오늘은 여러 Station(Computer)가 통신하는 네트워크 환경에 대해 알아볼 에정이다.

Basic Terminologies

Five Basic Terminologies

Message

  • Information to be communicated

말 그대로 통신을 통해 전달되는 정보의 모든 것들을 의미한다. 영상,소리,텍스트들 말이다.

Sender

  • the device tht sends the data messge

Receiver

  • the device that receives the message

Medium

  • Physical path by whice message travels from sender to receiver

통신을 보내기 위해 정보를 실어나르는 물리적 실체들을 의미한다.
wire나 cale 무선일 경우에는 wave가 있다.

Protocol

  • set of rules that govern data communication

통신을 할 때는 규칙이 필요한데 컴퓨터 네트워크에서는 rule을 Protocol이라고 부른다.

Basic Terminologies를 시각적으로 표현하면

Data Flow Direction

컴퓨터 네트워크에서 정보를 주고 받는 방향별 명칭

  • Simplex:보내고 받는 관계가 정해져있고 바뀌지 않는다.
  • Half duplex: data 흐름이 양방향이지만 동시에 이루어지지는 않는다.
  • Full-duplex: data흐름이 양방향으로 동시에 이루어진다.

Physicl Structure

컴퓨터 네트워크에서 Medium의 연결 방식에 대한 명칭

  • Point to Point : 1개의 medium의 2개의 station (point)만을 연결한다.

  • Multi Point : 1개의 medium이 Link역할을 하고 여러 station이 branch로 Link에 연결되어 1개의 medium이 여러 Station과 네트워크를 형성한다.

Physicl Topology

컴퓨터 네트워크의 대표적인 연결 형태들

Mesh Topology (Full mesh)

  • Station끼리 서로 직접 연결된 형태를 Full Mesh Topology 방식이라고 한다.

  • 장점: station 간에 연결이 있기 때문에 (다른 곳을 거치지 않아도 되므로) 보안을 유지할 수 있으며 한 곳이 끊겨도 다른 루트를 통해 전달할 수 있기 때문에 robust하다.

  • 단점: cabling의 수가 많아진다.

State (or Tree) Topology

  • Station들이 하나의 중앙화 된 Hub에 연결된 형태이다.

  • 장점: 각 디바이스는 하나의 Link로 Hub로 연결되면 되기 때문에 구축이 쉽고 또한 Link끼리는 독립적이므로 하나가 끊겨도 다른 Station은 작동한다. (Robust)

  • 단점: Hub가 고장나면 모든 네트워크가 망가지며 또한 Hub가 털리면 모든 station 통신 또한 볼수 있기 때문에 Privacy에 취약하다.

Bus Topology.

  • 하나의 Medium에 여러 station이 branch 로 연결된 아까 본 multipoint와 유사하다.
  • 장점: 구축이 쉽다.
  • 단점: 중앙 케이블이 망가지면 전체 네트워크가 멈춘다., 통신이 얽혀 충돌이 발생하면 답이 없다.

Ring Topology

  • Bus Topology를 둘러서 환 형태로 만든 방식이다.
  • 장점: Bus Topology와 동일
  • 단점: undirectional traffic 즉 서로 얽히면 답이 없고 다 망가져 버린다. 그리고 ring 한 곳이 망가지면 전체 네트워크가 작동을 못할 수 있다. (needs dual rings)

Hybrid

Categories of Networks

네트워크 규모에 대한 명칭 - PAN/BAN은 LAN보다도 작은 규모다. PAN은 블루투스 BAN은 모 안에 임플란트 방식으로 시어넣는 등의 인체 통신망이다.

Local Area Network

대학교나 회사등 어떤 단체에서 공유하는 네트워크다.

Metropolitan Area Network


LAN들이 모여모여 더 큰규모가 된 경우 Metropolitan Area Network라고 부른다.

Wide Area Network

Wide Area Network는 규모를 의미하지는 않고 먼 거리의 서로 다른 네트워크를 연결하는 그 자체를 의미한다. 먼 거리의 MAN과 MAN끼리 연결하는 WAN일 수도 있고 먼 거리의 LAN과 LAN을 연결하는 WAN이 될 수도 있다. 아무튼 WAN은 네트워크 규모를 의미하지는 않는다.,

Standard

상호 연동성의 기준

  • De facto: 세상에는 많은 OS가 있지만 이거 써라고 강요를 하지 않아도 MS나 MAC Linux를 사용한다. 즉, 법으로 명시되지 않아도 사람들의 관습상 표준이 된 경우를 De Facto라고 한다.
  • DEe jure: 문서로 Protocol이 명시되어 있어 상호 연동이 되기 위해서는 Protocol을 지켜야 한다.

MAC Overview

보내는 방식에 따라 중앙화된 권력 없이 자기 보내고 싶을 때 보내는 Random-Access-Protocols와 중앙화된 권력이 순서를 할당해 주는 Controlled-Access-Protocols 방식이 있고 medium 공유 방식에 따라 주파수를 나누면 FDMA 한 주파수에서 여러 정보를 압축해서 고속으로 보내면 TDMA 코드를 더해 암호화하면 CDMA가 있다.

Random Access Protocols

특징

  • No Station is superior to another station
  • None is assigned control over another
    즉, 누구의 통제 없이 자기가 보내고 싶을 때 보낸다. 딱 보면 알겠지만 이러면 서로 충돌해 개판이 날 가능성이 높다.(Random Access Protocols들의 치명적인 단점) 하지만 장점도 있다. 내가 데이터를 보내고 싶을 때 바로 보낼 수 있기 때문에 지연이 Controlled-Access-Protocols 보다는 적다.

ALOHA (하와이에서 만들었기에 알로하~~)

ALOHA는 가장 초기의 random access method로 하와이에서 만들어졌다. 위에서 설명했듯이 Random Access Protocols 방식은 누구도 통제를 하지 않기 때문에 자칫 서로 충돌해 데이터가 망가질 가능성이 있다. ALOHA는 만약 보낸 데이터가 파손이 되어 ACK를 받지 못했다면 ACK를 받을 때까지 계속 데이터를 송신한다. 이것이 가능한 이유는 당시는 데이터량이 그리 많지 않았기 때문이다. (70년대야 70년대!!)

Choose R은 Random으로 뜸일 들인다는 건데 만약 모든 station들의 R이 random이 아니라 일정한 주기로 뜸을 들인다면 지금 발생한 collision이 주기를 뛰면서 발생할 수 잇다. 그러므로 random하게 뜸을 들임으로써 collision을 방지한다.

Slotted ALOHA Network

ALOHA에서 발생하는 Collision을 방지하기 위한 방식으로 보내는 시간대를 구간별로 정함으로써 충돌이 일어나는 경우를 줄이는 노력을 하였다.

CSMA

Random Acceses Protocol의 단점은 서로 충돌이 발생하는 것이라 하였다. 그런데 만약 보내기 전에 지금 누가 쓰고 있는지 확인한다면? 그것이 바로 CSMA 방식이다. CSMA는 Carrier Sense Multiple Access의 준말로 Carrier Sense가 누가 쓰고 있는지 듣는다는 의미이다.

하지만 문제가 있다. 지금 내 앞에 cable을 통해 아무도 쓰고 있지 않는다고 그 cable이 완전히 비었다고 확신할 수 없다. 좀 먼 거리에서 누가 데이터를 전송했다면 지금은 내가 그걸 캐치하지 못한다. 이러면 결국 충돌이 발생한다.
(충돌이 발생하면 쓰레기가 되어 모두 다시 보내야 한다.)

Behavior of Three persistence methods

CSMA는 지금 medium이 누가 쓰고 있는지 확인한다고 했다. 그러면 어떻게 확인하냐? 3가지 방식이 있다.

  • 1-persistent: 계속 확인한다.
  • Nonpersistent: 간격을 두고 (randomly) 확인한다.
  • p-persistent: 1-persistent에 간격을 둔다.

CSMA/CD

CSMA는 보내기 전에 Medium을 확인하지만 일단 보내고 나면 절대 확인하지 않는다 .그러므로 Collision이 발생한다. 일단 collsion이 발생하면 그 구간의 데이터는 모조리 trash가 된다. 그러면 보내고 나서 충돌을 확인하고 이후 대처를 할 수는 없을까? 그것이 바로 CSMA/CD 방식이다.

CSMA/CD: CSMA/CD augments the algorithm to handle the collision.In this method, a station monitors the medium after it sends a frame to see if the transmission was
successful.

일단 collision을 감지하면 일단 멈추기 때문에 collision 발생 면적이 확연히 줄어드는 것을 확인할 수 있다.

CSMA/CA

CSMA/CA는 주로 무선 통신에서 많이 사용된다. (아직도) 무선 통신은 유선 통신과 달리 station간에 occlusion이 많이 발생하기 때문에 CSMA/CD와는 다른 원리를 사용한다.

  • RTS 메세지를 모든 네트워크에 보낸다.
  • 수신 station이 RTS를 확인하면 모든 네트워크에 CTS를 보낸다.
  • 이제 AB이외의 station은 네트워크 통신을 멈춘다. (NAV)
  • AB간에 communication이 끝나면 ACK를 퍼트린다. .이후 다른 네트워크가 서로 소통을 한다.

고레고레 소리를 지르는 것처럼 보인다. 이것은 다른 네트워크에게 하는 작업을 멈추라는 신호를 보내기 위함이다. 하지만 멀리 있는 네트워크는 rts cts가 오기까지 시간이 걸리기 때문에 collision을 원천적으로는 막을 수 없다.

RAP 정리

RAP 은 중앙이 교통 정리를 하지 않는다. 그러므로 Collision이 발생할 가능성이 높다. 초기 ALOHA는 통신량이 많지 않았기 때문에 collision이 발생하여 ack를 받지 못했다면 뜸을 들이며 계속 데이터를 보냈다. 그리고 CSMA 방식은 보내기전 medium이 사용되고 있는지 확인한 후 데이터를 보낸다. 하지만 일단 보내면 눈치를 보지 않기 때문에 이후 collision을 대처하지 못한다. CSMA/CD는 만약 충돌를 확인하면 일단 멈춘다. 아직 유선 통신에서 사용한다.
CSMA/CA는 RTS와CTS 그리고 ACK 신호를 사용하여 collision을 막으려 하였다.

Controlled Access Protocols

RAP와는 달리 통신 순서를 중앙에서 할당해주기 때문에 Collision은 발생하지 않는다. 하지만 내가 보내고 싶을 때 바로 보낼 수 없기 때문에 지연이 발생한다.

Reservation access method


중앙에서 보낼 수 있는 시간표를 전달한다. 하지만 이 방식은 보내고 싶을 때 보낼 수 없는 지연이 발생하며 또한 만약 station 1이 지금 보낼 수 있는 시간이 주어졌는데 막상 station1은 보낼 데이터가 없다면 낭비다.

Polling

모든 데이터는 primary device를 거치며 primary device는 각 기기에게 통신을지금 해야하는지 물어보며 할당을 한다. (시간표와는 다르다.)

  • Polling works with topologies in whice one device is designated as a primary station and the other devices are secondary stations
  • all data exchanges must be made through the primary device even when the ultimate destination is a secondary device
  • The primary device controls the link

중앙 통제자가 데이터 매개 역할을 한다.

Token Passing (권한을 주고 받는다. 권한을 받으며 다 닥치고 있어라.)

  • The stations in a network are organized in a logical ring
  • There is a predecessor and a successor
  • The predecessor is the station which is logically beforethe station in the ring; the successor is the station which is after the station in the ring.

Channelization Protocols

medium을 다들 어떻게 share할 것인가? (multiple access)

FDMA (Frequency-division multiple access) 아날로그 1세대 통신

  • Each station 은 부분 band를 데이터를 보내기 위해 할당 받는다.
  • 즉 각 brand는 특정 station을 위해 예약되고 계속 그 station 것이 된다.

TDMA (TIME DIVISION MULTIPLE ACCESS) 디지털 2세대 통신

  • 주파수 부분을 할당하는 게 아니라 전체를 모두 공유한다.
  • 대신 각 STATION은 특정 TIME SLOT을 배정받는다.
  • DATA는 TIME SLOT에 압축하고 서로 모아 고속으로 보낸다.

FDMA에 비해 비용 절감.

이후는 TDMAA + FDMA 혼합도 개발되었다.

CDMA(Code-division multiple access) 3세대 통신





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