네트워크 멀티플렉싱이란: FDM·TDM·WDM·통계적 다중화 차이

멀티플렉싱(multiplexing)은 여러 신호나 데이터 흐름이 하나의 전송 매체 또는 링크 자원을 나눠 쓰도록 결합하는 것이다. 받는 쪽은 채널, 시간, 파장 또는 packet 식별 정보를 이용해 다시 분리한다. 목적은 매체를 하나의 흐름이 독점하지 않고 여러 통신이 공유하도록 만드는 데 있다.

기존 글처럼 “물리적·시간적·주파수적 멀티플렉싱”을 같은 수준의 분류로 놓으면 겹친다. TDM, FDM, WDM은 모두 물리 매체의 자원을 나누는 구체적인 방식이고, packet network의 통계적 다중화는 고정 슬롯 대신 수요가 생길 때 링크를 공유하는 방식이다.

네 방식의 차이를 먼저 비교한다

방식	나누는 자원	각 흐름을 구분하는 기준	장점	주요 비용
FDM	주파수 대역	서로 다른 frequency band	여러 신호를 동시에 전송	guard band와 필터 필요
TDM	시간	반복되는 time slot	예측 가능한 할당	사용하지 않는 slot이 낭비될 수 있음
WDM	광섬유의 광 스펙트럼	서로 다른 wavelength·frequency channel	한 광섬유로 여러 광 채널 전송	정밀한 광원·필터와 파장 관리
통계적 다중화	packet link 시간	packet가 도착한 순서와 scheduling	burst traffic의 빈 자원을 동적으로 공유	경합 시 queueing delay와 loss

어느 방식이 무조건 우월한 것이 아니다. 연속적인 신호인지 burst 형태의 packet인지, 지연 예측과 이용률 중 무엇이 중요한지, 매체가 구리·무선·광섬유 중 무엇인지에 따라 선택이 달라진다.

FDM: 주파수 대역을 나눈다

FDM(Frequency Division Multiplexing)은 매체가 전달할 수 있는 주파수 범위를 여러 대역으로 나눠 각 신호에 할당한다.

주파수 →
| channel A | guard | channel B | guard | channel C |

각 채널은 동시에 전송될 수 있다. 인접 채널의 신호가 서로 간섭하지 않도록 guard band와 필터가 필요하고, 사용하지 않는 채널 대역은 다른 흐름이 즉시 가져다 쓰기 어렵다.

라디오 방송처럼 서로 다른 주파수 채널을 선택하는 경우가 이해하기 쉬운 예다. 실제 시스템의 channel width, 중심 주파수와 guard band는 해당 무선·케이블 표준을 따른다.

TDM: 시간을 슬롯으로 나눈다

TDM(Time Division Multiplexing)은 링크 사용 시간을 반복되는 slot으로 나누고 흐름마다 차례를 준다.

시간 →
| A | B | C | A | B | C | A | B | C |

고정 또는 동기식 TDM에서는 A가 보낼 데이터가 없어도 A의 slot이 예약되어 있을 수 있다. 흐름별 대역폭과 지연을 예측하기 쉬운 대신 burst traffic에서는 빈 slot이 낭비된다. 송수신기가 같은 slot 경계를 해석하도록 clock과 frame synchronization도 필요하다.

TDM이라는 큰 원리 아래 실제 통신 계층 구조와 frame 형식은 표준마다 다르다. 예를 들어 SDH의 frame과 다중화 구조는 ITU-T G.707에 정의되어 있다.

WDM: 한 광섬유에서 여러 파장을 쓴다

WDM(Wavelength Division Multiplexing)은 광섬유에서 서로 다른 파장, 즉 서로 다른 optical frequency channel을 함께 전송한다. 원리상 광 영역의 FDM으로 볼 수 있다.

송신 λ1 ─┐
송신 λ2 ─┼─ optical multiplexer ─ 한 가닥의 광섬유 ─ demultiplexer
송신 λ3 ─┘

CWDM과 DWDM은 channel spacing과 적용 환경이 다르다. DWDM의 frequency grid는 ITU-T G.694.1이 정의한다. “색을 여러 개 쓴다”는 비유는 출발점일 뿐이고, 실제 설계에서는 중심 주파수, spacing, 광 출력, 증폭과 분산을 함께 다룬다.

통계적 다중화: 보낼 packet이 있을 때 공유한다

인터넷의 packet switching은 각 흐름에 고정된 시간 slot을 영구 예약하기보다, 도착한 packet을 queue에 넣고 링크 scheduler가 전송 순서를 정한다.

flow A ─┐
flow B ─┼─ packet queue ─ scheduler ─ shared link
flow C ─┘

A가 쉬는 동안 B와 C가 링크 용량을 사용할 수 있어 burst traffic에서 이용률을 높일 수 있다. 하지만 동시에 많은 packet이 들어오면 queue가 늘어 지연이 커지고, buffer가 차면 loss가 생긴다. RFC 3439는 packet network가 통계적 다중화의 이점을 얻는 동시에 혼잡과 복잡성을 다뤄야 한다는 인터넷 설계 원칙을 설명한다.

통계적 다중화는 “항상 공평하게 나눠 쓴다”는 뜻도 아니다. FIFO, priority queue, fair queueing, traffic shaping 같은 scheduler와 정책에 따라 흐름별 지연과 처리량이 달라진다.

ATM을 단순한 TDM 예로 들기 어려운 이유

ATM(Asynchronous Transfer Mode)은 고정 크기 cell을 사용하지만, 이름처럼 각 연결에 매 frame의 고정 slot을 주는 동기식 TDM과는 다르다. 전송할 cell이 있는 가상 연결이 비동기적으로 링크를 공유하는 통계적 다중화 성격을 가진다.

따라서 “ATM은 시간을 동일하게 나눠 각 채널이 쓴다”라고 설명하면 고정 TDM과 packet·cell 기반 공유를 혼동하게 된다. cell 크기가 고정이라는 사실과 slot이 고정 예약된다는 주장은 같은 말이 아니다.

다중 접속과 멀티플렉싱도 구분한다

멀티플렉싱은 여러 흐름을 한 링크에 결합하는 관점이고, multiple access는 여러 독립 장치가 공유 매체에 접근하는 규칙에 초점을 둔다. OFDMA, TDMA처럼 frequency나 time 자원을 나누는 기술은 두 관점에서 모두 설명될 수 있지만, 누가 자원을 조정하고 충돌을 어떻게 막는지까지 봐야 한다.

또한 전송 계층의 multiplexing은 물리 채널을 나누는 이야기가 아니다. TCP·UDP가 port와 socket을 이용해 여러 애플리케이션 흐름을 구분하는 과정은 전송 계층 멀티플렉싱·역다중화에서 이어진다.

방식을 고를 때 묻는 질문

1. 신호가 연속적인가, packet 단위로 burst하게 생기는가?
2. 사용하지 않는 예약 자원을 다른 흐름이 쓸 수 있어야 하는가?
3. 처리량보다 일정한 지연과 대역폭 보장이 더 중요한가?
4. 매체가 무선 주파수, 전기 신호, 광섬유 중 무엇인가?
5. 경합이 생겼을 때 queue와 scheduler가 어떤 정책을 쓰는가?
6. multiplexing overhead와 guard band·동기화·광 필터 비용은 얼마인가?

“하나의 회선을 여러 사용자가 쓴다”는 결과만 보면 방식들이 비슷해 보인다. 그러나 무엇을 나누고, 빈 자원을 재사용할 수 있는지, 경합 시 지연이 어디에 생기는지를 보면 설계 차이가 분명해진다.

참고 자료

• ITU-T G.694.1: Spectral grids for WDM applications
• ITU-T G.707: Network node interface for the synchronous digital hierarchy
• RFC 3439: Some Internet Architectural Guidelines and Philosophy