6.3 다중 접속 링크와 프로토콜

두 종류의 네트워크 링크

1. 점대점 링크

• 링크의 한쪽 끝에 한 송신자와 링크의 다른 쪽 끝에 한 수신자가 있음
• PPP, HDLC

2. 브로드캐스트 링크

• 동일한 하나의 공유된 브로드캐스트 채널에 다수의 송신 노드 및 수신 노드들이 연결됨
• 브로드캐스트: 임의의 한 노드가 프레임을 전송하면 그 채널이 그 프레임을 broadcast해서 다른 모든 노드들이 그 프레임의 복사본을 수신하는 것
• 이더넷, 무선 랜

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다중 접속 문제

• 다수의 송수신 노드들의 공유되는 브로드캐스트 채널로의 접속을 조정하는 문제
• 2개 이상의 노드가 동시에 프레임을 전송하면 모든 노드는 동시에 여러 개의 프레임을 받게 되고 충돌이 발생
• 충돌에 관련된 모든 프레임은 손실되며 브로드캐스트 채널은 충돌 기간만큼 낭비됨

다중 접속 프로토콜

• 공유되는 브로드캐스트 채널로 보내는 노드들의 전송을 조정하기 위한 프로토콜
• 즉, 다수의 노드가 활성화되어 있을 때 브로드캐스트 채널이 제대로 동작하도록 보장하기 위해 활성 노드들의 전송을 조정

1. 채널 분할 프로토콜
2. 랜덤 접속 프로토콜
3. 순번 프로토콜

3.1 채널 분할 프로토콜

1. 시분할 다중화 (TDM)

• 시간을 시간 프레임으로 나누고 각 시간 프레임을 N개의 시간 슬롯으로 나눔
• 각 시간 슬롯은 N개의 노드에게 각각 할당되고, 노드는 전송할 패킷이 있을 때마다 TDM 프레임에서 자신에게 할당된 시간 슬롯 동안 패킷 비트들을 전송함

장점

• 충돌을 제거할 수 있고 아주 공정함

단점

1. 전송할 패킷이 있는 노드가 단 하나인 경우에도 노드 전송률이 평균 R/N으로 제한됨
2. 노드가 전송 순서상 자신의 차례를 항상 기다려야함

2. 주파수분할 다중화 (FDM)

• R bps의 채널을 다른 주파수로 나눠서 각 주파수를 N개 노드 중 하나에게 할당함

장점

• 충돌을 피하고 N개 노드에게 대역폭을 균등하게 분할함

단점

• 전송할 패킷을 가진 노드가 단 하나일지라도 노드는 R/N의 대역폭으로 한정됨

3. 코드 분할 다중 접속 (CDMA)

• 다른 코드를 각 노드에게 할당

3.2 랜덤 접속 프로토콜

• 랜덤 접속 프로토콜에서 전송 노드는 항상 채널의 최대 전송률인 R bps로 전송함
• 충돌이 생기면 충돌과 관련된 각 노드는 프레임이 충돌 없이 전송될 때까지 자신의 프레임을 계속해서 재전송함
• 그러나, 프레임이 충돌했을 때 즉시 재전송하지 않고, 랜덤 지연 시간 동안 기다린 후 재전송 함
• 충돌했던 노드 중 하나는 다른 노드가 선택한 지연 시간보다 충분히 작은 지연시간을 선택함으로써 충돌 없이 자신의 프레임을 채널로 전송할 수 있음

슬롯 알로하 (slotted ALOHA)

• 노드는 전송할 새 프레임이 있으면 다음 슬롯이 시작할 때까지 기다렸다가 그 슬롯에 전체 프레임을 전송함
• if 충돌 x -> 노드는 성공적으로 자신의 프레임을 전송한 것이므로 그 프레임을 재전송할 필요가 없음
• if 충돌 o -> 노드는 그 슬롯이 끝나기 전에 충돌을 검출함 노드는 그 프레임이 충돌 없이 전송될 때까지 확률 p로 해당 프레임을 다음 슬롯들에서 재전송함
• 최대 효율은 p = 1/e = 0.37

알로하

• 프레임이 도착하면 노드는 즉시 프레임 전체를 브로드캐스트 채널로 전송함
• if 충돌 -> 노드는 확률 p로 즉시 재전송
  • 즉시 재전송하지 않는 경우, 노드는 프레임 전송 시간 동안 기다림
  • 기다리고 나서 확률 p로 전송하거나 아니면 1-p 확률로 또 다른 프레임 시간 동안 기다림
• 최대 효율은 1/(2e)

CSMA (Carrier Sense Multiple Access)

• 위 두 프로토콜에서는 다른 노드의 활성 여부와 무관하게 전송 여부를 결정함

충돌시간을 줄이기 위한 규칙

1. 캐리어 감지 (carrier sensing)

• 만일 다른 노드가 프레임을 채널로 전송하고 있으면, 노드는 임의의 짧은 시간 동안 전송 중단을 감지하면 프레임을 전송하기 시작함

2. 충돌 검출(collision detection)

• 만일 다른 노드가 방해 프레임을 전송하고 있음을 검출하면, 자신의 전송을 중단하고 랜덤 시간 동안 기다린 후 유휴 시 감지 및 전송과정을 반복함

CSMA 충돌

• 채널 전파 지연(channel propagation delay): 신호가 채널의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 전파되는데 걸리는 시간이 CSMA의 성능을 결정하는데 중요한 역할을 함
• 전파 지연이 길수록 네트워크의 다른 노드에서 이미 시작된 전송을 캐리어 감지 노드가 감지할 수 없는 경우가 더 증가함

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

• CSMA/CD는 충돌을 검출한 뒤에 두 노드가 바로 자신의 전송을 취소(abort)함

동작 과정

1. 어댑터는 네트워크 계층으로부터 데이터그램을 받아서 링크 계층 프레임을 만든 후에 그 프레임을 어댑터 버퍼에 저장함
2. 어댑터는 채널이 유휴(idle) 상태임을 감지하면 프레임 전송을 시작함
   만일 어댑터가 채널이 바쁜(busy) 상태임을 감지하면, 어떤 신호 에너지도 감지되지 않을 때까지 더 기다렸다가 프레임을 전송하기 시작함
3. 전송하는 동안 어댑터는 브로드캐스트 채널을 사용하는 다른 어댑터로부터의 신호 에너지가 있는지 감시함
4. 프레임 전체를 전송하는 동안 다른 어댑터로부터의 신호 에너지가 감지되지 않으면, 프레임 전송을 완료함
   그러나, 전송 도중에 다른 어댑터로부터의 신호 에너지를 감지하면, 자신의 프레임 전송을 취소함
5. 어댑터는 전송 취소 후 임의의 랜덤 시간만큼 기다린 후 (동일한 고정시간동안 기다리면 계속 충돌하므로) 2단계로 돌아감

랜덤 백오프 시간 간격

• 이진 지수적 백오프 알고리즘
• 충돌을 n번 경험한 프레임을 전송할 때 노드는 {0,1,2,...,2^n-1} 중에서 랜덤하게 K값을 선택
• 프레임이 충돌을 더 많이 경험할수록 K를 선택할 간격을 크게함

CSMA/CD의 효율

• d_prop: 신호 에너지가 임의의 두 어댑터 사이에서 전파되는데 걸리는 최대 시간
• d_trans: 최대 크기의 이더넷 프레임을 전송하는 데 걸리는 시간

효율=$1/(1+5d_{prop}/d_{trans})$

3.3 순번 프로토콜

다중 접속 프로토콜에서 요구되는 두가지 특성

1. 단 하나의 노드만이 활성이면 Rbps의 처리율을 가짐
2. M개의 노드가 활성이면 각 노드가 거의 R/M bps의 처리율을 가짐

• 알로하와 CSMA 프로토콜은 두 번째 특성이 없기 때문에 순번 프로토콜을 개발하게 됨

중요한 프로토콜 2가지

1. 폴링 프로토콜(polling protocol)

• 노드 중 하나를 마스터 노드로 지정하고 마스터 노드를 라운드 로빈 방식으로 폴링함
• 장점: 충돌뿐만 아니라 랜덤 접속 프로토콜의 단점인 빈 슬롯을 제거함으로써 훨씬 높은 효율을 제공
• 단점: (1) 폴링 지연 (노드가 전송할 수 있음을 알리는 데 걸리는 시간), (2) 마스터 노드가 고장 나면 전체 채널이 동작하지 못함

2. 토큰 전달 프로토콜(token-passing protocol)

• 마스터 노드가 없고, 토큰이라고 알려진 작은 특수 목적 프레임이 정해진 순서대로 노드 간에 전달됨
• 장점: 분산 방식으로 효율이 매우 높다
• 단점: 노드 하나가 실패하면 전체 채널이 동작하지 않음

3.4 DOCSIS: 케이블 인터넷 접속을 위한 링크 계층 프로토콜

• DOCSIS는 하향 및 상향 망 세그먼트들을 다수의 주파수 채널로 나누기 위해 FDM을 사용함

하향 채널

• 6 MHz 대역에 약 40 Mbps의 최대 처리율 제공
• CMTS에 의해 하향 채널로 전송된 프레임은 그 채널을 통해 수신하는 모든 케이블 모뎀에 의해 수신됨

상향 채널

• 6.4 MHz 대역에 약 30 Mbps의 최대 처리율 제공
• 시간 간격으로 나뉘어져 있고, 각 시간 간격은 케이블 모뎀이 CMTS로 전송할 수 있는 일련의 미니 슬롯들로 구성되어 있음