전송 매체

(1)

4 장 . 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)

 LAN 의 정의



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



LAN 의 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)



IEEE 의 LAN 표준안

 [ 그림 4.1]



LAN 프로토콜 참조모델

 [ 그림 4.2]



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)

(4)

 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 Detect ion)

 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)

(5)



토폴로지 (Topologies)

 [ 그림 4.3]

 스타 (star) 형 구성

 버스 (bus) 형 구성

 링 (ring) 형 구성

 계층형 구성

(6)

구성 (Topologies)

½ºÅ¸(star) Çü ±¸¼º ¸µ(ring) Çü ±¸¼º

Çã ºê ÄÄÇ»ÅÍ

Çã Çã ºê

(7)

 LLC(Logical Link Control)



LLC 서비스 - 접근점 (LSAP) 을 통하여 사용자에게 서비스를 제공



세 가지 타입을 제공

 Unacknowledged connectionless service ( 비확인 비연결 서 비스 )

 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 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 방 법으로서 경쟁 (contention) 에 의해 채널 사용권을 획득

 Collision 발생 -->binary exponential backoff 로 해결

(9)

 CSMA/CD 방식은 통신량이 적을 때에는 90% 이상으 로 채널 이용률이 높음

 통신량이 많아지면 충돌의 횟수가 증가하면서 채널 이용 률이 떨어지는 단점

 비교적 저속이며 저 부하의 경우에 적합

 제어 방식이 간단하면서 시설비가 저렴하므로 소규모 에서 대규모 LAN 까지 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 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}

}

(11)

Ethernet’s CSMA/CD

(more)

Jam Signal: make sure all other transmitters are aware of collision; 48 bi ts;

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 ti mes

 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

 10BASE2 라고 하는 얇은 (thin) 동축 케이블

 10BASE5 라고 불리는 굵은 (thick) 동축케이블

 [ 표 4.1]

 [ 그림 4.7]

(13)

전송 매체

전송 매체 표준 이름 속도( Mbps) 최대 거리(미터) 전송 모드

굵은 동축 케이블 10 BASE 5 10 500 베이스밴드

50  동축 케이블 1 BASE 5 1 500 베이스밴드

얇은 동축 케이블 10 BASE 2 10 185 베이스밴드

UTP 1 BASE 5 1 500 베이스밴드

UTP 10 BASE T 10 100 베이스밴드

STP 토큰 링 4/16 100 베이스밴드

브로드밴드 동축 케이블 10 BROAD 36 10 3600 브로드밴드

광 섬유 16 4500 베이스밴드

(14)

매체 접근 제어 ^{: CSMA/CD} 버스 ^(Ethernet)



일반적인 구성 예

H u b

터 미 네 이 터

커 넥 터

T w is te d P a ir( U T P ) T h in C o a x ia l C a b le T h ic k C o a x ia l C a b le

트 랜 시 버

드 롭 케 이 블

컴 퓨 터

(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 802.5 MAC

 링형 구성에서 사용

 [ 그림 4.11]

(17)

IEEE 802.11 Wireless LAN



wireless LANs: untethered (often mobile) networking



IEEE 802.11 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 distributi on system (DS)

(18)

Ad Hoc Networks



Ad hoc network: IEEE 802.11 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

802.11 CSMA: sender

- if sense channel idle for DISF sec.

then transmit entire frame (no collis ion detection)

-if sense channel busy then binary backoff

802.11 CSMA receiver:

if received OK

return ACK after SIFS

(20)

IEEE 802.11 MAC Protocol

802.11 CSMA Protocol: others



NAV: Network Allocation Vector



802.11 frame has transmission ti me field



others (hearing sata) defer acces s 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 d etection



IEEE 802.11 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 (no t 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 laye r



network layer address negotiation: endpoint can learn/config ure each other’s network address

(25)

PPP non-requirements



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

<01111110>



Q: is received <01111110> data or flag?



Sender: adds (“stuffs”) extra < 01111110> byte after each < 01111110> data byte



Receiver:



two 01111110 bytes in a row: discard first byte, continue data reception



single 01111110: 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 da ta, data link peers must



configure PPP link (max. frame le ngth, authentication)



learn/configure network layer information



for IP: carry IP Control Protoco l (IPCP) msgs (protocol field: 8 021) to configure/learn IP add ress

(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 ACK 를 전송



한번에 한 개의 프레임만을 전송



프레임

–

I( 정보 ), ACK( 긍정응답 )



동작 방식 ([ 그림 5.3] 참조 )

I ( 0 )

송 신

측 수

I ( 1 ) I ( 0 )

T i m e o u t

I ( 0 ) I ( 0 )

T i m e o u t I ( 0 )

(33)



Stop-and-Wait 의 단점



송신측의 프레임이 분실되어진 경우 , 수신측에서는 ACK 를 보내지 않고 송신측에서는 계속해서 ACK 를 대기



수신측의 ACK 가 분실되어진 경우 , 앞에서와 같은 상황 이 발생



ACK 가 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 NACK 를 수신하면 오류가 있는 패킷과 그 다음의 모든 패 킷을 재전송



수신측이 전송된 패킷을 저장하거나 재전송된 패킷을 재배열시킬 필 요가 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



NACK 를 수신한 패킷만 재전송하므로 go-back-N 방식보다 재전 송하는 패킷의 비율이 적어서 효율은 높다 .



수신측은 재전송된 패킷을 재배열 -- 오버헤드를 유발



사용 프로토콜

 VMTP

 NETBLT

 XTP: Go-back-N 과 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

주 국 부 국

명 령

응 답

주 국

부 국 부 국

응 답 응 답

명 령

혼 합 국 혼 합 국

명 령 응 답

명 령 응 답 주 국 과 부 국 에 의 한 일 대 일 연

결 단 일 주 국 과 다 중 부 국 에 의 한

일 대 다 연 결 혼 합 국 에 의 한 일 대 일 연 결

(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

플 래 그 주 소 제 어 사 용 자 데 이 타 F C S 플 래 그

8 8 / 1 6 8 / 1 6 0 ~ N 1 6 / 3 2 8

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

1 2 3 4 5 6 7 8

1 S p / f N ( R )

1 2 3 4 5 6 7 8

0

I n f o r m a t i o n 프 레 임

S u p e r v i s o r y 프 레 임

1 M p / f M

1 2 3 4 5 6 7 8

1 U n n u m b e r e d

프 레 임

N ( S ) : 송 신 순 서 번 호 N ( R ) : 수 신 순 서 번 호

R R ( r e c e i v e r e a d y ) , R N R ( r e c e i v e n o t r e a d y ) , R E J ( r e j e c t ) , S R E J ( s e l e c t i v e r e j e c t )

S

비 트 수

S A B M ( s e t A B M ) , S N R M ( s e t N R M ) , S A R M ( s e t A R M ) , R S E T ( r e s e t ) , F R M R ( f r a m e r e j e c t ) , D I S C ( d i s c o n n e c t ) , U A ( u n n u m b e r e d

A C K ) , . . . .

M

전 체 구 조

제 어 부 표 준 구

조

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

1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6

1 p / f N ( R )

1 M p / f u n u s e d

u n u s e d

0 S

p / f M 1

I n f o r m a t i o n 프 레 임 S u p e r v is o r y프 레 임

U n n u m b e r e d 프 레 임 확 장 된 구

조

제 어 부

(40)



HDLC 동작절차



연결 설정 및 해제

ÁÖ± ¹ ( I ) º Î ± ¹ ( J ) È ¥ Ç Õ ± ¹ ( I ) È ¥ Ç Õ± ¹ ( J )

µ ¥ ÀÌ Å¸ Àü ¼Û

...

µ ¥ ÀÌ Å¸ Àü ¼Û

...

(41)

 데이터 전송 동작

 초기화가 성공적으로 완료되어 논리적인 연결이 확립되면 양측은 I- 프 레임에 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 확 인해 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

LAN

¼¼±×¸ÕÆ®

¹°¸®

MAC LLC

¸®ÇÇÅÍ

LAN

¼¼±×¸ÕÆ®

¹°¸®

MAC

LLC

(45)



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

(46)



허브 (Hub) * Ethernet Interface Card

(47)



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)

¹°¸® i

MAC i

LLC

¹°¸® i ¹°¸® j

MAC j LLC

LAN LAN

MAC i

¹°¸® j

MAC j

Áß°è

ºê¸®Áö

(48)

¹°¸® i

¸µÅ© i

¹°¸® i ¹°¸® j ¹°¸® j

³×Æ®¿öÅ©

¸µÅ© i ¸µÅ© j

³×Æ®¿öÅ©

Àü¼Û

¸µÅ© j

³×Æ®¿öÅ©

Àü¼Û

DTE DTE

¶ó¿ìÅÍ



라우터 (Router)

–

물리 계층 , 링크 계층 , 네트워크 계층

–

일반적 구조

(49)



게이트웨이 (Gateway)

–

모든 계층을 포함



상이한 망들을 연결

–

일반적 구조

¹°¸®

¸µÅ©

¹°¸®

SNA ÇÁ·ÎÅäÄÝ

±¸Á¶

OSI ¸Á SNA ¸Á

³×Æ®¿öÅ©

¸µÅ©

Àü¼Û

DTE °ÔÀÌÆ®¿þÀÌ DTE

¼¼¼Ç Ç¥Çö ÀÀ¿ë

³×Æ®¿öÅ©

Àü¼Û

¼¼¼Ç Ç¥Çö ÀÀ¿ë

SNA ÇÁ·ÎÅäÄÝ

±¸Á¶

전송 매체

4 장 . 데이타링크 계층과 LAN

내용

LAN 표준안

구성 (Topologies)

전송 매체

매체 접근 제어 (MAC)

Internetworking

 LAN 의 정의





IEEE 의 LAN 표준안

 [ 그림 4.1]

LAN 프로토콜 참조모델

 [ 그림 4.2]

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)

 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 Detect ion)

 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)

토폴로지 (Topologies)

 [ 그림 4.3]

 스타 (star) 형 구성

 버스 (bus) 형 구성

 링 (ring) 형 구성

 계층형 구성

구성 (Topologies)

 LLC(Logical Link Control)

LLC 서비스 - 접근점 (LSAP) 을 통하여 사용자에게 서비스를 제공

세 가지 타입을 제공

 Unacknowledged connectionless service ( 비확인 비연결 서 비스 )

 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]

 MAC(Medium Access Control)

CSMA/CD

 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 방 법으로서 경쟁 (contention) 에 의해 채널 사용권을 획득

 Collision 발생 -->binary exponential backoff 로 해결

Ethernet: uses CSMA/CD

Ethernet’s CSMA/CD

(more)

 IEEE 802.3 물리계층

전송 매체

전송 매체 표준 이름 속도( Mbps) 최대 거리(미터) 전송 모드

굵은 동축 케이블 10 BASE 5 10 500 베이스밴드

50  동축 케이블 1 BASE 5 1 500 베이스밴드

얇은 동축 케이블 10 BASE 2 10 185 베이스밴드

UTP 1 BASE 5 1 500 베이스밴드

UTP 10 BASE T 10 100 베이스밴드

STP 토큰 링 4/16 100 베이스밴드

브로드밴드 동축 케이블 10 BROAD 36 10 3600 브로드밴드

광 섬유 16 4500 베이스밴드

매체 접근 제어 : CSMA/CD 버스 (Ethernet)

일반적인 구성 예

H u b

터 미 네 이 터

커 넥 터

T w is te d P a ir( U T P ) T h in C o a x ia l C a b le T h ic k C o a x ia l C a b le

트 랜 시 버

드 롭 케 이 블

매체 접근 제어 ^{: CSMA/CD} 버스 ^(Ethernet)