컴퓨터 통신 02.데이터 링크 네트워크 (Data Link Network)

October 12, 2025 31 분 소요

이번 포스트에서는 컴퓨터 통신의 데이터 링크 네트워크에 대해 다룬다. 자세한 목차는 아래와 같다.

점대점 (Point-To-Point) 링크
- 하드웨어 구성요소
- 인코딩
- 프레이밍
- 오류검출
신뢰성 있는 전송
이더넷 / FDDI
네트워크 어댑터

Overview

네트워크 전체가 아니라, 직접 연결된 두 노드 간의 데이터 전달은 어떻게 이뤄질까?

물리 계층은 신호를 전송 (인코딩, 전압 변조 등)하면 떼이터 링크 계층은 프레임을 사용하여 에러 검출하고 복구, 흐름 제어, 매체 접근 제어를 수행한다.

1 계층 : 비트 보내기
2 계층 : 그 비트들을 묶어서 의미 있는 프레임으로 전송

데이터 링크 네트워크

점대점 링크

하드웨어 구성요소

노드 (Nodes)

노드 (Node) : 네트워크에 연결되어 데이터를 주고받을 수 있는 장치
- (예 : 단말, 호스트, 라우터, 스위치 등)
대부분은 컴퓨터 구조 기반의 시스템으로, CPU + Cache + Memory + NIC (Network Interface Card)로 구성됨.
데이터 링크 계층의 실제 구현은 NIC (네트워크 어댑터) 안에서 이루어짐.

NIC (Network Interface Card)

CPU와 네트워크 사이의 “통역사” 역할
- 프레임 생성, 전송, 수신, 오류 검출 등 처리
- 버퍼 공간이 제한적 (유한 메모리)
- OS 커널의 네트워크 스택과 직접 통신

링크 (Link)

노드 간 데이터 (신호)를 전달하는 물리적 매체 (Physical medium)
- (예 : 케이블 (유선) 또는 전파(무선))
즉, 비트를 실제로 전달하는 통로
하나의 케이블에 여러 논리적 링크의 존재가가능
전송 모드
- Simplex (단방향) : 한쪽만 전송 가능 (방송, 센서 등)
- Half-Duplex (반이중) : 양방향이 가능하나 동시에는 불가 (무전기)
- Full-Duplex (전이중) : 양방향이 동시에 가능 (대부분의 유선 통신 : 이더넷 등)

모듈레이션 (Modulation)

디지털 데이터 (0과 1)를 전송 매체에 맞는 신호로 바꾸는 과정
- 송신 측 : Modulation / 수신 측 : Demodulation
- 두 단계를 모두 수행하는 장치 = Modem
신호의 형태
- 아날로그 신호 : 연속적 파형, 시간에 따른 연속 변화
- 디지털 신호 : 이산적 변화, 0 과 1의 단계적 값

파장과 주파수는 서로 반비례 (같이 움직이는 관계)

전자기 스펙트럼과 매체 특성

모든 통신은 전자기파 (Electromagnetic wave)를 사용한다.
주파수가 높을수록 파장이 짧다.
- 전송 대역폭이 넓어지고 데이터 속도도 향상한다.
- 다만 전파 손실이 커지고 장애물 통과에 어렵다.

구간	주파수대	주요 용도	특성
Radio (10⁴~10⁸ Hz)	장파, 단파	방송, 무전	장애물 통과, 대역폭 좁음
Microwave (10⁸~10¹¹ Hz)	마이크로파	위성, Wi-Fi, LTE	고속 전송, 직진성 강함
Infrared (10¹² Hz 부근)	적외선 통신	리모컨, 단거리	간섭 적지만 거리 짧음
Visible~UV	광통신, 광케이블	광섬유	초고속, 감쇠 적음
X-ray 이상	의료, 특수	데이터통신에는 부적합	에너지 너무 높음

유선 링크

데이터를 전송하는 유선 매체의 종류에 따라 속도와 거리 비용이 달라진다.

직접 설치가 가능한 케이블

종류	전송속도	거리 한계	특징
Cat5/Cat7 Twisted Pair	10 Mbps~10 Gbps	100m	근거리 LAN, 저비용
Coaxial Cable (Thick/Thin)	10~100 Mbps	200~500m	노이즈 적고 중간 정도 거리
Multimode Fiber	~100 Mbps	~2 km	다중 경로 → 감쇠 빠름
Single-mode Fiber	~1 Gbps↑	~40 km↑	단일 경로 → 장거리 고속

전화 회선 임대형 링크

서비스	대역폭	용도
ISDN	64 Kbps	옛날 음성 데이터 겸용
T1	1.544 Mbps	기업용 전용선
T3	44.736 Mbps	백본급
STS 계열	51.84 Mbps ~ 2.4 Gbps	고속 백본 (SONET 기반)

전용선을 임대할 때는 MUX (다중화기)를 이용하여 여러 회선을 병합하여 전송한다.

참조 : 광 케이블 (Optical Fiber)

구조

코어 (Core) : 빛이 전송되는 유리/플라스틱 중심부
클래딩 (Cladding) : 코어 외부를 둘러싸며 전반사로 빛을 가둠
- 반사율은 굴절률에 의해 결정한다.
종류
- 멀티모드 : 코어가 굵음 (여러 경로로 신호 간섭, 짧은 거리)
- 싱글모드 : 코어가 얇음 (한 경로로만 전송돼서 감쇠가 적고, 장거리 가능)

가입자 선로 (Last-Mile Links)

집 (사용자) <-> 통신사 사이의 연결 구간
전체 네트워크 중 가장 사용자 환경에 직접적인 영향을 미친다.

과거 : 전화선을 이용한 아날로그 통신으로 초기에는 음성 전화선(아날로그)를 사용, 전화와 데이터 통신이 서로 간섭하여 동시에는 사용이 불가능했다.

현재 : xDSL (Digital Subscriber Line)

기존 전화선을 그대로 사용하지만, 주파수 대역을 나눠 (FDM) 음성과 데이터를 동시에 전송하는 기술
xDSL의 종류
- ADSL (Asymmetric DSL) : 다운로드 비대칭 (사용자 down이 더 많다.)
- VDSL (Very high-speed DSL) : 고주파수 사용, 근거리용

Cable Modem

TV용 케이블를 이용한 데이터 전송
Asymmetric: 다운로드 중심
단점 : Shared Bandwidth (같은 지역 사용자가 많으면 속도가 저하)

DSL의 실제 구조

구성 요소

DSL Modem : 사용자 PC와 전화선을 연결하는 장치
Splitter : 전화와 데이터 주파수를 분리
Central Office : 전화국 (통신사 중심국)
DSLAM (DSL Access Multiplexer) : 여러 사용자의 DSL 신호를 모아 ISP 백본망으로 전달

ISP 가입자 선로의 발전 추세

전화선 공유 (FDM) 에서 전용 디지털 회선 (Dedicated Digital Link)
- 전화와 분리된 순수 인터넷 전용선
광 케이블 보급 확대
- 구리선보다 감쇠가 적고, 장거리/고속에 유리
- FTTH (Fiber To The Home) : 집 앞까지 광케이블 연결
- FTTB (Fiber To The Building) : 건물까지 광케이블, 이후 UTP로 분배

무선 링크

앞선 유선 DSL, 광케이블과는 다른 개념

장점

고정된 물리적 링크가 필요가 없다. (설치와 이동에 용이하다)
이동성 (mobility)이 지원
즉시 연결 가능 : 따로 케이블이 불필요하다.

단점

공중으로 신호가 퍼진다. (간섭될 수 있다.)
주파수 (고주파 VS 저주파) 특성
- 고주파 : 대역폭이 크고, 거리가 작다
- 저주파 : 거리가 멀리 이동이 가능하지만, 속도가 낮다.
전파 간섭 및 라이선스 규제 필요
- 특히 고주파는 국가별로 사용 허가가 필요
Multipath Problem (다중 경로 문제)
- 신호가 벽, 물체 등에서 반사되어 여러 경로로 수신
- 서로 간섭되고, 중첩되어 품질 저하가 발생
- Wi-Fi, LTE 모두 이 문제 보정 기술을 사용 (예 : OFDM)

이동통신 (Celluar Networks)

기지국 (Base Station)과 단말기와의 연결
하나의 기지국이 담당하는 지역 : 셀(Cell)
- 여러 셀들이 연결되어 Celluar Network를 형성

Handoff (핸드오프) 문제

사용자가 이동하면서 한 기지국의 범위를 벗어나면, 자동으로 다음 셀로 통신이 전환되어야 한다.

통화나 데이터 전송이 끊기지 않도록 하는 기술로, 이동통신 품질의 핵심 요소이다.

고정 무선통신 (Wireless Fixed Links)

지점 간 (Point-to-Point) 고속 무선 전송 링크
광케이블 매설이 어려운 지역에서 대체용으로 사용
종류
- 무선 고속 전용 링크 : 직선(지향성) 통신 : 송신기와 수신기 직접 가시선이 필요하다.
- 무선 가입자망 : 광케이블 없는 지역에 기지국-가정 간 직접 연결

위성통신 (Satellite system)

분류 (궤도 고도 기준)

종류	고도	예시	특징
정지궤도 (GEO)	약 36,000 km	방송·통신위성	지구 자전속도 동일 → 항상 같은 위치 관측
중궤도 (MEO)	10,000~20,000 km	GPS 위성	넓은 범위, 중간 지연
저궤도 (LEO)	500~1,000 km	Starlink, Iridium	지연 적음(수십 ms), 위성 다수 필요

특징
- GEO : 항상 고정 위치에서 송수신이 가능하다. (방송과 위성전화에 활용)
- LEO : 지연이 적고, 속도가 빠르다. 하지만 위성의 개수가 수천 개가 필요하기에 운영비가 크다
- 위성통신은 기본적으로 단방향 또는 양방향 링크 모두 다 가능

단거리 무선통신

Public (비면허) 주파수 대역 사용
개인과 근거리 연결용으로 가정, 사무실, IoT 환경에서 주로 사용
주요 기술
- Wi-Fi (IEEE 802.11) : LAN용, 고속
- Bluetooth (IEEE 802.15.1) : PAN용, 저전력
- ZigBee (IEEE 802.15.4) : 초저속, IoT 센서용

인코딩

데이터 (Data)는 컴퓨터 내부에서 디지털(0/1)로만 존재
따라서 이를 링크(구리선/공기/광섬유)로 보내기 위해서 전달 가능한 신호(signal)로 바꿔야 한다.
이 변환을 넓게 변조 (modulation)이라고 부르고, 디지털 선로에서 파형을 정하는 건 라인 인코딩 (line encoding)이라고 한다.
- 수신 쪽에서는 반대로 복조 (demodulation) / 디코딩 (decoding)을 수행한다.
일어나는 곳 : NIC (네트워크 어댑터) 안의 signaling component가 담당한다.

디지털 전송 : 아날로그 vs 디지털

아날로그 전송 (과거 중심)

선로에서 신호(파형) 자체를 증폭해서 보낸다.
- Amplifier (앰프)를 사용
문제 : 신호 + 잡음(noise) 가 함께 증폭되며 왜곡을 누적한다.

디지털 전송 (현재 표준)

중간 장치가 신호에서 ‘데이터(비트)’를 복원하고, 깨끗한 새 신호로 재생성해서 다음 구간으로 전송한다.
- Repeater (재생 중계기)를 사용
효과 : 누적 잡음을 제거하고, 장거리/고속에 유리, 부가기능 (오류 검출 등)을 쉽게 추가할 수 있다.
(아날로그 데이터는 먼저 A/D 변환 후 디지털로 싣는 게 일반적이다.)

중요한 부분

우리가 다루는 데이터는 기본적으로 디지털 형태
- 단 음성/음악처럼 아날로그인 데이터도 물론 많다.
따라서 전송 전에 반드시 아날로그 to 디지털 (A/D) 변환 과정이 필요하다.
전송 중엔 아날로그 신호 또는 디지털 신호로 변조되어 전파된다.
수신 후에는 다시 디지털 to 아날로그 (D/A) 복원으로 인간이 들을 수 있게 변환한다.

구분	역할	예시
Data	실제 정보 내용 (텍스트, 음성 등)	Text, Voice
Signal	물리 매체로 보낼 수 있게 변환된 파형	전압, 전류, 전자파
Transmission	네트워크상 전송 과정	케이블, 무선 전송

PCM (Pulse Code Modulation)

정의 : 아날로그 신호(연속값)를 디지털 비트(이산값)으로 바꾸는 과정으로 전화, 오디오, 음성 통신 등에서 표준적으로 사용된다.

과정

PAM Sampling (표본화)
- 연속적인 아날로그 신호를 주기적으로 샘플링한다.
- 즉, 신호의 값을 일정한 시간 간겨으로 찍어서 Pulse를 만든다.
- 이때 얼마나 자주 샘플링하는지에 따라 품질을 결정한다.
Quantization (양자화)
- 찍은 샘플 값들을 가장 가까운 이산적인 숫자 (레벨)로 반올림한다.
- 실제 값과 근사값의 차이 : 양자화 오차 (Quantization Error)
Encoding (부호화)
- 양자화된 각 레벨을 이진수 (bit)로 표현한다. (디지털 데이터로 전환)

음성 데이터의 디지털화 예시

Sampling Theorem

샘플링 주파수는 신호의 최고 주파수보다 2배 이상이어야 원 신호 복원이 가능하다.
- 이유 : 너무 낮게 샘플링하면 aliasing (겹침) 가 발생하여 신호를 왜곡한다.

변조 (Modulation)

1. Amplitude Modulation (AM)

반송파의 진폭을 바꿔 비트를 실어서 보낸다.
- 1비트 전송 예시 : 1이면 진폭이 높고, 0이면 진폭이 낮게 (혹은 꺼짐)
레벨을 확장하면 한 심볼에 2비트로 00, 01, 10, 11이 가능

QAM (Auadrature amplitude Modulation)

AM + PM을 동시에 바꿔서 심볼 수를 대폭 늘린다.

2. Frequency Modulation (FM)

FM/FSK : 반송파의 주파수를 바꿔서 정보를 전달한다.
- Binary FSK : f0 = 0, f1 = 1
- M-FSK : {f1, f2, f3, f4}로 2비트 /심볼 등
장점 : 진폭 잡음에 강하다. (라디오의 FM이 깨끗한 이유)
단점 : 대역폭 소모가 커질 수 있기에 구현이 비교적 복잡하다.

3. Phase Modulation (PM)

PM/PSK : 반송파의 위상을 특정 각도로 바꿔서 정보를 전달한다.
- BPSK : 0에서 180도
- QPSK : 0 / 90 / 180 / 270 도로 (2비트/심볼)
잡음 내성 : 위상은 진폭 변동에 비교적 강하다.

속도 (용량)를 올리는 세 가지 방법

모듈레이션 기법 향상
- BPSK -> QPSK -> 16-QAM -> …
- 같은 심볼율 비트율이 올라간다. + 단, 오차 여유(점 간 거리) 감소 -> SNR 요구가 높아진다.
고주파 (넓은 대역폭)을 사용한다.
- 더 높은 주파수 영역을 쓰면 사용 가능한 대역폭(Hz)이 커진다. (최고 전송속도가 올라간다.)
- 단, 고주파일수록 감쇠가 크고, 도달거리가 낮아지고, 차폐에 취약하다.
병렬 전송 (다중화)
- 주파수 분할 (OFDM, WDM), 공간 다중 (MIMO), 채널 분할 등으로 “여러 갈래”를 동시에 사용한다.
- 한 채널의 품질이 나빠도 나머지로 보완이 되기 때문에 실효 처리율이 높아진다.

아날로그 데이터에서 아날로그 신호로도 변환이 가능할까?

아날로그 데이터 : 사람의 음성, 음악처럼 연속적인 파형
아날로그 신호 : 전파 형태로 바꿔 송신할 수 있는 반송파

과정 요약

Sound -> Electrical analog (마이크 출력)
PCM Encoding : 샘플링 + 양자화 + 부호화
디지털 변조 : 비트를 주파수와 위상 등으로 바꿔서 신호화
전송 : 리피터를 사용이 가능 (S -> D -> S)

전송형태 구분

구분	데이터 형태	신호 형태	예시
A→A	아날로그 데이터	아날로그 신호	AM/FM 라디오
A→D	아날로그 데이터	디지털 신호	PCM 음성 통신
D→A	디지털 데이터	아날로그 신호	모뎀 (인터넷 접속 등)
D→D	디지털 데이터	디지털 신호	이더넷, 광통신 등

인코딩 (Encoding)

디지털 데이터를 디지털 신호로 변환, 주로 유선 링크에서 사용한다.

1. NRZ (Non-Return to Zero)

가장 기본적인 디지털 신호 표현 방식
1 -> High 전압 (+5V) , 0 -> Low 전압 (0V)
- 전압이 0으로 복귀하지 않기 때문에 NRZ라고 부른다.
장점 : 단순하고 하드웨어 구현하기가 쉽다.
단점 : 연속된 1 또는 0으로 신호의 변화가 없어서 수신기 동기화가 불가능하다.
문제점 : Clock 복구 불가능
- 수신 측은 송신 측의 클록 주기 (bit 폭)을 알고 있어야 정확히 0/1 판별이 가능하다.
- 하지만 신호 변화가 없으면 ‘비트가 몇 개인지’ 기준을 잃게 된다.
- 이는 동기화 오류 (Synchronization Error)를 발생한다.

문제 발생 예시

상황 : 송신자와 수신자가 같은 속도로 시계(Clock)를 돌린다고 가정

하지만 실제로는 항상 미세한 오차가 발생한다. (수신자의 Clock이 더 빠르거나 느리다.)

문제 : 송신은 00101 .. NRZ 파형을 전송

수신 : 빠른 Clock으로 비트 경계를 조금씩 앞당긴다.

이것이 누적되면 비트 폭이 달라져서, 한 비트를 두 번 읽거나, 건너뛰게 되는 오류가 발생한다.

해결 방법
- 클록을 같이 송신에서 보내는 방식이 필요함.
  - 이후의 Manchester, Differential Manchester과 같은 인코딩 방식이 등장

2. NRZI (Non-return to Zero Inverted)

규칙 : 1이면 전이 (Transition), 0이면 상태 유지
효과
- 1이 길게 반복될 때도 전이가 있기 때문에, 1이 연속될 때의 DC/동기 문제를 완화
- 반대로 0이 길게 반복되면 전이가 사라지기 때문에 수신기가 클록을 복구하기 어렵다.
  - (mid-transition이 부족)
간단하고 효율도 좋지만, 클록 복구 신뢰성 패턴에 따라 흔들린다.

3. Manchester

규칙 : 비트 중앙 (mid)에서 항상 전이가 생기도록 데이터를 클록과 XOR
- 흔한 매핑 : 0 -> 상승, 1 -> 하강 (반대로 정의도 함)
매 비트 중앙에 전이가 있기 때문에 수신기가 클록을 자동 복구할 수 있다.
비트 당 반드시 한 번 전이가 되야 하기 때문에, 대역폭이 2배가 필요하다.

NRZ

Mid-transition

송신 : \(M_i = Data_i ⊕ Clock_i\)
- 데이터에 클록을 섞어서 보낸다.
수신 : 수신한 M과 자신이 해석한 Data로 Clock을 역산한다. -> 클록을 복구
특징
- 전이 그 자체가 ‘시간 정보’ : 전이가 비트 중앙에 강제되기 때문에 표본화 시점이 안정된다.
- 별도 clock을 쓰는 out-of-band 대신에, 데이터와 클록을 같은 선/대역으로 보내는 in-band 방식

Manchester 코드는 Data에 Clock을 얹어서 같이 보내는 것이다.

4. 4B/5B

동기/DC 문제를 줄이면서 효율을 끌어올리는 블록 코딩 아이디어
규칙
- 4비트 데이터 -> 5비트 코드로 매핑 (테이블 지정)
- 5비트 코드는 ‘전이 부족’패턴을 금지 : 앞쪽에 최소 한 개의 1을 보장, 뒤쪽 0 연속도 최대 2개 등으로 제한
만든 5비트 스트림을 NRZI로 보낸다.
- 항상 전이가 생기기 때문에 클록을 복구할 수 있다.
효과 : 순수 Manchester 보다 효율이 높다. (약 80%)

프레이밍

링크 위로는 끝이 없는 비트 흐름이 흐르기 때문에 그대로 수신측이 메시지의 경계를 알 수 없다.
송신측이 비트들을 작은 덩어리 (frame)로 잘라서 보내고, 수신측이 그 경계를 인식할 수 있게 표식/규칙을 넣어준다.
프레임에는 보통 : 헤더(주소, 제어) + 바디(데이터) + 트레일러(오류 검출 CRC 등) 가 들어간다.
실제 구현은 전통적으로 네트워크 어댑터 (NIC) 가 담당한다.
- 호스트 메모리에서 데이터 일부를 가져와 캡슐화를 하여 비트 스트림으로 내보낸다.

1. 바이트 중심 프로토콜 (Byte-Oriented Protocols)

아이디어 : 문자(바이트) 단위로 프레임 경계를 표시.

보초(Sentinel Approach) 방법
- 프레임 앞/뒤에 특별한 바이트를 둬서 경계를 표시한다.
- 예) BISYNC : STX(시작), ETX(끝) 같은 제어 문자 사용
- 문제 : 데이터 안에 그 바이트가 등장한다면?
  - 해결 : 확장 (escaping) - 앞에 DLE(ESC) 같은 escape 문자를 붙여서 데이터임을 표시
바이트 수 (Length) 방법
- 헤더에 Count/Length 필드로 프레임의 길이를 명시
- 장점 : 명확하고 간단, 경계표식에 대한 충돌 이슈도 없다.
- 단점 : 길이 값이 깨지면 수신자가 끝 위치를 잘못 잡아 이후 프레임까지 도미노 붕괴가능, CRC가 뒤에 있어 경계를 잘못 잡으면 검증 자체가 실패/무의미해질 수 있다.

2. 비트 중심 프로토콜 (Bit-Oriented Protocols)

아이디어 : 프레임 경계를 특정 비트 패턴으로 표시하고, 데이터에 같은 패턴이 생기면 비트 단위로 회피

HDLC/PPP (동기 링크) 스타일
- FLAG(경계) 비트열 : 01111110(0x7E)
- 비트 스터핑 (bit stuffing) 규칙:
  - 데이터 비트 중 ‘1’이 5개 연속 나오면, 그 다음에 ‘0’을 삽입한다.
  - 이렇게 하면 데이터 내부에서는 경계가 절대 만들어지지 않는다.
- 수신 측 처리:
  - 비트 스트림에서 01111110을 발견하면 프레임의 시작/끝임을 확인
  - 프레임 내부에서 ‘1’ 5개 다음의 ‘0’을 보면 그 ‘0’은 스터핑이므로 삭제
    - 만약 다음 비트가 1이면 경계를 의미, 프레임 종료
  - 다음 비트도 1이면 오류로 판단
- 장점 : 텍스트 뿐만 아니라 임의의 비트열을 안전하게 전송할 수 있다. (완전한 투명성)

오류검출

오류 검출 코드 (Error Detecting Code : EDC)

본 데이터 뒤/앞에 부가 데이터를 덧붙여, 수신자가 오류 발생 여부를 판단하게 해 주는 코드
송신 측 :
- 데이터 D를 입력으로 함수 f(D)를 계산하여 EDC 생성
- 전송 단위 : [D|EDC]
수신 측 :
- 받은 데이터 D로 동일한 함수인 f(D')을 재계산하여 EDC’
- 비교 EDC' == 수신된 EDC ?
  - 같으면 오류가 없음 (또는 미검출), 다르면 “오류 검출”
요구 조건
- 공간 오버헤드가 작아야 한다. (EDC길이는 D보다 훨씬 작게)
- 계산이 빠르고 단순해야 한다. (링크에서 실시간 처리)
- 검출률(탐지 확률)이 높아야 한다.

오류 검출율

완벽한 검출은 불가 : 어떤 EDC든 미검출 가능성이 0이 될 수는 없다.
시스템 신뢰성 관점에서, 미검출은 데이터 무결성 (Integrity) 손상으로 매우 위험
- 실무에서는 검출률이 높은 코드를 쓰고, 중복 검사도 같이 병행함.

2차원 패리티 (Two-Dimensional Parity)

Parity

동작 원리

데이터를 행렬 형태로 배열하고,
- 각 행마다 패리티 비트를 붙인다.
- 각 열마다 패리티 비트를 하나 더 붙인다.
수신 시 행/열 패리티를 모두 확인:
- 단일 비트 오류 : 한 행 패리티와 한 열 패리티가 동시에 틀림
  - 교차점이 오류 위치 : 위치 파악 + 수정이 가능함. (1비트 정정)
- 다중 오류 : 많은 경우 검출 가능하지만, 특정 패턴 (짝수개가 같은 행.열에 균형)에서는 미검출 가능

장단점

장점: 단일 비트 오류는 검출 + 정정이 가능. 간단하고 하드웨어 구현이 쉽다.
단점 : 오버헤드가 행 수 + 열 수만큼 늘고, 긴 버스트 오류에 대한 보장은 CRC 보다 약하다.

인터넷 체크섬 (Internet Checksum Algorithm)

사용 하는 곳 : IP, TCP, UDP 헤더 검증

아이디어

메시지를 16비트 단위 (2바이트씩)로 나눔
16비트를 단위들을 1의 보수 덧셈으로 모두 더함.
- 1의 보수 덧셈 : 합이 16비트를 초과하면 넘친 캐시를 다시 더함
최종 합의 1의 보수(~)를 취함. -> 이것이 체크섬 (EDC)
수신 측 :
- 수신한 데이터 + 체크섬을 같은 방식으로 모두 더했을 때 결과가 0xFFFF이면 “오류 X”, 아니라면 오류로 간주

특징

연산이 단순 (CPU 명령 몇 개로 가능 -> 헤더 검증에 적합)
공간 오버헤드 = 16bit, CRC 보다 작다.
단점 :
- 덧셈 기반이라 비트 순서나 짝수개 오류에 약하다.
- 검출률이 CRC보다는 떨어진다.

순회 중복 검사 (Cyclic Redundancy Check : CRC)

아이디어

수학적 원리 : 나눗셈 기반 오류 검출
송신자와 수신자가 약속된 생성 다항식 (제수, C)를 공유
데이터 (M)에 EDC(F)를 추가하여, 전체 프레임이 C로 나누어 떨어지도록 한다.
- 즉, (M || F) % C = 0
수신 측은 받은 프레임을 다시 C로 나누어 나머지가 0이면 정상, 아니면 오류 검출

송신 측 절차

M에 0을 (C의 차수 - 1)개를 붙여서 임시 프레임을 생성한다.
그걸 C로 나눈 나머지 = F 를 계산한다.
F를 원래 데이터 뒤에 붙여서 전송한다.
- 전송 프레임 = [M | F]

예시)

M = 1101,  C = 1011
→ M에 3개의 0 붙이기: 1101000
→ 나눗셈(XOR 기반) 수행, 나머지 F=101
→ 전송: 1101101

(송신자 세부 사항)

CRC는 비트열 -> 다항식 (polynomial)으로 표현해서 처리한다.
- 각 비트는 **다항식의 계수 (0 또는 1) 로 대응된다.

예: 메시지 10011010 → M(x) = x⁷ + x⁴ + x³ + x¹

제수 C(x)도 동일하게 다항식으로 표현

예: C(x) = 1101 → x³ + x² + 1

계산 절차

M(x) 에 X^^k를 곱함 ( k = 제수 차수) -> F 자리 확보
그 값을 C(x)로 나눔 -> 나머지 P(x)
전송 프레임 \(M(x)·xᵏ + P(x)\)

(M‖F)가 C로 나누어떨어지게 하는 F를 만든다

CRC

수신 측 절차

전체 프레임을 C로 나누기
- 나머지 = 0 : 오류가 없다.
- 나머지 != 0 : 오류가 있다. (검출되었다.)

중요 포인트

C (제수)의 자리수 - 1 만큼 EDC (나머지) 길이가 정해진다.

CRC의 검출률은 C 다항식의 설계에 달려 있다.

성능

CRC의 검출 성능은 C (다항식)의 선택에 따라 좌우된다.
좋은 다항식을 사용하면 검출률이 매우 높다.
- 1500 Byte 이상의 데이터에 대해서 99.99…%의 검출
연산 속도
- CRC 연산은 CPU가 아닌 NIC 하드웨어에서 XOR 기반으로 수행
  - 속도 느림이 없이 전송이 가능하다.
- 다항식 연산이기에 단순하고 빠르다.

CRC 코드 (표준 다항식)

CRC 이름	다항식 C(x)	비트 수
CRC-8	x⁸ + x² + x + 1	8bit
CRC-10	x¹⁰ + x⁹ + x⁵ + x⁴ + x + 1	10bit
CRC-12	x¹² + x¹¹ + x³ + x² + 1	12bit
CRC-16	x¹⁶ + x¹⁵ + x² + 1	16bit
CRC-CCITT	x¹⁶ + x¹² + x⁵ + 1	16bit
CRC-32	x³² + x²⁶ + x²³ + x²² + x¹⁶ + … + 1	32bit

(참고) CRC의 하드웨어 구현

XOR Gate + Shift Register 기반 회로로 동작
제수 C(x)에 따라 XOR 게이트의 위치가 달라진다.
프레임 전송 중에 동시에 CRC 계산을 수행한다.

신뢰성 있는 전송

오류 검출 이후에 복구를 하는 방법에 대한 소개

데이터가 전송 중에 손상이 된다면 단순하게 검출하는 것만으로는 부족하다. 즉 복구가 필요하다.
복구의 두 가지 방식
- FEC (Forward Error Correction) : 송신 시 데이터에 오류 수정 정보를 함께 전송
- ARQ (Automatic Repeat Request) : 오류 검출 이후 수신자가 재전송 요청

오류 수정 코드 (FEC)

개념

FEC = Forward Error Correction
- 송신자가 미리 오류 수정용 비트 (ECC)를 데이터와 함께 보낸다.
- 수신자는 재전송이 없이 자체적으로 오류를 수정할 수 있다.
예시 : 2차원 패리티 (2D Parity) (1비트 오류는 검출 + 수정이 가능)
수신 시 행/열 교차점에서 오류 위치를 찾아서 고친다.

특징

재전송이 불가능하거나 비효율적인 환경에서 사용된다.
- 예 : 실시간 통화
- 재전송으로 늦게 도착한 데이터는 의미가 없음. (지연 > 무의미)
정확도보다는 지연 최소화가 더 중요한 경우에 적합하다.

재전송을 통한 오류 복구 (ARQ)

개념

ARQ = Automatic Repeat reQuest
- 수신자가 오류를 검출하면 송신자에게 재전송 요청을 자동으로 보낸다.
동작 원리
1. 송신자는 프레임 전송 후 ACK 대기
2. 수신자가 ACK을 보내지 않거나 오류를 검출 시, 송신자는 Timeout 이후 재전송
3. 정상 수신 시에만 다음 프레임을 전송
특징
- 재전송에는 시간/버퍼 관리가 필요하다.
- 따라서 어댑터 (NIC) 만으로는 처리가 불가능하여 노드 내 소프트웨어가 함께 담당한다.
- 계층상 데이터링크 (2계층) 기능이지만, 실제로는 호스트 내부에서 구현된다.

ARQ

자세한 동작 과정 & 오류 처리 : ARQ 응답 (ACK) 및 타임아웃

ARQ는 ACK(응답) 과 Timeout(시간 초과)를 이용해 프레임 재전송을 자동으로 수행한다.

여기서 송신자는 “상대방이 잘 받았는지” 직접 볼 수 없기 때문에

ACK 메시지를 기다렸다가 일정 시간 내에 안 오면 Timeout -> 재전송한다.

생길 수 있는 가능성들

정상 수신 / Frame 손실 / ACK 손실 / 둘 다 손실
문제점 : ACK 손실 시에 중복 프레임 전송이 발생한다. 수신자가 이를 구분하지 못 하면 데이터 중복 처리의 위험이 있다.

해결 방법 : 순서번호 (Seq. #)

ACK 분실로 인해 생긴 중복 전송 문제를 해결하기 위한 장치
- 모든 프레임에 식별자 (번호)를 붙인다.
- 수신자는 이미 받은 프레인 번호를 보고 중복 여부를 판단한다.
- ACK에도 순서번호를 붙여 송신자에게 “어디까지 받았는지”에 대해 알려준다.
동작 예시
1. 송신 : Frame0 -> 수신 : ACK0
2. 송신 : Frame1 -> 수신 : ACK1
3. ACK 분실 -> 송신자는 Timeout으로 Frame1을 재전송
4. 수신자는 “Frame1을 이미 받음” -> discard (폐기) 이후 다시 ACK1을 보낸다.

여기서 중복 프레임은 버리되, ACK는 반드시 다시 보내야 한다.

설계 원칙

상대 상태를 예측하지 말고 원칙대로 진행한다.
- 즉 ACK 를 기준으로 다음 단계로 넘어간다.
Frame과 ACK의 Seq #일치 확인이 중요하다.
송신/수신 동작을 완전히 분리하여 독립적으로 작동시켜 전송 효율이 올라간다.

성능 분석

ARQ의는 다음 4단계 동작으로 구성된다.

Error detection : 오류 검출
Acknowledgment (ACK) : 수신 확인 신호
Retransmission after Timeout : Timeout 이후 재전송
Negative ACK (NAK) : 오류 발생 시 명시적 재전송을 요청 (선택 사항)

용어 정의

t_frame : 프레임의 전송 시간

t_prop : 전파 지연 시간 (송신과 수신의 거리 영향)

ACK / NACK : 상대 상태를 확인하는 신호 (ACK : 성공, NAK : 실패)

Stop-and-Wait ARQ : 링크 사용률 분석
- 가장 기본적인 ARQ 형태로 송신자는 한 프레임을 보내고, ACK이 도착할 때까지 기다린 이후에 다음 프레임으로 전송한다.
  
  한 번에 하나씩 전송 : 구조가 단순, 효율이 낮음
- 한 주기 (전송 ~ 응답 수신) : t₍frame₎ + 2·t₍prop₎
  - 실제 전송 시간 : t₍frame₎
  - 나머지 시간 : 대기 (idle) 시간
\[U = \frac{\text{전송 시간}}{\text{전체 주기}} = \frac{t_{frame}}{t_{frame} + 2t_{prop}}\]

여기서 U는 링크 효율 사용률이다.

=> 즉, 효율을 높이기 위해서 한 번에 보낼 데이터의 길이가 크고, 거리가 짧아야 한다.
- 지연 X 대역폭 관계
  - Stop-and-wait 구조에서는 링크가 놀고 있는 구간이 많다.
    
    -> 이를 정량화 하기 위해 BDP (Bandwidth X Delay Product) 등장

BDP (Bandwidth - Delay Product) \(\text{BDP} = \text{Link Bandwidth} \times \text{Propagation Delay}\)

한순간에 링크 위에 존재할 수 있는 데이터의 양
Stop-and-Wait에서는 BDP가 클수록, 지연이 크거나 링크가 빠를수록 비효율이 증가한다.

정지 대기(Stop-and-Wait)

송신자는 한 번에 하나의 Frame만 보내고, 반드시 ACK를 받은 뒤에만 다음 프레임을 전송한다.
송신 -> 대기 -> 송신 -> 대기.. 의 반복 구조
문제점
- 파이프라인(링크)을 꽉 채우지 못한다.
- 링크 상에는 매 순간 하나의 프레임만 있기 때문에 BDP가 놀게 된다.

슬라이딩 윈도우 (Sliding Window)

송신자가 ACK를 기다리지 않고 여러 개의 프레임을 연속 전송하면, 파이프라인이 꽉 차게 된다.
- 링크 효율이 100%의 근접 가능
- 효율적인 오류 제어 + 흐름제어가 가능함.

주요 용어 정리

Outstanding Frame : ACK이 아직 오지 않은 전송 중인 프레임

Window Size (N) : 송신자가 한 번에 보낼 수 있는 프레임의 개수

ACK #n : “n번까지 잘 받았다. 다음은 n + 1을 보내라” 의미

Stop-and-Wait = Window Size 1 : 슬라이딩 윈도우의 특수한 형태

성능 \(U \propto N, \quad \frac{1}{t_{prop}}, \quad t_{frame}\)

N이 클수록 (동시에 전송 가능한 프레임의 수가 크다)
전파지연이 작을수록
프레임의 크기가 클수록 효율이 증가한다.

\[N \times t_{frame} \geq t_{frame} + 2t_{prop} \Rightarrow N \geq 1 + 2\frac{t_{prop}}{t_{frame}}\]

- 다음의 조건에서는 송신자는 ACK 대기 없이 연속 전송이 가능하다.

시간 진행 표시법 및 해석

단일선 표시 : 전송 순서 위주로 시간 관계를 단순히 표시

기울기선 표현 : 실제 시간 지연을 반영한 성능 분석용

Sliding Window 의미 : 오류 없는 경우

슬라이딩 윈도우는 단순히 buffer가 아니라 현재 보낼 수 있는 프레임의 범위를 나타낸다.
- 윈도우 크기 = 한 번에 outstanding(미확인) 상태로 유지 가능한 프레임 수
- 송신자 : 아직 ACK를 받지 않은 프레임 범위
- 수신자 : 받을 준비가 되어있는 프레임 범위
ACK는 누적 (cumulative)으로 전송이 가능하다.

중요 : 버퍼 (buffer)와 window는 다른 개념
- 버퍼 = 저장공간
- 윈도우 = 전송 허용 범위

오류가 있는 경우

여러 개의 outstanding frame 중 어느 한 곳에서도 오류가 발생할 수 있다.
두 가지의 오류 처리 정책이 존재
- Go-Back-N : 오류가 발생한 지점 이후 모든 프레임을 다시 보낸다.
  - 구현은 간단하지만 효율이 낮다
- Selective Repeat (SR) : 오류가 난 프레임만 전송한다.
  - 효율이 높지만, 구현이 복잡하다.

Selective Repeat

각 프레임이 독립적인 ACK / Timer를 가진다.
- 모든 프레임을 개별적으로 추적하고 필요한 것만 재전송한다.
동작 과정
1. Sender : ptk0, pkt1, pkt2, pkt3 전송
2. Receiver : pkt2 손실 -> 그 뒤에는 정상 수신 (out-of-order 상태)
3. 송신자 : pkt2 timeout -> pkt2만 재전송
4. Receiver : pkt2 수신 -> 순서대로 사우이 계층 전달 -> ACK2 전송
필요 조건
- Out-of-order 수신이 가능해야 한다. -> 수신 버퍼가 필요하다.
- 개별 ACK(Selective ACK) : 각 프레임마다 “정확히 받은 상태”라는 것을 전달해야 한다.
- 수신자는 정확한 수신 상태 정보를 송신자에게 알려야 한다.

Go-Back-N

오류 발생 시, 그 지점부터 다시 전송 (Go-Back)하는 구조
- 송신자는 오류가 감지되면 해당 프레임 이후 모든 Outstanding frame 재전송
- ACK는 누적방식으로 작동

구현에서의 옵션 사항

수신 1 : out-of-order frame을 저장할 것인가?

폐기해도 되고 저장해도 된다. (둘 다 가능)

수신 2 : ACK 전송 정책

no ACK 또는 duplicate Ack (누적 ACK 규칙 유지 )

송신 : 재전송 시점

모든 Outstanding 한 번에 or 각자 timeout 기반

구현의 연동 관계

수신자 동작에 따라서 구현의 차이가 발생

(저장 유무 + Ack 정책 결합으로 4가지의 경우가 발생 가능)

송신자는 항상 outstanding frame + timer 관리 기본 동작을 유지해야 한다.

버퍼링 요건

구분	필요성
송신 버퍼	필수 — 재전송 위해 보관
수신 버퍼	SR : 필수 (out-of-order 저장) / GBN : 선택 (성능 향상 용)

-> 수신자가 버퍼를 쓴다고 SR이 되는건 아니다.

Selective Repeat은 개별 ACK + 정확한 수신 정보를 송신자에게 전달해야 한다.

프로토콜 구현

에러제어는 처음으로 하드웨어가 아니라 소프트웨어로 구현되는 프로토콜
송신/수신은 동시에, 독립적으로 돌아가면서 이벤트에 반응하는 동시성 프로그램이라는 점이 관점
실제 구현 난이도는 연산 자체보다는 이벤트 순서를 정확히 정의하는데서 나온다

Go-Back-N의 세부 알고리즘 구현

송/수신쪽 모두 독립적으로 동작

송신자 쪽 동작

각 outstanding frame마다 재전송 버퍼에 저장, 타임아웃 설정
ACK 수신 시 해당 프레임의 타이머 해제, 버퍼 해제
타임아웃이면 그 지점부터 재전송

수신자 쪽

누적 ACK만 보낸다.
Out-of-order 프레임은 저장하지 않는다.

Sliding Window 세부 알고리즘

송신자 1 : 프레임마다 순서번호 부여. 송신자는 3개의 상태 변수를 유지한다.

SWS : Send Window Size (창 크기)
LAR : Last ACK Received (가장 최근에 인정된 프레임 번호)
LFS : Last Frame Sent (가장 최근에 보낸 프레임 번호)

\[LFS − LAR + 1 ≤ SWS\]

**송신자 2 ** : 이벤트별 동작

상위층 전송 요청 수신 :
- 창에 여유가 있으면 LFS++, 프레임 전송, 해당 프레임 타이머 시작
- 여유가 없으면 대기(wait)
ACK 수신 (누적 ACK, 값 = n)
- LAR을 n으로 점프 ( 그 사이 프레임 모두 인정)
- 해당 범위 타이머/버퍼 해제 -> 창 열리면 추가 전송
타임 아웃
- k부터 다시 전송 (k…LFS), 각 타이머 재설정
버퍼에는 SWS만큼 프레임 유지(재전송 대비)

수신자

RWS : Receive Window Size (수신 창)
LFA : Last Frame Acceptable (수신 창의 오른쪽 끝 번호)
NFE : Next Frame Expected (다음에 정상 도착해야할 번호)

시나리오(간단 순서)

송신: F0, F1, F2 연속 발사.
수신: F0 OK ⇒ ACK1(다음 기대는 1). F1 손실. F2 도착하지만 NFE(1)가 아니라서
- 기본 Go-Back-N: discard(저장 안 함), ACK1 반복 가능.
- 변형(저장형): 버퍼에 보관, ACK1 전송.
송신: F1 타임아웃 ⇒ F1부터 재전송(F1, F2, …).
수신: F1 정상 수용 ⇒ 연속 구간이 F0–F1이 되면서 NFE=2,
- (저장형이면 버퍼의 F2를 곧바로 연결하여 전달하고) ACK3까지 올리기도.
최종: 누적 ACK로 송신 LAR이 크게 점프, 창이 열려 다음 프레임 진행.

순서 번호 공간 (Sequence Number Space)

ARQ 오류제어에서는

프레임을 보내고 ACK를 받고 필요하면 재전송을 한다.
문제 : 헤더의 크기는 제한되어 있어서 순서번호도 제한된 범위에서만 사용이 가능하다.
- ex) 3-bit 순서번호 : 0~7까지만 반복해서 사용함
해결 : 순서번호는 계속 증가하지 않고, 순환 한다.
순서 번호 공간은 현재 전송 중인 프레임의 개수보다 커야 한다.
- outstanding 프레임들은 서로 모두 다른 SeqNum을 가져야 수신자가 구분할 수 있기 때문이다.

새로운 문제 : 재전송된 프레임과 새로운 프레임이 같은 번호를 가질 수 있다.

수신자가 구분을 못할 수도 있는데, 어떻게 구분할 것인가?

이전에 받았던 패킷의 재전송인지, 새로운 패킷인지

새로운 문제 : SWS <= 순서번호 공간 크기 는 불충분하다.

새로운 해결책: \(SWS < (순서번호 공간)의 1/2\)

Sliding Window 구현

프레임 하나하나를 실제로 보내는 건 NIC (네트워크 인터페이스 카드)
- 링크 어댑터 / 드라이버 / 하드웨어
Sliding Window는 그 바로 위에서 돌아가는 소프트웨어

1) 헤더 구조

typedef u_char SwpSeqno;

typedef struct {
    SwpSeqno SeqNum;  /* 이 패킷의 순서번호 */
    u_char   flags;   /* 최대 16bit까지의 플래그 (ACK, DATA 여부 등) */
} SWPHdr;

SwpSeqno : 순서번호 타입 (1바이트)
SWPHdr : 슬라이딩 윈도우 헤더
- SeqNum : 이 프레임의 시퀀스 번호
- flags : 이 프레임이 ACK인지, DATA 인지 등 상태 표시

2) 송신자 상태 구조

typedef struct {
    SWPSeqno LAR;  /* last ACK received: 마지막으로 성공적으로 ACK 받은 SeqNum */
    SWPSeqno LFS;  /* last frame sent: 마지막으로 보낸 프레임 번호 */

    Semaphore sendWindowNotFull; /* 송신 윈도우가 꽉 찼는지 제어하는 세마포어 */

    SWPHdr   hdr;    /* 미리 만들어 둔 기본 헤더(템플릿) */

    struct txq_slot {
        Event timeout; /* 이 프레임에 대한 타임아웃 이벤트 */
        Msg   msg;     /* 재전송을 위해 보관해 둘 프레임 복사본 */
    } sendQ[SWS];      /* 송신 윈도우 크기만큼의 버퍼 */
} SwpStateSender;

LAR / LFS
sendQ[] : 각 시퀀스 번호에 대한 프레임 복사본, 타임아웃 이벤트를 저장하는 Slot 배열

3) 수신자 상태 구조

/* receiver side state: */
SWPSeqno NFE;  /* next frame expected: 다음에 와야 할 SeqNum */

struct rxq_slot {
    int received; /* 해당 번호의 프레임을 이미 받았는지 표시 */
    Msg msg;      /* 데이터를 임시 저장 */
} recvQ[RWS];    /* 수신 윈도우 버퍼 (Receive Window Size) */

4) 송신 1

상위 계층에서 frame을 SWP에게 넘겨줄 때 호출되는 함수

static XkHandle
sendSWP(SwpState *state, Msg *frame)
{
    struct sendQ_slot *slot;
    hbuf[HLEN];

    /* 1. 송신 윈도우가 열릴 때까지 기다림 */
    semWait(&state->sendWindowNotFull);

    /* 2. 새 SeqNum 할당 (LFS 증가) */
    state->hdr.SeqNum = ++state->LFS;

    /* 3. 해당 시퀀스 번호에 대응하는 슬롯 선택 (원형 큐) */
    slot = &state->sendQ[state->hdr.SeqNum % SWS];

    /* 4. 헤더 필드를 hbuf에 저장 */
    store_swp_hdr(state->hdr, hbuf);

    /* 5. 메시지 앞에 헤더 붙이기 */
    msgAddHdr(frame, hbuf, HLEN);

    /* 6. 재전송을 위해 프레임 복사본을 sendQ에 저장 */
    msgSaveCopy(&slot->msg, frame);

    /* 7. 이 프레임에 대한 타임아웃 이벤트 예약 */
    slot->timeout = evSchedule(swpTimeout, slot, SWP_SEND_TIMEOUT);

    /* 8. 실제로 아래 계층(LINK)으로 전송 */
    return send(LINK, frame);
}

5) 송신 2

링크 계층에서 수신된 프레임을 SWP가 받았을 때 호출되는 함수
이 함수 안에서 ACK 처리 + 데이터 수신 처리 둘 다 한다.

static int
deliverSWP(SwpState *state, Msg *frame)
{
    hbuf = msgStripHdr(frame, HLEN);      // 1. 헤더 떼어내기
    load_swp_hdr(&hdr, hbuf);            // 2. 헤더 구조체로 읽기

    if (hdr.Flags & FLAG_ACK_VALID) {    // 3. ACK인가?
        /* received an acknowledgment ---- do SENDER-side */

        if (swpInWindow(hdr.AckNum, state->LAR+1, state->LFS)) {
            do {
                struct sendQ_slot *slot;

                // 4. LAR를 한 칸 앞으로 이동하며, 그 사이 프레임 정리
                slot = &state->sendQ[++state->LAR % SWS];

                // 5. 해당 프레임 타이머 취소
                evCancel(slot->timeout);

                // 6. 복사해 둔 메시지 파괴
                msgDestroy(&slot->msg);

                // 7. 윈도우가 한 칸 비었으니 세마포어 signal
                semSignal(&state->sendWindowNotFull);

            } while (state->LAR != hdr.AckNum); // 누적 ACK라서 LAR == AckNum까지 반복
        }
    }

    // 아래쪽 if (hdr.Flags & FLAG_HAS_DATA) { ... } 는
    // "이 프레임이 데이터도 포함하고 있는 경우" 처리 (수신자 측 로직) — 슬라이드 뒷부분.
}

이더넷 / FDDI

이더넷 (Ethernet)

LAN 의 대표 기술
- 빌딩 내부, 학교, 연구소 등 좁은 지역에서 쓰는 네트워크
- 빠르고 설치가 쉬워서 지금도 모든 LAN은 Ethernet 기반이다.
CSMA/CD (이더넷의 핵심 MAC 방식)
- carrier sense : 전송 전에 이미 누가 전송 중인지 반송파 신호를 감지하여 idle 판단
- multiple Access : 여러 노드가 하나의 공유 버스를 통해 동시에 접근할 수 있는 구조
- Collision Detection : 여러 노드가 동시에 송신하면 충돌 발생, 이를 감지하여 재전송을 수행함.

버스 토폴로지

Classicial Ethernet

현재는 거의 쓰지 않지만, 이더넷의 원리를 이해하는데 매우 중요
최대 세그먼트 길이 : 500m
최소 2.5m 간격으로 트랜시버 탭을 설치해야 신호 반사 문제 감소
여러 세그먼트를 리피터로 연결
- 신호를 단순하게 증폭하고 재생성하여 다음 케이블로 전달
- 두 노드 사이에 최대 리피터 개수 제한이 존재함.
호스트최대 1024개
Tree 구조
- 버스가 여러 번 갈라져서 결국 tree 형태로 확장됨
- 하지만 전체 케이블 길이 + repeater규칙은 반드시 만족해야 함.
10Base5라고도 부름 (10은 10Mbps, 5는 500m)

10BaseT Network

10Base2 : 케이블 단선/문제 발생 시 전체 네트워크가 다운되기에 매우 불편했음.
10BaseT : Twisted-Pair (UTP) 케이블 + Star Topology
- 각 호스트는 Hub로 연결
- 물리적으로는 star, 논리적 신호 흐름은 여전히 bus 처럼 브로드 캐스트 됨.

Frame format

Preamble – Dest addr – Src addr – Type – Body – CRC

Preamble : 수신측이 클럭을 동기화하기 위한 신호
Dest addr : 목적지 MAC 주소로 48비트 유니캐스트 주소 or 브로드 캐스트/ 멀티 캐스트 주소가 온다.
Src addr : 송신 측의 NIC의 MAC 주소
Type : 이 프레임 안에 들어있는 상위 프로토콜을 표시
Body : 실제 데이터 (46 byte ~ 최대 1500 byte)
CRC : 프레임 전체에 대한 에러 검출 코드

MAC 주소의 특수 형태

브로드캐스트 주소
- 48bit가 모두 1이 주소 : FF-FF-FF-FF-FF-FF
- 같은 LAN에 붙어 있는 모든 NIC가 수신
멀티캐스트 주소
- 첫 비트가 1인 MAC 주소
- 특정 그룹에 가입한 NIC들만 수신한다.

프레임 수신: 어댑터는 모든 프레임을 수신해서 호스트로 보낸다.

NIC 가 하는 일
- 물리 계층에서 올라오는 모든 비트 스트림을 프레임 단위로 재조립
- CRC를 다시 계산해 에러 검사
- 그 다음 목적지 MAC 주소를 보고 OS/호스트에 넘길지 말지를 결정

전송 알고리즘 (Transmitter Algorithm)

MAC : 다중 매체접근제어

이더넷은 한 개의 공유 매체를 여러 노드가 같이 쓰기 때문에 누가 언제 보낼지 정하는 MAC 프로토콜이 필요
경쟁방식 : 중앙에서 스케줄링해주는 제어 방식 / 예약 방식이 아니라 각 노드가 분산된 알고리즘으로 스스로 경쟁

CS : carrier sense

반송파 감지 : 전송하기 전에 회선 상태를 먼저 듣는다.
회선이 idle 이면:
- 즉시 전송 시작
- 다만 연속해서 프레임을 보낼 땐 프레임 사이에 인터프레임 갭을 기다림
회선이 busy 이면:
- idle 상태가 될 때까지 계속 감시하다가 바로 전송
- 이런 방식을 1-persistent CSMA라고 함

CD : Collision Detection

전송 중에도 계속 회선을 감시해서 충돌 여부를 확인하는 것
Why?
- 최악의 충돌 시나리오 : A와 B가 세그먼트 양 끝에 있고, 두 노드가 거의 동시에 전송 시작
- 10 Mbps 이더넷, 최대 전파 지연 → 51.2 µs (슬라이드 값)
충돌 발생시

충돌을 감지한 노드들은 jam signal로 전송해서 다른 노드에게 멈춤을 알린다.
해당 프레임 전송을 중단한다.
일정 시간 지수적으로 커지는 backoff 후 재전송 한다.

FDDI

토큰링 링 (topology) 형태의 LAN 기술
IEEE 802.5 (16Mbps) + FDDI (100Mbps, 광섬유 기반)

이더넷 = 경쟁 기반 (CSMA/CD)

토큰링 = 제어 기반 (Token Control, collision 없음)

토큰링 MAC 기본 개념

1. 프레임은 한 방향으로만 흐른다.

링 구조라서 패킷은 모든 지국을 순차적으로 통과
Upstream -> downstream 방향

2. 토큰 (Token)이라는 특별한 패턴이 링을 계속 돈다.

데이터 전송 권한을 나타내는 작은 컨트롤 프레임
토큰이 있어야만 전송이 가능하여 공평성 확보

3. 전송 흐름

지국이 토큰을 받고, 전송할 데이터가 있으면 토큰을 점유하고 데이터 전송 시작
전송이 끝나고 난 이후 토큰을 방출
프레임이 다시 송신자에게 돌아오면 송신자를 제거

동시에 토큰을 가진 노드가 존재할 수 없기 때문에 충돌이 발생할 수 없다.

FDDI 세부 특징

1-bit buffer, 모니터 지국
토큰 보유 시간 제한 : 토큰을 너무 오래 잡고 있는 독점 문제 발생 (공평성 유지 위함)
우선순위 전송 지원 : 예약 비트를 통해 높은 우선순위 traffic 전송 가능, 실시간 트래픽에서 중요한 개념
토큰 방출 방식
- 즉시 방출 : 전송 끝나고 나서 바로 토큰을 내려놓음
- 지연 방출 : 프레임이 한 바퀴 돌아올 때까지 토큰 유지

무선 LAN

IEEE 802.11 = Wi-Fi

유선 LAN 에 대응하는 무선 LAN 표준 802.11
흔히 와이파이라고 부르는 것이 바로 802.11 기반 기술이다.
세대별로 발전을 계속 함.
- 802.11b ~ 현재는 802.11be :
- 세대가 바뀌어도 하위 호환 유지가 중요한 특징
물리적 매체 : Spread Spectrum
- 802.11은 확산 스펙트럼 무선 라디오를 사용

802.11 LAN architecture

Infrastructure Mode (보편적 Wi-Fi 구조)

무선 단말은 반드시 AP(Access Point, 기지국)을 거쳐서 통신
AP가 BSS의 중심
인터넷은 AP가 라우터/스위치와 연결되어 제공

Ad hoc Mode

AP 없이 단말들끼리 직접 연결
P2P 형태의 임시 네트워크
- 예) 노트북끼리 직접 와이파이 연결, 임시 회의 공유

Wi-Fi Direct

스마트폰과 프린터 같은 1:1 직접 연결 기술

확산 스펙트럼 (Spread Spectrum)

802.11 은 공용대역 (ISM band)을 사용한다.

누구나 사용할 수 있는 대역이기에 서로의 신호 간섭/충돌을 피할수 없다.

그래서 일부로 신호를 넓은 대역에 spread하여 보내는 방식 사용

핵심 원리

신호를 원래보다 넓은 주파수 영역으로 확산하여 전송

간섭은 일시적, 사용자별로 확산 방식이 달라서 동시에 사용이 가능

포함되는 기술 CDMA

매체 접근

AP (Access Point) 하나에 A/B/C 단말이 매달려 있고, 이 무선 링크를 모두가 공유할 때
다른 무선기기와의 주파수 공유 문제는 Spread Spectrum으로 해결이 가능하다.
- 여러 장치가 같은 대역을 쓰니까 서로 간섭이 가능하다.
- 확산 스펙트럼을 써서 넓게 퍼뜨려서 간섭을 평균화 한다.
같은 BSS 안에서의 채널 공유 문제는 여전히 남아있다.
- 같은 AP에 붙은 단말들은 사실상 같은 채널 하나를 공유
- 누가 언제 보내냐는 스펙트럼으로 해결이 불가능
  - MAC (매체 접근 제어) 프로토콜이 필요
이더넷과 비슷한 점
- 이더넷처럼 CS (Carrier Sense)를 사용하여 보내기 전 채널이 비어있는지를 들을 수 있다.
- CD가 무선에서 안되는 이유 : 너무 포화되어 있어 동시에 들어오는 약한 신호 구분이 어려움. + Hidden node 문제

Hidden Node

무선 매체는 거리 장애물, 감쇠의 영향을 크게 받음
- 수신지점이 B일때, 송신자 A/C 는 서로 모르는 상황에서 idle이라고 판단? (CS가 무의미하다.)

Exposed Node

노드: B, C가 서로 가까이; A는 B쪽, D는 C쪽에 있음.
B → A, C → D 전송을 동시에 해도
- 실제로는 B 신호는 A쪽으로, C 신호는 D쪽으로 가므로 간섭 거의 없음 ⇒ 동시에 전송해도 됨.
하지만 B와 C가 서로의 신호를 충분히 들을 수 있어 동시에 보내도 되는데 괜히 멈추는 비효율 문제

CSMA/CA

C(Collision) A (Avoidance) : 충돌을 피하는 전략
기본 절차

송신자가 수신자에게 RTS (Request To send) 전송
- 너한테 데이터 보내도 되는지 알려주는 짧은 제어 프레임
수신자가 송신자에게 CTS (Clear To Send) 전송
- 내가 받을동안 다른 사람들에게 조용히 하라고 전송
RTS를 보내고 CTS를 받은 노드만 실제 데이터 프레임 전송

송신자 입장

CTS가 들리면 : 무조건 조용
- CTS안의 할당 정보 NAV 라는 정보를 포함해 수신자 주변의 충돌을 방지
RTS는 들리는데 CTS는 안들린다.
- 자기 쪽 전송을 허용 : Exposed Node 문제 어느정도 해결

rts_cts

두 번째 상황

두 개 이상의 노드가 동시에 RTS를 보내면 RTS 프레임끼리 부딪혀 충돌이 발생
- CTS가 오지 않으면 충돌로 간주
- 이 후 exponential backoff를 적용해 다시 RTS 송신을 시도

RTS/CTS의 특징

긴 데이터 프레임이 충돌나면 손실 비용이 너무 크다.
- 따라서 RTS/CTS 로 짧은 프레임끼리 충돌나게 미리 필터링
- 긴 프레임 보호 효과
비용 대비 효과적 : 충돌 확률이 높고, 프레임 길이가 긴 경우에 효과적인 상황

Mobility

Case 1 : ad hoc networking

AP 없이 노드끼리 직접 연결
이동성 지원은 네트워크 구조 자체가 단순해서 복잡하지 않다.

Case 2 : Access Point(AP) 기반 네트워크

일반적으로 사용하는 Wi-Fi 구조
고정 위치이지만, 사용자는 움직일 수 있음.
움직여서 현재 AP와 연결이 끊기면 다음 AP로 핸드오프

BSS 접속 / 가입

1) 스캐닝 (Scanning) : AP를 찾는 과정

능동 스캐닝
- 단말이 Probe Frame을 브로드 캐스트
- 근처 모든 AP가 Probe Response로 응답
- 단말이 이 응답들을 보고 어느 AP가 가장 좋은지 결정
수동 스캐닝
- 단말이 가만히 있다가 AP가 주기적으로 보내는 Beacond 프레임을 수신
- 배더리 절약, 기본 탐색 방식

2) Association 과정

단말이 선택한 AP에게 Association Request 전송
AP가 Association Response로 허용
새 AP가 DS를 통해 기존 AP에 붙었다는 것을 알려줌 (roaming 처리)

3) Mobility 지원

사용자가 움직이면 자동으로 더 좋은 AP로 접속 전환 (BSS transition)
IP는 그대로 유지됨. (같은 DS 내에서는 당연히 유지됨) - Wi-Fi 내 이동성

네트워크 어댑터

네트워크 어댑터 (NIC) = 데이터 링크 기능이 구현되는 하드웨어

세 가지의 기능이 반드시 들어있다.

프레이밍
- Link 계층 프레임 생성과 해석
- 헤더 붙이고 떼고, CRC 검증 등 수행
오류 검출 (Error detection)
- CRC32 등을 통해 프레임 손상 여부 확인
MAC (Media Access Control)
- CSMA/CD, CSMA/CA 등 실제 매체 접근 알고리즘을 수행
- 언제 전송해야하는지를 결정하는 곳

CSR (Control Status Register)

NIC는 CSR이라는 레지스터 집합을 갖고 있으며, CPU가 NIC를 제어할 때 CSR을 읽고 쓴다.

NIC 상태를 CPU가 읽음.
- 인터럽트 발생 여부
- 초기화 완료 여부
- 오류 발생 여부 등
CPU가 NIC에 명령을 전달
- 초기화, 전송 시작, 인터럽트 on/off 등

호스트-어댑터 사이의 프레임 이동

1. DMA (Directd Memory Access)

NIC가 CPU 개입 없이 메모리에 직접 접근하여 데이터 읽고/쓰기
CPU는 주소만 세팅해주고 일은 NIC가 처리
고속이고 효율적이여서 high-spped NIC는 대부분 DMA를 사용한다.

Buffer Descriptor List : NIC가 어느 메모리 주소에 프레임을 넣어야 하는지/꺼내야 하는지 정의한 목록

2. PIO (Programmed I/O)

CPU가 직접 NIC와 메모리 사이를 복사
- CPU 오버헤드가 크고, 속도가 느리다
- 단순하지만 비효율적

둘 중 무엇이 더 나은가?

상황과 성능 요구에 따라 다르다.
현대 NIC는 거의 DMA를 사용하긴함.

Twitter Facebook LinkedIn