4장. 데이타링크 계층과 LAN 내용 LAN 표준안 구성(Topologies) 전송 매체 매체 접근 제어(MAC)

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1 4장. 데이타링크 계층과 LAN 내용 LAN 표준안 구성(Topologies) 전송 매체 매체 접근 제어(MAC)
CSMA/CD 버스 토큰 링(Token Ring) 토큰 버스(Token Bus) Internetworking

2 LAN의 정의 사무실, 빌딩, 공장 등과 같이 제한된 지역에서 고속의 통신 채널을 제공하는 네트워크 LAN의 특징
제한된 접속 길이 전송 용량: 보통 1Mbps ~ 수십 Mbps 방송(broadcasting) 형태의 패킷 네트워크 패킷지연의 최소화 낮은 오류율: 10**-8, WAN: 10**-5

3 IEEE의 LAN 표준안 [그림 4.1] LAN 프로토콜 참조모델 [그림 4.2] LAN, MAN의 계층 OSI 모델의 계층 1~2에 해당 MAC 부계층(Sublayer) 공유되는 전송 매체에의 접근 제어 LLC 부계층(Sublayer) LAN 구조에 무관하게 상위 계층에 동일한 서비스 제공 대표적인 LAN 구조 CSMA/CD (IEEE 802.3) Token Ring (IEEE 802.5)

4 IEEE의 LAN 관련 위원회 IEEE 802.1 : 상위계층 인터페이스 및 MAC 브릿지
IEEE : LLC(Logical Link Control) IEEE : CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection) IEEE : 토큰 버스(Token Bus) IEEE : 토큰 링(Token Ring) IEEE : MAN(Metropolitan Area Networks) IEEE : 광대역 LAN IEEE : 광섬유 LAN IEEE : 종합 데이터 음성 네트워크 IEEE : 보안(Security) IEEE : 무선 네트워크(Wireless Network)

5 토폴로지 (Topologies) [그림 4.3] 스타(star)형 구성 버스(bus)형 구성 링(ring)형 구성 계층형 구성

6 구성(Topologies)

7 LLC(Logical Link Control)
LLC 서비스-접근점(LSAP)을 통하여 사용자에게 서비스를 제공 세 가지 타입을 제공 Unacknowledged connectionless service (비확인 비연결 서비스) 반드시 제공 ACK, 흐름제어, 오류복구 지원하기 않음 Connection-mode service (연결 서비스) ACK, 흐름제어, 오류복구 지원 Acknowledged connectionless service (확인 비연결 서비스) [그림 4.4]

8 MAC(Medium Access Control)
CSMA/CD IEEE MAC 버스나 트리형 LAN에서 가장 일반적으로 이용 보통 이더넷(Ethernet)이라고도 함 CSMA/CD 방식은 채널을 사용할 때 먼저 다른 스테이션이 채널을 이용하는지의 여부를 모니터링한 다음 사용하는 방법으로서 경쟁(contention)에 의해 채널 사용권을 획득 Collision 발생 -->binary exponential backoff로 해결 [그림 4.5], [그림 4.6]

9 CSMA/CD 방식은 통신량이 적을 때에는 90% 이상으로 채널 이용률이 높음
통신량이 많아지면 충돌의 횟수가 증가하면서 채널 이용률이 떨어지는 단점 비교적 저속이며 저 부하의 경우에 적합 제어 방식이 간단하면서 시설비가 저렴하므로 소규모에서 대규모 LAN까지 경제적인 구성이 가능 전송매체는 동축 케이블이 일반적 최근에는 광섬유 케이블을 이용하는 추세

10 Ethernet: uses CSMA/CD
A: sense channel, if idle then { transmit and monitor the channel; If detect another transmission abort and send jam signal; update # collisions; delay as required by exponential backoff algorithm; goto A } else {done with the frame; set collisions to zero} else {wait until ongoing transmission is over and goto A}

11 Ethernet’s CSMA/CD (more)
Jam Signal: make sure all other transmitters are aware of collision; 48 bits; Exponential Backoff: Goal: adapt retransmission attemtps to estimated current load heavy load: random wait will be longer first collision: choose K from {0,1}; delay is K x 512 bit transmission times after second collision: choose K from {0,1,2,3}… after ten or more collisions, choose K from {0,1,2,3,4,…,1023}

12 IEEE 802.3 물리계층 트위스트 페어 STP(Shielded Twist Pair)
UTP(Unshielded Twist Pair) 동축 케이블 10BASE2라고 하는 얇은(thin) 동축 케이블 10BASE5라고 불리는 굵은(thick) 동축케이블 [표 4.1] [그림 4.7]

13 전송 매체

14 매체 접근 제어: CSMA/CD 버스(Ethernet)
일반적인 구성 예

15 Token bus(토큰 버스) IEEE 802.4 MAC 버스형 구성에서 사용
고유 채널의 사용권을 균등 분배하기 위해 사용권을 의미하는 특정의 비트 패턴 신호인 토큰 사용 논리적인 링(logical ring) 구성 스테이션은 토큰을 소유해야만 데이터를 전송 데이터 전송 완료 이후에는 다른 스테이션이 채널을 이용할 수 있도록 토큰을 전달 [그림 4.8] [그림 4.9]

16 토큰링(Token ring) IEEE MAC 링형 구성에서 사용 [그림 4.11]

17 IEEE Wireless LAN wireless LANs: untethered (often mobile) networking IEEE standard: MAC protocol unlicensed frequency spectrum: 900Mhz, 2.4Ghz Basic Service Set (BSS) (a.k.a. “cell”) contains: wireless hosts access point (AP): base station BSS’s combined to form distribution system (DS)

18 Ad Hoc Networks Ad hoc network: IEEE stations can dynamically form network without AP Applications: “laptop” meeting in conference room, car interconnection of “personal” devices battlefield IETF MANET (Mobile Ad hoc Networks) working group

19 IEEE 802.11 MAC Protocol: CSMA/CA
CSMA: sender - if sense channel idle for DISF sec. then transmit entire frame (no collision detection) -if sense channel busy then binary backoff CSMA receiver: if received OK return ACK after SIFS

20 IEEE 802.11 MAC Protocol 802.11 CSMA Protocol: others
NAV: Network Allocation Vector frame has transmission time field others (hearing sata) defer access for NAV time units

21 Collision Avoidance: RTS-CTS exchange
CSMA/CA: explicit channel reservation sender: send short RTS: request to send receiver: reply with short CTS: clear to send CTS reserves channel for sender, notifying (possibly hidden) stations avoid hidden station collisions

22 Collision Avoidance: RTS-CTS exchange
RTS and CTS short: collisions less likely, of shorter duration end result similar to collision detection IEEE alows: CSMA CSMA/CA: reservations polling from AP

23 Point to Point Data Link Control
one sender, one receiver, one link: easier than broadcast link: no Media Access Control no need for explicit MAC addressing e.g., dialup link, ISDN line popular point-to-point DLC protocols: PPP (point-to-point protocol) HDLC: High level data link control (Data link used to be considered “high layer” in protocol stack!

24 PPP Design Requirements [RFC 1557]
packet framing: encapsulation of network-layer datagram in data link frame carry network layer data of any network layer protocol (not just IP) at same time ability to demultiplex upwards bit transparency: must carry any bit pattern in the data field error detection (no correction) connection liveness: detect, signal link failure to network layer network layer address negotiation: endpoint can learn/configure each other’s network address

25 PPP non-requirements Error recovery, flow control, data re-ordering
no error correction/recovery no flow control out of order delivery OK no need to support multipoint links (e.g., polling) Error recovery, flow control, data re-ordering all relegated to higher layers!|

26 PPP Data Frame Flag: delimiter (framing)
Address: does nothing (only one option) Control: does nothing; in the future possible multiple control fields Protocol: upper layer protocol to which frame delivered (eg, PPP-LCP, IP, IPCP, etc)

27 PPP Data Frame info: upper layer data being carried
check: cyclic redundancy check for error detection

28 Byte Stuffing “data transparency” requirement: data field must be allowed to include flag pattern < > Q: is received < > data or flag? Sender: adds (“stuffs”) extra < > byte after each < > data byte Receiver: two bytes in a row: discard first byte, continue data reception single : flag byte

29 Byte Stuffing flag byte pattern in data to send flag byte pattern plus
stuffed byte in transmitted data

30 PPP Data Control Protocol
Before exchanging network-layer data, data link peers must configure PPP link (max. frame length, authentication) learn/configure network layer information for IP: carry IP Control Protocol (IPCP) msgs (protocol field: 8021) to configure/learn IP address

31 데이타링크 계층(Datalink Layer)
Error Control, Flow Control Stop-and-wait Protocol Go-back-N Protocol Selective Repeat Protocol

32 Stop-and-Wait Protocol
수신측에서 프레임을 받을 때마다 송신측으로 ACK를 전송 한번에 한 개의 프레임만을 전송 프레임 I(정보), ACK(긍정응답) 동작 방식([그림 5.3] 참조)

33 Stop-and-Wait의 단점 송신측의 프레임이 분실되어진 경우, 수신측에서는 ACK를 보내지 않고 송신측에서는 계속해서 ACK를 대기 수신측의 ACK가 분실되어진 경우, 앞에서와 같은 상황이 발생 ACK가 훼손되어진 경우 중복된 프레임 전송 비효율적

34 고-백-엔(Go-back-N) 수신측에서 패킷의 오류가 검출된 경우 NACK 신호를 보내게 되고 오류가 복구될 때까지 그 이후의 패킷은 수신하지 않는다. 송신측은 NACK를 수신하면 오류가 있는 패킷과 그 다음의 모든 패킷을 재전송 수신측이 전송된 패킷을 저장하거나 재전송된 패킷을 재배열시킬 필요가 없다. 재전송하는 패킷의 비율이 더 높게 되므로 망의 대역폭에 있어서는 손실 Go-back-N 사용 프로토콜: delta-t, XTP [그림 5.4]

35 Selective Repeat NACK를 수신한 패킷만 재전송하므로 go-back-N방식보다 재전송하는 패킷의 비율이 적어서 효율은 높다. 수신측은 재전송된 패킷을 재배열--오버헤드를 유발 사용 프로토콜 VMTP NETBLT XTP: Go-back-N과 Select Repeat 함께 사용 [그림 5.6]

36 비트 지향 프로토콜: HDLC (High-level DataLink Control)
특징 다양한 환경에서 동작 다양한 동작 모드 여러가지 이름 SDLC: IBM ADCCP: ANSI

37 HDLC 프로토콜의 동작 환경

38 HDLC 프로토콜의 동작 모드 정규 응답 모드(NRM) 불균형 구성( [그림 5.8]의 (a),(b) )
주국과 부국: 일대일 또는 일대다 부국의 데이타 전송: 주국의 허락 비동기 응답 모드(ARM) 불균형 구성 일반적으로 일대일로 연결된 전이중 링크 부국의 데이타 전송: 주국과 무관 비동기 균형 모드(ABM) 균형 구성( [그림 5.8]의 (c) ) 일대일로 연결된 전이중 링크 X.25 프로토콜에서 사용

39 HDLC 프레임 형식

40 HDLC 동작절차 연결 설정 및 해제

41 데이터 전송 동작 초기화가 성공적으로 완료되어 논리적인 연결이 확립되면 양측은 I-프레임에 사용자 데이터를 보내기 시작
I-프레임내의 N(S)과 N(R)필드는 흐름제어와 오류제어를 위해 사용 N(S) : 프레임에 순서적으로 번호를 부여 N(R): I-프레임을 받게 되면 자신의 I-프레임으로 잘 받았음을 송신측에 확인해 주게 되는데 이때 N(R)필드는 그 다음 받게될 프레임의 번호가 세팅 순서번호의 기능 흐름제어(3 or 7bit) Pipelining 오류제어 동작예 : [그림 5.11]

42 인터네트워킹(Internetworking)

43 네트워크의 연결 방법 LAN-LAN LAN-WAN WAN-WAN LAN-WAN-LAN [그림 4.13] 종류 리피터(Repeater) CSU/DSU 허브(Hub) 브리지(Bridge) 라우터(Router) 게이트웨이(Gateway)

44 리피터(Repeater) 물리 계층 신호의 품질 향상 및 거리 제한 극복

45 CSU/DSU 물리 계층에서 동작 DSU(Data Service Unit) CSU(Channel Service Unit) 저속
디지탈 망의 종단점 기능 신호 구조 변환 기능 CSU(Channel Service Unit) 고속 DSU의 모든 기능 회로 검사 및 에러 제어 기능 추가

46 허브(Hub) * Ethernet Interface Card

47 브리지(Bridge) 물리 계층과 MAC 계층 장점 종류 물리적 제한 극복 다른 타입의 LAN 연결 가능
추가의 기능(보안, 망관리) 가능 종류 트랜스 페어런트 브리지(Transparent Bridge) 소스 라우팅 브리지(Source Routing Bridge)

48 라우터(Router) 물리 계층, 링크 계층, 네트워크 계층 일반적 구조

49 게이트웨이(Gateway) 모든 계층을 포함 상이한 망들을 연결 일반적 구조