7. 데이어 링크 층 : 하위부계층 MAC(media access control)

Data link layer

Data link control

Multiple-access control

6절에서 데이터링크층의 상부부계층에 대해 설명하였다. 

7절에서는 데이터링크층의 하위부계층 MAC에 대해 설명한다. 

MAC란 노드 또는 지국이 다중점 또는 브로드캐스트 링크라고 하는 공유 링크를 사용할 때는 링크에 접근하는 것을 조율하기 위한 다중 접근 프로토콜이 필요하게 된다.

예를 들어 공유 링크에 지국 A, B, C, D가 공유하고 있고 A와 B가 통신하는 중(공유 링크 사용) C와 D가 통신하려하면 공유링크를 역시 사용하므로 A, B 통신에 대해 C, D 통신은 noise가 되 수 있고 바대로 C, D 통신에 A, B 통신이 noise가 될 수 있다. 이것을 제어하는 것을 MAC 라고한다. 

MAC는 아래와 같이 구분된다. 

MAC
Random-access protocols	Controlled-access protocls	Channelization protocols
- ALOHA - CSMA - CSMA/CD - CSMA/CA	- Reservation - Polling - Token passing	- FDMA - TDMA - CDMA

ALOHA는 다중 접근 이라고하는 아주 간단한 프로토콜로 시작해 CSMA로 발전하는데 이는 매체가 바쁜지 확인하는 절차를 추가한다. 

그리고 CSMA/CD는 충돌이 생겼을 때 지국이 무엇을 해야하는지를 규정하며 

CSMA/CA는 충돌을 피하려고 노력하는 방법을 규정한다. 

 

1. Random-access protocols

 임의 접근 방식에서는 각 지국간에는 우위 관계가 없다. 매 순간 전송할 뎅터가 있는 지국은 전송할지 말지를 결정하기 위한 프로토콜이 있다. 

임의 접근 방식에서는 각 지국은 다른 지국의 간섭을 받지 않고 매체에 접근할 권한이 있다.

이때 2개 이상의 지국이 동시에 전송하려고 하면 접근에 대한 충돌이 발생한다. 

 

1-1) 순수 ALOHA

이 프로토콜은 다중 접근이라고 하는 간단한 절차를 사용한다. 

이 방식은 원천적으로 충돌이 발생할 수 있다. 

지국이 데이터를 전송할 때 동시에 다른 지국도 같은 시도를 할 수 있다. 

 

각 지국은 지국이 전송할 프레임이 있다면 언제든지 전송한다는 것이다. 

여러 노드들이 공유하는 매체는 하나이므로 충돌이 발생하게 된다. 

예를 들어 4개의 지국이 있다고 하면 모두 4개의 지국이 공유하는 채널을 차지하려고 서로 다투게 된다. 

충돌된 프레임은 버려지게 된다. 

 

순사 ALOHA 프로토콜은 수신자가 프레임을 받았는지 응답 메세지에 의존한다. 

만약 타임 아웃 시간이 지나도록 응답이 오지 않으면 수신자는 메시지를 다시 보내게 된다. 

이 타임 아웃 시간을 (back-off-time) T_B라고 한다. 

 

● 취약시간

각 지국은 고정 프레임을 보내며 그 소요 전송 시간을 T_fr이라고 한다. 

A라는 프레임이 t-T_fr 시간에 전송되었고 t시간에 B 프레임이 전송되었다고 치자. 두 프레임은 충돌이 발생할 가능성이 있는 시간의 범위는 2*T_fr이다. 

즉 두 프레임의 시작과 끝이 거의 0.0001초라도 맞물리면 두 데이터는 손상된다. 두 데이터가 전송되는데 각각 T_fr시간이 소요되므로 2*T_fr 시간 범위 동안에는 충돌 가능성이 있는 취약 시간이 된다. 

 

=> Pure ALOHA vulnearable time = 2*T_fr

 

 

1-2) 슬롯  ALOHA

순수 ALOHA는 이것은 언제 지국이 전송할 수 있는지를 규정하는 규칙이 없기 때문에 한 지국이 전송하자마자 다른 지구깅 전송하거나, 한 지국이 전송을 마치기 직전에 다른 지국이 전송할 수 있기 때문이다. 

ALOHA는 2*T_fr의 취약 시간을 갖는다 하였다. 

 

슬롯 ALOHA는 T_fr의 슬롯으로 나누어 지국은 매시간 슬롯이 시작할 때에 전송하도록 규제한다. 

지국은 동기화된 시간 슬롯이 시작할 때에만 프레임을 전송한다. 만약 그 순간을 놓치면 다음 슬롯이 시작될 때까지 기다려야한다. 

슬롯 ALOHA에서 취약 시간은 T_fr이 된다. 

 

 

 

 

 4) CSMA/CA

CSMA/CA는 충돌을 피하려고 노력하는 방법을 추가로 규정한다.

 

● 프레임 간 공간(IFS)

채널이 휴지 상태인 것으로 판단되어도 전송을 늦추어 충돌을 회피한다. 

휴지 상태가 되면 지국에서는 즉시 프레임을 전송하지 않고 프레임 간 공간(IFS)라고 불리는 일정 시간을 기다리게 된다. 

그 이유는 채널이 휴지상태라고 판단했더라도 멀리 떨어진 지국에서 이미 전송을 시작했을지도 모르기 때문에 이 전송이 도달하는데 IFS라는 일정 시간을 주는 것이다. 

IFS 시간 동안에도 휴지 상태이면 지국은 "경쟁 구간"이라는 시간 동안 기다리게 된다. 

 

● 경쟁 구간

경쟁 구간은 시간 슬롯으로 나뉘어져 있다. 처음 경쟁 구간은 슬롯이 없다가 지국이 IFS 시간을 거쳐 경쟁 구간으로 들어오면 1개의 슬롯이 생긴다. 그리고 채널이 휴지 상태인지 검사하는데 휴지 상태가 아니라면 채널을 사용한다.

정리하면 처음에는 시간 슬롯이 1개로 시작하다가 매번 휴지 채널을 발견하지 못하면 두 배씩 슬롯이 늘어난다. 

 

경쟁 구간에서는 슬롯이 지국이 매 시간 슬롯 뒤에 채널을 감지 해야한다는 것이며 

시간 슬롯에서 가장 오래 기다린 지국이 우선순위를 가지게 된다. 

 

● 응답

위 IFS와 경쟁 구간을 사용하여 충돌을 방지한다 하더라도 충돌이 일어날 수 있다. 

긍정 응답과 타임 아웃을 사용하여 수신자가 프레임을 수신받았다는 것을 보장할 수 있다. 

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2. Controlled-access protocls

지국은 서로 어느 지국이 전송할 권리를 가질지 결정하며 다른 지국에 의해 권리를 인정 받기 전까지 전송할 수 없다. 

 

1) Reservation

이 방식은 데이터를 전송하기 전에 예약을 하게 된다. 

N개의 지국이 있다면 예약 프레임은 N개가 존재하며 각 미니슬롯은 한 지국에 속하게 된다. 

어떤 지국이 데이터 프레임을 보내려고 한다면 자신이 가진 미니슬롯에 예약을 하게 된다. 

2) Polling

폴링 방식에서는 지국 중 하나가 주국이 되고 다른 지국들은 종국이 되는 접속 형태에서 동작하는 것이다. 

폴링은 하나의 장치(또는 프로그램)가 충돌 회피 또는 동기화 처리 등을 목적으로 다른 장치(또는 프로그램)의 상태를 주기적으로 검사하여 일정한 조건을 만족할 때 송수신 등의 자료처리를 하는 방식을 말한다

3) Token passing

● FDMA 

● TDMA 

● CDMA 

 

 

3. switching hub

스위칭 허브는 “port switching hub”의 줄임 말로 packet의 address에 기반을 두고 packet을 적절한 port로 전달하는 특수나 형태의 허브를 말한다.

switching hub는 각 packect을 필요한 port에만 전달하기 때문에 더 좋은 결과를 제공하고 대부분의 switching hub들은 부하조절 기능을 제공하기 때문에 트래픽 양상에 따라서 서로 다른 LAN Segment port들이 동적으로 재할당될 수 있다.