Ethernet의 ether = passive

IEEE Standard for LANs

• Token ring: physical ring을 의미
• Token bus: logical ring을 의미

MAC Protocols

Multiple-Access Protocols

• Random-access protocols
  • ALOHA
  • CSMA/CD
  • CSMA/CA
    가장 편리한 방법이지만, 여러가지 문제가 발생할 수 있는 protocols
• Controlled-access protocols
  • Reservation
  • Polling: Primary station이 Secondary station에게 ask (LAN에서는 누가 primary 역할을 수행하느냐?)
  • Token passing (physical ring, dual ring, bus ring, star ring)
• Channelization protocols
  • FDMA
  • TDMA
  • CDMA
    Channel을 생성 $\rarr$ LAN에서는 사용 X, Channel을 결정할 base station이 없기 때문

Ethernet

Traditional Ethernet

ALOHA

• Random access protocols
• 무선 networks에 사용
• Station은 어느때나 frame을 전송할 수 있다.

Pure ALOHA

어느때든 frame의 전송이 가능

• 위 그림에서 발생한 Collision duration동안 모든 frame의 전송이 이뤄지지 못해 의미없는 시간의 낭비가 발생

전체적인 flow chart

• K는 반복횟수를 의미

Slotted ALOHA

Pure ALOHA의 충돌 문제 해결을 위함
시간을 slot 단위로 나누어 data를 한 slot동안만 전송 $\rarr$ 충돌이 발생하더라도 1 slot동안의 충돌
현재 누가 전송 중인지를 확인해야 충돌을 방지할 수 있다 (Carrier Sensing으로 주파수 확인)

Slotted ALOHA의 flow chart 출처

CSMA/CD Precursors

Pure, Slotted ALOHA에서는 Carrier Sensing을 수행하지 않는다.

Carrier Sense Multiple Access(CSMA)

• Station이 다른 전송이 이뤄지고 있는지 확인
• idle하다면, 전송을 수행하고 ACK을 waiting
• ACK이 전송되지 않는 경우, station은 충돌이라 가정하고 재전송

Multiple access에 대한 문제

위와 같이 여러 station이 동시에 Sensing, idle을 확인하고 전송을 수행하게 되면 충돌이 발생

CSMA Persistence and Back-off

• 1-Persistent
  • channel이 busy한 경우, wait하다가 이전 전송이 끝나자마자 바로 전송 수행
  • ACK을 받지 못한 경우 Collision으로 판단
• P-Persistent
  • P이 확률로 channel에 접근
• Nonpersistent
  • channel이 busy한 경우, random time동안 wait하다가, 다시 channel sensing 반복

Description of CSMA/CD

ethernet에서 사용하는 media access protocols

1. medium(channel)이 idel한 경우, 전송 수행
2. busy하다면, channel이 idle할 때까지 wait하다가 listen
3. data를 보내는 상황에서, Collision이 감지되면, 짧은 jamming signal을 모든 stations에 전송함으로써 현재 medium에 충돌이 발생했음을 알림 $\rarr$ 다른 station도 충돌을 감지하고 data를 전송하지 않도록 함
4. jamming signal을 전송한 후, random time동안 wait(=backoff)한 후 재전송을 수행

전체적인 flow chart

• Collision detection: 전송한 신호를 그대로 다시 수신하였을 때, 전송한 신호와 수신한 신호가 다르다면 collision이 발생한 것으로 감지
• Jamming signal: 엉망진창인 신호를 전송하여 다른 신호들까지도 망쳐버리는 신호
• Random Number R: 0 ~ $2^K$-1 (K: 시도 횟수)
  • 시도 횟수에 비례하여 $2^x$만큼 증가 (Binary exponential)
  • 범위가 점점 넓어지면서 random number가 서로 달라질 확률이 증가하여 충돌할 확률 $\darr$

IEEE 802.3(CSMA/CD사용)은 1-Persistent 사용

Binary Exponential Backoff

• IEEE 802.3 & Ethernet은 모두 binary exponential back-off를 사용
• 첫 10번의 시도에서는, random delay가 doubled (random 선택 범위가 2배씩 증가 $\rarr$ 점점 증가폭이 커짐)
• 다음 추가적인 6번의 시도에서는 범위 그대로 사용
• 16번 모두 실패한 경우, station은 전송 포기

Collision Detection

On baseband bus
Collision은 높은 signal voltage를 생성

On twisted pair(star-topology)
Special collision presence signal을 사용 (signal 전송용 line과 collision 감지용 line이 존재)

IEEE 802.3 MAC Frame Format

Frame의 이전에서 10101010... bit sequence로 sync를 맞춤

• SFD: Frame의 시작을 알리는 bit sequence (10101011)
• Address field: 물리적인 주소 (MAC 주소)
• Data and padding
  • Min & Max length가 존재 (전송 data의 크기에 대한 제한)
    • 충돌을 감지할 수 있는 최대 시간동안은 상대방이 data 전체를 내보내지 못하게 하기 위해 필요

Ethernet은 수신된 data에 error가 있는 경우 무조건 DROP!

IEEE 802.3 10-Mbps Physical Layer Medium Alternatives

ex. 10BASE5

• 10: 속도
• BASE: Baseband를 의미, 주어진 주파수 대역을 모두 사용하여 전송
• 5: 거리(=굵기와 비례)
  

Type of Ethernet

Bridged Ethernet: Bridge로 ethernet을 연결
Switched Ethernet: Switch로 ethernet을 연결
Full-duplex Ethernet

Bridged Ethernet

bridging을 수행하는 경우와 그렇지 않은 경우

• With bridging: LAN Segment의 독립성을 보존하여 MAC protocol들이 달라도 처리 가능

Switched Ethernet

Switch가 traffic을 분리

Full-Duplex Ethernet

CSMA/CD가 필요 없음 $\rarr$ Data에 대한 송수신이 동시에 이뤄지기 때문

Fast Ethernet

• data rate이 100Mbps까지 증가
• Standard Ethernet과 호환 가능
• 동일한 48-bit address 사용, 동일한 frame format 사용

Access method

• 거리를 짧게 함으로써 data rate을 향상
• Link-layer switch (CSMA/CD가 필요 X)

Encoding for Fast Ethernet

line encoding의 향상, 거리의 감소, 전송 매체의 향상으로 data rate을 증가시켰다.

Gigabit Ethernet

• data rate이 1Gbps까지 증가
• Standard or Fast Ethernet과 호환 가능
• 동일한 48-bit address와 frame format 사용
• 동일한 minimum & maximum frame length 사용

MAC Sublayer

• Full-Duplex Mode
  • CSMA/CD 필요 없음 (송수신이 동시에 이뤄지기 때문에 충돌 발생 X)
• Half-Duplex Mode
  • 충돌이 발생할 수 있다.

Encoding for Gigabit Ethernet

100BASE-TX와 비교했을 때, 전송 매체가 향상되었고, line encoding이 향상 (물리적인 방법으로 ethernet 향상)

10Gbps Ethernet

• data rate이 10Gbps까지 증가
• fiber-optic technologies에서만 가능 (cost $\uarr \uarr$)

100-Gbps Ethernet Configuration for Massive Blade Server Site

여러 Racks와 이를 제어하는 Top Of Rack(TOR) switch로 구성