ComNet-L02-MAC

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Notice

Computer Networks 글은 경희대학교 소프트웨어융합대학 이성원 교수님의 [컴퓨터 네트워크 CSE302] 수업을 기반으로 정리한 내용입니다.

MAC(Multiple-Access Protocols) Overview

Random Access Protocols

Point

대등 관계. 내가 전송할 데이터가 있으면 다른 요소, 상황 고려하지 않고 전송!

• Station 간의 우열이 존재하지 않고 조종되지 않는다.
• 전송은 medium 의 상태에 따라 결정된다.
• 다른 station 들의 상황을 고려하지 않기 때문에 충돌이 발생한다.

ALOHA

• 1970s 초반, 하와이에 많은 섬들끼리 날씨 정보 등 소량의 정보를 통신하기 위해 개발되었다.
• Random access protocol 을 사용하기에 충돌이 필연적으로 발생한다.
• Medium 은 station 들끼리 공유되고, 동시에 데이터를 전송하면 충돌이 발생한다.

노란 박스가 쳐져 있는 부분은 여러 station 들에서 동시에 데이터를 전송한 상태이기 때문에 데이터가 함께 붕괴되어 훼손된다.

• Procedure

1. Station 이 보낼 프레임을 갖는다.
2. 프레임을 보내고 일정 시간 기다린다.
3. ACK 를 받았으면 전송이 잘 완료된 것. ACK 를 받지 않은 경우 일정 시간 기다렸다가 재전송
4. 만약 max 회 보냈는데도 ACK 를 받지 않는 경우 전송을 중단한다.

Slotted ALOHA

• 시간을 시작지점과 끝지점을 설정한 여러 슬롯으로 나누어 슬롯 안에서만 전송할 수 있도록 한다.
• ALOHA 와 동일하게 충돌이 발생할 수 있으나, 슬롯 안에서만 겹친다.
• 시간적으로 동기화가 정확히 이루어져야 하나, 동기화가 힘들다는 부분에서도 완벽히 작동되지 않는다.

CSMA(Carrier Sense Multiple Access)

• 충돌을 최소화하고 성능을 증가시키기 위해 고안되었다.
• Station 이 데이터를 전송하기 전에 medium 의 상태를 확인하고 전송한다.
• 기본적으로 “Sense before transmit”, “Listen before talk” 원칙을 적용한다.

• 데이터를 전송하면 이동하는 시간으로 인한 propagation time(=vulnerable time, =delay time) 을 사선으로 표시했다고 생각하면 된다.
• Figure explaination

1. B 가 t1 에 먼저 medium 이 비어있다는 것을 확인하고 전송한다.
2. C 는 t2 에 medium 이 비어있는 것을 확인하고 데이터를 전송한다.
3. B 의 데이터 전송 딜레이로 인해 C 의 전송 이후 도착하면서 두 데이터가 겹치게 된다.
4. 겹친 회색 부분의 데이터는 붕괴된다.

• 데이터를 일단 전송하면 medium sensing 을 하지 않기 때문에 위와 같은 경우가 발생한다.

Behavior of three persistence methods

1-persistent

• 끊입없이 sensing 하다가 비어있는 상태가 되면 전송한다.
• 전력 사용이 많다.
• Delay 가 발생하지 않는다.
• 바로 전송할 경우 충돌 확률이 높아진다.

Nonpersistent

• 일정 시간만큼 간격을 두고 sensing 하다가 비어있는 경우 전송한다.
• 전력 소모량이 적다.
• Delay 가 발생한다.

P-persistent

• p 는 확률을 의미한다.
• 끊임없이 Sensing 하다가 비어있는 상황에서 랜덤값 R 을 추출하고 R<p 인 경우 전송한다.
• R<p 를 만족하지 않는 경우 다른 곳에서 보내고 있는지 확인하고 보내고 있다면 (중간에 Busy 상태) 현재 보내려는 시도가 많다고 파악해 충돌이 발생하지 않아도 backoff 하여 전송하지 않는다.

CSMA/CD(Collision Detection)

• CSMA 방식은 충돌에 따른 방식을 명시하지 않았기에 충돌 탐지를 추가로 고안했다.

• Station 이 medium 을 전송하기 전 + 전송 후를 계속해서 sensing 한다.
• 만약 전송 중 충돌이 발생한다면 전송을 중단하고 프레임을 다시 전송한다.
• Procedure

1. Station 이 보낼 프레임을 갖는다.
2. Persistent method 중 하나를 적용해 전송한다.
3. 전송 중 충돌이 발생했는지, 전송 후 전달 과정에서 충돌이 발생했는지를 확인한다. (둘 다 충돌이 없어야 완료된다.)
4. 충돌이 발생했다면 충돌이 발생했음을 알려주는 jamming 신호를 보낸다.
5. 랜덤 시간동안 기다리고 다시 프레임을 전송한다.
6. max 번 시도했지만 전송되지 않는다면 전송을 중단한다.

CSMA/CA(Collision Avoidance)

• 무선 네트워크를 위해 고안되었다.
• Collision Avoidance 는 Inter-frame space, Contention window, Acknowledgment 3 가지 방식을 통해 구현된다.
• Collision Avoidance 는 반드시 에러가 발생함을 시사한다.

• RTS(Request to send) : Sender 가 데이터를 전송하겠다는 사전 신호이다.
• CTS(Clear to send) : Receiver 가 데이터를 송신해도 된다고 보내는 신호이다.
  • CTS 를 sender 에게 보낼 때 주변 다른 station 들에게도 CTS 를 전송하는데, sender 에게 데이터를 전송받는 동안 다른 station 들에게는 데이터를 전송받지 않겠다는 의미이다.
  • 다른 station 들이 CTS 를 놓치는 경우 데이터를 receiver 에게 전송해 에러가 발생할 수 있다.
• ACK(Acknowledgment) : 데이터를 잘 받았다는 메시지이다.

Contention Window, Inter-Frame Space

• 조금 더 충돌을 줄여보기 위해 사용한다.
• 끊임없이 sensing 하다가 사용 가능할 때 일정 시간 (inter-frame space) 대기하고 binary exponential 크기의 contention window 에 따라 전송한다.

Hidden station problem

1. Station B 와 C 는 서로의 영역에 겹치는 부분이 적어 CTS 를 놓치는 문제가 발생한다.
2. Station B 와 C 가 가려져 있는 경우 서로 통신이 잘 이루어지지 않는 문제가 발생한다.

cf) B 에서의 데이터 전송이 A 와 연결을 통해 C 로 전달된다. 유선의 경우 줄이 중심으로 줄에 의해 통제되어 C 는 A 가 사용되고 있음을 인지할 수 있다. 사용되고 있다면 기다렸다가 전송하는 등의 방식을 사용할 수 있다. 하지만 무선의 경우 각 디바이스가 중심이 되고, B 가 A 로 데이터를 전송할 때 C 의 입장에서는 A 가 정보를 전달 받고 있다고 인지하지 못해 A 로 정보를 전송해 데이터 간섭이 발생한다.

• Procedure

1. Station 이 보낼 프레임을 갖는다.
2. 채널이 비어있는지를 확인한다.
3. Inter-frame sequence(IFS) 동안 기다린다.
4. 0 부터 사이의 랜덤값 R 을 고르고 R 번째 슬롯을 사용한다. (Contention Window)
5. RTS(Request to send) 를 보내고 타이머를 세팅한다.
6. 타이머가 다 지나기 전에 CTS(Clear to send) 를 받았는지 확인한다.
7. CTS 를 받았다면 IFS 동안 기다리고 프레임을 전송하고 타이머를 세팅한다.
8. 타이머가 다 지나기 전에 ACK 를 받는다면 성공
9. 6 번에서 CTS, 8 번에서 ACK 를 받지 않는다면 일정시간 대기했다가 2 번으로 돌아가 재전송을 시도한다.

Controlled Access Protocols

Point

Station 들이 하나의 통제를 받아 전송 권한을 갖는다. 권한이 없다면 보낼 수 없다!

Reservation

• 데이터를 보내기 전에 예약을 해야 보낼 수 있다.
• Station 개수만큼 슬롯이 나누어져 예약하고 예약된 station 순서대로 프레임을 전송한다.
• 예약이 되어 있기 때문에 충돌이 발생하지 않는다.

Polling

• Primary station 이 지정되어 있고, 나머지 디바이스들은 secondary station 이다.
• 모든 데이터 전송은 primary station 을 반드시 지나서 전송된다.
• Primary station 이 링크를 조절하고 secondary station 은 명령을 따라야 한다.

• Primary station 이 특정 디바이스에 전송할 때는 SEL 프레임을 전생하고 ACK 를 받아 수신할 준비가 되었는지 여부를 확인 후, 데이터를 전송한다.
• Primary station 이 각 디바이스에 전송할 정보가 있는지 차례로 질문하고 전송할 정보가 없다면 NAK, 있다면 데이터를 보낸다.

Token Passing

• Token passing 방법은 네트워크 station 이 논리적인 ring 으로 구성되어 있다.
• Station 들에 대해 predecessor(선행) station, successor(후행) station 이 존재한다.
• 각 station 이 일정 시간 마다 토큰을 전달해주는데 토큰을 가지고 있는 경우 채널에 접근하고 데이터를 보낼 수 있는 권한이 부여된다.
• 전송할 데이터가 없다면 토근을 해제하여 다음 station 으로 전달한다.

• Physical ring : 단방향 연결이기 때문에 인접한 두 station 사이의 연결이 끊어지면 전체 시스템이 영향받는다.
• Dual ring : 메인 링을 사용하다가 장애가 발생하면 보조 링을 사용한다.
• Bus ring : Station 이 단일 케이블에 연결되어 있고, 후속 station 의 주소를 알고 있어 토큰을 전달한다.
• Star ring : 커넥터 역할을 하는 허브가 존재해 서로 충돌하지 않고 하나가 끊어져도 다른 station 들이 영향받지 않아 안정적이다.

Channelization Protocols

Point

다양한 station 들 사이에서 주파수 혹은 코드를 통해 물리적 채널을 나누어 동시에 접근할 수 있도록 한다!

FDMA(Frequency-Division Multiple Access)

• 주파수 대역폭에서 이용가능한 대역폭을 각 station 마다 나누어 사용한다. ex) 아날로그 TV
• 각 station 은 데이터를 보내는 대역폭을 할당 받는다. 언제나 속해있어 시간에 관계없이 전송 가능
• 각 station 은 bandpass filter 를 사용해 전송 주파수를 제한한다.

• 동일 시간에 전송하더라도 주파수 대역폭 자체가 다르기 때문에 서로 간섭없이 데이터를 전송할 수 있다.
• 트래픽이 균일하고 일정할 때 효율적이다.
• 알고리즘이 간단하고 복잡성이 적다.
• 채널달 최대 사용량이 고정되고 작다.

TDMA(Time-Division Multiple Access)

• Station 들은 동일한 주파수 대역폭을 시간 슬롯 만큼 할당 받아 데이터를 전송한다.
• 각 station 은 데이터를 할당된 슬롯안에서만 전송할 수 있다.
• 전화 통화의 경우 FDMA 시에는 주파수 단위로 나누기 때문에 누군가 사용하고 있다고 하면 해당 주파수 대역을 사용할 수 없다. 하지만 통화시에 항상 말하는 것은 아니기 때문에 말하지 않는 중간 중간을 슬롯으로 할당하여 말하지 않는 경우 다른 사람이 사용 가능하도록 만든다.

• 각 사용자의 신호를 서로 다른 시간 슬롯으로 나누고 각 시간 슬롯을 서로 다른 사용자에게 할당한다.
• 채널의 데이터 전송 속도가 빨라지면서 압축된 데이터를 보내고 receiver 가 압축을 해제하여 데이터를 복원한다.
• 2 세대 이동통신에서 사용했다.

CDMA(Code-Division Multiple Access)

• 최근 전기 기술의 발전으로 구현 가능해졌다.
• FDMA 와 다르게 오직 하나의 채널만 사용한다. 하나의 채널이 전체 대역폭을 점유한다.
• TDMA 와 다르게 동시에 데이터를 보낼 수 있다. 시간을 쪼개 나누지 않는다.
• 군 암호화 목적으로 처음 개발되었지만 확대되어 3 세대 이동통신에서 사용됐다.

• 4 개의 노드가 데이터를 보낸다고 가정
  • c : 노드에 배정된 코드
  • d : 보내려는 데이터 (0 or 1)
• 노드별로 코드가 배정되는데 코드는 다음의 특징을 갖는다.
  • (노드의 수)
• 데이터를 보낼 때 데이터와 코드를 곱한다.
• 각 노드에서 곱한 결과물을 모두 더한 값을 채널을 통해 전송한다.
• Receiver 가 데이터를 받으면 sender 의 코드를 곱하고 노드의 수로 나눈다.

• 노드 1 : 0 전송
• 노드 2 : 0 전송
• 노드 3 : Silence
• 노드 4 : 1 전송

데이터와 각 코드와 내적해서 노드 수로 나누면

• 노드 1 : (-1 -1 -3 +1) / 4 = -1 ⇒ 0
• 노드 2 : (-1 +1 -3 -1) / 4 = -1 ⇒ 0
• 노드 3 : (-1 -1 +3 -1) / 4 = 0 ⇒ Silence
• 노드 4 : (-1 +1 +3 +1) / 4 = 1 ⇒ 1

참고문헌

• Textbook: Behrouz A. Forouzan, “Data Communications and Networking, 5th Edition”, McGraw-Hill Companies, Inc.

연결문서

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