통신 프로토콜(1)

1. Introduction

 

1) 단일 전송 통신 : 디지털/아날로그 신호, 압축, 경합, 보안, 무결성 논의

2) 복수 프레임을 갖는 일반통신에서의 논의 요구

    ① 복수 프레임들 및 이들에 대한 확인응답 들의 추적

    ② 손상되어 도착하는 프레임들에 대한 대응방법

    ③ 프레임이나 확인응답이 도착하지 않거나 늦게 도착 할 때의 대응

3) 효율적인 통신 설정 및 유지 기능

① 오류제어 (Error control) : 스테이션 프레임의 오류 검사 및 수정방법을 정의

       → 패리티 검사

       → 순환잉여검사 (CRC)

       → 헤밍 코드

 

② 자동반복요청 (ARQ)

       → Automatic Repeat Request

       → 효과적인 프레임 재송신을 휘한 요청

       → 예 : 정지 대기 프로토콜

 

③ 흐름제어 (Flow control) : 다수의 프레임을 전송하고 추적하는 방법과 오류 제어 방법을 정의

      → 전송 시기 및 가능성 결정

      → 재전송의 시기 결정

      → 예 : 슬라이딩 윈도우 프로토콜

 

 

2. Basic Flow Control

‘데이터 흐름제어’란. 송신측의 데이터 전송량이 수신측의 처리 가능한 양을 벗어나지 않도록 수신측이 송신측을 제어하는 것으로, 기본적인 흐름 제어 방법에는 신호법, DTE-DCE 흐름제어, 프레임 중심제어 등이 있습니다.

 

1) 신호법

①     단순한 흐름제어 프로토콜

②     송신측은 수신측이 수신 할 수 있는 한 데이터를 전송

 

 

2) DTC- DCE 흐름 제어

① 바이트 중심의 비동기 통신방법

② 인밴드 신호법 (inband signaling)

→ 전송신호에 특수 신호를 삽입 전송

→ X-ON : 전송허용

→ X-OFF : 전송불가

 

 

3) 프레임 중심 제어

 (1) 프로그램 중심제어 특징

① 프레임 중심의 동기 통신방법

㉠ 버퍼, 프레임의 수

㉡ 프레임 및 프레임 구조에 영향을 받지 않음.

 

② 파트론 (Patron)

㉠ 전송 할 정보(패킷)를 한 사용자 또는 복수 계층 구조 프로토콜의 상위 계층에 위치

   

③ 흐름제어

㉠ 프로토콜에서의 연속적인 두 계층간의 상호작용의 일부

예 : OSI 모델

데이터 링크 계층(송/수신측)과 네트워크 계층 (파트론)의 상호작용

 

 

(2) 프로그램 중심제어 특징

① 무 제약 프로토콜

㉠ 단위시간당 최대의 프레임 개수 전송

㉡ 모든 프레임을 전송

㉢ 수신측에서는 충분한 버퍼 공간을 확보하고 모든 프레임은 정확히 도착 가정

 

 

 

② 정지 대기 프로토콜

  ㉠ 단위 시간당 최소의 프레임 개수 전송

  ㉡ 한번에 한 프레임만을 전송, 확인응답을 기다림

  ㉢ 단점

   → 계속 대기 상태 : 송신측의 프레임 분실, 수신측의 확인응답분실의 경우

   → 확인응답이 손상되면 송신측이 잘못된 결론을 유도, 프로토콜의 오 동작 발생

   → 송신측의 프레임이 많을 경우 송/수신측 모두 많은 대기시간 요구

* 확인응답 (ACKnowledgment) 신호 : 프레임이 손상 없이 도착함을 알리는 신호

 

 

 

 

 

4) 프로토콜의 효율성

① 효율성의 기준

㉠ 프로토콜이 요구하는 버퍼공간

㉡ 채널 효율 (channel Utilization)

→ 송신측과 수신측사이의 거리, 채널 내 신호속도, 비트전송률 (bit rate), 프레임 구축시간에 의해 결정.       

→ 한 프레임 구축 및 전송에 필요한 시간

 

 

㉢ 유효 데이터 전송률 (effective data rate)

  → 단위시간당 전송하는 실제 데이터 비트 수

  → 프로토콜, 프레임 크기, 전송거리에 의해 결정

 

 

5) 효율성 계산

R= 전송률 (10Mbps, 10비트/μ초)

S=신호속도 (200미터/μ초)

D=송신측과 수신측간의 거리(200미터)

T=한 프레임을 만드는 시간 (1μ초)

F= 한 프레임 내 비트 수 (200)

N= 한 프레임 내 데이터 비트 수 (160)

A = 하나의 확인응답 내의 비트 수(40)

 

* ( )의 수치는 계산을 위한 예시

 

 

 

3. Sliding Window Protocol

1) 특징

장거리 대용량 통신에 적합한 프로토콜이 요구되면서, Sliding Window Protocol 이 대두되었습니다.

Sliding Window Protocol의 특징은 다음과 같습니다.

 

①     전송할 프레임에 번호부여, 소수의 프레임을 전송

②     송신 스테이션용 윈도우 :
* 미결프레임으로 윈도우를 정의 가능

* 미결 프레임 (outstanding frames) : 전송 후 확인응답을 받지 못한 프레임

③     손상 되거나 틀린 순서로 도착한 프레임에 대하여 부정적 확인응답(NAK) 전송, 프레임 재전송 요구

* NAK : 부정적 확인응답 (손상된 프레임 전송 확인)

④     확인응답이 일정시간 내에 도착하지 않을 경우

 * 프레임 분실로 처리, 재전송을 위해 타이머 사용

⑤     윈도우 크기 제약 : 프로토콜의 오 동작 발생 방지

⑥     구현방법

* Go-back-n 프로토콜 * 선택적 반복 프로토콜

 

2) 흐름 제어 프로토콜의 비교

 

 

3) 슬라이딩 윈도우 프로토콜

 

 

 

4) 프레임 형식

① 전이중 방식의 양방향 통신

  → 송신/수신의 구분이 없어짐.

 

 

5) 프레임 필드 형식

source addr & destination addr.

프레임 번호 (K bit 프레임 일 때) 0 에서 2k~1 까지 번호부여.

ACK. 피기백 방식 : 데이터 프레임 내에 확인응답을 포함 전송.

프레임 유형 → Data, ACK , NAK

데이터 : 프레임 안의 정보

CRC : 오류 감사에 사용되는 비트

  

 

6) Go－Back－n 프로토콜

   (1) 특징

    ① 수신 스테이션은 모든 프레임을 전송된 순서대로 수신할 것을 요구

     → 프레임 번호는 0 에서 2k~1사이에 존재 (modulo 2k 로 연속해서 부여)

    ② 순서가 틀릴 경우, 수신을 거부하고 송신 스테이션에 재 전송 요구

    ③ 모든 미결 프레임에 대해 재 전송 요구

    ④ 윈도우 크기 제약

     → 프레임의 수가 2k 개가 있으면 송신측 윈도우 크기는 2k 프레임 미만

     → 미결 프레임 증가 방지, 확인응답 분실 방지

     → 스테이션 오 동작 방지 

 

   (2) go-back-n 프로토콜의 윈도우 크기 제약

    ① 윈도우 크기 = 2k일 때 프로토콜 오 동작

     → 프레임 순서(신호중복)로 인해 오 동작 발생

     → 확인응답신호 분실

 

 

② 윈도우 크기 = 2k-1 일 때 프로토콜 정상 동작

 

 

7) 선택적 반복 프로토콜

 (1) 특징

    ① go-back-n 프로토콜의 재전송에 의한 오버헤드 과도현상에 대처

    ② 수신 스테이션용 윈도우를 정의, 수신 스테이션에서 윈도우 프레임 수신

    ③ 수신된 프레임을 저장하고 파트론에 차례로 전송

    ④ NAK 된 프레임만을 재전송

    ⑤ 윈도우 크기 제약

     → 프레임의 수가 2k 개 있으면 송신측 윈도우와 수신측 윈도우 크기의 합은 2k 프레임 미만

    ⑥ 연속적 번호부여 (modulo 2k, k는 프레임 번호로 사용된 번호)

 

   (2) 선택적 반복과 go-back-n의 유사점

    ① 프레임 형식이 유사, 프레임 번호는 K-비트 필드를 사용하여 부여

    ② 송신측은 최대 미결 프레임이 정의하는 하나의 윈도우 포함

    ③ 가능하면 피드백 확인응답을 사용, 모든 프레임에 명시적으로 확인응답하지 않는다.

    ④ 송신 스테이션은 한 프레임에 대한 확인응답을 받으면 이전 프레임들이 모두 수신 되었다고간주한다.

    ⑤ 손상된 프레임들과 순서가 틀리게 수신된 프레임들에 대해 NAK를 사용한다.

    ⑥ 통신량이 적을 때, 특수한 확인응답 프레임들을 보내고 한동안 확인응답이 없는 프레임들을 재전송한다.

 

(3) 선택적 반복과 go-back-n의 차이점

   ① 도착하는 프레임이 수신 윈도우에 있으면 저장된다.

      프레임이 저장될 때마다 새 프레임이 도착하기 전에 윈도우 슬롯들을 검사하여 모든 슬롯에 패킷이 들어있으면 이들을 파트론에게 전송하고 윈도우를 전진시킨다.

   ② 순서가 틀린 프레임이 도착될 때 마다 NAK를 보낸다.

   ③ 프레임이 타이머가 만료되면 시간이 만료된 프레임(timed-out-frame) 만 재전송한다.

   ④ NAK를 받으면, NAK가 지정된 프레임만 재 전송한다.

   ⑤ 피드백 확인응답은 수신측 윈도우의 시작부분에 있는 프레임의 바로 전 프레임에 대해 확인응답을 전송.

 

8) 선택적 반복 프로토콜의 제약

프로토콜 오 동작: 수신 윈도우 크기 > 2k-1 일 때 : 프레임 중복, 확인응답 분실.

 

프로토콜 오 동작: 송신 윈도우 크기 > 2k-1 일 때 : 새 프레임 인식 오류

 

 

9) 슬라이딩 윈도우 프로토콜의 효율성

n  유효 데이터 전송률에 의해 효율성 결정

① 유효 데이터 전송률에 영향을 주는 요인

→ 프레임이 분실 및 손상되는 비율

→ 특수 ACK 전송에 사용되는 타이머 값

→ 피드백 확인 응답을 수행하는 역방향 데이터 프레임의 수

 

② 윈도우 크기가 유효 데이터 전송률에 미치는 영향

→ 송신측 윈도우가 결코 최대 크기에 이르지 않을 경우 즉 프레임 전송 이전에 첫 확인

* 응답 수신 : 무 제약 프로토콜 과 유사한 동작

→ 프레임을 모두 전송하고 첫 확인응답이 수신되지 않을 경우 프로토콜의 대기 현상

* 발생 : 정지 대기 프로토콜과 유사한 동작

  

10) 프로토콜의 효율성 계산

  

 

R = 전송률 (10 Mbps, 1 μsec당 10비트)

S = 신호 속도 (μsec 당 200 미터)

D = 송신측과 수신측간 거리 (200 미터)

T = 한 프레임 구축 시간 (1 μsec)

F = 한 프레임 내 비트 수 (200)

N = 한 프레임 내 데이터 비트 수 (160)

A = 한 확인응답 내 비트 수 (40)

W = 윈도우 크기 ( 4 프레임)

   

11) 윈도우의 모든 프레임을 송신하고 기다리기

 

n  타이머 값 계산

  

 

[정리하기]

1. 프로토콜이란 통신을 수행하고자 하는 양 단말이 서로 간에 데이터를 주고 받는 형태를 사전에 정의해논 규약이다.

 

2. 데이터 전송시 흐름 제어를 하기 위한 방법으로 DTE－DCE 흐름 제어로서 X－ON/X－OFF와 프레임 중심 제어 방법으로서 무제약 프로토콜과 정지 대기 프로토콜이 있다.

 

3. 슬라이딩 윈도우 프로토콜은 두 극단 사이에서의 타협을 나타내는 것으로서 go－back－n 프로토콜과 선택적 반복 프로토콜로 구분될 수 있다.