반이중 통신 모드

반이중 통신 모드에서 데이터 전송은 동시에 양방향으로 이루어지지 않는다. 대신, 통신 채널을 통해 데이터를 보내는 송신과 받는 수신이 시간을 나누어 번갈아가며 수행된다. 이 과정을 '송수신 전환'이라고 하며, 통신 장치가 현재 채널을 점유하여 데이터를 보내는 상태와, 채널을 놓아두고 상대방의 데이터를 기다리는 상태 사이를 오가도록 설계된다.

전환은 일반적으로 소프트웨어 프로토콜이나 하드웨어 신호에 의해 제어된다. 대표적인 제어 방식으로는 RTS/CTS와 같은 핸드셰이킹 프로토콜이 있다. 송신하려는 장치는 먼저 '전송 요청(RTS)' 신호를 보내 채널 사용 권한을 얻은 후에만 실제 데이터를 전송한다. 전송이 끝나면 채널 사용권을 반납하고, 상대방이 이를 점유하여 응답 데이터를 보낼 수 있게 된다. 이 방식은 무선 LAN과 같은 공유 매체 환경에서 충돌을 방지하는 데 핵심적인 역할을 한다.

전환의 타이밍은 통신의 효율성을 결정하는 중요한 요소이다. 전송이 끝난 후 수신 모드로 전환되는 데 걸리는 짧은 지연 시간을 '턴어라운드 타임'이라고 한다. 이 시간이 길수록 채널이 유휴 상태로 머무르는 시간이 증가하여 전체 처리량이 감소한다. 따라서 많은 반이중 시스템은 하드웨어 설계와 프로토콜 최적화를 통해 이 전환 시간을 최소화하려고 노력한다.

이러한 전환 방식은 하드웨어 비용과 복잡도를 줄일 수 있지만, 송신과 수신 사이를 끊임없이 바꿔야 하므로 전이중 통신에 비해 지연이 발생하고 최대 데이터 처리량이 제한되는 근본적인 원인이 된다.

반이중 통신 모드에서 데이터의 흐름은 양방향이지만, 동시에 양방향으로 전송될 수는 없습니다. 즉, 한 번에 한 방향으로만 데이터가 이동합니다. 이는 통신 채널의 용량이 한 시점에 하나의 전송 방향에만 할당된다는 것을 의미합니다. 통신을 수행하는 두 개체는 송신자와 수신자의 역할을 시간을 나누어 교대로 수행합니다.

전송 방향의 전환은 명시적인 제어 신호나 프로토콜에 의해 관리됩니다. 예를 들어, 무선 근거리 통신망에서 한 장치가 데이터를 보내기 전에 채널이 비어 있음을 확인하는 절차를 거치는 것이 이에 해당합니다. 방향 전환에는 짧은 지연 시간이 발생하며, 이 시간을 전환 지연이라고 부릅니다. 이 지연은 통신의 실시간 성능에 영향을 미칠 수 있는 요소입니다.

다음 표는 반이중 통신에서의 전송 상태를 요약한 것입니다.

이러한 단방향 교대 전송 방식은 전이중 통신 모드와 구별됩니다. 전이중 통신은 동시에 양방향 전송이 가능하지만, 반이중은 물리적 채널이나 자원 제약으로 인해 더 단순하고 경제적인 구현이 필요한 경우에 주로 채택됩니다.

반이중 통신에서 대역폭 효율성은 전송 방향이 단일화된 시간에만 데이터 흐름이 발생한다는 점에서 전이중 통신과 차이를 보인다. 채널의 물리적 대역폭은 동일하지만, 실제 데이터 처리량(throughput)은 통신 방향을 전환하는 데 필요한 오버헤드와 유휴(idle) 시간에 의해 제한받는다. 이로 인해 이론상 최대 대역폭 활용도는 50% 미만으로 떨어질 수 있다[2].

효율성을 결정하는 주요 요소는 다음과 같다.

따라서 반이중 통신은 상대적으로 낮은 데이터율이 요구되거나, 트래픽이 자연스럽게 한 방향으로 집중되는 비대칭적인 환경에서 더 효율적으로 동작한다. 예를 들어, 짧은 요청에 대한 긴 응답이 주로 이루어지는 클라이언트-서버 모델의 특정 응용에서 유리할 수 있다. 그러나 고속 양방향 데이터 스트림이 필요한 현대 응용에는 대역폭 효율성이 낮은 것이 주요 한계로 작용한다.

반이중 통신 모드를 구현하는 하드웨어는 일반적으로 전이중 통신 모드에 비해 구조가 단순한 편이다. 핵심적인 차이는 데이터의 송신과 수신이 단일 경로를 통해 순차적으로 이루어지기 때문에, 송신기와 수신기를 물리적으로 분리하거나 복잡한 신호 분리 회로가 필요하지 않다는 점이다. 대부분의 경우 하나의 트랜시버와 하나의 전송 매체(예: 동축 케이블 한 쌍)만으로 구성된다.

이러한 단순성은 시스템 비용과 설계 복잡도를 크게 낮춘다. 반이중 방식에서는 송신과 수신이 동시에 발생하지 않으므로, 전이중 통신에서 필수적인 에코 캔슬레이션이나 신호 간 간섭을 방지하기 위한 고도의 필터링 기술이 요구되지 않는다. 또한, 전이중 통신이 일반적으로 송신과 수신을 위해 별도의 주파수 대역이나 물리적 채널(예: 꼬임선 쌍에서의 별도 선로)을 필요로 하는 반면, 반이중은 하나의 채널을 시간적으로 공유한다.

하드웨어 구성의 간소화는 다음과 같은 비교 표를 통해 명확히 볼 수 있다.

그러나 이 단순성에는 한계가 따른다. 통신 방향을 전환하는 데 필요한 전송 방향 전환 시간이 발생하며, 이는 전송 효율에 영향을 미친다. 또한, 여러 장치가 하나의 채널을 공유할 경우, 채널 접근을 조정하기 위한 매체 접근 제어 계층의 프로토콜(예: CSMA/CD)이 추가로 필요해질 수 있다. 이는 하드웨어보다는 펌웨어나 소프트웨어의 복잡도로 이어진다.

RTS/CTS 프로토콜은 반이중 통신 환경, 특히 CSMA/CA를 사용하는 무선 네트워크에서 데이터 충돌을 방지하고 효율적인 송수신 전환을 관리하기 위해 설계된 핸드셰이킹 메커니즘이다. 이 프로토콜은 송신자가 데이터 프레임을 전송하기 전에 RTS 프레임을 보내고, 수신자가 CTS 프레임으로 응답함으로써 주변의 다른 노드들이 해당 통신 구간 동안 전송을 자제하도록 알리는 역할을 한다. 이 과정은 숨은 터미널 문제와 노출된 터미널 문제를 완화하는 데 기여한다.

프로토콜의 동작 순서는 다음과 같다. 먼저, 데이터를 보내려는 송신 노드는 짧은 RTS 제어 프레임을 목적지 수신 노드로 전송한다. 이 프레임에는 예상되는 전체 데이터 전송 시간이 포함되어 있다. RTS 프레임을 수신한 목적지 노드는 CTS 프레임으로 응답한다. 주변의 다른 노드들이 이 RTS나 CTS 프레임 중 하나라도 감지하면, 프레임에 명시된 시간 동안 자신의 전송을 연기한다. 이렇게 주변 노드들이 침묵하는 기간을 네비게이션이라 부르며, 이 기간이 지난 후에야 다른 노드들이 채널 경쟁을 재개할 수 있다.

RTS/CTS의 사용은 선택 사항이며, 일반적으로 설정된 프레임 길이 임계값을 초과하는 큰 데이터 프레임을 전송할 때만 활성화된다. 이는 제어 프레임 교환으로 인한 오버헤드를 줄이기 위한 것이다. 주요 이점은 큰 데이터 프레임의 충돌 가능성을 크게 낮춤으로써 네트워크 효율성을 높이는 것이지만, 짧은 프레임을 많이 교환하는 트래픽에서는 오히려 오버헤드가 증가하여 처리량을 저하시킬 수 있다.

이 프로토콜은 IEEE 802.11 표준의 Wi-Fi 네트워크에서 널리 구현되어 있으며, 무선 채널의 공유 특성으로 인한 충돌을 관리하는 핵심 메커니즘 중 하나로 자리 잡았다.

반이중 통신 모드에서 데이터 전송의 정확성을 보장하기 위해서는 송신과 수신 사이의 전환 시점을 정확히 조절하는 타이밍과 동기화가 필수적이다. 송신 측이 데이터 전송을 완료한 후 수신 모드로 전환되고, 수신 측이 이를 인지하여 송신 모드로 전환되는 일련의 과정에 지연이 발생하거나 충돌이 일어나면 데이터가 손실될 수 있다.

이를 관리하기 위한 주요 방법으로는 고정된 타임 슬롯 할당과 프레임 기반의 제어 신호 교환이 있다. 일부 시스템은 미리 정의된 시간 간격으로 송수신 전환이 이루어지도록 스케줄링한다. 다른 시스템은 데이터 프레임 전후에 특정 제어 신호(예: 전송 요청/허가)를 교환하여 상대방의 상태를 확인하고 전환 타이밍을 동기화한다. 아래 표는 두 가지 주요 동기화 방식을 비교한 것이다.

동기화 실패는 충돌이나 데이터 손실을 초래한다. 예를 들어, 송신 측의 전송이 끝났으나 수신 측이 아직 수신 모드로 전환되지 않았을 경우, 수신 측이 보낸 응답 신호를 송신 측이 놓칠 수 있다. 또한, 두 개의 노드가 동시에 송신 모드로 전환되어 데이터를 보내려고 하면 충돌이 발생한다. 따라서 정확한 타이밍 제어와 충돌 회피 메커니즘은 반이중 통신 시스템의 신뢰성과 효율성을 결정하는 핵심 요소이다.

Wi-Fi와 블루투스는 대표적인 무선 통신 기술로, 둘 다 반이중 통신 모드를 핵심 동작 방식으로 채택하고 있다. 이는 무선 매체의 특성상 동일 주파수 대역에서 동시에 송신과 수신을 분리하기 어렵기 때문이다. 무선 환경에서는 전이중 통신을 구현하려면 송신과 수신을 위한 완전히 분리된 주파수 대역이나 매우 정교한 자기 간섭 제거 기술이 필요하여, 대부분의 실용적인 무선 시스템은 비용과 복잡도를 고려해 반이중 방식을 사용한다.

Wi-Fi([4])에서의 반이중 동작은 CSMA/CA 매체 접근 제어 방식과 밀접하게 연관되어 있다. 하나의 액세스 포인트에 연결된 여러 클라이언트 장치는 동일한 채널을 공유하며, 데이터를 보내기 전에 채널이 비어 있는지 감지한다. 한 장치가 데이터를 전송하는 동안 같은 채널의 다른 모든 장치는 그 전송이 끝날 때까지 수신 모드로 대기해야 한다. 이는 무선 신호의 충돌을 방지하기 위한 필수적인 메커니즘이다. 최근 Wi-Fi 6([5])에서는 OFDMA와 같은 기술을 도입해 여러 사용자에게 자원을 동시에 할당하는 방식으로 효율을 높였지만, 기본적인 통신 단위는 여전히 반이중 방식에 기반을 두고 있다.

블루투스 기술 또한 기본적으로 반이중 통신을 사용한다. 특히 블루투스 클래식의 기본 동작 모드는 하나의 마스터 장치가 슬레이브 장치들과 점프 홉 방식으로 시분할하여 통신하는 구조로, 특정 시간 슬롯에는 하나의 방향으로만 데이터가 흐른다. 블루투스의 저전력 특성을 유지하면서 간단한 하드웨어로 구현하기에 반이중 방식이 적합하다. 블루투스의 일부 고속 모드나 블루투스 저에너지의 광고 채널 등에서도 송신과 수신이 엄격히 구분된 시간대에 이루어지는 반이중 원칙이 적용된다.

이러한 무선 기술에서 반이중 방식을 채택함으로써 하드웨어 설계가 단순해지고 전력 소모를 줄일 수 있는 장점이 있다. 그러나 동시에 양방향으로 데이터를 흘릴 수 없다는 근본적인 제약은 지연 시간 증가와 총 처리량 저하의 주요 원인이 되기도 한다.

산업 현장의 자동화 시스템에서 반이중 통신 모드는 프로세스 제어와 데이터 수집을 위한 다양한 버스 시스템의 기반이 된다. 제어 네트워크는 일반적으로 다수의 센서와 액추에이터가 하나의 통신 회선을 공유하며, 이들은 순차적으로 데이터를 송신하거나 수신하는 방식을 사용한다. 이러한 구조는 배선 비용을 절감하고 시스템 구성을 단순화하는 데 기여한다.

대표적인 산업용 버스인 Modbus RS-485는 전형적인 반이중 통신을 사용한다. 하나의 마스터 장치가 버스 상의 여러 슬레이브 장치들에게 질의를 보내면, 지정된 슬레이브만이 응답을 전송한다. 이 과정에서 충돌 감지는 프로토콜 수준의 타이밍 규칙으로 관리된다. CAN 버스 역시 반이중 방식으로 동작하며, 메시지 우선순위에 기반한 비파괴적 중재 매커니즘을 통해 여러 노드가 동시에 전송을 시도할 때 충돌 없이 하나의 메시지가 버스를 점유하도록 한다.

이러한 버스 시스템은 실시간성과 신뢰성이 요구되는 환경에서, 전이중 통신에 비해 상대적으로 간단한 하드웨어로 견고한 멀티포인트 통신을 구현할 수 있다는 장점을 지닌다. 그러나 전송 방향을 전환하는 데 필요한 턴어라운드 타임은 통신 지연을 발생시킬 수 있으며, 이는 네트워크 설계 시 고려해야 하는 요소가 된다.

반이중 통신 모드의 가장 큰 장점은 전이중 통신 모드에 비해 하드웨어 구성이 단순하고 비용이 저렴하다는 점이다. 전이중 통신은 송신과 수신이 동시에 이루어지기 위해 별도의 통신 경로나 정교한 분리 기술이 필요하지만, 반이중 통신은 한 번에 한 방향으로만 데이터를 전송하므로 단일 통신 채널을 공유해도 충분하다. 이로 인해 회로 설계가 간단해지고, 트랜시버 등의 구성 요소를 단순화할 수 있어 경제적이다.

또한, 제한된 대역폭을 가진 채널을 효율적으로 활용할 수 있다. 동일한 주파수 대역이나 물리적 선로를 송신과 수신이 시간을 나누어 사용하기 때문에, 채널 자원을 공유할 수 있다. 이는 무선 통신과 같이 주파수 자원이 귀한 환경이나, 버스 토폴로지를 사용하는 유선 네트워크에서 유리하게 작용한다.

특정 응용 분야에서는 절차가 단순하여 구현과 관리가 용이하다는 장점도 있다. 토큰링 네트워크나 일부 산업용 통신 프로토콜처럼, 노드가 명시적으로 전송 권한(토큰)을 획득한 후에만 송신하는 방식은 충돌 가능성을 근본적으로 차단하여 네트워크 동작을 예측 가능하게 만든다. 이는 실시간성이 요구되거나 네트워크 트래픽이 비교적 경량인 시스템에 적합하다.

반이중 통신 모드는 동시 양방향 통신이 불가능하기 때문에 전송 효율이 낮은 편이다. 한 번에 한 방향으로만 데이터를 전송할 수 있어, 송신과 수신을 전환하는 데 필요한 시간인 턴어라운드 타임이 발생한다. 이 지연 시간은 통신 속도와 처리량을 제한하는 주요 요인이다. 또한, 송신 측이 채널을 점유하고 있는 동안 수신 측은 대기해야 하므로, 전이중 통신에 비해 전체적인 데이터 처리량이 낮다.

충돌 가능성도 중요한 단점이다. 특히 CSMA/CD와 같은 매체 접근 제어 방식을 사용하는 이더넷의 초기 구현에서 두 개 이상의 장치가 동시에 전송을 시도하면 데이터 충돌이 발생한다. 충돌이 감지되면 전송이 중단되고, 임의의 시간 동안 대기한 후 재전송해야 하므로 네트워크 성능이 저하된다. 이는 통신 신뢰성에 부정적인 영향을 미친다.

또한, 실시간 양방향 대화나 빠른 상호작용이 필요한 응용 분야에는 적합하지 않다. 예를 들어, VoIP나 고성능 컴퓨팅 클러스터 내 통신처럼 낮은 지연과 높은 처리량이 요구되는 환경에서는 반이중 통신 모드의 제한이 명확하게 드러난다. 이러한 단점들로 인해 고속 유선 네트워크나 최신 무선 통신 표준의 핵심 링크에서는 전이중 통신 모드가 더 널리 채택되는 추세이다.