통신 방식의 비교

1. 직렬 통신과 병렬 통신

 

직렬 통신은 한번에 하나의 데이터 비트를 전송하고, 병렬 통신은 한번에 여러 개의 데이터 비트를 전송한다. 따라서 병렬 통신의 경우에는 한번에 전송하고자 하는 비트의 개수만큼 물리적인 데이터 라인이 필요하고, 직렬 통신의 경우에는 하나의 데이터 라인이 필요하다. 과거 프린터나 스캐너 장비를 컴퓨터에 연결하기 위해 사용하던 케이블이 대표적인 병렬 통신 방식이었으나, 직렬 통신 방식의 USB 케이블로 대체되면서 최근에는 병렬 통신 방식의 케이블은 찾아 보기 힘들다.

상식적으로 생각해 보면, 한번에 여러 비트의 정보를 보내는 병렬 데이터 전송이 한 비트씩 차례로 보내는 직렬 데이터 전송보다 빠르다. 만약 그렇다면 오늘날 부품간, 기기간 고속의 데이터 통신이 요구되는 영역에서는 병렬 데이터 전송 방식을 취할 것 같지만 오히려 현실은 그 반대이다. 점점 더 많은 영역에서 병렬 데이터 전송보다 직렬 데이터 전송 방식이 사용되고 있다. 그것은 병렬 데이터 전송 방식이 갖고 있는 본질적인 한계와 더불어 직렬 데이터 전송 방식으로도 고속의 데이터 전송이 가능해졌기 때문이다.

 

병렬 데이터 전송에 있어서 가장 큰 문제점은 이른바 타이밍 틀어짐(timing skew), 또는 클럭 틀어짐(clock skew)현상이다. 즉, 송신기기가 여러 개의 비트 정보를 동시에 전송하더라도, 이들 신호가 수신기기에 도달하는 시점이 제 각각이 되는 현상이다. 비교적 낮은 데이터 전송 속도가 필요한 곳에서는 크게 문제가 되지 않을 수 있지만, 높은 데이터 전송 속도가 필요한 곳에서는 심각한 문제를 초래할 수 있다. 즉, 작은 타이밍 틀어짐으로 인해, 완전히 다른 데이터가 전송될 수 있기 때문이다.

 

[그림1] 병렬 통신에 있어서의 타이밍 틀어짐

송신 기기의 특성, 커넥터, 또는 케이블의 물리적 특성에 의해 발생할 수 있는 이러한 현상을 막기 위해서, 병렬 데이터 전송에는 추가적인 부품이나, 특수한 케이블 등이 필요한데, 이렇게 되면 부품의 가격이 상승하게 되고, 제품의 시장성이 낮아지게 된다. 그렇지 않아도 병렬 방식은 직렬 방식에 비해서 많은 전선을 사용해야 하고, 커넥터 크기도 직렬 방식에 비해 훨씬 크기 때문에 비용 측면에서 불리한데, 더군다나 고속 데이터 전송을 위해서 추가적인 비용이 들어가야 하므로 시장으로부터 외면 받을 운명이었다.

 

오늘날 전통적인 의미에서의 병렬 통신 방식이 거의 자취를 감추고 직렬 통신 방식이 주로 사용되는 이유는 LVDS라고 하는 새로운 기술의 발명이 결정적이었다고 볼 수 있다. LVDS 덕분에 직렬 통신은 병렬 통신 방식으로는 달성할 수 없는 데이터 전송 속도와 함께 제품 제조 단가의 절감이라는 두 마리의 토끼를 한꺼번에 잡으면서 병렬 통신 방식을 상당 부분 대체하였다. 다만, LVDS을 이용해서 직렬 통신을 하는 경우에도 추가적인 데이터 전송 속도 향상을 위해서, 또는 RGB 색상 정보를 각각 별도의 LVDS 라인으로 전송함으로써 얻을 수 있는 추가적인 개발상의 이점 때문에, 복수 개의 LVDS 라인을 병렬 방식으로 사용한다. 따라서 엄밀한 의미에서는 오늘날 LVDS를 이용한 병렬 통신 방식이 다수를 차지하고 있다고 볼 수 있다.

 

※ LVDS(Low Voltage Differential Signaling, 저전압 차등 시그널링): 저렴한 연선 구리케이블에 고속으로 동작이 가능한 전기적 신호 시스템

 

2. 단방향통신과 양방향통신

 

단방향(심플렉스, Simplex)과 양방향(듀플렉스, Duplex)은 비교적 쉽게 구별이 된다. 대표적인 단방향 통신은 리모컨과 TV와의 통신이다. 즉, 리모컨에서 TV로 신호가 갈 뿐이며, 반대 방향으로의 신호 전송은 없다. 살짝 이야기가 곁으로 샐 수 있겠으나, TV, 라디오 방송도 단방향 통신이다. 과거에는 방송과 통신이 엄격히 구분이 되었으나, 오늘날에는 방송과 통신의 구별은 모호해 졌기 때문에 방송을 단방향 통신의 예로 들어 보았다. 한편, 전화나 컴퓨터 통신의 경우에는 신호가 연결된 두 단말기기의 양방향으로 전송이 된다.

 

양방향은 다시 반이중 통신(Half Duplex)과 전이중 통신(Full Duplex)로 구분이 된다. 아래 [그림2]에서 단말 A가 데이터를 보낼 때, 단말 B는 받기만 할 수 있고, 단말 B가 데이터를 보내려면, 단말 A가 송신을 마쳐야 가능한 경우를 반이중 통신이라고 한다. 무전기를 사용해서 통화를 하는 경우, 일반적으로 반이중 통신을 사용한다. 즉, 한쪽이 통화 버튼(Push-To-Talk)을 누르고 말을 하게 되면, 상대방은 듣기만 할 수 있으며, “오버"라는 말과 함께 자신의 차례가 끝났음을 알리면, 이제는 역할을 바꾸게 된다.

 

전이중 통신은 언제든지 송신과 수신이 동시에 가능한 경우이다. 이더넷 통신을 비롯해서 오늘날 데이터 통신은 송수신이 동시에 가능한 전이중 통신이다.

[그림2] 반이중통신과 전이중통신

전이중 통신은 일반적으로 전송을 위한 라인과 수신을 위한 라인이 각각 별도로 존재한다. 그러나, 하나의 라인을 사용해서도 전이중 통신이 가능한다. 이를 위한 몇 가지 기법들이 사용되고 있다.

 

첫 번째는 시분할 이중통신 (TDD, Time Division Duplex)이다. 즉, 시간을 나누어서 일정 타임 슬롯 주기로 송수신 방향을 변경하는 것이다. 즉, 최초 100 밀리 초 동안은 송신을 하고, 그 다음 100 밀리 초는 수신을 하며, 그 다음 100 밀리 초는 다시 송신을 하는 방식이다. 엄밀한 의미에서 전이중 통신은 아니지만, 사람들은 인지할 수 없을 정도로 빠르게 송수신 모드 전환이 반복적으로 이루어지므로 마치 동시에 송수신이 되는 것처럼 느낄 수 있다. 컴퓨터에서 말하는 멀티 태스킹과 같이, 실제로는 순차적으로 처리가 되고 있지만, 매우 빠른 속도로 문맥 교환(context switching)이 이루어지므로 마치 병렬로 동시에 처리되는 것처럼 보이는 것과 같은 원리이다. 무선 이동 통신 기술 중 TD-CDMA, 와이 파이, 블루투스 등에 사용이 된다.

 

※ TD-SCDMA(Time-Division Synchronus CDMA): 중국에서 개발한 시분할 동기방식 3세대 이동통신규격

 

두 번째는 주파수 분할 이중통신 (FDD, Frequency Division Duplex)이다. 즉, 통신하는 주파수 대역을 분할하여 전송되는 데이터가 충돌되지 않도록 하는 방법이다. 대표적인 예가 셀룰러 이동 통신이다. TD CDMA등 일부 시분할 이중통신을 사용하는 경우도 있으나 대부분의 셀룰러 이동통신은 주파수 분할 이중통신을 사용한다. 우리 나라 3세대 이동통신의 경우 기지국에서 모바일 폰으로의 다운링크는 2110MHz ~ 2170MHz 주파수 대역을 사용하고, 반대의 업링크는 1920MHz ~ 1980MHz 주파수 대역을 사용함으로써 송수신 신호가 서로 간섭을 일으키지 않고, 동시에 전송될 수 있도록 하는 방식이다. 또한, 과거 전화선을 이용한 인터넷 서비스가 한창일 때 사용되던 ADSL, VDSL이 이 방식을 사용한다. 마지막으로 자동차에서 사용되는 FPD-LINK 기술도 서로 다른 주파수 대역의 신호를 사용해서 전이중모드로 동작한다. 즉 한 방향으로는 고속 대용량의 그래픽 신호가 전송되지만 동시에 반대방향으로 저속의 소용량 컨트롤 데이터가 전송될 수 있다.

 

※ 셀룰러: 한 지역을 여러 개의 셀로 분할하여 통신망을 구성, 운용하는 것을 말한다.

※ ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line, 비대칭 디지털 가입자 회선): 일반 전화선을 사용하여 고속으로 데이터 통신을 할 수 있는 기술인 DSL의 하나.

※ VDSL(Very high-data rate Digital Subscriber Line, 초고속 디지털 가입자회선): ADSL에 이어 등장한 초고속 디지털 전송기술의 하나.

※ FPD-LINK(Flat Panel Display-Link, 평면 패널 디스플레이 링크): 최초의 고속 디지털 비디오 인터페이스

 

3. 동기식 통신과 비동기식 통신

 

- 동기식 통신과 비동기식 통신 설명

동기화(同期化, synchronization)는 동시에 시스템을 작동시키기 위해 시간을 일치시키거나, 동작 클럭을 일치시키는 것을 의미한다. 오늘날 동작하는 모든 전자 기기는 일정한 클럭에 맞추어서 동작한다. CPU의 동작 클럭 수를 이야기할 때, 우리는 하나의 클럭에 하나의 명령어가 실행된다는 것을 알고 있다. 또한, 메모리에서 CPU로 데이터 비트가 이동할 때, 과거에는 한 클럭에 하나의 비트가 이동했다면, DDR(Double Data Rate)이후에는 하나의 클럭에 두 개의 비트가 이동한다는 것을 알고 있다. 데이터 통신에서도 마찬가지로 하나의 클럭마다 일정한 데이터 비트가 이동한다는 것을 미루어 짐작할 수 있다.

 

문제는 데이터 비트를 주고 받는 두 부품, 또는 두 기기는 어떻게 동기화가 되는가 이다. 종종 제 3의 부품, 또는 기기가 있어서 이들이 마스터 클럭을 내보내고, 다른 기기들은 이 클럭에 동기화를 함으로써 버스, 혹은 네트워크 연결된 모든 부품, 또는 기기들이 동기화할 수도 있다. 만약 단 2개의 부품, 기기가 있는 경우에도 이 중의 하나가 마스터 클럭을 만들어 내면 동기화가 가능하다. 이처럼, 통신을 하고자 하는 당사자 중의 하나가 클럭을 만들어 내든, 또는 제 3의 클럭에 동기화를 하든, 클럭이 동기화되는 방식을 동기식 통신이라고 한다.

[그림3] 동기식 통신의 구조

한편, 데이터 통신에 있어서 두 부품, 두 기기가 클럭으로 동기화되지 않으면 비동기식 통신이라고 한다. 비동기식 전송(asynchronous transmission)은 보통 5비트, 또는 8비트 크기의 문자 단위와 같이 매우 작은 비트 블럭의 앞과 뒤에 각각 문자의 시작과 끝을 알리는 스타트 비트(start-bit)와 스톱 비트(stop-bit)를 붙여서 전송하는 방식으로 스타트-스톱 전송이라고 불리기도 한다.

[그림4] 비동기식 통신의 구조

※ Parity bit: 정보의 전달 과정에서 오류가 생겼는지를 검사하기 위해 추가한 비트

 

- 동기식 통신과 비동기식 통신의 차이점

 

동기식 통신과 비동기식 통신의 가장 큰 차이점은 클럭(clock)의 유무이다. 동기식 통신은 클럭이라는 신호를 계속 주기적으로 보내고, 클럭과 클럭 사이에 사용자가 정해놓은 수만큼의 문자열을 한 블록으로 하여 전송한다. A와 B 사이에는 지속적으로 클럭신호가 오가고 있으며, 데이터의 전송이 없더라도 클럭신호는 계속 주고받는다. A와 B는 서로 데이터만 보내면 되기 때문에 전송속도가 빠르다.

 

비동기통신은 평상시 클럭 신호를 보내지 않는다. 대신에 보낼 데이터가 있을 때 Start bit를 보낸 후 데이터를 쭉~ 보내고 다 보냈으면 Stop bit를 보낸다. 따라서 동기 통신에 비해서는 전송속도가 느릴 수밖에 없다.

 

	동기식 통신	비동기식 통신
가격, 회로 복잡도	고가, 회로 복잡	저가, 회로 단순
클럭	있음	없음
데이터 전송 단위	블록 단위	String 단위
적용 사례	USB	RS232, RS422, RS485

[표1] 동기식 통신과 비동기식 통신 비교

 

<참고>

https://m.blog.naver.com/PostView.naver?isHttpsRedirect=true&blogId=prnbada7&logNo=221377457826

6. 통신 방식의 비교

https://m.blog.naver.com/conquer6022/221566232231

동기 통신, 비동기통신 차이점