[인터넷공학] Chap5. MAC 계층

인터넷 공학(2) 수업에 사용되는

쉽게 배우는 데이터 통신과 컴퓨터 네트워크 [3판] / 박기현 / 한빛 아카데미

교재에 대한 연습문제를 정리한 내용이다.

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MAC 계층

• LAN 환경에서는 WAN 환경보다 효율적인 전송 관리를 통해 네트워크 전송 효율을 극대화해야 함.
• IEEE 802 시리즈는 공통 기능인 LLC 계층 뿐 아니라 다양한 MAC 계층에 대한 표준안을 정의함.
• MAC 계층은 전송 선로의 물리적인 특성을 반영하므로 LAN의 종류에 따라 특성이 구분됨. 
  → CSMA/CD 방식(공유 버스 방식 지원)과 토큰 링(링 구조 지원) 방식
• 이더넷은 공유 버스를 이용해 호스트를 연결하는 CSMA/CD 방식을 지원함.
• 토큰 링 방식은 점대점 방식의 순환 구조 지원, 토큰이라는 특정 패턴의 제어 프레임이 링을 순환함.

LLC 계층

• 데이터링크 계층의 기본 기능은 주로 LLC 계층에서 다룸.
• LAN 환경에서의 LLC 계층은 WAN 환경의 데이터링크 계층과 기능 유사.
• 송수신 호스트 사이의 프레임 전송 과정에서 발생하는 물리적 오류를 복구함.
• 데이터 변형, 분실 등에 관한 오류 제어와 송수신 호스트 사이의 속도 차이에 대한 흐름 제어 등의 기능이 필요.
• LLC 계층에서는 OSI 7계층 모델에서 정의한 데이터 링크 계층의 기본 기능을 다루고, MAC 계층에선 물리적인 전송 선로의 특징과 매체 간의 연결 방식에 따른 제어 부분을 처리함.

IEEE 802 시리즈

• IEEE에서 데이터 링크 계층 관련 다양한 LAN 표준안 연구 결과를 IEEE 802 시리즈로 발표하였음.
• IEEE 802.1은 관련 표준안 전체를 소개하고 인터페이스 프리미티브에 대한 정의를 다룬다.
• IEEE 802.2는 LLC 프로토콜의 정의를 다룬다.
• IEEE 802.3 부터는 물리 계층과 MAC 계층에 대한 내용 다룬다.
  IEEE 802.3은 CSMA/CD(1-persistent) 방식의 LAN 구조 (공유 버스), IEEE 802.4는 토큰 버스, IEEE 802.5는 토큰 링 방식에 관한 내용을 규정함. → 모두 유선 환경에 대한 표준안.

CSMA/CD

• 충돌 허용 방식의 대표적 예는 이더넷으로 더 많이 알려진 CSMA/CD이다.
• 충돌 허용 방식에서는 충돌로 깨진 프레임 복구해야 함
  → 송신 호스트에서 충돌 감지 기능 필요 → 충돌 감지시 프레임 전송 중단하고 오류 복구 절차 진행.
• 공유 매체 길이 길수록 프레임 전송 지연 증가 → 충돌 발생 가능성 높아짐.
• 송신 호스트는 프레임 전송 전에 공유 버스 사용 여부 확인해야 함. (충돌 일어나지 않도록) 전송 과정에서도 충돌 발생 가능.

토큰 버스

• 토큰 버스 방식은 물리적으로 보면 공유 버스로 연결되어 있다. 공유 버스는 토큰 프레임과 데이터 프레임물리적으로 전송하는 수단만 제공.
• 논리적인 프레임 전달은 링 구조. 모든 전송 과정은 논리적인 링의 순환 구조로 이루어짐.
• 토큰은 호스트 사이 데이터 프레임 전송이 순차적으로 이루어지게 하는 제어 프레임.
• 데이터 전송을 원하는 호스트는 토큰이 도착할 때까지 기다려서 도착한 토큰 획득 후 데이터를 전송.
• 네트워크 내부에는 토큰 1개만 존재 → 동시에 여러 호스트가 데이터 프레임 전송 X → 충돌 발생 원천적 차단.

토큰 링

• 토큰 프레임은 1개만 사용됨. → 충돌 현상 발생 X
• 점대점 방식으로 연결한 호스트가 순환 구조 형태로 LAN을 구성.
• 링 인터페이스의 동작은 대기 모드와 전송 모드로 구분됨.
• 대기 모드→ 입력단으로 들어온 비트 출력단으로 즉시 내보냄.
• 전송 모드→ 호스트가 토큰 획득해 데이터 프레임 전송 권한 보유한 상태.
• 송신 호스트는 먼저 토큰 획득해야 데이터 프레임 전송 가능
  → 송신 호스트가 전송한 프레임이 링을 한 바퀴 돌며 수신 호스트에 전달되고, 송신 호스트에 되돌아오도록 설계.(=> 브로드 캐스팅 방식 지원) 되돌아온 프레임의 특정 위치에 있는 값 확인해 프레임 전송 여부 확인 후 데이터 프레임을 회수하고, 토큰 프레임은 링에 반환.

CSMA/CD → 브로드 캐스팅. 토큰 버스→ 링 구조로 프레임 전달 (점대점 연결). 토큰 링→ 브로드 캐스팅.

CSMA/CD의 신호 감지 기능

• 신호 감지 프로토콜은 전송 매체의 신호를 감지해 프레임의 전송 여부를 결정.
• 공유 버스를 다른 호스트가 사용 중→ 여러 정책에 따라 다시 신호 감지 시도. / 사용 X→ 프레임 전송 시작.
• 1-persistent CSMA 방식은 임의의 순간에 채널이 유휴 상태로 변경되면 확률 1의 조건으로 프레임을 무조건 전송. 
  → 동시에 프레임 전송할 수 있어 충돌 발생 가능성 높음.
• Non-persistent CSMA 방식은 신호 감지 후 채널이 사용 중이라 판단하면 더는 채널의 유휴 상태 확인 X. 임의의 시간 동안 기다린 후 다시 채널 감지 재개. 
  → 1-persisetent 방식보다 충돌 발생 확률 낮음.
• P-persistent CSMA는 채널이 유휴 상태이면 p의 확률로 프레임 전송.

CSMA/CD의 충돌 감지 기능

• 충돌 감지 기능을 사용해 전송 과정에서 충돌 여부 확인. 충돌 감지하면 진행 중인 프레임의 전송 중지.
• 트랜시버는 호스트를 전송 케이블에 연결하기 위한 송수신 장치. 전송 선로의 신호 감지 기능과 충돌 현상 감지 기능 제공. (공유 버스 방식 이용하는 고전적 LAN에서는 전송 매체에 트랜시버 장비로 보조선 연결해 각 호스트 연결.)
• IEEE 802.3 표준안은 전송 케이블의 최대 길이를 일정 범위 이내로 제한. → 케이블 길이 길면 신호 감쇄 현상에 의해 오류 발생 가능성 높아지기 때문. → 신호 증폭 기능을 하는 리피터 장비 이용해 거리 제한 문제 해결.
• 네트워크 확장법 : 호스트 수 증가하면 추가 케이블에 호스트 연결하고, 이들을 리피터로 연결.

CSMA/CD의 프레임 구조

• 계층인 LLC에서 내려온 프레임을 상대 호스트에 전송하려면 MAC 계층에서 정의된 프레임 구조에 맞게 포장해야 함.
• 이더넷 프로토콜에서는 이더넷 프레임이라 함. LLC 계층에서 보낸 모든 정보를 전송 데이터로 취급하며 데이터 앞에는 헤더, 뒤에는 트레일러가 위치.
• 전체 프레임의 크기는 data와 padding의 길이에 영향 받고, length 필드로 확인 가능.
• Length 필드는 data 필드에 포함된 가변 길이의 전송 데이터 크기 나타냄.
• Preamble 필드는 수신 호스트가 송신 호스트의 클록과 동기 맞출 수 있도록 시간 여유 제공함이 목적.
• MAC 계층에선 호스트 구분하기 위해 고유의 MAC 주소 사용. MAC 주소는 일반적으로 LAN 카드에 내장되어 제공됨.
• Checksum 필드는 데이터 전송 과정에서 데이터 변형 오류의 발생 여부를 수신 호스트가 확인 가능하도록 송신 호스트가 값을 기록.

LLC 프레임과 이더넷 프레임의 관계 (캡슐화 관점)

네트워크 계층에서 전송 요구한 패킷이 LLC 계층으로 내려오면서 LLC 헤더 정보 추가해 LLC 프레임이 되고, 이 프레임

이 MAC 계층으로 내려오면서 MAC 헤더와 MAC 트레일러 정보를 추가한다. 이 때 MAC 계층의 데이터는 LLC 헤

더 + LLC 데이터이고, 이는 MAC 프레임의 data 필드에 기록된다. 이후 MAC 계층의 이더넷 프레임을 물리 계층(헤더 X) 사

용해 전송 선로를 통하여 수신 호스트에 물리적으로 전송한다.

허브

• 임의의 호스트에서 전송한 프레임은 버스에 연결된 모든 호스트에 전송. 목적지에 주소에 해당하는 호스트만 프레임 수신.
• 박스 형태의 장비에 호스트를 연결하는 다수의 포트 지원→ 각 호스트는 외형상 허브에 스타형 구조로 연결됨.
• 내부 동작은 공유 버스 방식으로 이루어짐. → 여러 호스트가 동시에 프레임 전송시 충돌 발생.
• 허브 구조의 LAN에서는 전체 전송 용량이 각 호스트를 연결하는 전송 선로 용량의 제한을 받음.
• 트랜시버 대신 허브 사용해 LAN 케이블의 구성이 이전보다 간단해짐.

스위치 허브

• 일반 허브와 형태는 동일하나 성능 면에서 장점이 있음. → 허브에 스위치 기능이 있어 임의의 호스트로부터 수신한 프레임을 모든 호스트에 전송X (브로드 캐스팅 X), 해당 프레임의 수신 호스트로 지정한 호스트에만 전송.
• 일반 허브를 스위치 허브로 교체하는 과정에서 연결된 호스트는 하드웨어나 소프트웨어 교체할 필요 없음.

토큰 버스의 프레임 구조

• CSMA/CD 프레임 구조에 토큰 프레임 추가.
• Start Delimiter와 End Delimiter 필드를 이용해 프레임 크기 결정됨.
• Frame Control 필드를 이용해 데이터 프레임과 제어 프레임 구분.
• Frame Control 필드가 추가되 첫 번째 2비트 값에 따라 프레임 역할이 구분됨. TT=0으로 정의된 제어용 MAC 프레임
• 은 00001000이 토큰 프레임.
• Frame Control 필드의 TT=01 인 경우 LLC 프레임으로 정의→ 상위 계층인 LLC 계층에서 내려온 전송 데이터.

토큰 링의 프레임 구조

• 토큰 링 프레임은 데이터 프레임과 토큰 프레임으로 구분 가능.
• 토큰 링 구조에서 네트워크 오류 발생 시 특정 데이터 프레임이 링 주위 무한정 순환하는 현상 발생 
  → 모니터 호스트가 데이터 프레임이 자신 지나갈 때 M 비트 1로 지정, M 비트 1인 프레임이. 다시 모니터 호스트 지나가면 링 한 번 이상 순환함을 의미 → 이를 제거하면 무한정 순환 현상 방지 가능.
• 모니터로 지정된 호스트는 링 네트워크의 원활한 동작 유지하는 기능 수행. 주로 오류(네트워크 정상 동작 방해) 복구.
• End Delimiter 필드의 E 비트는 오류 검출용으로 사용되고, I 비트는 데이터 프레임을 여러 개로 나누어 전송하는 경우에 사용됨.
• Frame Status 필드는 토큰 링 프레임 맨 마지막에 위치. 데이터 프레임의 수신 호스트가 송신 호스트에 응답 가능하게 함. // 역할

토큰 링 프레임 구조의 Frame Status

• 2개의 플래그 비트 A, C 필드로 정의. 두 필드 값이 쌍으로 존재.
• 한 쌍의 값이 동일한 경우에만 유효한 응답으로 정의. 다르면 0으로 처리되어 무시.
• 수신 호스트에서 데이터 프레임이 링 인터페이스를 통해 자신에게 전달되면 A 비트 1로 지정. (= 접근했단 표시)
• 입력된 데이터 프레임의 수신 호스트 주소가 자신의 주소와 동일한 프레임이 지나가면 프레임 내부 버퍼에 보관하고 C 비트 1로 지정.