설계된 일반 전화 망은 데이터 통신에 부적합하다는 견해가 대두되기 시작했다. 이 문제를 극복하기 위해 ITU-T의 전신인 CCITT(국제전신전화 자문위원회)가 패킷 스위칭 네트워크(PSN)를 활 용할 수 있는 X.25 권고안 을 1970년대 중반 제정하였다. 이 권고안은 패킷 스위칭 네트워크에 사용되는 장비 간 연결 방식을 정리해 놓은, 일 종의 프로토콜로 DTE(Data Terminal Equipment)와 DCE(Data Circuit terminating Equipment) 간 데이터 통신 방식을 표준화한 것이다. DTE는 일반적으로 사용자 장비로 불리는데, 브리지, 라우터, PC, 워크스테이션 등이 여기에 해당한다. DTE인 브리지나 라우터는 LAN과 PSN을 연결하는 경우에 사용된다. DCE는 DTE와 PSN을 접속하는 네트워크 장비로 보통 DSU/CSU가 이에 속한다. DSU/CSU는 터미널, PC 등에서 형성된 디지털 데이터를 곧바로 디지털 회선(PSDN 등) 으로 송출하는 장비로 디지털 데이터를 아날로그 회선(PSTN)으로 보내는 모뎀과 같은 역할을 하지만 형태는 다르다. 모든 DTE는 DCE와 짝을 이뤄 사용되며, 하나의 DCE는 여러 개의 DTE에 접속될 수 있다. DTE와 DCE로 구축되는 X.25는 사설망에 사용될 수도 있고 공중망에 도입될 수도 있 다. 한 기업이 큰 비용을 들여 성능이나 보안의 필요성이 있는 사설망을 꾸민다고 할 때, X.25는 상당히 좋은 솔루션이다. 실제로 X.25는 누구나 사용할 수 있는 광역 공중망의 역할에 더 큰 비중을 갖고 있으며, 전 세계를 연결할 수 있는 유일한 국제 데이터 전송 망으로 현재까지 인기를 끌고 있다. X.25의 장점은 신뢰성, 응용성, 서비스 호환성 등 여러 측면에서 사용자에게 상당한 이득을 제공한다는 것이다. 우선 X.25는 패킷 형태의 데이터가 중간에 손실되거나 없어 질 경우 이를 체크해 재전송하는 정교한 에러 체크 기능을 갖고 있다. 그리고 한 회선에 문제가 생길 경우 다른 회선을 통해 패킷을 보낼 수도 있다. 이와 함께 LAN과 LAN, 호 스트와 호스트, 터미널과 호스트를 연결할 수 있는 응용성도 X.25의 보급을 확대시킨 요 인이다. 이는 X.25망이 TCP/IP, SNA, XNS 등 각종 프로토콜을 라우팅, 브리징할 수 있 218 9장 유무선 통신 기술
기 때문에 가능했다. 이와 함께 X.25는 호환성이 뛰어나 어느 회사의 장비를 쓰더라도 데이터 전송에 무리가 없다. 반면, X.25는 대역폭의 한계를 뛰어넘지 못하고 있다. X.25가 보장하는 대역폭은 2.4~56/64 kbps 정도에 그친다. 이것은 원거리에서 터미널과 호스트를 접속하는 방식으 로는 적합하나 많은 데이터가 오고가는 인터네트 워킹부문에 도입하기에는 부적합하다 는 것을 의미한다. X.25는 개발될 당시에 최대 장점으로 꼽혔던 에러 체크 기능이 현재는 단점으로 인식 되고 있는데, X.25의 완벽한 오류 수정과 흐름 제어, 오류 패킷의 재전송 등 신뢰성 있는 메커니즘이 결국 회선에 오버헤드를 발생시켜 패킷 전송에 무리를 준다는 것이다. 그러 나 이 같은 단점에도 불구하고 X.25는 신뢰성 높은 데이터 전송 능력 덕분에 현재까지 도 많이 사용되고 있는 기술이다. (2) 프레임 릴레이(Frame Relay) X.25의 대안으로 등장한 것이 프레임 릴레이다. 1990년대 초 등장한 프레임 릴레이는 전용회선을 구축하기 힘들었던 여러 시스템들에게 그 대안으로 우수한 평가를 얻었다. 프레임 릴레이는 X.25와 동일하게 DTE(Data Terminal Equipment)와 DCE(Data Circuit terminating Equipment) 간의 접속 방식을 규정하는 프로토콜이다. 패킷 교환 방식을 사 용하는 것도 X.25와 같으며, X.25와의 차이점은 단지 프레임이라는 가변 패킷을 사용한 다는 것이다. DTE(Data Terminal Equipment, 데이터 단말 장치) 데이터 송신 장치 또는 데이터 수신 장치로서 구실을 하며, 링크 프로토콜에 따라 실행되는 통신 제어 기능을 갖추고 있다. 모뎀을 통해 연결된 PC가 이에 해당한다. DCE(Data Circuit terminating Equipment, 데이터 회선 종단 장치) 데이터 스테이션의 기능 단위로, 데이터 단말 장치와 데이터 전송로와의 사이에 있어서 접 속을 확립하고, 유지 개방하며, 코드 변환 또는 신호 변환을 위해 필요한 기능을 갖추고 있다. 모뎀이 이에 해당한다. Packet Exchange(패킷교환) 패킷교환이란 회선교환망과 같이 직접 단말과 단말 사이에서 데이터를 송수신하는 것이 아 니라 일단 교환기에 일정한 길이의 데이터를 축적해 송신할 목적지를 고속으로 검색하여 목 적지의 단말 또는 패킷교환기로까지의 경로를 따라 전송하는 것을 말한다. 패킷이란 package와 bucket의 합성어로 소포 또는 소화물이란 뜻인데, 데이터를 일정한 길이 (1,024비트=영문자 128자)로 분할하여 하나의 덩어리로 만들어 교환, 전송하는 것이기 때문 9.1 유선 통신망(Wired Network) 219
에 패킷교환이라 불려지고 있다. 또한, 대량의 정보를 저비용으로 고속 전송할 수 있기 때문 에 주로 대용량 데이터를 취급하는 기업 간의 통신이나 정보 검색, PC 통신 등에 많이 활용 된다. 1889년에 발명된 step by step 교환 방식, 크로스바 방식, 아날로그 전자교환 방식, 디지털 전자교환 방식 등으로 변천, 발전해 왔다. 디지털 교환 방식인 DDX(Digital Data Exchange) 교환망은 회선교환망과 패킷교환망으로 분류되는데 패킷교환망에서는 패킷으로 만들어진 데 이터를 순차적으로 교환기에 축적, 데이터에 붙여진 수신측 정보(header)에 따라 망 내에 전 송하여 상대편 단말까지 전송하는 방식이다. 이 방식은 교환기나 통신 회선 등에 장애가 발생 할 경우 대체 경로를 선택하여 목적지의 단말 또는 다른 패킷교환기에 패킷이 보내어지게 되 는데, 속도가 서로 다른 장치와 통신이 가능하고 프로토콜의 변환이 가능하며, 복수의 장치와 동시 통신이 가능하다. 또한, 높은 전송품질과 신뢰성을 가지고 있다. 프레임 릴레이와 X.25의 가장 큰 차이점은 데이터 전송 속도에 있다. X.25는 본래 통 신회선 상태가 불량하다는 가정하에 이를 보완하기 위하여 개발되었다. 이런 이유로 X.25는 PC를 포함한 단말기들이 데이터를 송수신할 때 네트워크 장비로 하여금 데이터 의 오류를 일일이 체크, 수정하도록 설계되었다. X.25 기술은 1980년대 당시에는 상당한 장점이었으나 1990년대 들어 통신 회선의 상태가 급속히 향상되고 각 통신 장비의 성능 이 개선됨에 따라 오류 체크와 수정 기능은 불필요하게 되었고, 속도 역시 더이상 만족 스럽지 못하였다. 이러한 X.25의 불필요한 기능을 상당 부분 단순화하여 고속 전송을 가능케 한 것이 프레임 릴레이이다. 프레임 릴레이는 에러를 검출한 이후에 X.25와는 달리 문제가 있는 프레임을 버린다. 이때 오류 프레임을 검출한 수신 장치는 송신 장치에 재송신을 요구하 고 송신 장치는 해당 프레임을 재송신한다. 이러한 기능으로 프레임 릴레이는 X.25의 최 대속도인 64 Kbps보다 3배 정도가 빠른 2 Mbps의 속도를 갖는다. 프레임 릴레이와 X.25의 또 다른 점은 X.25가 대역폭의 한계로 인해 텍스트 데이터 전송에 한하는 반면, 프레임 릴레이는 넓은 대역폭으로 인해 음성과 팩스, 그리고 영상 까지도 지원할 수 있다는 것이다. 하나의 프레임 릴레이 회선으로 텍스트 데이터와 음성, 팩스를 동시에 주고받을 수 있는 기능은 정보 시스템의 입장에서 볼 때 상당한 장점이 된다. 그러나 프레임 릴레이 역시 정보 시스템의 모든 요구사항을 충족시키지는 못한다. 프 레임 릴레이의 한계는 데이터 전송의 경로를 통신망의 상태에 따라 최적화시키는 스위 치 가상회로(SVC)를 지원하지 못한다는 것이다. 지정된 경로만을 따라 데이터를 전송하 220 9장 유무선 통신 기술
는 영구 가상회로(PVC)를 사용하기 때문에 데이터가 폭주할 경우 성능이 급격히 떨어지 는 단점을 갖고 있다. (3) ATM(Asynchronous Transfer Mode) 광대역 종합 정보 통신망(Broadband ISDN: B-ISDN)은 음성 및 저속 데이터 통신뿐만 아니라 고속 데이터 통신, 정지 화상 및 고해상도의 동화상에 이르기까지 다양한 서비스 를 제공하기 위한 고속 통신망이다. 또한 B-ISDN에서는 점 대 점(point-to-point) 방식의 단순한 정보전달 형태는 물론, 다자간 및 방송형의 정보전달까지 가능하여야 한다. 이러 한 다양한 서비스를 지원하는 B-ISDN을 효율적으로 구현하기 위해서 CCITT에서는 ATM(Asynchronous Transfer Mode)에 대한 표준화를 진행하고 있다. 1990년대 초부터 구미 각국은 국가적인 차원의 초고속 광대역 정보통신망을 구축하였 다. 미국의 경우 AT&T, Ameritech 등이 프랑스의 France Telecom, 영국의 British Telecom 등이 ATM 시험망을 구축한 바 있으며, 일본에서는 1990년 VI&P 광대역 시험 계획을 발표하여 1993년 소규모 멀티미디어 서비스를 시작하였다. 우리나라도 1991년도 에 국가 G7 프로젝트의 하나로 HAN/B-ISDN 프로젝트를 기획하여 1992년부터 본격적 으로 관련 시스템 및 핵심 기술 개발 연구가 추진되고 있다. 서로 다른 통신 트래픽(hetrogeneous traffic)을 동시에 수용하는 ATM망에서는 제공되 고 있는 링크의 용량 이상으로 통계적인 다중화를 함으로써 망의 자원을 최대한 활용할 수 있다. 반면, 필연적으로 트래픽의 혼잡 및 폭주를 초래하고 셀 손실을 유발하여 사용 자와 망의 서비스 품질(Quality of Service)을 심각하게 저하시킬 수 있으므로 적절한 자 원관리 및 트래픽 제어가 필요하다. ATM은 LAN/WAN의 통합 환경 및 안정된 성능, 그리고 다양한 프로토콜을 지원한다. 그러나 ATM도 FDDI와 같이 경제성 면에서는 문제점을 안고 있다. ATM은 그 자체의 특성이 연결형 프로토콜(Connection Oriented Protocol)이므로 기존의 비연결형 프로토콜 (Connectionless Oriented Protocol)인 TCP/IP 등의 네트워크 환경과는 차이가 있다. 하지 만 이러한 문제는 ATM용 LAN 에뮬레이션(LANE: LAN Emulation) 시스템 서버를 도 입하면 간단하게 풀릴 수 있다. ATM의 가장 큰 장점은 매체 공유형 LAN 기술처럼 브로드캐스트 방식이 아닌 연결 형 기술이라는 점이다. ATM 네트워크는 두 개의 시스템 간에 가상 회선을 설정하면, 응 용 프로그램은 원하는 대역폭과 서비스 수준을 지정할 수 있다. 멀티미디어 데이터가 증 가하고 보다 많은 데이터 통신을 필요로 하는 경우 ATM은 최적의 환경을 제공할 수 있 다. 그림 9.1에서 보여주고 있는 바와 같이 ATM 회선은 높은 대역폭의 망을 CBR, 9.1 유선 통신망(Wired Network) 221
그림 9.1 ATM 구성도 VBR, UBR 및 ABR 등의 서비스 등급을 가지고 효과적으로 활용할 수 있도록 한다. ㆍ CBR(Constant Bit Rate): 논리적인 고정 대역폭 전송 회선을 제공한다. CBR은 실 시간 영상이나 음성과 같은 멀티미디어 데이터 등과 같은 일정한 대역폭이 필요한 응용 프로그램에서 활용된다. ㆍ VBR(Variable Bit Rate): 일순간에 통신 데이터량이 폭주할 경우 또는 실시간 통신 트래픽 처리에 유효하다. 전체 데이터 속도가 특정한 평균을 초과하지 않는 한 응 용 프로그램이 보다 효율적으로 통신할 수 있다. ㆍ UBR(Unspecified Bit Rate): ATM에서 임시로 대기시켜 놓은 대역폭으로 데이터가 그 목적지에 언제, 그리고 과연 도착할 것인가에 대한 보장이 없는 가운데 응용 프 로그램이 망으로 데이터를 전송하도록 한다. ㆍ ABR(Available Bit Rate): 모든 가용 대역폭을 활용하는 것은 UBR과 같지만 망에 지능을 내장시켜 망의 정체 시에 송신 스테이션으로 하여금 전송을 억제하도록 통 제하는 방법으로 데이터 손실을 방지한다. 또, ATM 트렁크의 일부는 실시간 음성 및 영상 등의 CBR 트래픽에 할당한다. 이는 실시간 영상 정보 등의 지연 및 손실 을 막고 일정한 대역폭을 지속적으로 할당하여 안정된 수신을 보장한다. 이 밖의 대부분의 교통정보들은 VBR 트래픽에 배정할 수 있다. VBR은 데이터량에 따라 가변적으로 운용이 가능하므로 트래픽의 과도한 집중에도 능 동적으로 대처할 수 있도록 해 준다. VBR 트래픽이 과도할 경우 ABR에는 최소한의 대 역폭이 할당되어 응용 프로그램의 우선순위가 낮은 통신 부하를 억제하도록 하는 기능 을 한다. 222 9장 유무선 통신 기술
SVC(Switched Virtual Circuit) 두 노드 사이의 경로가 미리 지정되지 않으며, 망의 상태에 따라 임의의 경로 설정이 가능 한 가상회로 PVC(Permanent Virtual Circuit) 두 노드 사이에 사전에 정의된 하나의 경로만이 존재하는 가상회로 그림 9.2 WAN 프로토콜 간의 비교 9.1.3 데이터 통신 경로 최적화 방법 데이터 통신은 크게 지정된 경로만을 이용하는 방법과 통신망의 상태에 따라 최적 경 로를 선택하여 이용하는 방법이 있다. 가장 기초적인 경로 설정 방식은 경로를 사전에 정의하는 Hop-by-Hop 방식이다. 그 러나 이러한 경로 설정 방식은 노드(라우터) 자체 혹은 센터에서 고정된 테이블로 저장 할 수 있으나, 이러한 수동적인 경로 설정 테이블의 작성은 많은 시간이 소요될 뿐만 아 니라 복잡한 네트워크의 경우에는 바람직한 경로 설정의 방법은 되지 못한다. 9.1 유선 통신망(Wired Network) 223
그림 9.3 전용회선과 공중회선 라우터(Router) 라우터는 LAN을 다른 LAN에 연결시킬 때 사용하거나 LAN을 WAN에 접속시킬 때 사용 하는 장비이다. 인터네트워킹 장비로 불리는 라우터는 전송할 데이터를 알맞은 크기의 패킷으로 만든 후 내부에 위치한 경로표(라우팅 테이블)를 참조하여 그 중에서 최적의 경로로 데이터를 목적지 까지 보낸다. 이 라우팅 테이블에 기록된 어드레스 정보에 따라 라우터는 자신에게 보내온 패 킷들을 전달(라우팅)할 상대를 결정한다. 라우팅 테이블 정보관리 방법은 정적( 靜 的 ) 라우팅 과 동적( 動 的 ) 라우팅 두 가지가 있다. 정적 라우팅은 관리자가 라우터에 대해 접속하려는 특정 장소, 즉 상대 라우터를 지정하는 방식이다. 간단히 말해 어드레스 테이블에 자기 자신 이외의 라우터 어드레스는 등록되어 있 지 않은 정적 라우팅인 것이다. 예외적으로 라우터가 다음 접속지의 라우터 하나만을 파악하 고 있는 경우 등도 있다. 이에 비해 동적 라우팅은 라우터에 지능 기능을 탑재해 이루어진다. 라우터끼리 자신이 접속된 네트워크의 정보를 주고받는 라우팅 테이블이 자동 갱신되고 작성되는 방법이 동적 라우팅이다. 여기서 라우터끼리 정보를 주고 받도록 결정되어 있는 것이 라우팅 프로토콜 인 데, RIP(Routing Information Protocol)와 OSPF(Open Shortest Path Fast) 등이 대표적이다. 동적 라우팅은 단순히 지능적이라는 것 이상으로 정적 라우팅과 비교할 때 유리하다. 예를 들어, 동적 라우팅은 어떤 라우터에 장애가 있어 네트워크가 다운된 경우 그 라우터의 라우팅 정보는 제거되어 버린다. 즉, 장애가 발생한 라우터의 어드레스가 자연히 삭제됨으로써 네트 워크가 유지되고, 궁극적으로 장애의 영향을 받지 않는 것이다. 인터넷에서는 기본적으로 동 적 라우팅 방법이 사용되고 있어 처음 접속한 사람이라도 어드레스를 알고 있다면 곧바로 해 당 컴퓨터로 연결할 수 있다. 그리고 어딘가에서 라우터가 사라진 경우에라도 인터네트워크 224 9장 유무선 통신 기술
는 그대로 유지된다. 회선이 항상 연결되어 있는 전용선이나 LAN에서는 동적 라우팅이 일반 적으로 사용된다. 반면, ISDN이나 공중망과 같이 필요할 때만 연결하는 네트워크, 혹은 전용 선이나 LAN에 있어서도 라우팅 정보를 라우터끼리 주고받지 않을 경우는 정적 라우팅을 사 용한다. 또한 라우터는 방화벽(firewall)의 기초 형태로 자리잡고 있는데, 그것은 WAN으로부터 LAN에 접근할 때 가장 먼저 접하는 장비이기 때문이다. 라우터는 시간이 갈수록 스위치의 성능 향상으로 입지가 줄어들고 있지만 아직까지는 LAN과 WAN에서 가장 안정되고 일반적 인 네트워크 장비라 할 수 있다. 그림 9.4 Hop-by-Hop 방식 보다 진보된 경로 설정 방식으로는 네트워크 관리 시스템(NMS)에서 경로 설정을 자 동으로 결정하는 알고리즘을 갖는 것이다. 여기에 각 노드에서 어느 정도의 지능을 가지 고 스스로 경로를 설정하게 한다면 더욱 높은 효율을 가질 수 있을 것이다. 이런 경우, 회선의 장애나 혼잡의 발생에 대해 동적인 최적 경로를 보장할 수가 있게 된다. 가장 정교한 경로 설정 방식은 노드가 각 PVC에 대해 개별적인 경로를 지정하게 하 는 것으로, 이때 네트워크 자원의 이용을 최적화할 수 있도록 이질적인 전송매체(예: 인 공위성, 전용선, Dial-up)를 선택할 수 있다. 9.1 유선 통신망(Wired Network) 225
T1/E1 T1과 E1은 각각 1.544 Mbps 및 2.048 Mbps의 속도로 운용되는 고속 디지털 전송의 표준이다. Frame(프레임) 고수준 전송 제어 절차에 따라서 명령(Command)이나 응답(Response), 기타의 정보를 전송 하는 데 사용하는 8비트의 정수배로 이루어지는 연속된 비트열로, 프레임의 경계를 구분하기 위해 시작과 끝 부분에 플래그를 추가한다. 그 규정된 형태(Format)는 네트워크 장비가 특정 비트의 의미와 목적을 인식할 수 있도록 한다. NMS(Network Management System, 네트워크 관리 시스템) 기업의 규모가 커지고 조직 체계가 복잡해지면서 네트워크의 모습 또한 거대화 및 추상화 의 양상을 띠고 있으며, 따라서 관리자가 일일이 장비의 이상 유무를 점검하고 네트워크가 원 활히 운용될 수 있도록 관리하는 일은 한층 더 어려워졌다. 이에 따라 네트워크의 이상 유무 를 관리하는 일이 네트워크를 구축하는 것보다 훨씬 더 중요한 사안으로 대두되기에 이르렀 다. 그러한 필요에 의해 네트워크 관리 시스템(Network Management System)이 등장하였다. NMS는 이더넷, 토큰링, 프레임 릴레이, ATM 등의 네트워크에서 사용되는 카드, 허브, 스 위치, 라우터, 서버 등의 장비 이상 유무를 확인하고 문제가 발생하면 즉각적으로 대처하는 시스템이다. 이 NMS가 구현하는 기능은 5가지로 장애 관리, 구성 및 변경 관리, 성능 관리, 계정 관리 및 보안 관리 등이다. 이들 기능은 OSI에서 정의한 관리 영역(SMFA)에 규정되어 있는데, 네 트워크 분야에서 언급되는 다른 원칙과는 달리 권고 사항일 뿐이다. 즉, NMS는 5가지 관리 기능을 모두 갖추어야만 하는 강제성은 없다는 것이다. 장애 관리는 말 그대로 문제 발생 시 이를 해결할 수 있도록 하는 것이고, 구성 및 변경 관 리는 네트워크 구성 현황 및 정보를 관리하는 기능이다. 성능 관리는 데이터량 분석을 담당하 고, 계정 관리는 각 사용자가 얼마만큼의 대역폭을 사용했는지를, 보안 관리는 네트워크 보안 및 사용 권한을 관리한다. 각기 역할이 다른 네트워크 장비를 관리하기 위해 필요한 것은 관리 프로토콜이다. NMS는 표준화된 프로토콜을 통해 역할이 다른 각종 장비를 체크하고 이상 유무를 점검한다. 현재 공식적인 관리 프로토콜에는 크게 NMP와 CMIS/CMIP가 있다. NMP는 네트워크 장 비를 주기적으로 관리하며, 관리 기법이 단순하다는 특징이 있다. 반면에 CMIS/CMIP는 주기 적으로 관리된 내용을 즉각 보고하는 보다 복잡한 형식을 취한다. 관리 프로토콜이 체크하는 항목은 MIB(Management Information Base)에 수록되어 있는데, NMS는 MIB에 적힌 항목에 따라 장비의 이상 유무를 점검한다. 최근 부각되고 있는 RMON(Remote Monitoring)은 MIB의 항목 가운데 하나로 네트워크를 분산ㆍ관리하기 위해 등장했다. 일반적으로 네트워크 센터로부터 멀리 떨어진 지역 네트워크 관리는 장비나 호스 트의 직접 점검이 아닌 데이터의 양을 확인해 관리하는 간접적인 방식을 사용하는데, 이때 RMON을 통해서 이루어진다. DSU(Digital Service Unit) 56 Kbps의 속도로 디지털 신호를 전송하기 위한 모뎀의 한 종류이다. 226 9장 유무선 통신 기술
9.1.4 근거리통신망(Local Area Network, LAN Topology) (1) 스타형 토폴로지 스타형 토폴로지는 중앙 허브를 가지고 워크스테이션이나 파일 서버 등을 케이블로 연결한다. 다시 말해, 통신망의 데이터 전송은 허브를 통한다. 각각의 워크스테이션은 자 전거 바퀴의 살처럼 허브에서 뻗어 나와 있다. 이 스타형 토폴로지는 그 밖의 토폴로지 에 비해 여러 가지 장점을 갖는다. 그 중 하나는 유지가 용이하다는 것이다. 또, 집중되 는 부분이 모두 허브에 있으므로 케이블 배치를 쉽게 변경할 수 있다. 스타형에서는 진 단도 쉽다. 예를 들어, 허브에 접근하는 각 케이블에는 하나의 노드만이 연결되므로 결 함이 있는 케이블을 쉽게 발견할 수 있다. 반대로, 스타형 LAN이 가지는 단점은 한 케이블에 연결되는 노드가 하나이기 때문에 진단이 용이한 반면에 통신망의 확충 시 그만큼의 케이블 양도 증가한다는 것이다. 또, 모든 데이터가 중앙을 통과해야 한다는 것이다. 이로 인해 허브에 문제가 생기면 전체 통신망이 마비되고 만다. 스타형은 링 토폴로지나 선형 버스 토폴로지에 비하여 각 노드의 결함 진단이 쉽고, 한 노드의 문제가 전체에 영향을 주지 않는다는 장점이 있다. 그림 9.5 스타형 토폴로지 (2) 링형 토폴로지 링형 토폴로지는 단일 전송 매체를 사용하는 다수의 워크스테이션을 링의 형태로 연 결한 것이다. 전선의 연결 형태가 완전한 원형을 이루기 때문에 배선의 끝이 없다. 케이 블 상의 모든 노드는 워크스테이션들 간의 신호를 증폭하여 전달하는 리피터의 역할을 수행한다. 데이터는 한쪽 방향으로만 전달되고 모든 노드를 통과한다. 9.1 유선 통신망(Wired Network) 227
그림 9.6 링형 토폴로지 링형 토폴로지의 장점 중 하나는 소요되는 케이블의 양이 적어 비용을 줄일 수 있다는 것이다. 또, 중앙 허브, 집중화기, 배선 센터가 필요 없으며, 이들의 역할은 노드가 대신 한다. 반면, 데이터가 각 노드를 통과하기 때문에 한 노드의 문제는, 곧 전체 통신망의 문제 가 된다. 또한, 링형 토폴로지에서는 진단이 어려울 뿐 아니라 문제 해결도 쉽지 않다. 따라서, 링형은 한 노드의 문제가 전체 통신망의 문제가 될 소지가 크다. (3) 선형 버스 토폴로지 선형 버스 토폴로지는 공용의 케이블에 부착된 여러 개의 노드로 구성되는데, 이때 이 공용 케이블은 트렁크 라인, 버스, 혹은 통신망 세그먼트라고 불린다. 케이블 상의 데이 터는 양방향으로 전달된다. 링형 토폴로지와는 달리, 데이터는 노드를 지나쳐 가지만 직접 통과하지는 않는다. 버스 토폴로지는 몇 가지 장점을 가지고 있다. 가장 분명한 것은 테이블의 길이가 짧 그림 9.7 선형 버스 토폴로지 228 9장 유무선 통신 기술
고, 전선 연결의 배치가 단순하다는 것이다. 케이블 상의 워크스테이션은 집중화기 혹은 허브로서 작동하지만 하나의 노드가 고장나더라도 전체 통신망에는 영향을 미치지 않는 다. 이로 인해 노드를 추가ㆍ확장하는 것이 용이하다. 버스 토폴로지의 단점은 집중할 수 있는 지점이 거의 없기 때문에 결함 진단과 해결이 어렵다는 것이다. (4) 스타-연결링 토폴로지 스타-연결링 토폴로지는 스타형 토폴로지와 링형 토폴로지의 속성을 결합하고 있다. 배선 센터(wiring center)라고도 불리는 허브가 있으며, 링의 형태를 갖는다. 배선 센터는 통신망에서 하나의 장소에 있을 수도 있고 여러 장소에 있을 수도 있으나 반드시 완전한 물리적 연결을 이루어야 한다. 워크스테이션은 배선 센터로부터 뻗어나간 형태로 링에 접속하며, 이 스타-연결 토폴 로지의 스타 부분을 구성한다. 이 토폴로지의 한 가지 중요한 장점은 하나 혹은 그 이상의 워크스테이션이 작동하지 않아도 통신망이 작동된다는 것이다. 실제로 워크스테이션의 통신망 인터페이스 카드 (NIC)는 링에 직접 연결되어 있지 않다. 워크스테이션은 하나의 연결 혹은 포트이며, 케 이블의 한쪽 끝은 링으로 된 배선 센터에 접속되고, 다른 한쪽은 워크스테이션의 NIC에 접속된다. 통신망이 인터럽트되지 않고 기능할 수 있도록, 이 토폴로지에 있는 하드웨어 와 소프트웨어는 작동하지 않는 워크스테이션을 바이패스(bypass)한다. 이러한 방식으로, 스타형의 장점이 링형 토폴로지와 결합되어 스타-연결링 토폴로지를 이루게 된다. 그림 9.8 스타-연결링 9.1 유선 통신망(Wired Network) 229
(5) 트리형 토폴로지 분산된 스타형이라고도 불리는 트리형 토폴로지는 데이지 체인(daisy chain)으로 연결 된 여러 개의 선형 버스들로 구성된다. 하나의 선형 버스는 처음에 허브로 연결되고 이 허브는 버스를 두 개 이상의 선형 버스로 분리한다. 이러한 분리는 원래의 버스로부터 분리된 버스들에 다시 선형 버스들을 만드는 작업을 계속하게 하며, 이것은 이 토폴로지 가 스타형 토폴로지의 속성을 가지게 한다. 트리형 토폴로지의 더 세부적인 예를 보면, 이것이 어떻게 분산된 스타형인지 알 수 있다. 하나의 선형 버스가 분리되어 3개의 선형 버스가 된다고 하자. 매번 확장 때마다 계속해서 새로운 가지가 나오기 때문에 각각의 버스는 다시 3개로 분리된다. 그러나 생 성 가능한 레벨이나 분기의 횟수는 제한되어 있다. 트리형 토폴로지의 장점은 확장이 용이하고 결함의 해결이 단순하다는 것이고, 단점으 로는 구조가 루트에 의존하기 때문에 기본 버스(primary bus)가 고장나면 통신망이 작동 하지 않게 된다는 것이다. 그림 9.9 트리형 토폴로지 9.1.5 이더넷(Ethernet) 이더넷의 기본 개념 중 대부분은 1960년대 말 하와이대학에서 구현된 광역 통신망 (wide-area network)에서 유래하고 있다. 이더넷의 기본적인 기능, 좀 더 구체적으로 CSMA/CD 접근방법은 하와이대학에서 개발되어, 처음에는 ALOHA 광역 통신망에서 사용되었는데, 이것이 오늘날 이더넷의 근간을 이루게 되었다. 1980년대 초에 Digital Equipment사, Intel사, Xerox사는 Ethernet 표준을 공동 발표하였으며, 1982년에 Ethernet 버전 2.0을 발표하였다. 이더넷은 IEEE 802.3 표준을 따른 CSMA/CD 통신망 접근방법을 이용한다. 이더넷은 10 Mbit/sec(10 million bits, or 10 megabits per second)의 전송 속도로 동작하며, 230 9장 유무선 통신 기술
CSMA/CD 접근방식을 이용하기 때문에 통신량이 때때로 폭증하는 경우에는 매우 훌륭 한 매체 접근방식이다. 이더넷이 제공하는 장점 중의 하나는 다른 통신 프로토콜에 비하 여 쉽게 TCP/IP를 이용할 수 있다는 점인데, 이것으로 이더넷은 미니 컴퓨터와 고성능 워크스테이션에 접근하는 것을 용이하게 한다. 따라서, 이더넷은 노드들이 고성능의 UNIX 기반형 워크스테이션인 엔지니어링 환경에서도 적합한 선택이 될 수 있다. (1) 10Base-2 Thinnet 케이블을 이용하는 Ethernet LAN을 지칭한다. Thinnet 동축 케이블은 신호를 대략 185 m 정도 운송할 수 있다. 그 후에 그 신호는 리피터에 의해 다시 생성되어야 한다. (2) 10Base-5 Thicknet 케이블을 사용하는 이더넷 LAN을 지칭한다. 이것은 신호를 대략 500 m 정 도 운송할 수 있다. (3) 10Base-T UTP(unshielded twisted pair: 비접지형인 트위스트 페어) 케이블을 사용하는 이더넷 LAN을 지칭한다. 이것은 신호를 대략 100 m 정도 운송할 수 있다. CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection, 반송파 검지 다중 접근/충돌 검출) 단일의 통신선로에 다수의 국이 접속되고, 임의의 국은 수시로 송신을 할 수 있다. 그러나 복수국의 송신 메시지가 통신로 상에서 충돌하는 것을 회피하기 위하여 통신로의 신호를 감 시하고, 다른 국이 송신 중이면 대기하다 송신이 끝나면 송신을 한다. 만약 충돌이 발생하면 난수에 의해 주어지는 시간의 경과 후에 송신을 한다. 네트워크 환경에 따른 적용 기술 ㆍ대부분이 10 Mbps 이하의 통신 트래픽이 발생하며, 운영자가 회선의 지연을 경험하지 못한 경우 매체 공유형 이더넷 ㆍ대부분이 10 Mbps 이하의 트래픽이며, 운영자가 회선의 지연을 경험한 경우 스위치형 이더넷 ㆍ소수의 스테이션만이 10 Mbps 이상의 트래픽을 발생하는 경우 10 Mbps를 넘는 스테이션은 스위치형 패스트 이더넷 ㆍ다수의 스테이션이 10 Mbps에서 100 Mbps의 대역폭을 필요로 하는 경우 FDDI ㆍ고도의 컴퓨팅 환경과 화상 응용 프로그램 등을 운영하여야 할 경우 ATM 9.1 유선 통신망(Wired Network) 231
9.1.6 향후 LAN / WAN 구성의 방향 현재, 교통 시스템의 네트워크 구성은 일반적으로 10 Mbps TCP/IP 기반의 이더넷을 사용하고 있으며, 통신 인프라의 부족으로 자가 통신망을 새롭게 구축하는 사례가 많다. 향후 교통 시스템의 네트워크 구성은 기존의 LAN과 WAN을 어떻게 하면 효과적으로 발전시킬 수 있는가를 고려해야 한다. 이는 향후의 도로교통정보가 현재보다는 상당히 증가할 것이기 때문이다. 현재 도로 상에 설치될 예정인 각종 검지기와 영상 장비들이 이후에는 더욱 늘어날 전망이고, 앞으로 개발될 교통정보시스템의 하나인 ATIS, CVO, APTS와 각 시 단위의 도시교통운영시스템들 간의 통합 관리를 위해서는 어떻게 향후 네트워크 구성을 발전시킬 것인가를 면밀히 검토해야 한다. 네트워크 발전 동향을 보면, 취약한 통신 회선을 바탕으로 개발된 X.25와 X.25의 문제 점들을 개선한 프레임 릴레이가 있다. 그리고, 이외에 통합된 전화망의 발전 형태인 ISDN이 있다. ISDN은 표준화된 다목적 사용자 인터페이스를 통해 음성 및 영상, 팩스 등을 포함한 광범위한 서비스를 디지털 방식으로 제공한다. ISDN은 협대역 ISDN과 광 대역 ISDN이 있는데, ATM(Asynchronous Transfer Mode)은 바로 광대역 ISDN에서 제 공하는 방식의 하나이다. 교통시스템은 영상 및 멀티미디어 등의 대용량 데이터 전송이 필요한 시스템으로 향 후에는 X.25나 프레임 릴레이는 한계가 있고, ATM이 가장 우선시 되는 대체망이 되지 않을까 한다. LAN을 구성하고 있는 10 Mbps 이더넷은 더욱 향상된 속도를 제공하는 패 스트 이더넷(Fast Ethernet)과 같은 고속의 LAN을 도입하여 통신 대역폭의 극대화를 고 려하여야 할 것이다. 증가하는 도로교통정보 처리 및 통신량을 고려할 때, 현재 시스템의 LAN 구성에 적용 되고 있는 스위칭 기술을 좀 더 향상시키기 위한 최신 기술로는 FDDI, 100VG-AnyLan, ATM, Fast Ethernet 기술 등이 고려될 수 있을 것이다. FDDI(Fiber Distributed Data Interface) FDDI는 원래 MAN(Metropolitan Area Network: 대도시 통신망) 기술로 설계된 것으로, 현 재는 네트워크 백본의 대명사로 되어 있다. FDDI 기술은 안정성과 신뢰성이 높으나 많은 고 급 기능들을 제공함으로써, 이 기술에 적용되는 NIC나 허브 등이 매우 복잡한 것으로 알려져 있다. 데스크톱 장비의 접속에서는 이런 고급 기능의 활용이 비용 면에서 다른 고속 LAN 기 술에 비해 비효율적이다. 232 9장 유무선 통신 기술
필요한 통신 대역폭을 충분히 확보하고 네트워크 경향에 맞는 최적의 기술을 고르는 것이 향후 네트워크 구성의 주안점이 될 수 있다. 특히, 최선의 방법이라면 스위칭과 고 속의 네트워크 기술을 결합하여 원하는 성능을 확보하고 비용 효과를 극대화하는 것이다. 패스트 이더넷(Fast Ethernet) 패스트 이더넷은 기존의 이더넷을 교체할 수 있는 최적의 환경을 가지고 있는데, 기존의 배 선을 그대로 활용할 수 있고, NOS(Network Operating System, 통신망 운영체계)나 애플리케 이션의 변경이 필요 없기 때문이다. 게다가 경제성 면에서도 매우 우수한 것으로 알려져 있 다. 패스트 이더넷은 네트워크 관리자들이 별도의 교육 없이 기존의 관리 도구 및 인력을 그 대로 활용할 수 있다는 장점이 있다. 패스트 이더넷의 가장 큰 강점은 NIC(Network Interface Card) 자동 감지 기능이다. 즉, 네트워크 노드를 10 Mbps로 활용하면서도 클라이언트의 변동 없이 100 Mbps로 바꿀 수 있기 때문이다. 그러나 이를 위해서는, NIC와 허브의 교체는 필수 적이다. 즉, 10/100 Mbps용 NIC로 교체하여야 하고, 허브 역시 100 Mbps를 지원해야 한다. 9.1.7 TCP/IP 만약, 두 지점 간에 어떤 교통정보를 TCP/IP 프로토콜을 이용하여 전송하고자 할 때, 송신측에서는 TCP/IP 프로토콜에 따라 전송하고자 하는 데이터를 인코딩하게 되며, 수 신 측인 다른 한쪽에서도 TCP/IP 프로토콜에 따라 수신된 데이터를 역순으로 디코딩하 여 목적하는 정보를 추출하게 된다. 그림 9.10 TCP/IP Suite 9.1 유선 통신망(Wired Network) 233
그림 9.10에서 보여주고 있는 TCP/IP Suite란 TCP/IP를 포함하는 일련의 프로토콜로 서, TCP와 IP는 가장 중요한 층이기 때문에 이 두 개를 총칭하여 사용하고 있다. TCP/IP Suite에서 애플리케이션층은 OSI 참조 모델에서는 애플리케이션층, 프리젠테이션층, 세 션층에 해당하며, 트랜스포트층은 역시 같은 트랜스포트층, 인터넷층은 네트워크층, 네트 워크 인터페이스층은 데이터 링크층과 물리층에 해당하게 된다. OSI(Open System Interconnection) 참조 모델 1978년 처음 소개되었을 때, OSI 참조 모델은 서로 다른 구조를 가진 장치들을 연결하기 위한 통신망 구조를 기술하고 있었다. 이 초기 참조 모델은 Open System에 적용되었는데, Open System은 같은 통신 프로토콜이나 표준을 사용하기 때문에 다른 시스템에 대해 열려 있다고 표현된다. OSI는 특정 시스템의 내부 동작에 관한 것이 아니라 시스템 간의 상호연결, 즉 정보가 교환되는 방식에 관한 것이다. 1984년에 이 참조 모델은 새로운 버전이 나왔으며, 곧이어 국제적인 표준이 되었다. OSI 모델은 다음과 같은 계층화된 구조를 가지고 있다. ㆍ 물리적 계층(Physical layer) 전송 매체를 통해 비트열을 전송한다. 이 계층은 전기적 신호를 교환하는 두 개 이상의 기 계의 연결을 포함한다. ㆍ 데이터 링크 계층(Data Link layer) 노드 간의 신뢰성 있는 전송을 보장하며, 데이터 프레임의 에러 없는 전송에 대한 책임을 진다. 이 계층은 두 개의 하위 계층으로 나뉘어지는데, 매체 접근 제어(Media Access Control, MAC)와 논리적 링크 제어(Logical Link Control, LLC)가 그것이다. ㆍ 네트워크 계층(Network layer) 하나의 통신망에서 다른 통신망으로의 경로 배정을 담당한다. 두 사용자 간의 통신망 연결 을 설정, 유지, 종료하며, 이러한 연결을 사용하여 데이터를 이동시킨다. 또한, 단편화 (fragmentation)와 재결합(reassembly)을 수행한다. 두 노드 사이에는 오직 하나의 연결만이 존재할 수 있다. ㆍ 트랜스포트 계층(Transport layer) 두 노드 사이에 연결이 설정되고 나면, 이 계층은 특정한 서비스 종류를 선택한다. 이러한 서비스는 정확도를 보장하기 위해 전송을 감시하며, 정해진 레벨의 정확도 이하로 데이터 가 전송되면, 이를 사용자에게 알려준다. ㆍ 세션 계층(Session layer) 사용자 간에 발생하는 통신을 동기화하고, 데이터의 교환을 관리하기 위해 필요하다. 이 계층은 사용자가 데이터를 병행적으로 주고받는지 교대로 주고받는지의 여부에 따라 사용 자가 데이터를 보내고 받는 시간을 조절하는 데 관여한다. ㆍ 표현 계층(Presentation layer) 정보를 의미 있는 형태로 통신망 사용자에게 보여주는 책임을 진다. 이 계층은 문자 코드 변환, 데이터 변환이나 압축과 확장 등을 포함한다. 234 9장 유무선 통신 기술
ㆍ 응용 계층(Application layer) 사용자 간의 연결을 설정하고 종료하는 서비스를 포함하여 응용 프로세스들이 정보를 교 환하기 위해 시스템 상호 연결 기능들을 이용할 수 있게 한다. 이 계층은 상호 연결되어 있는 시스템과 사용되는 자원을 감시하고 관리하는 데도 사용된다. 그림 9.11 데이터의 패킷화 과정 그림 9.11은 그림 9.10과 같은 내용으로 여기서는 데이터의 패킷화 과정이 추가된 것 이다. 애플리케이션층의 교통자료는 각 계층으로 내려가든 올라가든 간에 각 계층마다 특별한 헤더들을 인코딩 또는 디코딩하게 된다. 따라서, 송신측에서는 교통 자료를 각 계층을 내려가면서 헤더를 추가하여 그림 내의 제일 긴 패킷 부분을 전송하게 되고, 수 신측에서는 그것을 받아 디코딩하면서 각 계층마다 각각의 헤더를 제거하여 최종적으로 교통자료를 읽어들이게 된다. Packet(패킷) 패킷이란 영어의 package와 bucket의 합성어로 꾸러미 또는 한 묶음이란 뜻으로 사용되는 데, 이는 데이터와 제어 정보의 묶음을 뜻하며 패킷 교환 시스템에서 정보 전송 단위가 된다. 다시 말해, 패킷이란 데이터 통신에 있어 데이터와 제어 정보 등이 하나의 묶음이 되어 교 환 또는 전송되는 2진 신호의 집합이며, 데이터와 제어 정보, 오류 제어 정보 등이 특정한 형 태로 배열돼 있다. 9.1 유선 통신망(Wired Network) 235
프로세서 간의 통신에서 상호 교환하는 메시지에는 발신 프로세서의 어드레스, 수신 프로 세서의 어드레스, 메시지의 길이, 텍스트 등의 정보가 포함돼 있는데 긴 메시지를 한꺼번에 보내게 되면 이를 수신하고 중계하는 프로세서가 다른 메시지를 중계할 수가 없다. 따라서, 메시지를 일정한 길이의 짧은 묶음으로 분할해서 전송하는 교환방식을 취하게 되는데 이것을 가리켜 패킷 교환 방식이라 한다. 패킷 교환망에서는 회선 교환망과 같이 직접 단말과 단말 사이에서 데이터의 송수신이 행 해지는 것이 아니고 일단 교환기에 데이터를 축적하게 된다. 이후 수신측 정보를 고속으로 분 석하여 송신 경로를 선택하고, 데이터에 붙여진 수신측 정보를 토대로 망 내에 전송하여 종국 에는 상대 단말까지 전달하는 축적 교환 방식을 취한다. 각 패킷에는 메시지 부분 외에 수신 어드레스, 패킷 길이, 메시지가 몇 개의 패킷으로 분할 돼 있는지를 나타내는 패킷의 수, 패킷의 순서를 나타내는 패킷 번호 등의 정보가 들어 있는 헤더가 붙여지는데, 한 패킷은 최대 256옥텟(1옥텟은 8비트)으로 구성돼 있다. 9.1.8 데이터 통신방식 데이터 통신을 위해서는 데이터의 전송 형태, 전송 모드, 신호 형태, 통신 방향, 통신 회선, 통신 회선의 접속 형태 등의 사항이 결정되어야 한다. 여기서, 전송 형태를 결정한다는 것은 데이터 전송을 직렬로 할 것인가 또는 병렬로 할 것인가의 사항이고, 신호 형태의 경우는 아날로그로 할 것인가, 아니면 디지털 방식 으로 할 것인가를 결정하는 것을 말한다. 전송 모드는 동기냐, 비동기냐의 문제고, 통신 방향은 데이터 전송 말단 장치 간의 데이터 흐름을 단방향으로 할 것인가, 양방향으로 할 것인가를 결정한다는 것이다. 통신 회선의 형태를 결정한다는 말은 꼬임선, 동축 케 이블, 광 케이블 중 어느 회선을 사용할 것인가의 결정을 말한다. 그리고 통신 회선의 접 속 형태를 결정한다는 것은 회선 양 끝단을 일 대 일로 할 것인가 아니면 일 대 다 혹은 다 대 다로 할 것인가의 문제를 결정한다는 것이다. 위의 사항이 결정되면 신뢰성 있는 데이터 전송을 위한 데이터 전송 방식을 결정해야 한다. 먼저 전송 형태에 따른 직렬통신과 병렬통신, 전송모드에 따른 동기 및 비동기 방 식과 신호 형태에 따른 아날로그와 디지털 방식을 알아보도록 하자. (1) 데이터 전송 형태 직렬 방식은 비트 단위로 데이터 간 통신을 수행하는데, 고속의 데이터 처리에 유리하 다는 장점을 가지고 있다. 반면에 회선을 추가할 때마다 별도의 비용이 들며, 단말장치 와의 인터페이스 구성이 상대적으로 복잡하다는 단점이 있다. 236 9장 유무선 통신 기술
병렬 방식의 경우에는 직렬의 경우와는 달리 블록 단위(8 bit)로 데이터를 전송하는데, 단말 장치와의 인터페이스 구성이 단순하고, 신호 복원이 용이하다는 장점과 함께 전송 속도 역시 빠른 편이다. 하지만 원거리 데이터 통신시에는 통신 회선 비용이 크게 증가 할 뿐더러 직 병렬 변환기가 별도로 필요하다는 단점이 있다. 많은 장점이 있음에도 불 구하고 병렬 방식은 원거리에 대한 제약이 가장 큰 문제가 된다. 그림 9.12 병렬 전송 방식 그림 9.13 직렬 전송 방식 (2) 전송 모드 전송 모드는 앞서 설명한 것처럼 동기 모드와 비동기 모드로 구분된다. 동기 모드는 비 트 단위로 쉴새 없이 전송하다 보니 비동기와 같은 시작 비트(start bit)나 정지 비트(stop bit)가 필요 없다. 따라서, 높은 전송 효율과 전송 속도를 가지고 있다. 그러나 방식 자체 가 복잡하고, 이 또한 원거리 통신에는 경제적으로 많은 부담을 갖는다. 비트 묶음(문자 단위)을 기본 단위로 하고, 전송하는 데이터에 시작 비트(start bit)와 정지 비트(stop bit)를 추가하여 전송하는 비동기 모드는 회선 구성이 간편하기는 하나 전송 효율이 동기 모드보다 상대적으로 낮다는 단점을 가지고 있다. 9.1 유선 통신망(Wired Network) 237
교통 자료라는 것이 쉴새 없이 들어오는 것도 아니어서 모뎀을 이용한 비동기 방식도 괜찮은 방법이 된다. 사실, 다른 여타의 교통 시스템에서도 비동기 방식을 주로 사용하 고 있다. 그림 9.14 문자 동기 방식 그림 9.15 프레임 동기 방식 그림 9.16 비동기 방식 (3) 신호 형태 신호 형태에 따른 사항을 살펴보면, 아날로그 신호는 간단한 구조이긴 하나 전송 중에 신호의 변형이 생기기 쉬워 원거리의 경우 데이터의 손실이 있을 수 있다. 반면에 디지털 신호는 신호의 변형이 없어 높은 안전성을 갖으며, 다중화가 용이하다. 238 9장 유무선 통신 기술
그러나 점유 주파수 대역이 크다는 단점과 음성과 같은 데이터의 경우처럼 필요한 경우, A/D(Analog/Digital) 변환 장비가 필요하고 아날로그 방식과의 동기용 연동 장치가 필요 하다는 단점을 갖는다. 회선 비용이 부담이 될 경우에는 아날로그 방식이 괜찮은 방식이다. 검지기에서 나오 는 디지털 데이터를 모뎀을 통하여 아날로그로 변환하고, 이를 다시 모뎀을 통하여 디지 털로 변환하여 데이터 수집시스템으로 전송한다. 이 역시 많은 교통시스템에서 사용하던 방법이다. Multiplexing(다중화) 다중화란 여러 개의 단말 장치에서 전송되는 데이터들을 하나의 고속 전송로를 통하여 전 송하는 방법을 말한다. 분산 컴퓨터 시스템의 경우 다중화 방식은 시스템 설치 및 유지 비용 을 줄이기 위해서 중요하게 다루어지고 있다. 다중화에는 주파수 분할 다중화, 시분할 다중화, 통계적 시분할 다중화가 있다. 주파수 분할 다중화(FDM: Frequency Division Multiplexing)는 통신 선로의 주파수 대역을 여 러 개의 작은 주파수 대역폭으로 분할하고, 이를 통하여 데이터를 전달하는 방식이다. 시분할 다중화(TDM: Time Division Multiplexing)는 하나의 통신 선로를 타임 슬롯이라는 작은 단위의 시간으로 분할하여 사용하도록 할당함으로써 한 단말 장치는 자신에게 주어진 시간 동안에는 전송로의 주파수 전 대역을 사용할 수 있다. 통계적 시분할 다중화(STDM: Statistical TDM)는 비동기 또는 지능형 TDM이라고도 하는 데, 전송할 데이터를 가진 단말에만 타임 슬롯을 할당하는 방법이다. (4) 통신 매체 통신 회선의 형태, 다시 말해 통신 매체는 유선 통신과 무선 통신으로 나눌 수 있는데, 여기서는 유선 통신에 한하여 기술한다. 유선 통신에서 사용하는 회선의 종류에는 꼬임선, 동축 케이블, 광 케이블 등이 있다. 꼬임선(Twist Pair Cable)은 두 개의 절연 구리선을 꼬아 만들어진 케이블로서 한 개는 신호 전송, 다른 하나는 접지용이다. 구리선을 꼰 이유는 전기적 간섭을 최소화하기 위 한 것이다. 이 꼬임선은 아날로그, 디지털 신호 모두를 전송할 수 있으나, 주로 근거리 디지털 데이터를 전송하는 데 사용하고 있다. 단점으로는 신호 감쇄 등 노이즈가 발생하 기 쉽고, 신호 재생을 위해서 리피터가 필요하다는 것이다. 9.1 유선 통신망(Wired Network) 239
그림 9.17 꼬임선 외부의 전류로부터 중앙의 구리 도선을 보호하기 위하여 플라스틱 절연재와 그물 모 양으로 짜여진 구리망에 둘러싸여 있는 동축 케이블은 두 개의 도체로 구성되어 있는데, 장거리 전화 및 TV 방송, LAN 케이블에 많이 사용되고 있다. 동축 케이블은 아날로그 데이터의 전송 시에 높은 주파수 대역의 신호 전송이 가능하며, 디지털 데이터의 전송 시에는 높은 데이터 전송률을 보장한다. 그림 9.18 동축 케이블 광 케이블은 신호 형태가 유리로 된 섬유를 통하여 유도된 빛의 펄스이기 때문에 외부 전류에 의하여 방해받지 않는다. 빛의 펄스는 힘을 잃지 않고 수 마일까지 갈 수 있기 때문에 데이터를 먼 거리로 전송할 때 리피터의 간격도 크며, 높은 신호 속도가 가능하 다. 또, 매우 넓은 대역폭의 신호 전송이 가능하며, 신호의 감쇄가 적고 노이즈가 거의 없다. 참고로 리피터 설치 간격을 살펴보면, 꼬임선의 경우에는 디지털이 더 짧은데 대략 2~3 km, 아날로그는 5~6 km이며, 동축 케이블은 대략 1~10 km, 광 케이블은 10~ 100 km 정도마다 리피터를 둔다. 그림 9.19 광 케이블 240 9장 유무선 통신 기술
9.1.9 통신 방향 통신 방향에는 크게 단방향과 양방향 통신 방식이 있으며, 양방향 통신 방식에는 반이 중 방식과 전이중 방식이 있다. 단방향 통신 방식은 통신 말단 간의 데이터 전송이 어느 한 방향으로만 이루어지는 것 을 의미하는데, 상호 전송이 안되고 송신측 장치의 오류 등을 명확하게 파악할 수 없다 는 단점이 있다. 하지만 가격이 싸다는 장점을 갖는다. 그림 9.20 단방향 방식 반이중 통신 방식은 한 개 회선을 사용하기 때문에 동시에 양방향 통신을 할 수 있는 것은 아니고, 어느 한쪽이 송신측이 되면 어느 한쪽은 수신측이 되게 된다. 이런 이유로 인해 송수신 변경 시마다 어느 한쪽이 데이터를 전송할 수 없으므로 전송 지연이 발생하 게 된다. 그러나 가격이 저렴한 편이어서 때에 따라서는 최선의 선택이 되기도 한다. 전이중 통신 방식은 두 개 회선을 사용하기 때문에 동시에 양방향 통신이 가능하여 송 신측이 동시에 수신측일 수 있고, 반대로 수신측이 동시에 송신측이 될 수도 있다. 따라 서, 대량의 데이터를 전송할 수 있고, 선로 이용 효율이 높을 수밖에 없다. 다만 회선의 구성이 이중으로 되어야 하기 때문에 회선 비용이 증가한다는 단점이 있다. 그림 9.21 반이중 방식 그림 9.22 전이중 방식 9.1 유선 통신망(Wired Network) 241
검지기와 데이터 수집시스템 간에는 대량의 데이터가 전송되기는 하지만 대부분의 데 이터는 일방향을 가지고, 상대적으로 매우 적은 시간만 할애하여 역방향으로 검지기의 상태를 파악하기 위한 제어 데이터를 전송하게 되므로 반이중이 적합하다고 판단된다. 하지만 CCTV와 같은 영상 장치는 줌(Zoom) 혹은 팬틸트와 같은 제어신호가 수시로 필 요하기 때문에 이런 경우에는 전이중 방식이 적합하다. 9.1.10 통신 회선의 접속 형태 회선은 단말장치의 접속 형태에 따라 점 대 점(Point to Point) 방식, 다 대 점(Multipoint to Point) 방식, 교환 방식이 있다. 점 대 점(Point to Point) 방식은 회선의 양단에 각각 하나의 단말장치(DTE) 등이 접속 되고, 그 사이에 다른 어떤 단말장치가 접속되지 않는 접속 방식으로 지능이 없는 단말 장치들을 중앙의 컴퓨터와 같은 지능이 있는 장치에 연결하는 경우에 주로 사용되어 왔 다. 중앙의 내부에서는 원격의 단말들에서 보내 온 데이터를 개별적으로 독립적으로 처 리하게 된다. 이러한 점 대 점 방식은 데이터량이 많을 때 유리한 방식이다. 더구나 유지 관리 역시 각각의 단말을 기준으로 하게 되므로 관리가 용이하다. 대신에 비용이 많이 든다는 단점이 있다. 그림 9.23 점 대 점 방식 다 대 점(Multi-Point) 방식은 데이터 전송시스템에서 데이터가 발생하는 장소가 분산 되어 있을 때 이용되는 것이다. 한 회선에 다수의 단말 장치를 접속하여 회선의 이용률 을 높이는 방식을 의미한다. 이러한 방식은 중앙에서 각각의 단말 장치로부터 송신된 데 이터를 개별적으로 처리하지 않고, 폴링과 같은 방법을 사용하여 각 단말 장치들의 송신 데이터에 순서를 정해 주고 이들을 하나하나 처리하는 방식이라고 할 수 있겠다. 이러다 보니 각 단말 장치의 데이터량이 많은 경우에는 데이터 집중에 의한 병목으로 심각한 242 9장 유무선 통신 기술
그림 9.24 다 대 점 방식 문제를 야기할 수 있으며, 중앙과 연결되는 회선에 문제가 생기면 단말장치들의 모든 데 이터는 전송 불가 상황이 발생하게 된다. 그러나 회선 사용료는 적게 든다. 과거에는 비용도 많이 들고, 기술도 낙후하여 다 대 점 방식을 많이 이용하였으나, 요 즈음 교통 시스템의 경우 검지기와 TDAS와 같은 데이터 수집 장치 간에는 점 대 점 방 식을 많이 이용하고 있다. 앞의 두 방식의 경우 회선과 경로가 정의되어 있는 반면, 교환 방식의 경우에는 교환 망이란 것을 사용하여 회선과 경로가 상황에 따라 유동적이 되는 특징을 가지고 있다. 여기서, 교환망은 이처럼 데이터를 받아 네트워크 내의 여러 회선과 경로 중에서 최적의 회선과 경로를 찾아 목적지까지 보내는 역할을 한다. 그러나 이 교환 방식은 통신 데이 터량이 네트워크 전체에 걸쳐 매우 많은 경우에는 충분한 통신속도를 보장하지 못한다. 예를 들어, 서울시라는 도로 네트워크를 보자. 각 경로마다 교통량이 빽빽하게 있을 때 최적의 경로를 이용하면 얼마만큼의 시간을 절약할 수 있는가? 이처럼 교환방식도 데이 터량이 과도하게 많은 경우에는 최단 경로가 무의미하다. 그러나 교환방식은 적절한 데 이터량일 경우에는 회선을 용량 수준에서 운영하게 되므로 상당히 경제적인 방식임에는 틀림없다. 9.1 유선 통신망(Wired Network) 243
그림 9.25 교환방식 9.1.11 데이터 전송방식 데이터 전송방식으로는 베이스밴드 전송방식, 대역 전송방식, 다중화 방식, PCM 방식 등이 있다. 베이스밴드 전송방식은 컴퓨터나 단말 장치의 출력 신호를 있는 그대로 전송 하는 방식으로 컴퓨터와 단말 장치 간의 통신과 같은 근거리 통신에서 주로 사용된다. 그리고 대역 전송방식의 경우, 송신측에서는 직류신호를 교류신호로 변환하여 전송하고 수신측에서는 교류신호를 다시 직류신호로 변환하여 사용하는 방식으로 원거리 통신에 적합하다. 다중화 전송방식이란 하나의 전송로를 따라 복수의 데이터를 전송하는 방식이다. 마지막으로, PCM(Pulse Code Modulation, 펄스 부호 변조)이란 음성 또는 영상 신호 를 부호화하는 방식의 하나로서, 음성이나 영상 데이터 등의 정보를 전달하는 전송방식 에는 아날로그 전송방식과 디지털 전송방식이 있다. 9.2 무선 통신망(Wireless Network) 9.2.1 교통시스템 무선통신 일반적으로 무선망은 점 대 점(Point-to-Point), 점 대 다점(Point-to-Multi Point)의 스타 (Star)형 토폴로지 구조를 가지고 있으나, 최근 유선망과 같은 다점 대 다점(Multipointto-Multipoint)의 메쉬(Mesh)형 구조를 가지는 무선망에 대한 관심이 높아지고 있다. 무선 메쉬네트워크의 특징은 유선망과의 연결 없이 망 확장이 용이하며, 이에 따른 망 설치의 신속성 및 경제성, 다중경로에 의한 Redundancy 제공 등, 망의 유연성 및 확장성 에 장점을 가지고 있다는 것이다. 또한, 무선 메쉬네트워크 기술은 무선 LAN뿐만 아니 라 홈네트워크, 차세대 이동통신, 센서 네트워크, 텔레메틱스 등의 다양한 분야에 적용되 어 활용될 수 있으며, 향후 SDR(Software Define Radio) 및 CR(Cognitive Radio)과 접목 244 9장 유무선 통신 기술
표 9.1 무선통신 기술의 개요 및 특징 무선통신 기술명 DSRC Zigbee CALM WAVE 무선랜 (Wireless LAN) 와이브로 (WIBRO/ WIMAX) WCDMA/ HSDPA 기술 개요 노변-차량 간 양방향 근거리 통신, 일 대 다수의 통신기능, LOS(Line of Sight)를 유지할 수 있는 통신기술 블루투스, UWB보다는 현재 관심을 덜 받 고 있지만, 센서 네트워크와 같은 버티컬 어플리케이션 영역에서 경쟁력 있는 단거 리 무선통신 기술 지능형 교통시스템, 특히 자동차 환경을 위해 설계되고 있는 Information Platform. 무선 통신을 위한 공통적 구조, 네트워크 프로토콜 및 무선접속 규격 정의와 방송, 점 대 점, 차량 간 및 차량 대 지점 통신 을 위한 파라미터와 프로토콜을 제공 현재 IEEE에서는 미국에서 추진하고 있는 사양을 WAVE(Wireless access in vehicular environments)라 칭한다. 이것을 802.11p 와 IEEE 1609로 하여 텔레매틱스 무선 인 프라의 표준 규격으로 재정 오피스, 상가, 가정 등과 같이 일정공간 또 는 건물로 한정된 옥내 또는 옥외 환경에 서 유선 케이블 대신 무선 RF 또는 IR을 사용하여 허브에서 각 단말까지 네트워크 환경을 구축 실내의 유선 초고속 인터넷을 휴대형 단말 기를 이용하여 실외의 정지 및 이동환경에 서도 고속으로 인터넷에 접속하여 필요한 정보나 멀티미디어 콘텐츠를 이용할 수 있 는 통신서비스 비동기식 3.5세대의 이동통신 서비스로써 3세대 서비스인 WCDMA에서 다운로드 속도가 진화된 형태 기술 특징 노변-차량 간 양방향 근거리 통신 일 대 다수의 통신 기능 저가의 ITS 무선 패킷 데이터 통신 시 스템 다양한 ITS 서비스 제공 및 응용 가능 저전력 Zigbee 송수신기를 센서(동작, 빛, 압력, 기온, 습도)와 결합하여 대규 모 센서 네트워크를 구성할 수 있음. 단일 미디어를 사용하기 때문에 발생 할 수 있는 약점을 개선하여 활용 가 능한 무선통신 링크, CALM 네트워크 및 서비스를 제공 이동성 제공을 통해 무선 채널의 효율 성을 증대 최대 200 km/h 이동성을 지원 1,000 m 반경에 1 Mbps의 전송속도 지원 75 MHz(9.850~9.925 GHz)를 지원 특성상 배선이 필요없고, 단말기의 재 배치가 용이 이동 중에도 통신이 가능하며, 빠른 시간 안에 네트워크 구축이 가능 기본적으로 점 대 다 방식으로 연결 Ethernet 환경과 같은 링크영역의 멀 티캐스트 지원이 불가능 무선사용자가 모바일 단말기에서 고품 질 비디오 및 오디오를 스트림하고, 그래픽이 많은 웹사이트를 빠르게 검 색 가능 9.2 무선 통신망(Wireless Network) 245
표 9.1 무선통신 기술의 개요 및 특징(계속) 무선통신 기술명 UWB 블루투스 (Bluetooth) DMB MBWA 기술 개요 근거리 공간에서 PC와 주변 기기 및 가 전제품들을 초고속 무선 인터페이스로 연 결하는 근거리 개인통신망이나 고밀도의 위치 측정, 차량 출동방지 등 다양한 분 야에 활용이 가능 IEEE 802.15 WPAN 표준화 단체가 가장 먼저 제정한 표준으로 Ericsson과 Nokia 등 유럽의 대형 이동통신 회사들을 포함 하여 전 세계 1,790여 개의 회사들이 참 여하여 만든 표준 기술 영상, 음성 및 데이터의 멀티미디어를 다 양한 형태의 고정식/이동식 단말기에 전 송할 수 있는 방송서비스 모바일 기기에 이동성을 제공해 주기 때 문에 기존의 셀룰러 기반의 이동통신 기 술과도 경쟁할 것으로 예상되는 기술 기술 특징 넓은 주파수 대역사용이 가능 데이터 전송속도가 빨라 대용량 정보 의 고속 전송이 가능 10 m 이내의 거리에서 다양한 기기 간의 통신을 할 수 있도록 하는 저전 력, 저가의 무선통신 시스템 구축 가 능 OFDM 방식을 채택하여 다중전송과 전송기법을 사용함으로써 이동수신 시 다중왜곡이나 페이딩 환경에 강함. 15 km 또는 그 이상의 셀 범위 내에 서 3.5 GHz 대역을 이용하며, 도시지 역통신망(MAN)에서 데이터 전송률을 현재의 전화선 연결 속도보다 빠른 1 Mbps까지 향상 되어 유비쿼터스 네트워크 구현을 위한 핵심기술로 발전될 것으로 보인다. 향후 보다 양질의 서비스 품질, 이용의 편리성을 위한 기본방향은 무선 통신의 통합 기술이다. 최근의 차량에서의 통신 서비스는 주로 휴대폰 통신기반의 비상 응급구조 서 비스와 경로안내(Navigation) 서비스이지만, 이동인터넷 서비스, 차량 내 멀티미디어 서 비스 등 차 내 오피스 환경을 제공하는 방향으로 발전될 전망이다. 또한, 멀티미디어를 포함하는 차세대 텔레매틱스 서비스를 저렴하게 제공하기 위해서는 휴대폰 응용기술뿐 만 아니라 DSRC/WAVE/CALM 기술, DMB, ZigBee 기술 등 관련 무선매체와의 통합이 요구된다. 예를 들어, 차량 내의 단말에서 지도 등의 대용량 정보가 필요한 경우는 DSRC나 WAVE를 활용하고, 방송형 콘텐츠, 멀티미디어형 부가서비스 등은 DMB를 통하여 제공 받으며, 고속 주행 시는 이동통신망을 이용하여 정보를 제공받는 시스템을 구상할 수 있다. 246 9장 유무선 통신 기술
9.2.2 RFID(Radio Frequency IDentification) (1) 기술 개요 및 특징 네트워크의 발달에 의해 정보를 on-line으로 교환하는 시대가 일반화되고 있고, 이에 기반한 정보전달의 고속화를 위해서는 컴퓨터에 입력되어야 할 정보에 대한 입력방법의 자동화가 필수적이다. 이를 실현하는 기술을 일반적으로 자동인식 및 데이터획득(AIDC: Automatic Identification and Data Capture) 기술이라 하며, 그 대표적인 분야는 1차원/ 2차원 바코드, RFID 시스템 등으로 구분된다. 이 중, RFID는 무선통신(Radio Frequency) 표 9.2 RFID 태그 방식별 주요 특징 RFID 방식별 구분 Read only 태그 데이터 Read/Write WORM 능력 Read/Write 능동형(Active) 태그 전원유무 수동형(Passive) 준 수동형 (Semi-Passive) 135 khz 이하 13.56 MHz 무선 프로토콜 UHF 2.45 GHz 주요 특징 ㆍ 제조 시 프로그래밍, 정보내용은 변경 불가 ㆍ 식별코드만을 인식하고 DB와 연동 ㆍ 사용자가 1회 프로그래밍만 가능 ㆍ 일반적으로 태그에 User가 식별코드 입력 ㆍ 데이터를 반복적으로 읽거나 저장할 수 있음. ㆍ 사용자 메모리에 다양한 데이터를 저장 ㆍ 태그에 전원이 부착 ㆍ 100 m 이상도 통신이 가능 ㆍ 고가, 수명 제한, UHF 대역 이상에서 사용 ㆍ 태그에 전원이 없음. ㆍ 수 m 이내 근거리 통신용 ㆍ 저렴한 가격(1회용 가능), 수명 반영구적 ㆍ 사용거리는 능동형과 수동형의 중간 ㆍ 태그 전원은 센서구동 등 보조적으로 사용 ㆍ 동물인식, 마라톤 기록 측정 등에 사용 ㆍ 태그는 상대적으로 고가, 용도 한정 ㆍ 교통카드 등 카드분야에서 실용화 ㆍ 1 m 전후의 시설물 접속에도 사용 가능 ㆍ 433 MHz(active), 860~960 MHz 대역 이용 ㆍ 유통물류용, 국제적으로 활성화 전망 ㆍ ISM 대역 이용, RTLS 등에 활용 ㆍ UHF 대역보다 금속 환경 등에서 인식률 저하 * 출처: RFID 표준화 동향, 기술표준백서, 산자부(기술표준원) 9.2 무선 통신망(Wireless Network) 247
방식으로 흔히 유사기술인 바코드를 대체하는 기술로 인식되고 있으나, RFID만의 장점 과 무궁한 응용 가능성을 감안할 때, RFID는 새로운 생활방식을 여는 Disruptive Technology이다. RFID/USN은 인식정보를 제공하는 RFID를 중심으로 발전하여 현재는 Sensing 기능이 추가되고 네트워크가 구축되는 USN으로 발전하고 있다. RFID는 판독기(Interrogator)를 통하여 비접촉으로 RFID 태그의 정보를 판독하거나 기 록하는 무선인식 방식으로, 국내에서 무선인식, 무선식별, 전파식별 등 다양한 용어로 불 려왔으나, 2005년 11월 RFID 용어 국가표준 제정에 의해 무선인식 으로 통일되었다. (2) 주요 시스템 RFID 기술적 요소는 크게 태그 데이터의 read/write, 태그 전원 유무, 판독기/태그 간 무선프로토콜(Air Interface) 방식을 기준으로 구분할 수 있다. 그림 9.26은 RFID 시스템의 가장 기본적인 3개의 기술요소를 보여주고 있다. RFID 시스템은 무선프로토콜에 반응하는 태그, 태그의 데이터를 무선으로 읽어 처리하는 RFID 판독기, RFID 판독기로부터 가져온 데이터를 응용단에서 처리하는 미들웨어/응용 소프트웨어로 구성된다. 응용분야 RFID 리더/안테나 RFID 태그 RFID 리더 안테나 국제표준 ISO18000 무선 Protocol UHF RFID 태그 EPC Network EDI 기반 SCM 항공수화물 등 ISO/IEC 15961, 15962 ISO/IEC 18000-1, 2, 3, 4, 6, 7 그림 9.26 RFID 시스템의 일반적 구조 RFID 리더기는 일반적으로 수동형 태그에 대해 태그로 전파를 송신하여 태그를 활성 화시키고 전력공급을 하며 데이터 인코딩/디코딩을 통해 태그 데이터를 인식한다. 리더 기는 이동식과 고정식으로 구분되고, 일반적으로 고정식은 3 m 이상, 이동식은 1 m 전 후를 인식한다. 리더기 기술에 의해 복수 태그를 동시에 읽을 수 있는 충돌방지 시스템, 리더기 설치밀도가 높은 공간에서 사용하는 밀도 리더 통신 모드 등 시스템 운영을 고도 화하는 기능이 구현될 수 있다. 248 9장 유무선 통신 기술
(3) RFID 서비스 응용 도로 상에서 차량의 흐름을 파악하기 위해, 그림 9.27과 같이 개별 차량에 RFID 태그 를 붙이고 도로 상에서 태그를 읽어 차량 흐름을 자동으로 측정할 수 있다. 유비쿼터스 개념으로 모든 차량의 정보를 수집하는 것이므로, 유비쿼터스 환경의 차세대 교통정보수 집 시스템이라 할 수 있다. 이러한 시스템이 저가 RFID 시스템으로 경제성을 확보한다 면, u-교통망의 정보수집 체계로 검토가 가능할 수 있다. 이 시스템은 도로정보 수집을 위해 RFID를 이용해 단순히 차량이 통과했다는 정보만을 수집하게 된다. 즉, 차량에 붙 어 있는 RFID 태그의 식별코드를 읽어, 통과 차량 대수를 분석할 수 있는 데이터 센터 에 보내 주기만 하기 때문에 다른 응용 시스템과 비교할 때, 매우 단순한 구조라 할 수 있다. 단, 정보수집용 RFID 시스템은 고속도로와 같이 고속으로 달리는 구간에서도 읽 을 수 있어야 하므로, 기술상 데이터를 수집하는 속도가 매우 빨라야 할 것이다. 특히, 전국적으로 이동하는 화물차량에 대해, 복합 물류거점과 같은 중간단계마다 화물차량의 이동을 자동인식하여 물류흐름과 화물차량 이동정보 등을 관리하는 시스템 등이 단기간 에 실용화될 수 있다. 그림 9.27 RFID를 이용한 교통정보 수집 또한, RFID를 이용한 승용차 요일제 차량 관리 시스템이 적용되고 있는데, RFID 태그 에는 데이터 저장이 가능한 전자칩이 들어 있어, 개별 차량을 나타낼 수 있는 고유 ID (차량식별번호)와 운휴요일(월, 화, 수, 목, 금 중 하루) 정보 등이 들어 있고 크기는 10.5 cm 4.5 cm이다. RFID 리더는 시내 주요 도로 상에 설치되어 있어, 승용차가 고속 주행 시 에도 승용차에 붙어 있는 RFID 태그를 자동으로 인식하여 승용차 요일제를 잘 지키고 있는지를 식별할 수 있다. 이러한 승용차 요일제 관리용의 RFID 시스템은 크게 세 가지 (RFID 태그, RFID 리더, 데이터 처리 시스템)로 구성된다. 운영에 있어서, 만약 RFID 태그를 달고 자동차세 감면 등의 혜택을 받으면서도 요일 별 운휴일을 지키지 않으면, RFID 리더가 식별하여 1년에 3회 이상 지키지 않을 경우 9.2 무선 통신망(Wireless Network) 249
감면받은 자동차세 등이 추징된다. 또한 RFID 태그를 훼손시키거나 부착을 하지 않고 운행하는 차량에 대해서는 별도의 감독요원들이 핸드형 리더기를 이용하여 단속하고 있다. 9.2.3 DSRC(Dedicated Short Range Communication) (1) 기술 개요 및 특징 DSRC는 통신 반경이 수 미터에서 수백 미터 사이이며, 도로변 노변장치와 이 통신영 역을 통과하는 차량의 탑재장치 사이에서 양방향으로 고속의 데이터 송수신을 가능하게 하는 통신 기술을 말한다. 또한 DSRC는 단거리 ITS 전용 통신으로 이용되어, 도로변이 나 주차장 등 차량이 통과하거나 머무는 장소에 설치 후, 위치에 관련된 정보 수집이나 제공, 요금 징수, 통행 관제, 운행 경보 등 차량 운행에 직접 관계되는 서비스를 저렴하 게 제공할 수 있는 시스템으로 구축이 가능하다. 노변-차량 간 100 m 이하의 양방향 근 거리 통신이 가능하며, 일 대 다수의 통신기능과 LOS(Line of Sight)를 유지할 수 있는 통신환경의 구축 또한 가능하다. 주요 특징으로는 다음과 같은 것들이 있다. 좁은 셀 지역에서 점 대 점, 점 대 다점 통 신이 가능하고, 노변장치와 탑재장치 간 양방향의 근거리 통신에 사용되어 100 m 이하 의 통신 범위에서 다양한 ITS 서비스를 제공한다. 또한, 값싸고 단순한 변조기술을 통해 저가의 ITS 무선 패킷 데이터 통신 시스템을 구성할 수 있고, 저가의 ITS 무선 패킷 데 이터 통신 시스템을 사용하여 다양한 ITS 서비스의 제공 및 응용이 가능하다. 고정식 RSE 로컬 제어기 로컬 제어기 중앙센터 이동식 RSE VDS 중앙수집서버 통계/운영 연계 가공 공중단말장치- 도로 제공 공중단말장치- 공공장소 개인단말장치 그림 9.28 DSRC 시스템 구성도 250 9장 유무선 통신 기술