데이터 전송의 기초

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학습목표

• 전송과 교환시스템의 구조와 원리 이해
• 프레임 전송 과정에서 발생되는 오류의 유형 설명
• 문자 프레임과 비트 프레임의 구조 이해
• 오류 검출 코드의 종류와 원리 이해
• 생성 다항식을 이용한 오류 검출 방식 설명

내용

• 데이터 전송 방식
• 오류 제어(Error Control)
• 프레임(Frame)
• 다항 코드(CRC code)

데이터 전송 방식

컴퓨터 네트워크 효과

• 자원 공유

  • 컴퓨터 하드웨어, 소프트웨어 등 모든 종류의 물리적, 논리적 자원을 공유

  • 자원 활용의 극대화

• 병렬 처리에 의한 성능 향상

  • 하나의 공유 시스템 버스에 다수의 메인 프로세스를 장착

  • I/O 장치의 처리 속도를 향상시키기 위해 I/O 전용 프로세서를 설치

  • 네트워크 속도 상승에 따라 네트워크를 하나의 컴퓨터 시스템으로 활용
    -> 클라우드 개념

• 중복 저장으로 신뢰성 향상

  • 중복 저장되므로 정보의 신뢰성 향상, 데이터 복구가 용이함
  • 신뢰성이 향상됨에 따라 시스템 성능은 저하될 수 있음

전송과 교환

• 교환(Swiching): 전달 경로가 둘 이상일 때 라우터에서 데이터를 어느 방향으로 전달할지를 선택하는 기능

• 전송(Transmission): 일대일(1:1)로 직접 연결된 두 시스템간의 신뢰성 있는 데이터 전송을 보장하기 위한 것

*전송 개념에는 교환 개념이 배제됨

*호스트 c에서는 3 방향으로의 교환이 가능함

• 호스트 a에서 호스트 d로 데이터를 전달

  1) 호스트 a와 호스트 c간의 직접 연결에 의한 전송

  2) 호스트 c에서의 올바른 경로 선택을 의미하는 교환

  3) 호스트 c와 호스트 d 간의 직접 연결에 의한 전송
  

전송 방식의 종류

• 지리적 분포에 따른 분류 방식

  • LAN(근거리 통신망), MAN(도시규모의 통신망), WAN(원거리 통신망) 등

• 데이터 전송, 교환 기술의 분류 방식

  • 점대점, 브로드캐스팅 방식

• 점대점 방식

  • 호스트가 중개 호스트와 일대일로 연결
  • 원거리에 있는 시스템 사이의 통신 방식, WAN 환경에서 주로 사용

• 브로드캐스팅 방식

  • 네트워크에 연결된 모든 호스트에 데이터가 전송
  • 별도의 교환 기능이 불필요
  • 자신을 목적지로 하지 않는 호스트는 데이터를 버림
    -> 하나의 목적지 호스트만 데이터 수신
  • LAN처럼 지리적으로 가까운 호스트 사이의 통신에서 주로 사용

점대점 방식

• 교환 호스트가 송신 호스트의 중간에 위치 (스타형, 링형, 완전형, 뷸규칙형)

• 연결 개수가 많아지면 성능은 유리하나 비용이 많이 소요, 연결 개수가 적어지면 전송 매체를 많이 공유해 네트워크 혼잡도 증가

  

*네트워크 트래픽이 많이 발생하는 구간에는 전송 매체를 늘려야 하고, 그렇지 않은 구간에서는 줄이는 것이 좋음

• 스타형
  • 하나의 중개 호스트 주위로 여러 호스트를 일대일로 연결하는 형태
  • 중앙 호스트의 신뢰성과 성능이 네트워크에 영향 줌
  • 트리형: 중앙에 있는 스타구조 주변에 위치한 호스트들을 중심으로 새로운 스타 구조가 확장되는 형태
  • 장단점: 모든 데이터가 중앙 호스트를 중심으로 라우팅되므로 중개 과정이 간단하나, 중앙 호스트에 문제 발생 시 전체 네트워크의 동작에 영향을 줌

• 링 형

  • 호스트의 연결이 순환 고리 구조

  • 모든 호스트가 데이터 전송과 교환 기능을 동시에 수행

  • 토큰 (token)

    • 호스트 사이의 데이터 송신 시점을 제어하는 기능
    • 데이터의 전송 권한을 의미하는 토큰을 확보
    • 데이터 전송이 완료되면 토큰을 다시 링 네트워크에 돌려줌
      -> 링에 속한 호스트를 순환함

  • 단점

    • 한 호스트가 고장나면 전체 네트워크가 동작하지 않을 수 있음

  • 완전형

    • 모든 호스트가 다른 호스트와 일대일로 직접 연결하는 방식
      • 단점: 전송 매체가 증가하여 비용 측면에서 비효율적임

  • 불규칙형

    • 연결 구조를 특정 패턴으로 분류할 수 없는 방식(일반 네트워크)
      • 특정 두 호스트 사이의 트래픽이 많으면 직접 연결하고, 적으면 우회 연결함

브로드캐스팅(Broadcastin) 방식

• 특정 호스트가 전송한 데이터가 네트워크에 연결된 모든 호스트에 전달
• LAN 환경에서 사용 (교환 호스트 불필요): 연결의 존재 여부 보다는 목적지 호스트까지 효율적인 전달이 중요
• 종류: 버스형, 링형

• 버스형

  • 전송 데이터를 모든 호스트에서 수신할 수 있음

  • 충돌(Conllsion): 둘 이상의 호스트에서 데이터를 동시에 전달할 때 충돌 발생

  • 충돌 해결 방법

    1. 호스트의 전송 권한을 제한함 -> 사전 충돌 예방 방법
       -사전에 전송 권한을 확보하는 방법: 시간대를 다르게 지정하는 방법,
       토큰으로 전송 권한을 순환적으로 이용하는 방법

    2. 충돌 허용 -> 사후 해결하는 방법
       -둘 이상의 호스트가 데이터를 동시에 전송할 수 있도록 허용, 충돌 발생시에 해결 과정 필요 (e.g. 이더넷)

• 링 형
  • 호스트를 순환 구조로 연결
  • 송신 호스트가 전송한 데이터는 링을 한 바퀴 순환한 후 송신 호스트에 되돌아옴
  • 중간의 호스트 중에서 수신 호스트로 지정된 호스트만 데이터를 내부에 저장
  • 데이터를 전송하기 위해서는 토큰 확보가 필수

멀티포인트 통신

• 유니캐스팅 방식(Unicasting)

  • 두 호스트 사이의 데이터 전송(텔넷, FTP, 웹 검색): 가장 기본적 형식

• 멀티포인트 방식(Multipoint)

  • 일대다(1:n), 다대다(n:n) 형식 (화상 회의, 원격 교육, 인터넷 채팅)

• 하나의 송신 호스트를 기준으로

  • 수신 호스트 하나와 연결: 유니포인트 (Unipoint)
  • 다수의 수신 호스트와 연결: 멀티포인트 (Multipoint)

• 송신 호스트가 한 번의 전송으로

  • 수신 호스트 하나에만 데이터 전송: 유니캐스팅 (Unicasting)
  • 다수의 수신 호스트 전송: 멀티캐스팅 (Multicasting)

멀티포인트 유니캐스팅 (Multipoint Unicasting)

• 일대다 통신을 위해 멀티포인트 유니캐스팅 방식을 사용: 유니캐스팅을 연결해 확장한 개념

• 단점: 수신 호스트 수가 많아지면 성능에서 문제 발생
• 장점: 송수신 호스트 사이의 흐름 제어와 수신 호스트의 응답 기능 및 재전송 기능 등을 구현하기 좋음

브로드캐스팅 (Broadcasting)

• 네트워크에 연결된 모든 호스트에 전송되는 방식

• 단점: 호스트 수가 많을수록 네트워크 트래픽이 급격히 증가
  (따라서, 이 방법을 사용하여야 한다면 서브넷(subnet)내에서 이용하는 것이 좋음)

  

• 특정한 브로드캐스팅 주소로 전송
• 네트워크 장비에서는 전달된 패킷을 복사하여 네트워크 전체로 전송

멀티캐스팅 (Multicasting)

• 일대다 전송 기능을 구현: 통신 환경을 연결 설정 요구 한 번으로 지원 가능: 멀티포인트 유니캐스팅에서 3번 설정 필요한 것과 대비됨 (유니캐스팅 설정)

• 송신호스트의 전송 요구 한 번으로 모든 수신 호스트에 데이터를 전달

• (e.g. 비디오, 오디오 서비스, 화상회의 서비스, 인터넷 뉴스, 인터넷 주식)

• 멀티캐스팅 그룹을 생성하고 관리하는 기능 필요: 그룹 가입 탈되 등

오류 제어

전송 오류의 유형

• 오류 복구 기능

  • 수신 호스트의 응답 프레임: 송신 호스트에 응답 프레임을 전송해 원래의 데이터 프레임을 재전송하도록 요구

    • 긍정 응답 프레임: 정상 도착(전송 완결)
      • 부정 응답 프레임: 프레임이 깨지는 경우 -> 송신 호스트의 재전송 기능 작동(오류 복구 기능)

• 송신 호스트의 타이머 기능

  • 타임아웃 (Timeout): 데이터 프레임을 전송한 후에 일정 시간 이내에 수신호스트로부터 긍정 응답 프렝미 회신이 없으면 프레임 분실로 간주하고 데이터 프레임을 재전송함

• 순서 번호 기능

  • 수신 호스트가 보낸 긍정 응답 프레임을 분실하는 경우, 데이터가 수신 호스트에 제대로 전달되어도 송신 호스트는 모름 -> 따라서 송신 호스트는 타임아웃 기능에 의해 재전송함으로써 중복 수신 발생

  • 수신 호스트가 중복 프레임을 구분할 수 있도록 지원

  • 데이터 프레임 내에 프레임 구분을 위한 일련 번호 부여

정상적인 전송

• 송신 호스트가 젖ㄴ송한 데이터 프레임이 수신 호스트에 오류 없이 도착
• 수신 호스트는 송신 호스트에게 긍정 응답 프레임을 회신

프레임 변형

• 프레임 변형 오류를 인지한 수신 호스트는 송신 호스트에 부정 응답 프레임을 전송, 원래의 데이터 프레임을 재전송함

• 부정 응답 프레임을 사용하지 않는 프로토콜(핸드쉐이크 기능이 아닌 경우)에서는 송신 호스트의 타임아웃 기능에 따라 복구 과정을 시작

• 긍정 응답이나 부정 응답 프레임 전송시 오류 발생 가능
  -> 세심한 주의

프레임 분실

• 송신 호스트는 데이터 프레임을 전송한 후에 특정 시간까지 수신 호스트의 긍정 응답 프레임이 도착하지 않으면 타임아웃 기능에 따라 원래의 프레임을 스스로 재전송

순서 번호

• 중복 수신 문제를 해결하기 위해 데이터 프레임에게 부여되는 고유 번호

• 순서 번호의 필요성

  • 긍정 응답 프렝미이 사라지는 오류 발생 시 송신 호스트의 타임아웃 기능에 따라 재전송 과정이 진행됨 -> 동일한 프레임 중복 수신 (데이터를 구분할 방법이 없음)

• 수신 호스트가 두 경우 ((a) 긍정 응답 분실, (b) 긍정 응답 도착)를 구분할 수 있도록 데이터 프레임 별로 고유의 순서 번호를 부여하는 방식이 필요함

순서 번호에 의한 프레임 구분

• 순서 번호에 근거하여 동일한 데이터 프레임이 중복 도착여부를 확인 가능

• 서로 다른 데이터 프레임이 도착

흐름 제어 (Flow Control)

• 수신 호스트가 감당할 수 있을 정도의 전송 속도를 유지하면서 데이터 프레임을 전송

• 너무 빨리 전송하는 경우

  • 수신 호스트가 내부 버퍼에 보관하지 못할 수 있음
  • 이는 프레임 분실과 동일한 효과를 야기함

• 기본 원리

  • 수신 호스트가 송신 호스트의 전송 시점을 제어
  • (e.g. 슬라이딩 윈도우 프로토콜)

프레임

• 데이터 링크 계층: 전송 데이터를 프레임(Frame)이라는 단위로 나누어 처리

• 전송프레임: 체크섬(Checksum), 송수신 호스트의 주소, 제어 코드 등 정보 포함

• 내부정보를 표현하는 방식에 따라 문자 프레임과 비트 프레임으로 구분

문자 프레임 (Character Frame)

• 내용이 문자로 구성, 문자 데이터를 전송할 때 사용
• 8비트 단위(또는 ASCII 문자 코드)의 고정 크기로 동작

프레임의 구조

• 프레임의 시작과 끝에 특수 문자 사용
  • 시작: DLE/STX
  • 끝: DLE/ETX
• 전송 데이터에 특수 문자가 포함되면 혼선이 발생(그림의 예)

문자 스터핑 (Character Stuffing)

• 문자 프레임의 전송 과정에서 제어 문자를 추가하는 기능을 문자 스터핑이라 함

• 송신 시 전송 데이터가 DLE 문자를 포함하면 뒤에 DLE 문자 하나를 강제 추가
• 수신시 데이터에 DLE 문자가 두 번 연속 있으면 하나의 DLE 문자 삭제

비트 프레임 (Bit Frame)

• 프레임의 시작과 끝 위치에 플래그라는 특수하게 정의된 비트패턴(01111110)을 사용해 프레임 단위를 구분

프레임의 구조

• 데이터 전송 전에 프레임의 좌우에 플래그를 추가, 수신 호스트는 이 플래그를 제거해 전송 데이터와 필요한 제어 정보를 상위 계층 전달

비트 스터핑 (Bit Stuffing)

• 전송 데이터에 플래그 패턴이 포함되면 혼선이 발생

• 송신 호스트: 전송 데이터가 1이 연속해서 5번 발생하면 강제로 0을 추가 (플래그에 1이 6번 나오기 때문에 사전에 배제하는 알고리즘)

• 수신 호스트: 송신 과정에 추가된 0을 제거하여 원래의 데이터를 상위 계층 전달

오류를 극복하는 방법

• 전송 프레임에 오류 검출 코드(e.g. 해밍코드, 1비트의 오류를 검출하고 복구하는 기능)를 넣어 수신 호스트가 전송 과정의 오류를 검출

• 순방향 오류 복구(FEC, Forward Error Correction): 오류 복구 코드를 사용해 수신 호스트가 직접 오류 검출과 복꾸 기능을 수행하는 방식

오류 검출: 네트워크에서는 일반적으로 역방향 오류복구 방식을 사용

• 역방향 오류복구(ARQ 방식): 재전송 방식을 이용해 오류 복구(네트워크에서 일반적으로 사용)

패리티 (Parity) 비트

• 1 바이트(8비트) = 7 비트 ASCII 코드 + 1 패리티 비트

• 짝수 패리티: 데이터 끝에 패리티 비트를 추가해 전체 1의 개수를 짝수로 만듦

• 홀수 패리티: 1의 개수를 홀수로 만드는 것

• 송신 호스트와 수신 호스트는 동일한 패리티 방식을 사용해야 함

블록 검사

• 짝수 개의 비트가 깨지는 오류 발생 시 패리티 비트 만으로는 오류 검출 불능 -> 이를 위해 수평/수직 패리티를 검사

• 수평, 수직 방향에 모두 패리티 비트를 지정

다항 코드

다항코드 (CRC): 가장 많이 사용

• 생성 다항식

  • 계수가 0과 1인 다항식 형태를 기반

• 전송 데이터: m비트의 M(x)

• n+1 비트의 생성 다항식 G(x)를 사용해 오류 검출 코드를 생성, 오류 제어

• 전송 데이터 M(x)를 생성 다항식 G(x)로 나누어 체크섬 정보를 얻음

• 연산에서 얻은 나머지 값은 체크섬이라 함

• 체크섬 계산인 나누기 과정에서 발생하는 다항 연살은 모듈로-2 방식

• 덧셈과 뺄셈은 배타적 논리합 연산과 동일한 결과를 얻음

• 수신 호스트는 전송 오류가 발생했는지를 판단하기 위해 수신한 m+n 비트의 데이터를 생성 다항식 G(x)로 나누는 연산을 수행

  • 나머지가 0: 전송 오류가 없음
  • 나머지가 0이 아님: 오류가 발생했다고 판단

• 체크섬의 예

  • 생성 다항식 G(x) = x5 + x2 + 1

  • 전송 데이터: 101101001

  • 체크섬

    • 계산을 통해 얻은 나머지 00010

  • 송신데이터: 10110100100010

    

수정해야 될 부분이 있으면 댓글로 알려주세요 :)