Multiple Access Protocols

Multiple Access Links

두 가지 기본적인 링크 유형에 대해 알아보자.

Point-to-Point Link

• 특정한 두 장치 간의 직접적인 연결을 의미한다.

• 예시

  • PPP (Point-to-Point Protocol): 다이얼업 접속에 사용되며, 두 장치 간의 단일 연결을 설정하여 데이터를 전송한다.

  • 두 라우터 간의 연결: 두 네트워크 노드 사이에 전용 통신 경로를 제공한다.

Broadcast (Shared wire or media)

• 하나의 링크를 여러 장치가 공유하는 통신 방식

• 예시

  • 구식 이더넷: 여러 컴퓨터가 하나의 케이블을 공유하여 데이터를 교환할 수 있다.
    
  • 802.11 무선 LAN: 무선 주파수를 공유하는 여러 장치가 네트워크 통신을 수행할 수 있다.
    
  • 위성 통신: 위성을 통해 데이터를 송수신하는 여러 장치가 동일한 주파수 대역을 사용한다.
    

Multiple Access Protocols

네트워크에서 공유되는 방송 채널을 사용할 때 몇 가지 문제가 발생할 수 있다.

• 단일 공유 방송 채널:

  • 네트워크 내의 모든 노드가 하나의 방송 채널을 공유하고 있음을 의미한다.

  • 이러한 구조는 효율적이지만, 트래픽 관리가 중요하다.

• 동시 전송과 간섭:

  • 두 개 이상의 노드가 동시에 데이터를 전송하려 할 때 발생할 수 있다.

  • 이 경우 간섭이나 충돌이 발생할 수 있으며, 이는 데이터 손실로 이어질 수 있다.

• 다중 접근 프로토콜의 역할:

  • 이는 분산된 알고리즘으로, 어느 노드가 언제 채널을 사용할 수 있는지를 결정한다.

  • 이 프로토콜은 채널의 공정한 사용과 충돌 최소화를 보장하는 데 중요하다.

  • 모든 채널 공유 통신은 해당 채널 자체를 사용해야 하며, 별도의 조정 채널 없이 이루어진다.

이상적인 다중 접근 프로토콜 조건

1. 단일 노드 전송 시:

   • 단일 노드가 전송하고자 할 때, 그 노드는 주어진 채널의 전체 대역폭(R bps)을 사용할 수 있어야 한다.

2. 다수 노드 전송 시:

   • M개의 노드가 동시에 전송하고자 할 때, 각 노드는 평균적으로 R/M의 전송 속도를 갖는다.

   • 이는 자원이 공정하게 분배되어야 함을 의미한다.

3. 완전 분산형:

   • 특별한 노드 없이 모든 노드가 독립적으로 전송을 조정할 수 있어야 한다.

   • 시간 동기화나 슬롯 할당 없이 자율적으로 네트워크 접근이 가능해야 한다.

4. 단순성:

   • 프로토콜은 구현과 관리가 용이해야 하며, 네트워크 내 모든 노드에 의해 쉽게 실행될 수 있어야 한다.

MAC Protocol 분류

채널 분할 (Channel Partitioning)

• 목적: 네트워크 채널을 더 작은 조각(시간 슬롯, 주파수 대역, 코드)으로 나누어 각 노드에게 독점적으로 할당한다.

• 작동 방식: 각 노드는 할당된 시간, 주파수 또는 코드를 통해 데이터를 전송할 수 있으며, 이를 통해 네트워크의 충돌을 방지한다.

• 예시: TDMA(Time Division Multiple Access), FDMA(Frequency Division Multiple Access), CDMA(Code Division Multiple Access).

무작위 접근 (Random Access)

• 목적: 채널을 특정 노드에 할당하지 않고, 모든 노드가 자유롭게 접근할 수 있도록 한다.

  • 이 방식은 충돌을 허용하지만 충돌 발생 시 회복 메커니즘을 사용한다.

• 작동 방식: 모든 노드가 필요할 때 채널에 접근할 수 있으며, 충돌이 감지되면 다양한 알고리즘(예: 충돌 감지 후 재전송)을 통해 충돌에서 회복한다.

• 예시: CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), ALOHA.

차례로 접근 (Taking Turns)

• 목적: 네트워크의 노드가 순차적으로 통신할 수 있도록 차례를 정하여 공정하게 네트워크 자원을 사용한다.

  • 전송할 데이터가 많은 노드는 더 긴 시간 동안 네트워크를 사용할 수 있습니다.

• 작동 방식: 노드들은 정해진 순서나 규칙에 따라 네트워크 자원을 사용하며, 이 방식은 충돌을 효과적으로 예방한다.

• 예시: 토큰 링(Token Ring), 토큰 버스(Token Bus).

Channel Partitioning MAC Protocols

채널 분할 방식의 MAC 프로토콜인 TDMA(Time Division Multiple Access)와 FDMA(Frequency Division Multiple Access)에 대해 알아보자.

TDMA (Time Division Multiple Access)

• 원리: TDMA는 채널을 시간 슬롯으로 나누어 각 스테이션이 고정된 시간 동안 전송할 수 있도록 한다.

  • 이 방식은 라운드를 통해 반복되며, 각 스테이션이 정해진 시간에만 데이터를 전송할 수 있다.

• 시간 슬롯 사용: 예를 들어 6개 스테이션의 LAN에서 1, 3, 4번 스테이션만 데이터를 보낼 것이 있으면, 2, 5, 6번 슬롯은 사용되지 않고 비어 있다.

  • 이는 자원이 낭비될 수 있다는 단점을 갖고 있다.

• 효과: 충돌 없이 순차적인 데이터 전송이 가능하며, 네트워크의 예측 가능성과 안정성을 제공한다.

FDMA (Frequency Division Multiple Access)

• 원리: FDMA는 채널의 주파수 스펙트럼을 여러 주파수 대역으로 나누어 각 스테이션이 고정된 주파수 대역을 사용하도록 한다.

  • 각 스테이션은 할당된 주파수에서만 전송할 수 있다.

• 주파수 대역 사용: 6개 스테이션의 LAN에서 1, 3, 4번 스테이션이 데이터를 전송하는 경우, 2, 5, 6번 주파수 대역은 활용되지 않고 남아 있다.

  • 이는 TDMA와 마찬가지로 일부 자원이 활용되지 않는 문제를 가질 수 있다.

• 효과: 충돌 없이 동시에 여러 스테이션이 데이터를 전송할 수 있으며, 각 스테이션의 독립적인 데이터 전송을 보장한다.

📍 TDMA

• 장점: 시간을 정확히 제어할 수 있어 데이터 전송의 정확성과 예측 가능성이 높다.
• 단점: 스테이션에 데이터가 없을 경우 시간 슬롯이 낭비될 수 있다.

📍 FDMA

• 장점: 다수의 스테이션이 동시에 데이터를 전송할 수 있어 효율적이다.
• 단점: 주파수 자원의 일부가 활용되지 않을 수 있다.

Random Access Protocols

이 프로토콜은 노드들이 사전 조정 없이 네트워크 채널에 자유럽게 접근할 수 있다.

• 노드가 데이터를 보내야 할 때, 전체 채널 데이터 속도(R)로 전송한다.

• 조정 부재: 노드 간에 사전 조정이 없어, 동시에 여러 노드가 전송을 시도할 수 있다.

📍 충돌 발생 가능

• 두 개 이상의 노드가 동시에 데이터를 전송하려고 할 때 발생한다. 이는 데이터의 충돌로 이어지며, 충돌은 데이터 손실을 초래할 수 있다.

• 프로토콜은 충돌을 감지하고 이로부터 회복하는 메커니즘을 명시한다. 일반적인 회복 방법으로는 지연된 재전송이 있다.

CSMA (Carrier Sense Multiple Access)

노드가 데이터를 전송하기 전에 캐리어(채널)를 감지하여 채널이 사용 중인지 확인한다.

작동 원리

• 전송하기 전에 채널 상태를 감지한다.

  • 만약 현재 채널이 사용 중이면 전송을 연기하고 대기한다.

  • 채널이 비어있으면 전체 데이터 프레임을 전송한다.

CSMA 충돌

📍 그래도 여전히 충돌이 발생할 수 있다.

• 노드들이 물리적으로 떨어져 있을 때, 한 노드의 신호가 다른 노드에 도달하기까지 시간이 걸린다. (전파 지연)

• 이로 인해 두 노드가 거의 동시에 채널이 비어 있다고 판단하고 데이터 전송을 시작할 수 있다.

📍 노드들이 서로 멀리 떨어져 있을수록, 각 노드가 다른 노드의 전송을 감지하지 못하고 충돌이 발생할 확률이 높다.

• 충돌이 발생하면, 충돌에 관련된 모든 패킷의 전송 시간이 낭비된다. 이는 네트워크의 전체적인 효율성을 저하시킬 수 있다.

• 노드 간의 거리와 신호의 전파 지연은 충돌 확률을 결정하는 중요한 요소이다.

CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)

📍 네트워크에서 데이터 전송 시 충돌을 감지하고 처리한다. 충돌로 인한 자원 낭비를 최소화하기 위해 사용된다.

작동 원리

1. 채널 감지 및 대기

   • CSMA와 동일하게, 노드는 데이터를 전송하기 전에 채널을 청취하고, 채널이 비어 있으면 데이터를 전송한다.

2. 충돌 감지

   • CSMA와는 다르게, 충돌이 발생하면 노드는 짧은 시간내에 이를 감지하고 충돌된 데이터를 전송 중단한다.

   • 이를 통해 채널의 낭비를 줄인다.

   • 충돌은 주로 전송된 신호와 수신된 신호의 세기를 비교함으로써 감지할 수 있다.

3. 유선 및 무선 LAN에서의 충돌 감지

   • 유선 LAN에서는 충돌 감지가 비교적 쉽다. 신호 세기를 측정하고 전송된 신호와 수신된 신호를 비교하여 충돌을 감지할 수 있다.

   • 무선 LAN에서는 충돌 감지가 더 어렵다. 이는 로컬 전송 신호가 수신된 신호보다 강해 충돌을 감지하기 어려운 경우가 있기 때문이다.

이더넷 CSMA/CD 알고리즘

이더넷에서는 주로 CSMA/CD를 사용한다. 이더넷에서의 작동 과정에 대해 알아보자.

1. 데이터그램 수신 및 프레임 생성

   • NIC는 네트워크 계층에서 데이터그램을 받고, 이를 프레임으로 변환한다.

2. 채널 상태 감지 및 전송

   • NIC는 채널이 비어 있는지 감지한다.
   • 비어 있으면 프레임 전송을 시작하고, 바쁘면 채널이 비워질 때까지 대기 후 전송한다.

3. 전송 완료

   • NIC가 다른 전송을 감지하지 않고 프레임 전송을 완료하면 작업이 끝난다.

4. 충돌 감지 및 중단

   • 전송 중 다른 전송을 감지하면, NIC는 전송을 중단하고 잼 신호를 보낸다.
   • 이 잼 신호는 다른 노드에게 충돌이 발생헀음을 알린다.

5. 바이너리 백오프 (binary backoff)

   • 전송 중단 후, NIC는 바이너리(지수) 백오프 알고리즘을 사용하여 재전송 시도 전에 대기한다.
   • m번째 충돌 후 K 값을 $\{0, 1, 2, ... 2^m -1\}$ 중에서 무작위로 선택하고, $K\times512$ 비트 시간 동안 대기한다.

CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)

Wi-Fi에서 사용되며, 충돌을 회피하기 위해 전송 전에 채널을 청취하고, 필요한 경우 전송을 지연시킨다.

Taking Turns

📍 이 방법은 노드들이 서로 차례를 기다린다.
이러한 프로토콜은 채널 파티셔닝과 랜덤 액세스 프로토콜의 장점을 통합하여 네트워크 효율 최적화를 시도한다.

• Channel Partitioning MAC Protocols

  • 과부하 상태에서 채널을 효율적이고 공평하게 공유한다.
  • 활성 노드가 하나 뿐일 때에도 채널 접근에 지연이 있을 수 있으며, 대역폭이 1/N으로 할당된다. (저부하 상태에서는 비효율적)

• Random Access MAC Protocols

  • 단일 노드가 채널을 전적으로 사용할 수 있어 저부하 상태에서는 효율적이다.
  • 여러 노드가 동시에 전송을 시도할 때 충돌이 발생할 수 있으므로 과부하 상태에서는 충돌 오버헤드가 생긴다.

• Taking Turns Protocols

  • 토큰 전달

    • 제어 토큰이 노드 간에 순차적으로 전달된다.
    • 토큰을 가진 노드만 데이터를 전송할 수 있으므로, 충돌을 방지한다.

  • 우려 사항

    • 토큰 자체의 오버헤드가 있을 수 있다.
    • 전송 지연이 발생할 수 있다.
    • 토큰이 손실될 수 있다.

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Summary

• Channel Partitioning

  • 시간 분할
  • 주파수 분할

• Random Access

  • 유선일 경우는 충돌 감지가 쉽지만,
  • CSMA: 충돌 감지 시 재전송
  • CSMA/CD: 빠르게 충돌을 감지하여 전송을 중단한다. 주로 이더넷에서 사용된다.
  • CSMA/CA: 주로 와이파이에서 사용된다.

• Taking Turns

  • 토큰이라는 특별한 패킷을 사용하여 네트우커의 각 노드가 순차적으로 데이터를 전송할 수 있는 권리를 얻는다.

  • Polling: 중앙 서버나 컨트롤러가 각 노드에게 순서대로 전송 권한을 부여한다.