[CS] 네트워크 - MAC 계층

LLC 계층과 MAC 계층

LAN 환경에서 데이터링크 계층을 LLC 계층과 MAC 계층으로 나누어 처리한다.

LLC(Logical Link Control)

• 데이터링크 계층의 기본 기능이 담겨져 있다.
• WAN의 데이터링크 계층과 거의 유사하다.
• LAN 특성에 따라서 차이가 있을 수는 있다.

MAC(Medium Access Control)

• 물리적 선로의 특징과 매체간의 연결방식에 따른 제어
• 이더넷, 토큰 링, 토큰 버스 등이 대표적인 예이다.

IEEE 802 시리즈

IEEE에서 LAN 표준안 연구결과를 802 시리즈로 발표했다.

802.1, 802.2, 802.3 등이 있다.

 

MAC

다중 접근 채널방식을 이용하여 공유매체에 프레임을 전송하는 방식에서는 충돌 발생 가능성이 존재한다.

해결 방안으로는 충돌 허용 후 후속 조치(ex) 이더넷)를 하는 방식과 충돌을 차단하는 방식(ex) 타임 슬롯 배정)이 있다.

토큰 버스

• 물리적으로는 버스 구조이나 논리적으로는 링 구조이다.
• 토큰이라고 부르는 제어 프레임을 사용한다.

토큰 링

• 순환 구조의 전송매체이다.
• 대기 모드와 전송 모드로 동작한다.

 

이더넷 (IEEE 802.3)

1-persistent CSMA/CD 방식의 LAN 환경을 규정한다.

1-persistent CSMA

• 프레임을 전송하기 전에 채널 사용 여부를 확인한다.
• 채널이 사용중이면 유휴 상태까지 대기하고, 유휴 상태라면 확률 1의 조건으로 프레임을 전송한다.
• 둘 이상의 호스트에서 동시에 유휴 상태로 판단하면 충돌이 발생한다.
• 충돌이 발생하면 임의의 시간 동안 대기 후 처음부터 시작한다.

CD(Collision Detection)

• 둘 이상의 호스트에서 채널이 유휴 상태라고 판단할 수 있다.
• 이런 경우 프레임 전송 과정에서 충돌이 발생한다.
• 따라서 충돌 감지 기능이 필수적으로 요구된다.
• 충돌이 감지되면 진행중인 프레임의 전송을 중지한다.

Non-persistent CSMA

• 프레임을 전송하기 전에 채널 사용 여부를 확인한다.
• 채널이 사용 중이면 더 이상 유휴 상태를 확인하지 않는다.
• 대신 임의의 시간 동간 대기 후 다시 채널 감지를 시작한다.
• 1-persistent 방식보다 충돌 확률을 줄일 수 있다.

P-persistent CSMA

• 슬롯 채널 방식에서 주로 사용한다.
• 프레임을 전송하기 전에 채널 사용 여부를 확인한다.
• 채널이 사용 중이면 다음 슬롯까지 대기후 다시 채널 감지를 시작한다.
• 채널이 유휴 상태면 p의 확률로 프레임을 전송한다.

 

프레임

MAC 프레임 = MAC 헤더 + LLC 프레임 + MAC 트레일러

• LLC 프레임은 LLC 계층이 MAC 계층에게 전송하도록 요청한 데이터를 말한다.

이더넷 프레임의 구조

• MAC 헤더
  • Preamble: 수신 호스트가 송신 호스트의 클록 동기를 맞추는 용도이다.
  • start Delimiter: 프레임의 시작 위치를 구분한다.
  • Destination Address: 수신 호스트의 MAC 주소이다.
  • Source Address: 송신 호스트의 MAC 주소
  • Length: Data 필드에 포함된 가변 길이의 전송 데이터 크기
• LLC 프레임
  • DATA 이다.
• LLC 트레일러
  • PAD, Checksum이 있다.

 

연결방식

고전적인 연결 방식: 트랜시버, 리피터

요즘은 허브와 스위치를 사용한다. (허브, 스위칭 허브)

 

허브와 스위치

허브

• 각 호스트는 외형상 스타형 구조로 허브에 연결한다.
• 내부적인 동작 원리는 공유 버스 방식을 사용한다.

스위치 허브

• 스위치의 기능은 다음과 같다.
  • 모든 호스트에게 프레임을 전송하지 않고, 목적지로 지정된 호스트에게만 프레임을 전송한다.
  • 동시에 여러 호스트가 데이터를 전송할 수 있다.
• 장점은 다음과 같다.
  • 스위치 허브의 용량이 허용되면 각각의 호스트는 할당된 LAN 용량을 모두 사용한다.
  • 일반 허브를 스위치 허브로 교체하는 과정이 간단하다.

토큰 버스

IEEE 802.3의 단점

• 네트워크 트래픽이 심할 때 특정 호스트가 오랫동안 프레임을 전송할 수 없는 상황이 발생할 수 있다.
• 프레임 우선 순위 개념이 없다.

위의 단점으로 호스트가 순서를 정해 전송하는 기능이 필요해졌다.

프레임 구조

• MAC 헤더
  • Preamble: 수신 호스트가 송신 호스트의 클록 동기를 맞추는 용도이다.
  • Start Delimiter: 프레임의 시작 위치를 구분한다.
  • Frame Control: 데이터 프레임과 제어 프레임을 구분한다.
  • Destination Address: 수신 호스트의 MAC 주소
  • Source Address: 송신 호스트의 MAC 주소
• LLC 프레임
  • DATA
• LLC 트레일러
  • Checksum: 데이터 변형 오류를 감지한다.
  • End Delimiter: 프레임의 끝 위치를 구분한다.
  • Frame Control: 토큰 프레임과 데이터 프레임이 있다.

토큰 링

점대점으로 연결한 호스트가 순환 구조로 LAN을 구성한다.

모니터 호스트

• 링에 연결된 호스트 중에서 특별 임무를 부여 받은 관리 호스트이다.
• 토큰 생성 기능: 토큰을 보유한 호스트의 고장 등의 원인에 의한 토큰 분실이 될 수 있는데 모니터 호스트가 이를 감지하여 토큰을 재생성한다.
• 데이터의 무한 순환 방지: 송신 호스트가 전송 데이터를 회수하지 않는 오류가 나타날 때 전송 데이터를 회수한 후 토큰을 만들어 준다.

프레임 구조

• 토큰 프레임: SD, AC, ED의 세 필드로 구성된다.
• 데이터 프레임: SD, AC, FC, ED, FS가 있다.
• SD/ED(Start Delimiter/End Delimiter): 프레임의 시작과 끝을 구분하는 역할을 한다.
• AC(Access Control)
  • T 비트: 토큰 프레임(T=0)과 일반 프레임(T=1)을 구분한다.
  • M 비트: 모니터 호스트가 사용한다. 모니터 호스트를 지날 때 M=1로 지정하고 M=1인 상태로 모니터 호스트를 지나가면 송신 호스트의 회수 기능 오류로 간주한다.
• FC(Frame Control)
  • 제어용 MAC 프레임과 LLC 프레임이 있다.
• FS (Frame Status)
  • 프레임의 수신 호스트가 송신 호스트에게 응답하는 기능을 제공한다.
  • A 비트: 수신 호스트가 접근(Access)했다는 표시로 1로 지정한다.
  • C 비트: 수신 호스트가 자신의 내부 버퍼에 보관 했다는 표시로 1로 지정한다.
  • A, C 모두 한 쌍으로 이루어져 신뢰성을 담보한다.