컴퓨터 네트워크 Chapter 04 데이터링크 계층과 LAN 임효택

PART 02 프로토콜

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컴퓨터 네트워크

Chapter 04 데이터링크 계층과 LAN

임효택


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Chapter 04 데이터 링크 계층과 LAN

개요

4.1.1 LAN 의 정의

사무실 , 빌딩 , 공장 등과 같이 제한된 지역에서 고속의 통신 채널을 제공하는 네트워크

LAN 의 특징

제한된 접속 길이 전송 용량 : 보통 10Mbps ~ 100 Mbps 방송 (broadcasting) 형태의 패킷 네트워크 패킷지연의 최소화 낮은 오류율 : 10-8, WAN : 10-5


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4.1.2 IEEE 의 LAN 표준안

[ 그림 4.1]

LLC

MAC

물리

IEEE 802.2 Unacknowledged connectionless service Connection-mode service Acknowledged connectionless service

IEEE802.3

IEEE802.4

IEEE802.5

FDDI

CSMA/CD Token bus Token ring Token ring

Baseband :10 BASE 510 BASE 2 1 BASE 510 BASE TBroadband :10 BROAD 36

Broadband :1, 5, 10 Mbps(coaxial)Carrier band1, 5, 10 Mbps(coaxial)Opticalfiber :5, 10, 20 Mbps

STP(ShieldedTwist pair) :4, 16 MbpsUPT(UnshieldedTwist Pair) :4 Mbps0

Opical fiber :100 Mbps


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4.1.3 LAN 프로토콜 참조 모델

[ 그림 4.2] LAN 표준안과 OSI 모델과의 관계

응 용

표 현

세 션

트랜스포트

네트워크

데이터링크

물 리

LLC

MAC

물 리

() () ()

Service-access

LAN 표준안과 OSI 모델과의 관계


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LAN, MAN 의 계층

– OSI 모델의 계층 1~2 에 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)


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IEEE 의 LAN 관련 위원회

– IEEE 802.1 : 상위계층 인터페이스 및 MAC 브릿지

– IEEE 802.2 : LLC(Logical Link Control)

– IEEE 802.3 : CSMA/CD(Carrier Sense Multiple

Access/Collision Detection)

– IEEE 802.4 : 토큰 버스 (Token Bus)

– IEEE 802.5 : 토큰 링 (Token Ring)

– IEEE 802.6 : MAN(Metropolitan Area Networks)

– IEEE 802.7 : 광대역 LAN

– IEEE 802.8 : 광섬유 LAN

– IEEE 802.9 : 종합 데이터 음성 네트워크

– IEEE 802.10 : 보안 (Security)

– IEEE 802.11 : 무선 네트워크 (Wireless Network)


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4.1.4 토폴로지 (Topologies)

스타 (star) 형 구성

버스 (bus) 형 구성

링 (ring) 형 구성

계층형 구성


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구성 (Topologies)


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[ 그림 4.4] IEEE 802.3 프레임 형식

bits 64 48 48 16 ≥0 32

Preamble DA S A Type data CRC

DA ( 목적지 주소 ) SA ( 발신지 주소 )

이더넷 프레임 구조


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MAC(Medium Access Control) 프로토콜

CSMA/CD (Carrier-Sense Multiple Access with Collision Detection)

IEEE 802.3 MAC

버스나 트리형 LAN 에서 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 backoff 로 해결


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[ 그림 4.5] CSMA/CD 의 Collision 예

Time t0 : A 가전송을 시작

Time t1 : D가 전송을 시작

Time t2 : D 가충돌을 탐지 ,전송 중단

Time t3 : A 는 전송완료 바로 전에 충돌탐지


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– 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 LAN 까지

경제 적인 구성이 가능

– 전송매체는 동축 케이블이 일반적

– 최근에는 광섬유 케이블을 이용하는 추세


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A: sense channel, if idle then {

transmit and monitor the channel;

If detect another transmission then { 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}

Ethernet: CSMA/CD 사용


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Ethernet CSMA/CD (more)

Jam Signal : LAN 상의 모든 스테이션에게 Collision 이 발생했음을 알도록 함

48 bits;

Exponential Backoff :

Goal : 재전송 시도를 부하의 정도에 따라 조절– heavy load : 더 오래 기다리도록 함

첫번째 collision : {0,1} 에서 k 를 선택 ; 지연 (delay) 시간은 K x 512 bit 전송시간

두번째 collision : {0,1,2,3} 에서 k 선택

열번째 collisions {0,1,2,3,4,…,1023} 에서 k 선택


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IEEE 802.3 물리계층

트위스트 페어

– STP(Shielded Twist Pair)

– UTP(Unshielded Twist Pair)

동축 케이블

– 10BASE2 라고 하는 얇은 (thin) 동축 케이블

– 10BASE5 라고 불리는 굵은 (thick) 동축케이블


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[ 표 4.1] IEEE 802.3 물리 계층 매체의 종류

종류 10 BASE 5 10 BASE 2 1 BASE 5 10BASE T 10 BROAD 36

전송 매체

시그널링방식

전송율(Mbps)

최대 세그먼트길이 (m)

네트워크 길이(m)

세그먼크당노드수

케이블 직경(mm)

Coaxial cable(50 ohm)

Baseband(Manchester)

10

500

2,500

100

10

Coaxial cable(50 ohm)


10

185

925

30

5

UnshieldedTwisted pair


1

500

2,500

-

0.4-0.6

UnshieldedTwisted pair


10

100

500

-

0.4-0.6

Coaxial Cable(75 ohm)

Broadband(DPSK;differentiAl phase-shift

Keying)

10

1,800

3,600

-

0.4-1.0


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[ 그림 4.6] 세 개의 세그먼트를 가진 10 BASE 5 LAN 구성


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전송 매체

10 BASE 5 10 500 베이스밴드



UTP 1 BASE 5 1 500 베이스밴드

UTP 10 BASE T 10 100 베이스밴드

STP 토큰링 4/16 100 베이스밴드

10 BROAD 36 10 3600 브로드밴드

광 섬유 16 4500 베이스밴드

굵은 동축 케이블

50 동축 케이블얇은 동축 케이블

브로드밴드 동축 케이블

전송 매체 표준 이름 속도 (Mbps) 최대 거리 ( 미터 ) 전송 모드


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매체 접근 제어 : CSMA/CD 버스 (Ethernet)

Hub

터미네이터

커넥터

Twisted Pair(UTP) Thin Coaxial Cable Thick Coaxial Cable

트랜시버

드롭 케이블

컴퓨터


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허브 (Hub) * Ethernet Interface Card


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고속 이더넷과 기가바이트 이더넷

고속 이더넷 (Fast Ethernet)

– 기존 이더넷의 10 배 속도 .

– LAN 스위치 혹은 라우터를 이용하여 이미 설치되어 있는 이더넷과 패스트 이더넷 네트워크에 단절 없이 통합 될 수 있다 . - 10BaseT 와는 달리 맨체스터 인코딩을 사용하지 않고 4B5B 방식 사용

기가비트 이더넷 (Gigabit Ethernet)– 10Mbps 와 100Mbps 이더넷 표준을 확장– 기존 이더넷과 완전한 호환이 가능– 10Mbps 와 100Mbps 이더넷들을 서로 연결해 주는 백본으로 자주 사용

–


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4.3 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


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[ 그림 4.8] 토큰 버스의 논리적인 링


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[ 그림 4.9] 데이터 전송 동작


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인터네트워킹 (Internetworking)


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네트워크 Interconnection


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네트워크의 연결 방법

LAN-LAN LAN-WAN WAN-WAN LAN-WAN-LAN

인터네트워킹 장비 종류 리피터 (Repeater) CSU/DSU 허브 (Hub) 브리지 (Bridge) 라우터 (Router) 게이트웨이 (Gateway)


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리피터 (Repeater)

물리 계층 신호의 품질 향상 및 거리 제한 극복

LAN세그먼트

물리

MAC

LLC

리피터

LAN세그먼트

물리

MAC

LLC


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CSU/DSU

물리 계층에서 동작

DSU(Data Service Unit) 저속 디지탈 망의 종단점 기능 신호 구조 변환 기능

CSU(Channel Service Unit) 고속 DSU 의 모든 기능 회로 검사 및 에러 제어 기능 추가


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브리지 (Bridge)

물리 계층과 MAC 계층- 장점

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)

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MAC i

LLC

¹°¸® i ¹°¸® j

MAC j

LLC

LAN¼¼±×¸ÕÆ®

LAN¼¼±×¸ÕÆ®

MAC i

¹°¸® j

MAC j

Áß°è

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라우터 (Router)

- 물리 계층 , 링크 계층 , 네트워크 계층- 일반적 구조

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32


게이트웨이 (Gateway)

- 모든 계층을 포함 상이한 망들을 연결

- 일반적 구조

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SNAÇÁ·ÎÅäÄÝ

±¸Á¶

OSI ¸Á SNA ¸Á

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IEEE 802.11 Wireless LAN

표준 주파수 영역 데이터 전송률

802.11b 2.4-2.485GHz 최대 11Mbps

802.11a 5.1-5.8GHz 최대 54Mbps

802.11g 2.4-2.485GHz 최대 54Mbps

IEEE 802.11 표준 요약


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Wireless 네트워크 특성

유선 네트워크와의 차이는… .

신호 강도 감쇄 : 무선신호는 전송도중 신호강도가 약해짐

다른 신호로부터의 간섭 : 다른 디바이스와 공유되는 표준 무선 네트워크 주파수 ( 예 : 2.4 GHz) 간섭 받기 쉬움

다중경로 전파지연 : 무선신호는 신호굴절 등의 사유로 인해 다른 시간대 또는 다른 경로를 통해 목적지에 도착 가능

무선 네트워크를 통한 데이터 전송을 유선 네트워크 보다 훨씬 상황이 좋지 않음


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IEEE 802.11 LAN

IEEE 802.11 Wireless LAN wireless LANs : mobile networking IEEE 802.11 standard:

– MAC protocol– unlicensed frequency spectrum: 900Mhz, 2.4Ghz

Basic Service Set (BSS) (“cell” 이라고도 함 ) 구성요소 :– wireless hosts– access point (AP): base station

Distribution system (DS) 는 여러 개의 BSS 로 구성


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IEEE 802.11 MAC Protocol: CSMA/CA

802.11 CSMA: 송신측 sender - if DISF sec. 동안 channel 이 idle then 완전한 frame 을 전송 (no collision detection) -if channel 이 사용중

then binary backoff 알고리즘 수행

802.11 CSMA 수신측 receiver: if received OK return ACK after SIFS

802.11 CSMA Protocol: others– NAV: Network Allocation

Vector– 802.11 frame has transmission time field– 다른 노드들은 NAV 시간동안 access 연기


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CA(Collision Avoidance) : RTS-CTS exchange

CSMA/CA: explicit channel reservation– sender: short RTS (request to send) 보냄– receiver: short CTS (clear to send) 로 응답

CTS 는 채널을 예약 , notifying (possibly hidden) stations

숨겨진 터미널 문제 해결 IEEE 802.11 는 다음을 허용 :

CSMA CSMA/CA: reservations

[ 그림 4.19] RTS, CTS 프레임을 사용한 충돌회피


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RTS,CTS 를 사용한 충돌회피


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Ad Hoc Networks

Ad hoc network : 스테이션은 AP 없이 네트워크를 구성할 수 있다 .

Applications:– 회의룸 또는 자동차에서 “ laptop” 미팅– “personal” 장치간의 연결– battlefield

IETF MANET (Mobile Ad hoc Networks) working group


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PPP(Point-to-Point Protocol)

Point to Point Data Link Control

하나의 송신자와 수신자 전송 : broadcast 링크 보다 쉬움

– Media Access Control 기능 불필요– 명확한 MAC 주소 불필요– e.g., dialup link, ISDN line

사용중인 point-to-point DLC 프로토콜 :

– PPP (point-to-point protocol)– HDLC: High level data link control


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PPP non-requirements ( 불필요 항목 )

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 :

상위 계층의 책임


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PPP Data Frame

Flag : delimiter (framing)

Address : does nothing (only one option)

Control : does nothing; in the future possible multiple control fields

Protocol : 상위계층 프로토콜 ( 예 : PPP-LCP, IP, IPCP 등 )

01111110 11111111 00000011 protocol info check 01111110

flag control flagaddress

1 1 1 1 or 2

가변길이(VariableLength) 2 or 4 1


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Byte Stuffing

“data transparency” requirement : 데이터 필드는 flag pattern <01111110> 을

포함할 수 있어야 함 .

– Q: is received <01111110> data or flag?

Sender : 각 <01111110> data byte 마다 여운의 <01111110> 바이트 추가

Receiver:

– 두개의 연속적인 <01111110> 수신 : 첫번째 바이트 삭제 , 데이터 수신 계속

– 단일 01111110: flag byte


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Byte Stuffing

데이터 내에 있는 Flag 바이트 패턴

Flag 바이트 패턴 Stuffed 바이트


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PPP 설계 요구사항 (RFC 1557)

packet framing : 데이터 링크 프레임 내에 네트워크 계층 데이터그램의 Encapsulation.

bit transparency : data 필드내에 어떠한 비트패턴도 전송가능 (Byte Stuffing)

에러 탐지 ( 에러 교정 불필요 )

connection liveness : 링크 실패를 탐지 , 네트워크 계층에게 알림

네트워크 계층 address 현상 : 양쪽 스테이션은 서로간의 네트워크 주소를 알고 구성할 수 있음


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PPP Data Frame

Info : 전송될 상위계층의 데이터

Check : 에러탐지를 위한 CRC

01111110 11111111 00000011 protocol info check 01111110

flag control flagaddress

1 1 1 1 or 2Variablelength 2 or 4 1


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PPP Data Control Protocol

네트워크계층 데이터교환 전에 데이터 링크 두 스테이션간에 해야 할일 :

configure PPP link (max. frame length, authentication)

네트워크 계층 정보를 숙지 /구성

– for IP: carry IP Control Protocol (IPCP) msgs (protocol field: 8021) to configure/learn IP address

[ 그림 4.22] PPP 연길이 이루어지는 단계


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비트 지향 프로토콜 : HDLC

(High-level DataLink Control) 특징

다양한 환경에서 동작 다양한 동작 모드 여러가지 이름

SDLC: IBM ADCCP: ANSI


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HDLC (High-Level Data Link Control)

HDLC 프레임 형식

주국 부국

명령

응답

주국

부국부국

응답응답

명령

혼합국 혼합국

명령 응답

명령 응답

주국과 부국에 의한

일대일 연결

단일 주국과 다중 부국에 의한

일대다 연결 혼합국에 의한 일대일 연결


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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


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HDLC 프로토콜의 동작 모드

정규 응답 모드 (NRM)

불균형 구성 ( [ 그림 4.23] 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 4.23] 의 (c) ) 일대일로 연결된 전이중 링크 X.25 프로토콜에서 사용


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[ 그림 4.23] HDLC 네트워크 구성


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HDLC 프로토콜의 동작 환경

플래그 주소 제어 사용자 데이타 플래그FCS

8 8/16 8/16 16/32 80~N

0 N(S) p/f N(R)1 8765432

1 S p/f N(R)1 8765432

0

Information 프레임

Supervisory프레임

1 M p/f M1 8765432

1 Unnumbered 프레임

N(S): 송신 순서 번호N(R): 수신 순서 번호

RR(receive ready), RNR(receive not ready),REJ(reject), SREJ(selective reject)S

비트수

SABM(set ABM), SNRM(set NRM), SARM(set ARM), RSET(reset), FRMR(frame

reject), DISC(disconnect), UA(unnumbered ACK), ....

M

전체 구조

제어부표준 구조

0 N(S) p/f N(R)1 8765432 9 16151413121110

1 p/f N(R)1 M p/f unused

unused0 Sp/fM1

Information 프레임Supervisory 프레임Unnumbered 프레임

확장된 구조

제어부


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HDLC 동작절차

연결 설정 및 해제

주국 ( I ) 부국 ( J ) 혼합국 ( I ) 혼합국 ( J )

정규 응답 모드 (NRM) 비동기 균형 모드 (ABM)

데이타 전송...데이타 전송...

SNRM(J,P=1)

UA(J,F=1)

UA(J,F=1)

DISC(J, P=1)

SABM(J, P=1)

UA(J, F=1)

DISC( I, P=1)

UA( I, F=1)


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동작예 : [ 그림 4.26]

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