근거리 통신망(1)

1. Network Topologies

 

1) 근거리망 : 전형적인 한 건물이나 건물이 밀집된 지역에서 컴퓨터, 프린터, 파일 서버 등을 연결

2) Topology의 개념
    ① 컴퓨터 네트워크의 물리적인 형태
    ② 컴퓨터 간의 배선 모양이나 통신 채널이 통신 망에 연결되는 형태

 

3) 종류

(1) 버스 토폴로지 (Bus Topology)
     ① 피더선 (feeder line) : 동축 케이블, 광케이블 사용
     ② 선형적 형태 : 스테이션의 첨가/삭제가 용이
     ③ 한번에 하나의 스테이션만 전송가능 : 병목 현상 발생

 

(2) 링 토폴로지 (Ring Topology)
     ① 모든 스테이션이 링에 연결 : 다수의 스테이션의 동시 전송 가능
     ② 각 스테이션은 이웃하는 두 노드에 직접 연결
     ③ 다수의 컴퓨터간의 통신, 컴퓨터와 파일 서버, 공유 프린터간의 통신에 이용

 

 

(3) 성형  토폴로지

①    스테이션 (메인 프레임/파일서버) 은 논리적으로 모든 노드의 통신 센터

②    두 노드 간의 통신은 반드시 센터 스테이션 경유해야 가능

 

 

(4) 완전 연결형 토폴로지 (Full connected Topology)
   ① 모든 스테이션이 각 노드 쌍으로 연결 : 모든 스테이션이 직접 연결
   ② 낮은 이용률

 

   < Interconnecting network >
 ① 병목현상 회피
 ② LAN에 연결된 스테이션수 감소유도
 ③ 다수의 네트워킹 통신 요구

 

 

2. Ethernet IEEE 802.3

 

 1) 개요

   “여러 대의 컴퓨터를 연결시켜 데이터를 간단히 교환하는 방법이 없을까?”

이 질문에 대한 해답의 탄생은 지금으로부터 약 30년 전인 1973년 5월 22일로 거슬러 올라간다.

당시 제록스 팔로알토 연구소에 근무중이던 로버트 메트칼프 박사는 하와이 알로아 대학의 네트워크 전송 방식을 기본 모델로 삼아 새로운 네트워크 개념인 이더넷을 개발했다.

 

메트칼프가 손으로 쓱쓱 그린 이 개념도에서 시작된 이더넷은 이후의 네트워크 발전에 크게 공헌했으며 오늘날 수많은 네트워크 인프라의 핵심을 이루고있다. 최근의 유비쿼터스 이더넷 프로토콜도 따지고 보면 이 그림 한 장이 시초라 할 수 있다.

 

(1)   버스 토플로지를 기반

(2)   각 스테이션은 기간망을 통한 전송을 위해 CSMA/CD 프로토콜 사용

(3)   IEEE에서 표준으로 채택 : IEEE 802.3

(4)   IEEE 802 LAN 의 표준구성

 

(5) 근거리망
   ① 물리 계층, 데이터 링크 계층, 네트워크 계층에 해당
   ② IEEE 802.3 표준 : : MAC 프로토콜 사용

 

(6) 데이터 링크 계층 : 데이터 링크 계층에서 노드간의 통신에 대한 책임
   ① 논리적 링크 제어 (LLC) : 스테이션 사이의 논리적 링크 제어
   ② 매체 액세스 제어 (MAC) : 전송 매체의 액세스 제어

 

  

2) 이더넷 구성 요소

① 트랜시버 (Transceiver)
→컴퓨터와 케이블의 인터페이스 제공
→CSMA/CD 프로토콜을 이용 케이블에 데이터 전송
→트랜시버 전용 케이블 사용 : AUI cable

② 인터페이스 카드
        →NIC, Network Interface Card
        →케이블을 통해 컴퓨터와 연결
        →데이터를 저장, 트랜시버 케이블과 컴퓨터 저장장치 사이형태
        →데이터 이동에 필요한 논리 회로로 구성
        →오류 검출, 프레임 생성, 충돌 시 재전송 시간 결정

 ③ 종단장치 (Terminator)

 ④ 이더넷 기간망 (Ethernet backbone)

      이더넷은 가장 광범위하게 설치된 근거리통신망 기술.

 

IEEE 802.3에 표준으로 정의되어있지만, 이더넷은 원래 제록스에 의해 개발되었으며, 제록스와 DEC 그리고 인텔 등에 의해 발전.

이더넷 랜은 일반적으로 동축케이블 또는 특별한 등급이 매겨진 비차폐 연선을 사용.

가장 보편적으로 설치된 이더넷 시스템은 10BASE-T 이며, 10 Mbps의 전송속도를 제공.

모든 장치들은 케이블에 접속되며, CSMA/CD 프로토콜을 이용하여 경쟁적으로 액세스.

고속 이더넷이나 100BASE-T 등은 전송속도가 최고 100 Mbps까지 제공되며, 일반적으로 10BASE-T 카드가 장착된 워크스테이션들을 지원하기 위한 근거리통신망의 백본으로 많이 사용. 

기가비트 이더넷은 1,000 Mbps 정도로서, 보다 높은 수준의 백본 속도를 지원.

 

 

3) 케이블 사양 IEEE 802.3 의 케이블 타입

 

4) 연결 세그먼트

     스테이션간의 최대 세그먼트 길이 제한
     ① 신호가 케이블을 따라 전파 될 때 세기가 약해짐
     ② 최대 거리 이상 일 때 : 리피터 사용
       → 리피터 (repeater) : 신호를 수신, 증폭, 재전송 기능
       → 두개의 컴퓨터 사이의 최대 4개의 리피터 사용
       → 전송거리 연장
      → 기간망의 트래픽 감소
      → 효율 증가
      → 보안성 유지

 

 

5) 이더넷 프레임 포맷

① Preamble(시작)

Ethernet 프레임의 첫번째 8바이트와 IEEE 802.3 프레임 의 첫번째 7바이트.

이것은 동시진행(synchronization)에 사용되며, Ethernet의 경우 프레임의 시작을 나타낸다.

전송매체에 연결되어 있는 모든 회로를 안정한 상태로 만들고 하드웨어의 동기를 맞추어주기 위하여 사용된다.

 

② Start Delimiter(시작 경계)

(IEEE802.3) 각각의 시작 프레임 바이트를 구분하여 나타낸다.

정상적인 프레임의 내용이 시작된다는 사실을 알려주는 용도로 사용된다.

 

③ 목적지 주소

프레임을 수신하는 단말기를 의미한다. 이 목적 주소는 한대의 단말기와 그룹으로 이루어진 단말기,

그리고 모든 단말기를 포괄하여 지칭할 수 있다. IEEE 802.3과 Ethernet은 48비트 어드레스를 나타낸다.

 

④ 송신지 주소

프레임을 전송하는 단말기를 의미한다. IEEE 802.3과 Ethernet은 48비트 어드레스로 나타낸다.

 

⑤ 데이터 필드

최대 프레임 길이는 1526바이트이며, data 는 46에서 1500byte까지 보낼 수 있다.

이 규격은 단일 프레임을 전송하는데 있어 매체의 전송 시간을 제한 시킬 필요성에 대한 규제를 나타낸다.

만약 자료가 전송되는데1526바이트보다 큰 프레임이 필요하다면 상위계층은 자료를 각각의 패킷에 나누어야만할 것이다.

이 과정을 Fragmentation(분할)이라고 한다.

 

⑥ 패드 필드

(IEEE 802.3) data가 46byte가 안되는 짧은 경우에 data의 최소한의 길이를 유지할 수 있도록

부족한 만큼을 메꿔주는 부분으로 의미가 없는 값으로 채워진다.

 

⑦ Frame Check Sequence(FCS)

전송상의 오류를 검사한다.

송신단말기는 프레임의 비트에 CRC (Cyclic Redundancy Check ; 순환여유검사)를 하고 이 계산 결과를 FCS 필드에 저장한다.

수신단말기 역시 같은 계산을 하고 FCS필드에 저장된 값과 계산치를 비교한다.

만약 그 값이 다르다면, 수신 단말기는 오류로 간주하고 프레임의 재전송을 요구한다.

 

6) 효용성 : IEEE 802.3의 효율성 측정

(1) 효율성 측정
         ① 성공적인 전송의 평균시간
         ② 충돌 잡음 → 최대 충돌시간 검출

(2) 데이터 전송률, 케이블의 길이,(리피터 포함), 프레임크기, 스테이션 수에 따라 차이

(3) T : 충돌 검출에 필요한 최대 시간, 네트웍상의 가장 먼 점 간의 최대 왕복시간

 

 

 7) 효율성

 (1) 한 타임 슬롯 동안 프레임을 성공적으로 보내게 될 기회는?
      ① N = 총 스테이션 수, 각 스테이션이 슬롯 타임 T 동안 (0 ≤ ≤ 1)의 확률로 보낸다면 한 스테이션이 T 동안 전송하지 않을 확률은 :
      ② 한 슬롯 타임 동안 충돌 없이 전송될 확률 :
      ③ 가장 많은 프레임이 성공적으로 전송되는 조건

(2) 경합주기 (Contention period)
      ① 한 프레임의 성공적인 전송에 소요되는 타임 슬롯
      ② 가중 평균 또는 합의 형으로 표현
       (각 항 : 한 스테이션이 대기하는 슬롯 수와 그 슬롯들을 기다리는 확률의 곱)

 

 

8) 채널 이용률

(1) 프레임을 전송하는데 소요된 시간을 경합과 전송에 소요된 총 시간에 대한 백분율로 나타낸 것

   [ 경합주기 (Contention period) ]

 

 

(2) 예

 500개의 스테이션, 500m 세그먼트 3개를 연결한 802.3 LAN (10 BASE T)에서 데이터 율은 10 Mbps, 슬롯타임이 51.2μs일 때 모든 스테이션이 같은 확률로 전송을 한다면 512 바이트 프레임을 사용하는 채널 이용률은?
→ F = 512 * 8 = 4096 바이트
→ F/R = 4096비트/10Mbps = 0.0004초 = 410 μ초
→ C = (1 - 1/N) 1- N - 1 = (1 - 1/500)1-500 - 1 = 1.716
→ U = 100 * 410 / (410 * 51.2 * 1.716) = 82 %

 

 

3. Token Ring IEEE 802.5

 

1) 개요

▷ I EEE 802.5 표준에서 정의

▷ 토큰을 이용하여 송신권 부여

▷ 데이터율 : 4Mbps (1-16 Mbps)

▷ 하나의 인터페이스로 링에 연결

▷ 하나의 스테이션은 이웃 스테이션에 직접 전송 (반시계 방향)

▷ 차분 맨체스터 부호화 방식

 

2) 토큰 링의 특성

▷ 링 경합이 이더넷 보다 순차적 발생 : 충돌에 의한 낭비 대역 감소

▷ 한 스테이션의 고장이 전체 망에 영향 : 선로 센터를 사용하는 토큰링 망 사용

▷ 선로 센터 토큰망 사용

▷ 스테이션을 선로 센터를 통해 통신

▷ 물리적 성형 토플로지, 논리적 링구조

▷ 모든 데이터를 선로 센터를 통해 전송

▷ 각 스테이션에 대한 우회로 포함 (고장에 대한 대응성 강화)

3) 3 옥텟 토큰 과 가변 옥텟 프레임

 

 

① SD (시작 분리자) : J K 0 J K 0 0 0
       0 : 차분 맨체스터 부호의 이진수 0

  ② AC (액서스 제어) : p p p t m r r r
       p p p : 우선 순위비트
       t : 토큰 비트
       m : 모니터 비트
       r r r : 예약 비트

  ③ ED (종단 분리자) : J K 1 J K 1 I E
       I : 중계 프레임 비트
       E : 오류비트 (오류 감지 : 1)

  ④ FC (프레임 제어) : f f z z z z z z
       f : 프레임타입 비트
       z : 제어 비트

  ⑤ FS (프레임 상태) : a c x x a c x x
       a : 주소인식 비트
       c : 프레임 복사 비트
       x : 미정의 비트

 

4) 토큰의 예약과 요구

(1) 프레임 전송방식
     ① 스테이션에서 프레임을 전송 한 후에 링에서 제거
     ② 스테이션에서 토큰을 생성, 이웃 스테이션에 전송
      →스테이션이 토큰을 수신하기 위한 시간의 상한선 설정

(2) 우선순위 설정
     ① 토큰 링의 고 순위 서비스, 실시간 장치 서비스에 이용
     ② 높은 우선순위 스테이션에 유리하도록 낮은 순위 스테이션은 무시
     ③ AC 필드의 우선순위 비트에 의해 결정
        →한 스테이션은 자신의 우선순위가 토큰의 우선 순위보다 크거나 같을 때 토큰을 요구

(3) 토큰 예약
     ① 우선순위가 낮아 전송이 불가능 했을 경우, 다음 도착하는 토큰을 예약
       → 스테이션의 예약 비트 확인 필요
       → 예약비트의 값이 스테이션의 우선순위 보다 작다면 자신의 우선순위를 저장함으로서 예약

      가능

 

5) 토큰 링에서의 상황 변화

토큰 링에서 토큰예약과 링에서 프레임의 이동에 따른 상황 변화

 

 

6) 링 유지

(1) 토큰 링에서 발생 가능한 오류
     ① 고아 프레임(링으로부터 유출되지 않는 프레임) 발생
       →스테이션의 길이가 긴 링에 짧은 프레임을 전송할 때, 마지막 비트는 첫 비트가 되돌아 오기 전에 전송되므로 충돌 발생
       →프레임을 링으로부터 가져 오지 못함

 ② 링을 선회하는 토큰의 부재로 인한 스테이션의 무한정 대기 현상
       →스테이션이 프레임이나 토큰을 받은 후, 재 전송 전에 멈춤

 ③ 선로의 잡음 발생

(2) 토큰 링 제어 프레임을 사용하여 오류 해결
       예 : 링 절단 위치 확인

(3) 토큰 링 제어 프레임

 

 

7) 토큰 링 제어 프레임

 

8) 효율성(Efficiency)

 

CSMA/CD 경쟁방식은 토큰 방식에서 높은 효율성 유지
① 토큰은 프레임에 비해 매우 작고 전송 거리가 짧다. (두 스테이션 간의 거리)
② 입력 부하가 높은 경우 : 이용률은 100%에 근접

 

9) 다른 링 네트워크 : FDDI, FDDI－II, Slotted Ring

(1) 광섬유 분산 데이터 인터페이스 (FDDI)
     ① 특징
      → Fiber Distributed Data interface
      → ISO 9314 규격 : 100Mbps, 200km 전송
      → 단일 모드 광섬유 사용 : 1000개의 스테이션 연결 가능
      → 4B/5B부호를 NRZI와 함께 사용 : 동기능력
      → 두개의 링을 사용하여 스테이션 연결
         ㉠ 링이 단절 되었을 경우 논리적으로 링을 재구성가능
         ㉡ 스테이션
             → 단일 점 스테이션 (SAS : single attachment station)
             → 다중 점 스테이션 (DAS : multiple-attachment station)
     →단점 : 광섬유의 대역의 낭비 발생, 프레임 트레픽 발생

 

(2) 다른 링 네트워크 : FDDI, FDDI－II, Slotted Ring

 

(3) 4B/5B 부호 정의

 

 

10) FDDI의 프레임과 토큰 형식

(1) FDDI 토큰

 

(2) FDDI 프레임

 

(3) FDDI 링

    

11) FDDI－II

(1) 일정 전송율 필요 : 연속적 비디오, 소리 신호 제공

(2) 동작모드
     ① 기본모드 : 프레임과 토큰을 사용
     ② 하이브리드 모드 : 일정주기 마다 프레임 생성 , 고정된 전송속도(6.144Mps

 

12) 슬롯 링

(1) 여러 개의 순환 슬롯으로 구성

(2) 링에 존재하는 비트 수 증가

(3) 슬롯 : 링을 순환하는 프레임
       ① 목적지/송신지 주소, 데이터를 위한 16비트와 상태 비트로 구성

 

 

 

[정리하기]

1. 근거리 네트워크 망(Local Area Network)를 구성하는 토폴로지에는 버스와 링, 성형, 그리고 완전 연결형 방식이 있다.

 

2. 이더넷(Ethernet)은 버스 토폴로지를 기반으로 한 근거리 네트워크 연결 방식으로서 각 스테이션들은 기간망을 통한 전송을 위해 CSMA/CD 프로토콜을 사용한다.

 

3. 토큰 링(Token Ring) LAN은 IEEE 표준 802.5에 정의되어 있는 근거리 네트워크 연결 방식으로서 각 스테이션들은 하나의 인터페이스를 가지고 링에 연결되어 있다.

 

4. FDDI와 슬롯 링(Slot Ring) 방식은 전체 구성 방식은 토큰 링과 유사하나 실제 통신을 수행하는 절차나 전송 매체에 있어서는 토큰 링 방식과 약간 상이한 방식으로 근거리 네트워크를 구성하는 통신 프로토콜이다.

 

[참고자료]

http://www.rfc-editor.org 각종 RFC 관련 문서를 찾고 텍스트 파일로 관련 문서를 찾을 수 있습니다. 

http://www.ieee802.org/3/ (ETHERNET) IEEE 802.3 관련 정보를 얻을 수 있습니다. 

http://www.ieee802.org/5/www8025org/(Token Ring) IEEE 802.5 관련 정보를 얻을 수 있습니다.