[Computer Network] Chap2. MAC Layer

 

 

 

 

Chap 2. MAC Layer 

- 1계층 physical layer는 다루지 X / 2계층 데이터 링크는 MAC과 DLC로 나뉜다. 

- MAC: medium access control

- message – 송신단에서 수신단으로 전달하는 정보 / sender – 보내는, 송신단 컴퓨터 / receiver – 받는, 수신단

- medium을 통해 센더가 메세지를 보낸다 (유선 or 무선)

- protocol – 메세지의 형태, 센더와 리시버의 동작을 정의한 규약들 / 통신은 어떠한 CPU를 쓰던 상관 없이 동일하게, 센더가 리시버에게 보낼 때, 정보의 형태와 구성을 정의해야 함. 

 

* Data flow direction – 정보를 주고 받는 방향 별 명칭 

1) simplex – 일방적으로 보내는 것 / 센더와 리시버가 명확하게 정의됨

2) half – duplex – 반이중 / 특정 시점 t0에 잘라보면 하나만 있음 / 워키토키, 무전기 

3) full – duplex – 전이중 / 특정 시점 t0에 잘라보면 두개가 있음, 동시에 정보 전달 가능 / 전화, 인터넷 통신

 

* Physical structure – medium의 연결 방식에 대한 명칭 

1) point to point – 점에서 점을 한 줄로, 1:1 연결한 것 / 블루투스 

2) multipoint – share 가능 / medium에 붙어있는 컴퓨터가 여러 대 / 1계층 줄의 입장에서 보는 것 / 무선랜

 

# Physical Topology – 컴퓨터 네트워크의 대표적인 연결 형태들 

- 점과 선을 연결한 그래프를 Topology라고 한다. 

1) Mesh topology

- 필요한 것들을 직접 줄로 연결한 것 / 성능이 좋다. 

- 완전히 독립적인 줄 하나를 사용함 / 보안이 안정적이다.

+ 줄이 끊어져도 우회할 수 있다. 

- 200만대를 연결하기 위해 줄이 200개 필요 / 나를 제외한 N-1개와 연결 -> 많아지면 어렵다. 

 

2) Star / Tree topology

- 중앙 장치를 하나 만든다. 허브 / 스위치 / 라우터 -> station 하나가 끊어져도 다른 애들은 영향 X

- 허브와 한 줄만 꽂으면 된다 – 싸다

- 보안이 취약하다 + 허브가 망가지면 모든 통신 두절 

 

3) Bus topology

- 초고속 인터넷의 원형, 선에서 브랜치 딴다 / 한 줄을 여러 컴퓨터가 경쟁하면서 사용한다.

- 하드웨어 연결 시 많이 사용 / 동시에 떠드는 일이 없을 때, 싸게 쉽게 설치할 수 있다 

- 오류 발생 시 네트워크 전체 통신 두절됨 / 성능이 낮음

 

4) Ring topology -> 버스의 양 끝을 연결한 것

- 버스처럼 쉽게 설치할 수 있고, 줄이 하나 끊어져도 연결이 안정적이다. (버스는 두절됨)

- 줄 하나를 공유 – 충돌이 발생 / 효율 저하, 지연 발생 

 

* 네트워크의 규모에 대한 명칭 (LAN, MAN, WAN, PAN, BAN – personal/body) 

1. LAN: 방 안의 컴퓨터끼리 연결한 규모 / 소유주가 같은 건물 단위 

2. MAN: 건물들이 모여 도시 규모가 됨 / 소유주가 다름 / LAN들이 모여 MAN이 된다 / ex) 이동통신 

3. WAN: wide한 규모의 A와 B를 연결 / 망을 직접 까는 것이 아니라 네트워크를 임대한다. / ex) 설캠 – 국캠

+ LAN, MAN, WAN 모두 유/무선이 있다.

 

* Standard (표준) – 상호 연동성의 기준 

- De facto – by fact / 실표적, 사실상 – 기술이 먼저, 많이 퍼지면 문서로 넘어감

- De jure – by law / 법적으로, 표준 ex) 이동통신 

 

* MAC – medium access control / 이 줄에 컴퓨터들이 어떻게 접근할 것인가?

1) Random access protocol – ALOHA, CSMA/CD – 초고속 인터넷, 이더넷, CSMA/CA - 무선랜

2) Controlled access protocol – Reservation, Polling, Token passing 

3) Channelization protocol – FDMA, TDMA, CDMA – 돈 내는 네트워크 

 

1. Random access protocol – 민주적인 통신 프로토콜 / 모두 대등한 관계 / 중재자 X / 당연히 충돌 발생 

- 본인이 쏠 데이터가 있으면 그냥 쏜다 -> 다른 애들을 배려하지 X. 

 

1-1. ALOHA

- 하와이 섬들 간 정보를 주고 받고 싶어 만든 프로토콜 / 간헐적으로 소량의 데이터만 보내는 유/무선 통신

- 충돌이 발생 -> 몇 번 더 쏘는 굉장히 단순한 시스템 / 최초의 2계층 프로토콜 / 온도 센서 등에 적합

- 쏠게 있으면 쏜다 – 남이 쏘는건 신경 안 씀 / 데이터를 많이 보내면 다 깨짐

 

- 응답이 오면 에러 X / 응답이 없으면 에러가 발생한 것 / 보낸 메세지가 다시 돌아올 때 까지 Tp 기다림

- 정해진 시간 안에 응답이 안 오면 K + 1 -> 재전송 -> K max : 재전송의 최대값 -> 시도하다가 안되면 포기 

 

1-2. Slotted ALOHA

- 빈 자리가 있니? 자리 개념이 생김 – 시작과 끝 지점을 정함 / 꼬리에 꼬리를 물어 깨지는 에러는 없도록 

- 동일한 슬롯에서는 깨질 수 있음 + 시간이 동일해야 한다는 단점 (인공위성도 유선도 없다) 동기화 어려움

 

1-3. CSMA – carrier sense multiple access 

- 공공의 목적이 민간으로 이동 / 출판 시 비싼 프린터를 여러 컴퓨터가 공유 – 연결 기법 필요 

- 캐리어 -> 정보가 떴다 / 보내기 전 누가 보내고 있는지 확인한다.

- 누군가 쏘고 있다면 나는 기다린다 / 케이블이 놀고 있다면 내가 쏜다.

 

- 쏜다고 바로 받을 수 없다 / 시간이 걸림 / B에서 A로 쐈는데, C는 거리가 있어 이 메세지가 C에 도달하기 전에, A로 메세지를 쏘게 됨 

- propagation delay 때문에 충돌나는 것을 방지할 수는 없다. 

 

+ 어떻게 누가 쏘고 있는지 알까? 

1) persistent – 계속 끊임없이 보고 있다가, 아무도 안 쏘면 내가 쏜다. (busy -> idle) 

장점 – 지연이 없다 / 단점 – 전력 소모 (끊임없이 봐야 함)

2) Non-persistent – 랜덤하게 쉬다가 다시 확인 / idle이면 내가 쏜다

장점 - 충돌도 피하고, 전력도 아낌 / 단점 – 지연 시간

3) 하이브리드 

 

1-4. CSMA/CD – 대규모 상용화

- 내가 쏘면서도 sense 한다 / 내가 쏜 voltage랑 다른 voltage가 잡힌다? 누군가 쏜 것 

- 충돌이 발생한 것을 아는 순간, 전송을 중지함 -> CSMA에서 통신이 두절되는 시간을 줄일 수 있다. 

-> slotted ALOHA도 해당 슬롯이 끝날 때 까지는 끝까지 싸우는데, 이러한 문제점들이 개선됨 

- 이더넷 (유선 통신망)의 기반 기술로 사용됨 

 

- OSI 2계층 – 흐름 제어는 없다. 에러 검출 및 복구 과정만 Only

- 일정 시간 이후 다시 시도함 -> 일정 횟수 이상의 에러는 포기함

- 유선 랜의 기본 철학: 정해진 만큼 최선을 다하고, 안되면 버린다.

 

1.5. CSMA/CA

- 무선은 충돌을 detect 하는 것이 어려움 -> 피하는 것 (CD와 달리, CA는 수신단과의 작업이 추가됨)

- 충돌을 감지하는 것이 아니라 회피하는 것 / 반드시 에러는 발생 (훨씬 더 많이 발생함)

 

- 내가 무선을 바라보고 있다가, 비어 있을 때 보낸다 / persistence

+ Contention window –> 충돌을 좀 더 줄이기 위해, 작은 사각형들로 쪼갬 / like slotted ALOHA 

- 작은 네모 구간 내에서 RTS, CTS 주고 받는다.

 

* Hidden Station problem –> 무선이 왜 에러가 더 많이 나느냐? / 유선은 줄이 중심 / 무선은 모두가 중심 

- B와 C가 거리로 인해 서로 들을 수 X -> 동시에 A로 쏘면 문제가 발생한다.

 

- 무선에서는 데이터를 주고 받는 것 이외의 작업이 추가됨 (RTS / CTS / ACK)

- A가 B에게 보낼 데이터가 있으면 RTS (request to send)를 B에게 보낸다.

- B는 CTS(clear to send)를 A에게 보낸다 -> A가 B에게 데이터 쏨 -> B가 잘 받았다는 ACK를 보냄 

- 이걸 들을 수 있는 주변 모든 애들은 들어라! But RTS, CTS 못 듣고 중간에 다른 놈이 끼어들면 끝나는 것

 

 

 

2. Controlled access protocol

- random access의 반대 -> 중앙 통제 하에 움직인다.

 

2-1. Reservation – 예약 / 어느 시점부터 어디까지는 내가 쓰겠어

- 대장님이 주기적으로 유무선을 누가 쓸 지 지정해준다 -> 1, 3, 4 보내라 비컨이 뜨면 그 뒤로 데이터가 뒤따름

- 장점: 충돌이 X, 채널을 꽉꽉 채워서 쓸 수 있음

- 단점: 지연 시간 증가 / 더이상 내가 원할 때 쏠 수는 없다.

 

2-2. Polling – 부르는 것 

- 대장이 데이터를 보냄 (select) / 대장이 보낼 데이터 있어? 폴을 보내어 물어봄 (poll)

- 장점: 충돌 X

- 단점: NAK를 주고 받으며 medium 낭비 + 마찬가지로 내가 보내고 싶은 것을 바로 보낼 수 X -> 지연 증가 

 

2-3. Token Passing 

- 권한을 passing / 토큰을 가지면 대장이 되어 데이터를 쏠 수 있다 / 다 쓰면 다른 애한테 권한 넘김

- 장점: 소프트웨어로 토큰을 돌려서, 충돌을 줄이고 안정적으로 주고 받을 수 있다. 채널 효율이 좋다.

- 단점: 마찬가지로 지연 시간 증가 

 

 

 

3. Channelization protocol

- 정해진 유/무선 자원을 우리가 어떻게 share 할 것인가? 이를 물리적으로 접근한 것 FDMA TDMA CDMA

 

3-1. FDMA – Frequency division multiple access

- 여러 명이 같이 쓰는데 주파수로 나눈다 / 특정 주파수를 하나하나 단독으로 쓰라고 나눠 줌 

- 과거 아날로그 음성 통화 / 그 주파수 사용 시간만큼 돈을 내면 된다. 

 

3-2. TDMA - Time division multiple access

- 음성을 압축 / 디지털 변환을 통해 시간 단위로 나눔 

- 압축하는 과정에서 지연 시간이 발생할 수 밖에 없으나, 100ms 이하면 음성은 detect X

- 이 디지털 기술 – 퀄컴의 특허 / 사람이 들을 수 있는 주파수 대역만 뽑아 퓨리에 변환 / 2세대 이동 통신

 

3-3. CDMA - Code division multiple access

- 퀄컴이 군사 암호화 기술을 민간에 도입 / 3세대 이동통신 

- 데이터를 보낼 때, 데이터에 코드를 곱하여 보냄 / 본인 * 본인 = 1 / 본인 * 다른 코드 = 0

- 0을 보내고 싶을 때는 -1을 코드와 곱하고, 1을 보낼 때는 1을 곱하고, 보낼 게 없으면 0을 곱한다. 

+ 보내는 게 없으면 사실상 나가는 정보가 없음 -> 더 많은 사용자 수용 가능 -> 3세대 이동통신 / 삼성 애니콜