The Link Layer

데이터 링크 계층은 네트워크의 물리적으로 인접한 노드 간에 데이터를 전달하는 데 중요한 역할을 한다.

Introduction

용어

• 노드

  • 호스트와 라우터를 포함

  • 노드는 네트워크에서 데이터를 송수신하거나 중계하는 장치

• 링크

  • 인접한 노드 간의 통신 경로를 연결하는 채널

  • 유선 링크(Wired Links) : 케이블을 사용한 물리적 연결

  • 무선 링크(Wireless Links) : 전파를 사용한 무선 연결

  • LAN(Local Area Network) : 특정 지역 내에서 컴퓨터를 연결하는 네트워크

• 데이터 링크 계층의 패킷: 프레임(Frame)

  • 프레임은 데이터 링크 계층에서 사용하는 패킷의 이름으로, 상위 계층(예: 네트워크 계층)의 데이터를 캡슐화(encapsulate)하여 전송한다.

  • 네트워크 계층의 데이터그램(Datagram)을 물리적으로 인접한 노드 간에 전송하기 위해 사용된다.

데이터 링크 계층의 역할

• 데이터 링크 계층은 상위 계층(네트워크 계층)에서 생성된 데이터를 물리적으로 인접한 노드로 전송하는 책임을 가진다.

• 이 과정에서 데이터의 오류 검사, 순서 지정, 흐름 제어 등을 수행하여 신뢰성 있는 데이터 전송을 보장한다.

Link layer: context

• 데이터그램은 각각 다른 링크 프로토콜을 통해 여러 링크에 걸쳐 전송된다.

  • 예를 들어, 첫 번째 링크에서는 이더넷, 중간 링크에서는 프레임 릴레이, 마지막 링크에서는 Wi-Fi를 사용할 수 있다.

• 각 링크 프로토콜은 다른 서비스를 제공할 수 있으며, 일부는 신뢰할 수 있는 데이터 전송(Reliable Data Transmission, RDT)을 제공할 수도 있고, 그렇지 않을 수도 있다.

Link layer: services

데이터 링크 계층은 인접한 네트워크 노드 간의 데이터 전송을 관리하며, 데이터 프레임을 처리하고 신뢰성 있는 전송을 보장하는 등의 역할을 한다

Framing 및 링크 접근(Link Access)

• Framing

  • 데이터 링크 계층은 데이터그램을 프레임(Frame)으로 캡슐화한다.

  • 프레임에는 헤더(Header)와 트레일러(Trailer)가 추가된다.

  • 이 과정에서 데이터의 시작과 끝을 정의하여 데이터가 정확하게 전송될 수 있도록 한다.

• 채널 접근(Channel Access)

  • 매체가 공유될 경우(예: 무선 네트워크) 데이터를 전송하기 전에 채널에 접근하는 방법을 관리한다.

• MAC 주소

  • 프레임의 헤더에는 출발지와 목적지를 나타내는 MAC 주소(Media Access Control Address)가 포함된다.

  • MAC 주소는 네트워크 내에서 고유한 주소로, IP 주소와는 다르다.

  • IP 주소는 인터넷 전체에서 사용되지만, MAC 주소는 로컬 네트워크에서 사용된다.

인접한 노드 간의 신뢰성 있는 전송

• Ack(인증 응답)

  • 데이터 링크 계층은 인접한 노드 간의 신뢰성 있는 데이터 전송을 보장하기 위해 Acknowledgment(인증 응답, ACK)을 사용할 수 있다.
  • 데이터가 성공적으로 도착했는지를 확인하는 과정이다.

• 오류율이 낮은 링크에서는 Ack를 거의 사용하지 않는다.

  • 예를 들어, 광섬유(fiber)나 트위스티드 페어 케이블과 같은 물리적인 링크는 오류율이 매우 낮아 신뢰성 있는 전송이 기본적으로 보장된다.

• 무선 링크는 상대적으로 오류율이 높아 오류 검출과 재전송 기능이 더 자주 필요하다.

❓ 왜 링크 계층에서 신뢰성 있는 전송을 제공하는데도, 종단 간(end-to-end)에서 신뢰성을 보장할 필요가 있는가?

데이터 링크 계층에서의 신뢰성 보장과 전체 네트워크 경로에서의 신뢰성 보장 간의 차이는 추후에 다시 언급하도록 하겠다.

흐름 제어 (Flow Control)

• 흐름 제어는 인접한 송신 노드와 수신 노드 간의 전송 속도를 조절하는 기능이다.

  • 데이터가 너무 빠르게 전송되면 수신 노드가 이를 처리할 시간이 부족할 수 있으므로, 이를 조절하여 송수신 간 데이터 속도를 동기화한다.

• 목적

  • 송신자가 너무 많은 데이터를 너무 빠르지 않도록 하여, 수신자가 데이터의 양을 감당할 수 있도록 한다.

오류 검출 (Error Detection)

• 네트워크에서는 신호 감쇠나 잡음으로 인해 오류가 발생할 수 있다.

• 오류 검출은 수신자가 데이터에 오류가 있는지를 확인하는 과정이다.

• 수신자가 오류를 감지하면 송신자에게 재전송 요청을 보내거나 해당 프레임을 삭제할 수 있다.

오류 수정 (Error Correction)

• 오류 수정은 수신자가 비트 오류를 식별하고 수정하는 과정이다. 오류 검출과는 달리, 오류를 감지한 후 재전송 없이 수신자가 직접 오류를 수정할 수 있다.

• 이를 통해 네트워크 성능을 향상시키고, 데이터 재전송을 최소화할 수 있다.

반이중 및 전이중 (Half-Duplex and Full-Duplex)

• 반이중(Half-Duplex)

  • 링크의 양쪽 끝에 있는 노드가 동시에 통신할 수 없고, 한 번에 한 방향으로만 데이터를 전송할 수 있다.

  • 즉, 한 쪽이 전송하면 다른 쪽은 그동안 수신만 할 수 있다.

• 전이중(Full-Duplex)

  • 링크의 양쪽 끝에 있는 노드가 동시에 통신할 수 있다.
  • 즉, 양쪽 모두 동시에 데이터를 송수신할 수 있다.

Link layer 구현 위치

• 호스트 장치 내

  • 모든 호스트 장치 내에 데이터 링크 계층이 구현되어 있다.

  • 이 계층은 네트워크 통신의 기본적인 데이터 전송 기능을 담당한다.

• 네트워크 인터페이스 카드 (NIC, Network Inteface Card)

  • 데이터 링크 계층은 주로 네트워크 인터페이스 카드에 구현된다.

  • 이 카드는 이더넷 카드, 802.11 무선 카드 등 다양한 형태가 있으며, 데이터 링크 계층과 물리적 계층의 기능을 모두 지원한다.

• 칩셋 내 구현

  • 일부 경우에는 이더넷 칩셋과 같은 통합 칩 내에 데이터 링크 계층 기능이 구현되기도 한다.

어댑터 통신

발신 측

• 데이터그램 캡슐화

  • 컨트롤러는 데이터그램을 프레임으로 캡슐화하고, 이 프레임에는 데이터 전송을 위한 헤더와 트레일러가 포함된다.

• 오류 검사 비트 추가

  • 신뢰할 수 있는 데이터 전송(Reliable Data Transmission, RDT)을 위해, 오류 검사 비트와 필요한 경우 확인 응답(Acknowledgement)을 요청하는 정보가 추가된다.

• 흐름 제어

  • 네트워크의 혼잡 상태에 따라 데이터 전송 속도를 조절한다.

수신 측

• 오류 검사

  • 수신된 프레임에 대해 오류가 있는지 확인한다.

• 데이터 추출

  • 오류가 없을 경우, 컨트롤러는 프레임에서 데이터그램을 추출하고 이를 상위 계층으로 전달한다.

• 흐름 제어 및 RDT

  • 데이터 전송의 신뢰성을 확보하기 위해 필요한 조치를 취한다. 이는 재전송 요청을 포함할 수 있다.

오류 검출 (Error Detection)

• EDC (Error Detection and Correction bits)

  • EDC는 데이터 전송 과정에서 오류를 감지하고 수정하기 위한 추가적인 비트이다.

  • 이 비트는 전송된 데이터의 무결성을 검증하는 데 사용된다.

• 데이터 보호 (D)

  • 위 그림에서 'D'는 오류 검사에 의해 보호되는 데이터를 나타내며, 헤더 필드를 포함할 수 있다.

  • 데이터와 EDC 비트는 함께 전송되어 수신 측에서 데이터가 정확하게 도착했는지 검증할 수 있다.

• 오류 감지 과정

  • 데이터그램이 송신 측에서 수신 측으로 전송된다.

  • 비트 오류가 발생하기 쉬운 링크를 통해 데이터가 전송되면, 수신 측에서 EDC를 사용하여 데이터에 오류가 있는지 검사한다.

  • 모든 비트가 정상이면 'Y' 경로를 통해 다음 단계로 진행하고, 오류가 감지되면 'N' 경로를 통해 오류가 있음을 알린다.

오류 감지 한계

• 하지만, 오류 감지는 100% 신뢰할 수 없다.

  • 프로토콜은 일부 오류를 탐지하지 못할 수 있지만 그 경우는 드물다.

• EDC 필드를 크게 할수록 오류 감지 및 수정 능력은 향상되지만, 이는 추가적인 데이터 전송 부담을 의미한다.

Parity checking

Single Bit Parity

단일 비트 패리티는 하나의 비트로 에러를 감지한다.

• 데이터 비트들의 합에 기반하여 추가적인 패리티 비트가 생성된다.

  • 전체 비트(데이터 비트 + 패리티 비트)를 합하여 짝수가 되도록 패리티 비트를 설정한다.

  • 데이터 비트들의 합이 짝수인 경우 Parity Bit는 0이다.

  • 데이터 비트들의 합이 홀수인 경우 Parity Bit는 1이다.

Two-Dimensional Bit Parity

이차원 비트 패리티는 데이터를 행렬 형태로 구성하고, 각 행과 열에 대해 별도의 패리티 비트를 계산한다.

이 방식은 행과 열의 패리티를 사용하여 오류가 있는 특정 비트의 위치를 정확히 식별하고 수정할 수 있다.