Chapter 5 Telephone Networks

Table of contents

Telephone Networks

• telephone networks는 plain old telephone system (POTS) 로 불리며, 회선 교환(circuit switching)을 사용한다.
• telephone networks에는 end offices, tandem offices, regional offices와 같은 여러 레벨의 switching offices가 있다.
• PSTN은 Public Switched Telephone Network 를 의미하며, 이 단어를 POTS 보다 더 많이 쓴다. (사무실에서 쓰는 전화기들이 PSTN이다.)

초기 telephone network의 모습이다.
그래서 새로운 전화기를 추가하면, 전화선을 mesh형태로 추가를 해야 했다.
그러면 토목 공사(땅을 파고, 케이블을 묶고)를 해야 하고, 많은 비용이 들었다.
그래서 한 가지 생각한 방법은 기계를 만들어, 그 기계에 전화기를 연결하는 것이었다.
그 기계를 switch(교환기)라고 불렀다.
만약에 한 전화기에 다른 전화기로 전화를 걸고 싶다면, 교환기를 거쳐야 했고, 교환기에 있는 사람이 그 전화를 선으로 연결해 주었다.
그리고 전화가 종료되면, 그 연결됐던 선을 다시 끊었다.
그래서 이것을 temporary connection이라고 불렀으며, 기계를 switch라고 하였다.
그런데 사람이 이 일을 하다 보니 힘들었다.
그래서 교환기에 software를 집어 넣고, 각 전화기에 번호를 부여했다.
예를 들어, 11번 전화기에서 13번 전화기로 전화를 걸면, 전자 교환기에서 자동으로 전화를 연결해 주었다.
그런데 전화 수요가 늘게 되면, 하나의 전자 switch로 전화를 감당할 수 없었고, 새로운switch를 두어서 해결했다.
그러나 계층을 두지 않고, 초기 telephone network의 전화기들 처럼 switch를 둔다면, 그때와 똑같이 mesh형태로 switch를 연결하는 사태가 발생하게 되기 때문에, 아래의 그림처럼 계층을 두었다.
학교 사무실에 있는 전화선을 쫓아 가면 600주년기념관이 나온다.
또 그 선에서 선을 따라가면 혜화 전화국이 나온다.
혜화 전화국에 switch(교환기)가 있다.(end office)
end office와 전화기 사이 선을 local loop 혹은 subscriber(가입자) line(선로)이라고 한다. Trunk는 (전화)국간 전송로(전화국-전화국)이다.
Trunk line은 고속 전송로이다.
local loop은 그렇지 않다.

• local loop는 subscriber telephone을 가장 가까운 end office에 연결하는 twisted-pair 케이블이다. (가입자 선로)
• trunks는 office 사이의 통신을 다루는 전송 매체(transmission media)이다.

LATAs

• 미국은 200개 이상의 local access transport areas(LATAs)로 나뉘었다.
• Intra-LATA services
  • common carriers(telephone companies)가 LATA 내에서 제공하는 서비스를 intra-LATA services라고 한다.
• Inter-LATA services
  • LATA 간의 서비스는 interexchange carriers(IXCs)가 담당한다.
  • 이런 carriers는 long-distance companies라고 불리기도 한다.
• 미국은 땅이 커서, 구역마다 통신 사업자가 다르게 커버한다. (AT&T, Verizon, Sprint 등등 전화 회사만 200개)
• 그 전화 회사를 common carrier라고 부른다. (telephone company)

760(국번, 혜화 전화국 교환기의 번호)-0671(학과 사무실 번호) 이론적으로 하나의 국번에는 000~999번까지 가능하다.
그런데 실제로는 한 교환기가 여러 개의 국번을 갖고, 여러 개의 전화번호를 수용한다.

Points of Presence (POPs)

• 여러 IXCs는 Point of Presence(POP)라고 하는 switching office를 통해 inter-LATA service를 제공할 수 있다.
• POP은 communication entity (통신회사)들 사이의 인위적인 분계점(demarcation) 또는 interface point이다.
  • telephone system에서 POP는 long-distance carrier가 서비스를 종료하고 local telephone network에 connection을 제공할 수 있는 장소이다.
  • Internet에서 POP는 인터넷에 대한 액세스 포인트로서, 서로 다른 ISP가 mutual peering agreements에 의해 그들의 network 간에 Internet traffic을 교환할 수 있게 하고, 이는 비용 없이 traffic을 교환할 수 있게 한다.
  • ISP: Internet Service Provider (KT, SKT), 인터넷 서비스 제공자
  • common carrier: telephone company

Signaling

• Signaling means the information exchange concerning the establishment and control of a connection and the management of the network, in contrast to user information transfer.

• 연결을 설정하고, 연결을 제어하는 것에 대한 정보를 주고 받는 것

• 네트워크 관리하는 데에 사용되는 정보를 주고 받는 것

• 유저 인포메이션 transfer가 아니다.

• 760-0672로 전화를 걸었을 때, 그 정보가 교환기로 간다.

• 760-0672로 가야 하려면 어떻게 해야되지? 이 정보를 주고 받는 것은 data가 아니다.

• 전화 수화기를 들었을 때, 여보세요, 안녕하세요가 데이터이다.

• 유저 인포메이션을 보내기 전에 연결을 설정하고, control하는 정보를 주고 받는 것 혹은 call transfer도 포함한다.

• 결국 제어 정보를 주고 받는 것이 signaling이라고 한다.

  • There are in-band and out-of-band signaling.

• In-band signaling is the exchange of signaling (call control) information within the same channel that the telephone call itself is using.

  • It is a an example of Dial-tone multi-frequency (DTMF).
  • 데이터를 주고 받는 채널로, 제어 정보를 주고 받는 것을 말한다.
  • 전화를 할 때, 다이얼을 누르는 소리가 같이 들린다. 이것이 데이터를 주고 받는 채널로 제어 정보를 주고 받는 것을 의미한다. (하기 그림 참고)

• These complex tasks resulted in the provision of a separate network for signaling.

• 사용자가 보낼 때는 in-band로 간다.

• 국간 전송을 할 때에는 control information과 data를 가는 것은 channel을 따로 쓴다. (Out-of-band signaling)

• 이때 쓰는 protocol이 Signaling System #7

• Out-of-band signaling is the exchange of information in order to control a telephone call that is done on a channel that is dedicated for the purpose and separate from the channels used for the telephone call.

  • Out-of-band signaling is used in Signaling System #7 (SS7 or SSN7).

• The tasks of data transfer and signaling are separated in modern telephone networks.

• SP, STP, SCP는 외울 필요 X.

• 상기 그림도 참고로만 볼 것.

Services provided by telephone networks

• Analog switched service is the familiar dial-up service.
  • With switched line, dial-up line, when the caller dials a number, the call is conveyed to a switch at the exchange.
  • The switch connects the two lines for the duration of the call.
• 전화기 수화기를 들면 뚜- 소리가 들린다.
• 760-0672를 누르면 call information이 간다.
• 전화를 걸 때마다 매번 연결되는 길이 달라질 수 있다. (전화 품질이 안 좋은 경우, 끊었다가 다시 걸면 품질이 좋아질 수 있는 이유가 이것때문이다.)
• 그때 그때마다 선이 할당되는 서비스가 dial-up service, dial-up line

• An analog leased service offers customers the opportunity to lease a line, sometimes called a leased(dedicated) line, that is permanently connected to another customer.
• 예를 들어, 남북한 직통 전화.
• 임대해서 사용하는 선 (leased line)
• 600주년 기념관과 수원성대까지 선이 연결돼 있다. 그 선은 KT가 깔아 놓은 것을 성대에서 매달 사용료를 내고 쓴다. 이것을 임대회선, leased line, 전용회선이라고 부른다.
  

Digital Services

• 선에 아날로그 신호를 쏘면 아날로그 신호가 가는 것이고, 디지털 신호를 쏘면 디지털 신호가 간다. 선 자체에는 아무런 의미가 없다. (품질의 차이가 존재할 뿐이다.)
• 아날로그에 쓰이는 선 따로 있고, 디지털 신호에 쓰이는 선이 따로 있는 것이 아니다.
• 그래서 기존에 깔아 놓은 전화선을 이용해 디지털 통신을 하자.
• 그런데 디지털 신호들이 멀리 가지 못했다. 멀리 가도록 특별한 장비를 이용하고자 했다. 그러면서 나온 장비들이 DSU, CSU이다.
• Switched/56 service
  • The digital version ofan analog switched line
  • Digital Service Unit (DSU)
• Digital Data Service (DDS)
  • The digital version of analog leased line
• Leased lines can be used for telephone, data, or Internet services.
  • A CSU/DSU (Channel Service Unit/Data(or Digital) Service Unit) is a digital-interface device used to connect a router to a digital circuit such as a T1 or T3 line.
  • CSU/DSU는 디지털 신호를 디지털 신호로 바꿔서 보낸다.(멀리 가도록 할 수 있게 line coding을 한다.)

Dial-up Service

• traditional telephone lines can carry frequencies between $300Hz$ and $3300Hz$, giving them a bandwidth of $3000Hz$.

  • 너무 높은 이상한 소리를 수화기에 갖다 대면, 교환기에서 $300Hz$이하 $3300Hz$이상 주파수를 다 자른다. (수화기에 대고 노래를 틀면 음질이 안 좋은 것이 그 이유이다.)

• All this range is used for transmitting volce.

• However, the edges of this range are not used for data communications because of a higher degree of accuracy to ensure integrity in data signals.

• The effective bandwidth of a telephone line being used for data transmission is $2400Hz$, covering the range from $600Hz$ to $3000Hz$.

• 데이터 용으로 쓰려하니 $600Hz$에서 $3000Hz$정도만 쓸 수 있다. 안전하게 digital data를 전송하는 데에 쓰려면 $600Hz$~$3000Hz$이 효과적이다.(하기 그림 참고)
  

• Modem stands for modulator/demodulator.

  • TELCO는 Telephone Company, 전화 회사, 통신 회사 (KT, SKT)
  • A modulator creates a bandpass analog signal from binary data.
  • A demodulator recovers the binary data from the modulated signal.
  • Telephone network에는 digital 신호가 갈 수 없으니, 사람 목소리처럼 analog 신호로 바꿔 줘야한다. 원격지에서는 analog를 digital로 바꿔줘야 한다.
  • digital -> analog -> digital (modulator + demodulator)

  

Modem Standards

• V-series standards published by the ITU-T
• V.90 ($56K$ Modem) -> 이론적으로 최대 가능한 속도, 전화 네트워크에서
  • Traditional modems have a limitation on the data rate (maximum of $33.6Kbps$), as determined by the Shannon formula.
  • Ⅵ90 modems provides a bit rate of $56Kbps$.
  • These modems may be used only if one party is using digital signaling.
  • Downloading rate is a maximum of $56Kbps$, while the uploading rate can be a maximum of $33.6Kbps$.
• 원래 변환을 하면 $33.6Kbps$가 최대인데, 변환이 없으면 $56Kbps$가 가능하다.

Digital Subscriber Line

• subscriber line 케이블 품질이 점점 좋아져서, 나머지 남는 주파수가 많이 남게 됐다.
• 그래서 남는 주파수로 digital data를 보내 보자해서 나온 것이다.
• 전화선의 주파수를 다르게 써보자.
• 음성이 나가는 부분과 디지털 신호가 나가는 부분을 따로 쓰자.
• After traditional modems reached their peak data rate, telephone companies developed another technology, DSL to provide higher-speed access to the Internet.
• DSL technology is one of the most promising for supporting high-speed digital communication over the existing local loops.
• DSL technology is a set of technologies, each differing in the first letter (ADSL, VDSL, HDSL, and SDSL).
• The set is often referred to as xDSL.

ASDL (Asymmetrical DSL)

• 대역을 똑같이 나누지 않고, 비대칭으로 나눈다.

• 컴퓨터에서는 ADSL modem을 사용해서 이용했다.

• 전화국에서는 DSLAM(Digital subscriber line access multiplexer) 을 이용해서, voice 대역을 뽑아서 전화 네트워크로 넘기고, 나머지 upstream, downstream 대역을 뽑아서 인터넷으로 보내줬다.

• The service is not suitable for business customers who need a large bandwidth in both directions.

• ADSL uses the existmg local loop.

• The twisted-pair local loop is actually capable of handling bandwidths up to $1.1 MHz$.

  • $1.1MHz$ is Just the theoretical bandwidth.
  • Factors such as the distance between the residence and the switching office, the size of the cable, the signaling used, and so on affect the bandwidth.

• The data rate of ADSL is not fixed; it changes based on the condition and type of the local loop cable.

• Actual bit rate

  • Because of the high signal/noise ratio, the actual bit rate is much lower.
  • Upstream: $64Kbps$ to $1Mbps$
  • Downstream: $500Kbps$ to $8Mbps$

Other DSL Technologies

• HDSL(High-bit-rate Digital Subscriber Line)

  • It was designed as an alternatlve to the T-1 line.
  • It is less susceptible to attenuation and gets more length.

• SDSL(Symmetric Digital Subscriber Line)

  • It provides full-duplex symmetric commumcation supporting up to $768Kbps$ in each direction.

• VDSL(Very-high-bit-rate Digital Subscriber Line)

  • It is an alternative approach that is similar to ADSL.
  • It uses coaxial, fiber-opfic, or twisted-pair cable for short distances.
  • It provides $25Mbps$ to $55Mbps$ downstream and $3.2Mbps$ upstream normally.