Ethernet

이태곤·2022년 12월 3일

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1. IEEE Standard for LANs

Ethernet MAC

Token ring MAC : Physical ring 형태를 구성해서 토큰을 주고받으며 medium에 대한 접근을 제어하는 방식

Token bus MAC : 형태는 Bus이지만 Logical ring을 구성해서 토큰을 주고받으며 medium에 대한 접근을 제어하는 방식

-> Network Interface Card를 장착하면 Data-link layer, Physical lalyer에 상호간에 알맞은 방식으로 설정, 구현이 되어있다.

2. MAC Protocols

Random-access protocols : 가장 편리한 방법으로 무작위로 medium에 접근하는 방법, 이에 따른 문제가 발생하므로 해결해야한다.

ALOHA

CSMA/CD

CSMA/CA

Controlled-access protocols : controll을 통한 medium 접근 제어 방식

Reservation : Scheduler를 통한 접근권한 관리
-> 누가 schedule을 해주고 통제할 것인지?

Polling: Primary가 Secondary에게 묻는 형태로 접근권한 관리
-> LAN에서 누가 primary 역할?

Token passing : 토큰을 통한 접근권한 관리
-> 토큰을 잃어버리면?
-> 토큰 관리 overhead

Channelization protocols : 채널과 시간, 코드를 분할함으로써 medium에 대한 접근을 제어할 수 있도록 만들어진 프로토콜이지만 각각을 분할시켜 줄 base station 개념이 없기 때문에 LAN에서는 사용하지 않는다.

FDMA

TDMA

CDMA

-> LAN은 Base station이 없다.

3. Ethernet

1. ALOHA

무선 Network에서 사용
Station은 언제든 frame을 전송할 수 있다.
Pure ALOHA
- 언제든 Data 전송이 가능한 방식
  -> Collision duration동안 모든 frame의 전송이 이루어지지 못해 전송했다는 동작자체가 쓸모없게되어 의미없는 시간의 낭비가 발생
  
  -> 2L 시간만큼의 낭비 발생
- Pure ALOHA Flowchart

Slotted ALOHA
- Pure ALOHA의 충돌 문제 해결을 위해서 시간을 slot 단위로 나누었다.
  - Data를 slot의 시작지점에 전송할 수 있도록
  - Data는 slot 사이즈 알맞게 설정
    -> 충돌이 발생하더라도 1 slot동안의 충돌시간만큼만 낭비!
- 여전한 issue : 현재 medium에서 누가 전송 중인지를 확인한다면 충돌을 방지할 수 있음
  -> Carrier Sensing (주파수 확인)
- Slotted ALOHA Flowchart

2. CSMA

Carrier sensing : 각각의 station들은 현재 Transmission medium에서 진행되고있는 다른 전송들이 있는지 확인한다.
If idle, 전송하고 ACK을 기다린다.
ACK 응답이 없는 경우 Collision 상황이라고 가정하고 재전송한다.
Multiple access

-> 각각의 station들이 Carrier sensing 이후 동시에 idle 상태를 확인을 하고 데이터 전송을 하게되면 multipe access collision이 발생

CSMA 만으로는 부족!
CSMA Persistence and Back-off
- 1-Persistent : channel이 Idle 상태가 되자마자 전송하는 방식이다.
  -> IEEE 802.3(CSMA/CD사용)에서 1-Persistent 사용
- P-Persistent : channel이 Idle 상태가 되면 P의 확률로 전송한다.
- Nonpersistent : channel이 busy한 경우 random time동안 wait하다가 다시 전송을 시도한다.
CSMA/CD : Ethernet에서 사용하는 Medium Access Protocols
1. If idle 전송
2. idle 하지 않으면 channel이 idle할 때까지 wait
3. 데이터를 보내는 상황에서 collision이 발생하면 jamming signal 전송
  -> 모든 station에게 collision 상황을 알리기 위해서!
4. jamming signal 전송 후에 backoff time (Random) 하게 기다린 후에 전송 시도
- CSMA/CD Flowchart
  1. Collision detection : 전송한 신호를 그대로 다시 수신하였을 때, 전송한 신호와 수신한 신호가 같으면 collision이 없는 것으로 간주, 다르면 collision이 발생한 것으로 감지
    -> Energy 세기로도 판단할 수 있다
    On baseband bus : Collision 발생시에 전송했던 voltage 보다 더 높은 signal voltage를 생성한다.
    
    On twisted pair (star-topology)
    : Special collision presence signal을 사용
    -> green for signal transmission
    -> blue for collision detection
  2. Jamming signal : 엉망진창인 신호를 전송하여 다른 신호들까지도 망쳐버림으로써 충돌을 알린다.
  3. Backoff time (Tb) 설정
    - Tfr : 하나의 프레임 전송는데 얼마나 걸리는지
      -> 속도 : 10Mbps, 프레임 길이 : 512bits => 512bits/10Mbps
  - Random Number R : 0 ~ 2^K - 1, where K is the number of attempts
    -> 시도 횟수에 비례하여 2^k만큼 계속해서 증가 (Binary exponential backoff algorithm)
    ->범위가 계속해서 doulbe, 증가하므로 random number가 서로 달라질 확률이 증가하여 충돌할 확률 ↓
  - T(b) = R x T(fr)
Binary Exponential Backoff
: IEEE 802.3 & Ethernet에서는 모두 binary exponential back-off를 사용한다.
- 10번의 시도에서는, random delay가 doubled
  -> random dely time 선택 범위가 2배씩 증가 → 점점 증가폭이 커진다.
- 다음 추가적인 6번의 시도에서는 범위 그대로 사용
  -> Random delay time만 달라진다.
- 16번의 시도를 모두 실패하면 전송을 포기한다.

4. IEEE 802.3 MAC Frame Format

Preamble & SFD (Start frame delimiter) : Frame의 시작을 알리는 bit sequence (10101011)

Destination address : 물리적인 목적지 주소 (MAC 주소)

Source address : 물리적인 송신 주소 (MAC 주소)

MAC 주소 : Network Interface Card의 ROM 안에 6bytes
-> 3bytes for 제조업체, 3bytes for random

Type : 수신한 데이터를 어디로 보내야할지 결정해준다.
-> ex) IP, ARP

Data and padding : 실제 전송되는 데이터로 전송 데이터의 크키 제한(Min & Max length)이 있다.
-> Max length (1500 bytes) : 네트워크의 물리적인 상황, 특정 host의 전송 line 독점 방지
-> Min length (46 bytes) : 충돌을 감지하기 전에 미리 데이터를 내보내는 경우를 없게 하기 위해서

충돌을 감지하고 현재 데이터 재전송을 수행하려면
최대 충돌감지 시간동안 데이터 전송할 수 없도록 하기위해

CRC : Error 유무 판단
-> Ethernet 경우에는 error discard

5. IEEE 802.3 10-Mbps Physical Layer Medium Alternatives

10Base5
- 10 : 속도를 의미
- BASE : Baseband를 의미, 주어진 주파수 대역을 모두 사용하여 전송
  <-> Broadband, 주어진 주파수 대역을 나누어 사용
- 5 : 거리, 하나의 선을 가지고 데이터가 얼마나 멀리 갈 수 있는지의 정도를 의미
  -> 굵기와 비례
10Base2
10Base-T
10Base-F

6. Type of Ethernet

Bridged Ethernet : 각각의 LAN Segment들의 MAC Protoco들이 다르더라도 통신에 문제되지 않는다는 장점이 있다.
Switched Ethernet : Switch를 통해 Traffic을 분리할 수 있다.
Full-duplex Ethernet : Data에 대한 송신과 수신이 동시에 이루어지기 때문에 CSMA/CD를 사용하지 않는다.
Fast Ethernet
- data rate 100Mbps, Standard Ethernet과 호환, 48-bit (6bytes) address 사용, 동일한 frame format 사용
- 빨라진 이유 : Access method
  - 거리를 짧게 함으로써 data rate을 향상 (2500m -> 250m)
  - Link-layer switch (Traffic 분리 -> CSMA/CD overhead 제거)
  - Encoding 방법의 변화로인해 물리적 전송속도, data rate 향상
    -> 이전 Standard Ethernet : Manchester, 4B/5B-NRZI, 8B/6T 등
Gigabit Ethernet
- data rate 1Gbps, Standard Ethernet과 호환, 48-bit (6bytes) address 사용, 동일한 frame format 사용
- MAC Sublayer
  - Full-Duplex Mode (No need of CSMA/CD) : 데이터 송수신이 동시에 이뤄지기 때문에 Collision이 발생하지 않음
  - Half-Duplex Mode : 충돌이 발생 위험이 있음
- Encoding for Gigabit Ethernet : 물리적인 방법으로 Ethernet 속도 향상
  - 전송 매체 : Optical fiber, STP
  - line encoding : 8B/10B
10Gbps Ethernet
: Data rate : 10Gbps
: 10Gbps 고속 Ethernet 구축을 위해서는 fiber-optic 기술을 사용해서만 가능하다.
100Gbps Ethernet
: Data rate : 100Gbps
: 주로 데이터 센터에서 사용하며 SDN (Software defined)으로 TOR (Top of Rack)들을 컨트롤 한다.