3.8네트워크

53. 전화부터 와이파이까지, 네트워크의 기본 속성

전통적인 유선 네트워크인 전화, 케이블, 이더넷은 물론 무선 네트워크인 와이파이와 휴대전화도 모두 마찬가지로 아래의 속성들을 공유한다.

우선, 보내는 쪽에서 정보를 전송할 수 있는 표현으로 변환하고, 받는 쪽에서는 그 표현을 사용할 수 있는 형태로 변환한다.

대역폭(bandwidth)은 모든 네트워크의 가장 기본적인 속성으로, 네트워크가 데이터를 얼마나 빨리 전송할 수 있는지를 의미한다. 대역폭의 범위는 초당 몇 비트(전력이나 환경적 제약이 극심할 때 사용하는 시스템)에서 초당 몇 테라비트(대륙과 대양을 가로질러 인터넷 트래픽을 전송하는 광케이블 네트워크)까지 다양하다.

레이턴시(latency) 또는 지연(delay)은 일정 단위의 정보가 시스템을 통과하는데 걸리는 시간을 측정한 값이다. 레이턴시가 높다고 반드시 대역폭이 낮은건 아니다. 예를 들면, 트럭에 디스크 드라이브를 가득 싣고 전국을 가로질러 운전한다고 하면 지연은 높아도 대역폭은 어마어마할 것이다.

지터(Jitter)는 지연의 변동성을 뜻한다. 네트워크 상에서 전송되는 데이터 패킷들이 도착하는 간격이 일정하지 않고 변동되는 것인데, 주로 네트워크 혼잡, 큐잉 지연, 경로 변경 등으로 발생한다. 오디오나 비디오에서는 지터가 높을 경우 품질 저하가 발생할 수 있어서 중요하게 다룬다.

범위(Range)는 주어진 기술로 네트워크가 지리적으로 얼마나 확장될 수 있는지를 정의한다. 어떤 네트워크는 최대 몇 미터지만, 어떤 네트워크는 전 세계에 걸쳐 있다.

수신자와 발신자를 어떻게 짝지어주는 지도 네트워크의 속성이다. 예를 들어, 라디오와 같이 여러 수신자가 한 발신자의 신호를 수신하는 브로드캐스트(broadcast) 방식을 취할 수도 있고, 특정 발신자와 수신자를 짝지어 주는 점대점(point-to-point) 방식을 취할 수도 있다.

그 외에도 네트워크에서 고려할 요인으로는 하드웨어와 인프라 비용, 전송 데이터 양 등이 있다.

54. 삐- 삐- 추억의 모뎀 소리

전화망은 대규모로 성공을 거둔 전 세계적 네트워크다. 처음에는 음성 트래픽을 전달했지만, 이후에는 상당량의 데이터 트래픽까지 전송하는 방향으로 진화했다. 초창기 가정용 컴퓨터에선 사용자들이 전화선을 통해 온라인에 연결했다.

주택용 유선 전화 시스템은 여전히 데이터보다는 아날로그 음성 신호를 전달한다. 따라서 디지털 데이터를 전송하려면 비트를 소리로 변환했다가 다시 비트로 복원해야 하는데(음성을 전달하는 전화 통화를 하는 상황이 아니라, 전화선을 이용해 디지털 데이터를 주고 받으려는 상황이다), 신호에 전송용 패턴을 적용하는 과정을 변조(modulation)라고 하고 패턴을 원래 형태로 복원하는 과정을 복조(demodulation)라고 한다. 이 변조(mod)와 복조(dem)를 수행하는 장치를 모뎀(modem)이라고 한다.

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한 때 전화 모뎀은 전자 장치로 구성된 별도의 상자 형태로 크고 값비쌌지만, 오늘날은 인터넷을 유선 전화로 연결하는 일이 드물고, 따라서 거의 쓰이지 않는다.

데이터 연결을 위해 모뎀을 사용하는 것은 몹시 불편했다. 우선, 전용 전화선이 필요하므로 집에 전화선이 하나만 있다면 데이터 연결을 할 것인지 음성 통화를 할 수 있게 할 것인지 선택해야 했다. 또, 모뎀으로 하는 데이터 통신의 최대 속도는 약 56Kbps로 초당 7KB 정도인데 이미지나 비디오를 받기에는 너무 느렸다.

55. 킬로바이트에서 메가바이트로

아날로그 전화선의 데이터 통신 최대 속도 56Kbps 제한은 물론 대역폭이 너무나 부족해서, 이후 여러 대안이 나왔다.

첫번째 대안은 여러 가정에 케이블 TV 방송을 전송하는 TV 케이블을 사용하는 것이다. 이 케이블은 비디오 채널 수백 개를 동시에 전송할 수 있는 것으로, 대역폭에 여유가 있어 가정에서 데이터를 전송하는 용도로도 쓸 수 있었다. 보통 수백 Mbps 정도의 다운로드 속도를 제공할 수 있으며, 전화선과 마찬가지로 케이블에서 나온 신호를 비트로 변환했다가 다시 신호로 복원하는 장치인 케이블 모뎀이 필요하다. 케이블 모뎀은 전화 모뎀보다 꽤 빠르게 작동한다.

하지만 TV 케이블을 사용하는 데이터 통신도 문제가 있었다. 우선, 한 케이블의 제한된 대역폭 내에서 해당 케이블을 공유하는 여러 가정의 데이터를 전송하기 때문에 서로 간섭이 발생한다. 다행히 모든 가정이 동시에 많은 데이터를 받을 일은 잘 없기 때문에 간섭으로 인한 속도 지연 등의 문제는 생각보다 크지 않다. 다만, 케이블이 공유되면서 한 가정의 데이터가 다른 가정으로 가지 않게 하기 위한 암호화와 관련된 문제가 발생한다. 이 암호화 기술은 이후 보다 자세히 살펴볼 것이다.

또, 케이블 네트워크는 처음에 단방향으로 설계되었기 때문에 고객에게서 케이블 회사로 정보를 되돌려 보낼 방법이 없었던 문제가 있었다. 이후 케이블을 양방향 시스템으로 만들어 컴퓨터 데이터를 전송하는 통신 시스템으로도 사용할 수 있게 되었다. 하지만 대부분의 트래픽은 다운로드이므로, 다운로드 속도가 업로드 속도보다 훨씬 빠르게 만들었다.

두번째 대안은 전화를 기반으로 한다. 이 기술은 디지털 가입자 회선(Digital Subscriber Line) 즉 DSL이라고 하는 기술로, 때로는 비대칭적(asymmetric)이라는 말이 들어가 ADSL로도 불린다. 비대칭이라고 불리는 이유는 집으로 들어가는 하향 대역폭(다운로드)이 집에서 나오는 상향 대역폭(업로드)보다 높기 때문이다.

DSL은 음성 신호를 간섭하지 않는 기법을 사용해서 전화선으로 데이터를 전송하므로, 웹 서핑하는 동안에도 전화로 이야기를 할 수 있다. 다만 이 방식은 특정 거리까지만 작동한다. 지역 전화 회사 교환국에서 약 5km보다 멀리 산다면 이 방식은 잘 작동하지 않는다.

반면, DSL은 케이블처럼 공유 매체가 아니기 때문에(집과 전화 회사 간에 전용선을 사용한다) 보안 측면에서 안전하다.

기술이 계속 발전해서 이제 가정용 케이블이나 구리선을 광케이블 통신망 서비스가 대체하고 있다. 광케이블의 단점은 만약 장시간 정전이 일어나면 전화를 쓰지 못한다는 점이다. 예전에는 전화가 배터리나 전화 회사 설비에 있는 발전기에서 전력을 공급받았기에 정전에서 안전했지만, 광케이블은 그렇지 않다.

광케이블은 다른 기술보다 훨씬 빠르다. 신호는 전송 손실이 낮은 극히 순수한 유리 섬유를 따라 빛의 펄스로 보내진다. 신호는 수km 떨어진 곳까지 전파된 다음에 최대 세기로 다시 증폭될 수 있다.

56. 학교나 회사에서 사용하는 근거리 네트워크, 이더넷

1970년대 초, Xerox사의 팔로알토 연구소(Palo Alto Research Center, PARC)에서 알토(Alto)라는 컴퓨터를 개발했다. 알토에는 최초의 Windows 시스템과 더불어 텍스트보다 많은 것을 표시할 수 있는 비트맵 디스플레이가 쓰였다.

이 컴퓨터를 쓰면서 떠오른 문제는 어떻게 연구원들의 알토를 서로 연결할 것인지, 그리고 프린터 같은 자원을 어떻게 공유하는지였다. 1970년대 초에 로버트 메트칼프(Robert Metcalfe)와 데이비드 보그스(David Boggs)가 발명한 해결책은 이더넷(Ethernet)라는 네트워크 기술이었다. 이더넷이라는 이름의 어원은 예전에 빛의 전달 물질이라고 생각되었던 에테르(ether)라는 가상물질이었다.

이더넷은 하나의 동축 케이블(Coaxial Cable)에 연결되어 있는 모든 컴퓨터 간에 신호를 전달하는 방식을 사용했다. 동축 케이블에서 신호는 전압 펄스였다. 비트 값을 인코딩하기 위해 전압 펄스의 세기나 극성을 조절했는데, 예를 들면 비트 값 1은 + 전압을, 0은 - 전압을 사용하는 식이었다.

각 컴퓨터는 고유 식별 번호가 있는 장치로 이더넷에 연결되었다. 한 컴퓨터가 다른 컴퓨터로 메시지를 보내려면 다른 누군가가 먼저 메시지를 보내고 있지 않은지 확인하고, 목표 수신자의 식별 번호와 함께 메시지를 케이블로 브로드캐스트했다. 이 방식으론 케이블에 연결된 모든 컴퓨터가 메시지를 수신할 수 있었지만, 이 메시지를 받기로 돼 있는 컴퓨터만 메시지를 읽고 처리할 수 있었다.

모든 이더넷 장치에는 48비트 고유 식별 번호가 있어서, 이 주소로 총 2^48개(약 281조개이다)의 장치를 식별할 수 있다. 이를 이더넷 주소라고 한다. 오늘날 우리가 쓰고 있는 컴퓨터도 이더넷 주소가 있어서, 윈도우즈에는 ipconfig 명령어나 윈도우 설정에서, 맥에선 ifconfig 명령이나 시스템 환경설정에서 확인할 수 있다. 이더넷 주소는 항상 1바이트당 두 자리 16진수(1바이트는 8비트, 16진수 하나는 2^4이므로 4비트)로 표현되므로, 모두 합쳐 12개의 16진수로 이루어져있다.

이더넷에도 케이블 시스템과 비슷하게 프라이버시나 한정된 자원 문제가 있다. 한정된 자원 경쟁은, 네트워크 인터페이스가 데이터 전송을 시작했는데 다른 사람도 전송 중이라는 것을 감지하면 중지하고 잠시 기다렸다가 다시 시도하는 방식으로 해결한다.

프라이버시의 경우는 모두 같은 회사의 직원이었기에 원래는 걱정거리가 아니었다. 하지만 이더넷이 외부에서도 쓰이면서 문제가 되었는데, 소프트웨어로 이더넷 인터페이스를 무차별 모드(promiscuous mode)로 설정하면 네트워크 상의 모든 메시지의 내용을 읽을 수 있게 된다. 이렇게 네트워크상에서 데이터를 엿보는 행위를 스니핑(sniffing)이라고 하는데, 대학 기숙사 같은 곳의 이더넷 네트워크에서 발생하는 보안 문제이다. 이 문제의 해결책은 케이블상의 패킷을 암호화하는 것이며, 요즘은 대부분의 트래픽이 기본적으로 암호화된다.

이더넷에서 정보는 패킷으로 전송된다. 패킷(packet)은 정확하게 정의된 형식으로 된, 정보를 담고 있는 일련의 비트 또는 바이트다. 발신자가 정보를 패킷으로 싸서 보내면 수신자가 패킷을 열어서 정보를 확인할 수 있다.

패킷 형식과 내용의 세부 사항은 네트워크마다 다르다. 이더넷 패킷은 6바이트로 된 출발지 주소와 목적지 주소, 기타 정보, 최대 1,500 바이트의 데이터로 구성된다.

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이더넷은 이후 메트칼프가 설립한 회사인 쓰리컴(3com)에 의해 상용화되어 그간 수십억 대의 이더넷 장치가 많은 공급 업체에서 판매되었다. 최초의 이더넷은 3Mbps 속도였지만, 요즘엔 100Mbps에서 10Gbpms까지 빨라졌다.

이더넷은 수백 미터 정도의 한정된 범위에서 작동한다. 원래 쓰였던 동축 케이블은 표준 커넥터가 있는 8선 케이블로 대체되었다. 각 장치가 표준 커넥터로 스위치(또는 허브)에 연결되면, 이더넷 스위치는 들어오는 데이터를 다른 연결된 장치에 브로드캐스트한다.

데스크톱 컴퓨터에는 보통 이더넷 표준 커넥터를 연결할 수 있는 소켓이 있고, 이더넷의 작동 원리를 모방하는 무선 공유기와 케이블 모뎀 같은 장치에도 소켓이 있다. 다만, 요즘의 노트북들은 무선 네트워킹에 의존하기에 이런 소켓이 없다.

57. 와이파이는 상표 이름

이더넷은 통신선이 필요하다는 결점이 있다. 하지만 무선 통신을 이용한다면 불편함을 해결할 수 있다.

무선 시스템은 무선 전파를 사용하여 데이터를 전송하므로 신호가 충분한 장소라면 어디서든 통신할 수 있다. 전파는 금속 벽과 콘크리트 바닥과 같이 전파 간섭을 일으키는 물질이 아니라면 통과할 수 있다. 전파는 헤르츠 단위로 측정되는 특정 주파수의 파동이다. 데이터는 반송파에 실려 전송되는데, 이 반송파에 정보 신호 패턴을 적용해 신호 품질을 유지한다.

예를 들어, 진폭 변조(Amplitue Modulation, AM)는 정보를 전달하기 위해 반송파의 진폭 또는 강도를 변경한다. 라디오에서 음악이나 목소리에 따라 신호의 강도가 달라지도록 만드는 경우를 생각하면 된다. 목소리가 커지면 반송파의 진폭(세기)이 커지고, 작아지면 작아진다. 주파수 변조(Frequency Modulation, FM)는 반송파가 얼마나 빠르게 진동하는지(주파수) 강도를 변경한다.

무선 시스템에 관한 규칙에는 주파수 범위인 스펙트럼(spectrum)과 전송에 사용할 수 있는 전력량에 관한 것이 있다. 스펙트럼 할당은 미국에선 정부 기관인 FCC(Federal Communications Commission)에서 하고, 국제 협약은 UN 기구인 ITU(International Telecommunication Union)에서 조정한다. 미국에선 사용 가능한 스펙트럼 공간이 새로 생기면(대부분 초단파, 즉 Very high freuquency 대역) FCC에서 주관하는 공개 경매를 통해 할당한다.

컴퓨터용 무선 표준은 IEEE 802.11이라는 공식 이름이 있는데, 흔히 와이파이(Wi-Fi)라고 부른다. IEEE는 전기전자기술자협회(Institute of Electrical and Electronics Engineers)라는 전문가 단체로, 다양한 전자 시스템 표준을 수립하는 등의 일을 한다. 802.11은 그들이 정한 표준의 번호이다. 와이파이라는 이름은 산업 단체인 Wi-Fi Alliance의 등록 상표다.

무선 장치는 디지털 데이터를 전파에 실어 전달하기 적합한 형태로 인코딩한다. 일반적인 802.11 시스템은 이더넷처럼 작동하도록 패키지화 되어 있다. 범위는 이더넷과 비슷하고, 다만 통신선을 둔 경쟁을 할 필요가 없다. 무선 장치는 2.4 ~ 2.5GHz, 5GHz, 또는 더 높은 주파수에서 작동한다.

그 밖에도 광범위하게 사용되는 3가지 무선 시스템이 있다.

첫번째 블루투스(Bluetooth)는 덴마크 왕 하랄 1세(Harald Blåtand, 935 ~ 985년 경)의 별명 블루투스를 딴 기술이다. 블루투스는 근거리 Ad Hoc(즉석의, 임시방편의) 통신을 위해 만들어진 기술이며 802.11 무선 통신과 같은 2.4GHz 주파수 대역을 사용한다.

블루투스는 낮은 전력 소비가 중요한 TV 리모컨, 무선 마이크, 이어버드, 키보드, 마우스, 게임 컨트롤러 등에 사용된다.

다음으로, RFID(Radio-Frequency Identification)는 전자 도어록, 반려동물 이식 칩, 다양한 상품의 식별 태그, 자동 통행료 징수 시스템, 여권 등에 사용되는 저전력 무선 기술이다.

RFID 태그는 기본적으로 스트림 형태로 식별 정보를 브로드캐스트하는 소형 전파 수신기 및 송신기앋. 수동 태그는 배터리가 없지만, RFID 센서의 신호를 수신하는 안테나를 통해 전력을 얻는다. 칩이 센서에 가까이 가면, RFID 칩은 식별 정보와 함께 응답을 보낸다. RFID 시스템은 주로 13.56MHz 주파수를 이용한다.

GPS는 자동차와 휴대전화 내비게이션 시스템에서 볼 수 있는 단방향 무선 시스템이다. GPS 위성은 정확한 시간과 위치 정보를 브로드캐스트하고, GPS 수신기는 3~4개의 위성으로부터 신호가 도착하는 데 걸리는 시간을 이용해서 지상에서 자신의 위치를 계산한다.

GPS는 단방향이라 수신기에서 위성으로 정보를 보내는 반환 경로가 없다. 따라서 GPS는 사용자를 추적할 수 없다. GPS 기반 추적을 하려면 휴대전화 같은 지상 시스템이 위치를 중계해야한다. 휴대전화는 기지국과 끊임없이 통신하므로 전화가 켜져있는 동안 전화 회사가 사용자의 위치를 정밀하게 파악할 수 있다.

58. 휴대전화가 영어로 셀룰러폰인 이유

최초의 상용 휴대전화 시스템은 1980년대 초 AT&T가 개발했다. 이 때의 휴대전화는 아주 컸는데, 왜 Cellular(세포의) phone이라고 불렸을까?

휴대전화는 스펙트럼(사용할 수 있는 주파수 대역)이 한정되어 있고, 전파의 범위 또한 제한적이다. 즉, 주파수의 신호가 도달 가능한 거리가 제한되어 있다.

이러한 문제를 극복하기 위해 휴대전화 시스템은 독특한 전략을 취하는데, 기본적으로 지리적 영역을 가상의 육각형에 가까운 셀로 나누는 것에 기반한다. 각 셀에는 기지국(base station)이 있다. 휴대전화는 가장 가까운 기지국과 통신하고, 한 셀에서 다른 셀로 이동할 때 진행 중인 통화는 이전 기지국에서 새 기지국으로 넘어간다.

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수신된 신호의 세기는 거리의 제곱에 비례해서 감소한다. 즉, 송신기로부터 멀어질수록 신호의 세기는 급격하게 약해진다. 위의 이미지와 같은 셀 구조에서, 두 셀이 충분히 멀리 떨어져있다면(예를 들면, 바로 옆 셀이 아니라 한 칸 떨어진 셀이라면) 한 셀의 기지국이 보내는 강한 신호가 다른 셀에는 도달하지 않아 간섭이 거의 발생하지 않는다. 이를 이용해 서로 충분히 떨어진 두 셀에선 같은 주파수를 사용하는 식으로 전체 네트워크의 한정적인 주파수 자원을 효율적으로 재사용하는 것이 휴대전화 시스템의 기본이다.

휴대전화는 일반 전화망의 일부이지만, 전화선 대신 기지국을 통해 무선으로 연결된다. 휴대전화 간 정보 전달에는 대역폭이 제한된 좁은 무선 주파수 스펙트럼을 나눠 쓴다. 휴대전화는 배터리를 사용하므로 전력을 아끼는 것이 매우 중요하고, 따라서 낮은 전파 세기로 작동해야 하며, 다른 기기와 간섭이 일어나지 않도록 송신 파워가 법으로 제한된다. 배터리가 클수록 지속 시간은 길어지지만, 기기는 더 크고 무거워진다.

휴대전화 시스템은 전 세계 다양한 지역에서 서로 다른 주파수 대역을 사용하지만, 일반적으로 900MHz와 1,900MHz 근처 대역이 이용된다. 5G 같이 새로운 휴대전화 표준은 훨씬 높은 주파수(3.4~3.7GHz)를 사용한다. 각 주파수 대역은 여러 채널로 나뉘고, 통화에는 휴대전화에서 기지국, 기지국에서 휴대전화 각 방향마다 하나의 채널이 사용된다.

셀 안에 있는 모든 휴대전화는 신호 전송용 채널을 공유하고, 일부 시스템에서는 이 채널을 문자 메시지와 데이터 송수신 용도로도 사용한다.

각 휴대전화에는 IMEI(International Mobile Equipment Identity)라는 15자리 고유 식별 번호가 있다. 휴대전화는 켜지면 자신의 식별 번호를 브로드캐스트하고, 가장 가까운 기지국이 그 정보를 받아 홈 시스템(home system)을 통해 전화 유효성을 검사한다. 휴대전화가 이동하면 기지국이 그 위치를 홈 시스템에 보고해서 전화의 위치 정보를 최신 상태로 유지한다.

휴대전화는 가장 강한 신호를 내는 기지국과 통신한다. 휴대전화는 기지국에 가까이 있을 때 더 적은 전력을 사용하도록 지속적으로 파워 레벨을 조정한다. 이렇게 하면 배터리를 더 오래 유지하고 다른 휴대전화에 대한 간섭을 줄일 수 있다.

모든 휴대전화는 데이터 압축을 통해 신호를 최대한 적은 수의 비트로 줄인 다음, 오류 수정 정보를 추가한다. 이 오류 수정 정보는 노이즈가 심한 무선 채널에서 간섭을 받으며 데이터를 보낼 때 발생하는 오류에 대처하기 위해 필요하다.

휴대전화는 정치, 사회적 문제를 야기한다. 스펙트럼 할당 문제는 그 중 하나이고, 셀 타워(셀룰러 기지국)의 위치도 그 중 하나이다. 셀 타워는 미관상 딱히 보기 좋지 않으며, 전파를 수신/발신하기 때문에 엄청난 양의 전자파를 발생시키는데 이것이 지역 주민들의 건강에 문제를 일으킬 수 있음을 우려하는 경우가 많다. 참고로, 건강과 전파 간의 상관관계는 아직은 충분히 밝혀지지 않았다.

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인터넷 연결이 있는 기기가 다른 기기와 데이터 연결을 공유하는 것은 테더링(tethering)이라고 하는데, 휴대전화는 셀룰러 네트워크를 통해 인터넷과 연결되어, 주변의 다른 기기들이 Wi-Fi 네트워크에 접속할 수 있게 해주는 핫스팟(hotspot)으로도 사용할 수 있다. 즉, 핫스팟 기능은 셀룰러 네트워크(4G, 5G)에 연결된 휴대전화가 그 연결을 이용해 주변 기기에 Wi-Fi 접속 지점을 제공하는 것이다.

59. 3G, LTE, 4G, 5G

휴대전화 기술은 매우 복잡하며, 더 높은 대역폭을 확보하기 위해 끝없이 변화한다. 3G, 4G, 5G의 G는 그렇게 변화하고 발전해서 표준으로 자리잡은 세대(Generation)를 의미한다. LTE는 장기적인 진화(Long-Term Evolution)의 약자로, 3G에서 4G로 가는 과정에서 나온 것이다. LTE는 3G에 비해 속도와 효율이 크게 개선되었지만, ITU(국제전기통신연합)이 정의한 4G의 엄격한 기준(예를 들면 이동 중 최소 100Mbps, 고정 환경에서 최대 1Gbps의 데이터 전송 속도)을 충족하지는 못했기 때문에 이런 이름이 붙었다.

5G는 2019년에 처음으로 서비스되기 시작했다. 물론 기존 표준보다 더 높은 대역폭을 제공한다. 5G의 명목상 속도 범위는 50Mbps에서 100Gbps에 달한다. 5G 휴대전화는 최대 세 개의 주파수 대역을 사용하며, 낮은 두 개 대역은 4G에도 사용되는 것이라서 이 대역에서는 4G와 유사하다. 대신, 근거리 연결(약 100m)에서는 그보다 훨씬 높은 주파수를 사용해 속도가 빠르다.

또한, 5G는 일정한 면적 내에서 훨씬 많은 장치를 연결할 수 있는데, 사물인터넷 장치가 5G를 사용함에 따라 활용 폭이 넓어질 것으로 기대된다.

60. ZIP 파일로 압축할 때

가용 메모리와 대역폭을 더 효율적으로 활용하기 위해 데이터 압축 기술이 들어간다. 압축의 기본은 수신자 쪽에서 재현하거나 유추할 수 있는 정보는 저장하지 않고 보내지 않는 것이다. 예를 들면, 어떤 비트는 아무 정보도 전달하지 않고 어떤 비트는 다른 비트에서 계산될 수 있는데 이런 경우는 버려도 된다.

허프만 코딩(huffman coding)이라는 알고리즘은 개별 문자를 인코딩하는 효율적인 압축 방법을 찾는데, 자주 사용되는 문자는 적은 비트를 사용하고 그렇지 않은 문자에는 더 많은 비트를 사용하는 방식이다. "오만과 편견" 원문에 포함된 텍스트는 121,000단어로 약 680,000 바이트인데, 허프만 코딩으로 압축시 원래보다 44% 줄어든다.

ZIP 압축 알고리즘은 LZ77이라는 방법을 허프만 코딩과 결합해, 오만과 편견을 64% 줄여 249,000 바이트로 압축한다. LZ77은 데이터 내에서 반복되는 문자열이나 패턴을 찾는다. 그리고 반복되는 부분은 어디에 배치해야하는지, 얼마나 쓸지 등의 정보를 저장한다. 이후 허프만 코딩으로 빈번하게 나타나는 부분은 보다 짧은 코드, 덜 나오는 부분은 긴 코드를 할당해 압축한다.

유닉스 프로그램인 bzip2는 175,000 바이트까지 줄이는데, 원래 크기의 1/4 정도다.

이미지도 압축 가능하다. 가장 흔한 압축 형태는 GIF(Graphics Interchange Format)과 PNG(Portable Network Graphics) 두 가지이다. 이 둘은 사진용은 아니다. GIF는 256색을 지원하고 PNG는 1,600만 색 이상을 지원한다.

이상 살펴본 기술들은 모두 무손실 압축(lossless compression)이다. 압축 과정에서 정보가 소실되는게 없으므로 압축을 풀면 원본이 정확히 복원된다. 하지만 현실에서 우리는 원본을 반드시 복원하지 않고 원본에 근접하기만 해도 충분한 경우를 많이 접할 수 있다. 이 때 우리는 손실 압축(lossy compression) 기술을 활용한다.

손실 압축은 사람의 인지 능력의 한계를 이용한 기법이다. 예를 들면, 사람의 눈은 서로 가까이 있는 색상을 구별하지 못하므로 입력된 것과 정확히 같은 색상을 보존하지 않아도 된다. 따라서 일부 미세한 세부 정보를 버리더라도 눈으로 봐서는 차이를 알아차리기 어렵다. JPG 이미지를 생성하는 JPEG(Joint Photographic Experts Group) 압축 알고리즘은 미세한 밝기 변화, 색상 변화를 버려서 원본 이미지를 10분의 1로 압축하는데, 육안으로 큰 품질 저하를 알아채기 어렵다.

영화와 TV를 압축하기 위한 MPEG(Moving Picture Experts Group)은 개별 프레임을 JPEG처럼 압축하며, 한 프레임에서 다음 프레임으로 갈 때 크게 변하지 않는 블록도 압축한다. 움직임의 결과를 예측하여 변경 사항만 인코딩할 수 있고, 심지어 정적인 배경에서 움직이는 전경을 분리하고 배경에 더 적은 비트를 사용해 압축하기도 한다.

MP3(MPEG Audio Layer 3)와 그 뒤를 이은 기술인 AAC(Advanced Audio Coding)는 MPEG의 오디오 부분으로, 음향을 압축하기 위한 지각 부호화(perceptual coding) 알고리즘이다. 이 알고리즘은 시끄러운 소리가 조용한 소리를 가리고, 청각이 약 20kHz보다 높은 주파수를 들을 수 없는 점을 이용한다.

휴대전화도 압축 기술을 많이 사용하는데, 음성은 주파수 범위가 좁고 말하는 사람의 특성에 따라 모델링을 할 수 있어 다른 임의의 소리보다 훨씬 더 많이 압축할 수 있다.

61. 오류를 검출하고 수정하는 알고리즘

신용카드와 현금인출카드 번호는 16자리이지만, 16자리 숫자라고 다 유효하지는 않다. 이런 경우는 체크섬(checksum) 알고리즘을 이용하는데, 이 알고리즘은 1945년 IBM에서 근무하던 Hans Peter Luhn이 발명했다. 이 알고리즘은 숫자를 적을때 가장 하기 쉬운 오류들인 숫자를 한번 잘못 적을 때와 자리를 바꿔 적을 때 오류를 대부분 검출할 수 있다.

체크섬 알고리즘은 비교적 간단하다.

• 가장 오른쪽 숫자에서 시작해 왼쪽으로 가면서 각 숫자에 1과 2를 번갈아 곱한다.
• 만약 곱해서 나온 값이 9보다 크면 거기서 9를 뺀다.
• 그렇게 계산된 각 자리 숫자들을 더했을 때 합계가 10으로 나눠 떨어져야 한다.

비트에 적용되는 범용 오류 검출 기법의 가장 간단한 예로는 패리티 코드(parity code)가 있다. 이 기법은 데이터를 전송할 때 각 데이터 블록(바이트)에 추가적인 한 비트(패리티 비트)를 붙인다. 이 패리티 비트는 바이트 내 1의 개수를 기준으로 짝수(짝수 패리티)나 홀수(홀수 패리티)가 되도록 설정한다. 예를 들면, 짝수 패리티는 바이트의 1의 개수가 홀수였다면 패리티 비트를 1로 추가해서 전체 1의 개수가 짝수가 되게하고, 이미 짝수면 0을 추가한다. 수신 측에서는 같은 방식으로 계산해서 패리티가 맞지 않으면 전송 중 오류가 발생했다고 판단한다.

오류 수정 코드는 발생 가능한 다양한 오류의 종류에 따라 서로 다른 알고리즘이 선택된다. 예를 들면, 어떤 주기억 장치는 패리티 비트를 사용해 임의 위치에서 발생하는 단일 비트 오류를 검사한다. 휴대전화는 짧게 집중적으로 발생하는 노이즈 신호에 대처한다. QR코드는 많은 오류 수정 기능을 갖춘 2차원 바코드이다.

62. 요약

스펙트럼은 무선 통신 시스템에서 대단히 중요한 자원이지만, 수요에 비해 충분하지 않다. 따라서 스펙트럼 공간을 두고 경쟁이 치열하며, 기존 스펙트럼을 더 효율적으로 사용하기 위해 압축 기술이 들어간다.

무선은 브로드캐스트 매체이므로 누구든지 엿들을 수 있고, 암호화만이 접근을 통제하고 전송 중인 정보를 보호하는 유일한 방법이다. WPA(Wi-Fi Protected Access)는 무선 암호화에 대한 최신의 표준이다. 개방형 네트워크는 암호화가 전혀 되지 않기 때문에 주의해야 한다.