TCP/IP 통신망 특론

1. TCP/IP 통신망 특론 2장 Link Layer 컴퓨터 네트워크 실험실 이희규

2. 목 차 2.1 Introduction 2.2 Ethernet and IEEE 802 Encapsulation 2.3 Trailer Encapsulation 2.4 SLIP : Serial Line IP 2.5 Compressed SLIP 2.6 PPP : Point-to-Point Protocol 2.7 Loopback Interface 2.8 MTU (maximum transmission unit) 2.9 Path MTU 2.10 Serial Line Throughput Calculations 2.11 요약

3. 2.1 Introduction • 링크계층의 목적 • IP module을 위한 IP datagram의 send/receive • ARP module을 위한 ARP request와 reply • RARP module을 위한 RARP request와 reply • TCP/IP는 서로 다른 Link Layer를 지원한다 • 즉, TCP/IP 아키텍처는 어떤 종류의 물리적 네트워크 상에서도 수행할 수 있도록 설계되어 있다. • Ethernet, token ring, FDDI, RS-232 serial line, etc.

4. 2.2 Ethernet and IEEE 802 Encapsulation • Ethernet • 일반적으로 DEC, Intel, Xerox사가 1982년에 제안한 표준을 의미하며 CSMA/CD (Carrier Sense, Multiple Access with Collision Detection) 라고 하는 access method를 사용 • 전송속도 10Mbps, 48-bit address • IEEE 802 위원회 • 802.2 LLC(Logical Link Control) • 802.3 CSMA/CD • 802.4 token bus • 802.5 token ring

5. 2.2 Ethernet and IEEE 802 Encapsulation (Cont’d) • IP datagram encapsulation define • Ethernet에 대한 RFC 894 • IEEE 802 network에 대한 RFC 1042

6. 2.2 Ethernet and IEEE 802 Encapsulation (Cont’d) • Host Requirement RFC • RFC 894(Ethernet) encapsulation을 사용하는 packet을 송수신할 수 있어야 한다 • RFC 894 packet과 혼합된 RFC 1042(IEEE 802) packet을 수신할 수 있어야 한다 • RFC 1042 encapsulation을 사용한 packet을 송신할 수도 있어야 한다. 호스트가 두 타입의 packet을 송신할 수 있다면 송신한 packet의 타입을 구성할 수 있어야 하고 구성 옵션은 RFC 894를 따라야 한다. • RFC 894 encapsulation이 가장 일반적으로 사용되고 있다.

7. IEEE 802.2/802.3 Encapsulation(RFC 1042) 802.3 MAC 802.2 LLC 802.2 SNAP cntl dest src DSAP SSAP org code type data CRC leng 03 addr addr AA AA 00 6 6 2 1 1 1 3 2 38-1492 4 type IP datagram 0800 2 38-1492 type ARP request/reply PAD 0806 2 28 10 type RARP request/reply PAD 0835 Ethernet 2 28 10 Encapsulation 46-1500 bytes (RFC 894) dest src data CRC type addr addr 6 6 2 46-1500 4 IEEE 802.2/802.3 캡슐화(RFC 1042)와 이더넷 캡슐화(RFC 894) type IP datagram 0800 2 46-1500 type ARP request/reply PAD 0806 2 28 18 type RARP request/reply PAD 0835 2 28 18

8. 2.3 Trailer Encapsulation • RFC 893은 trailer encapsulation이라고 하는 또 다른 형태의 Ethernet encapsulation을 설명 • 이것은 IP datagram의 필드 순서를 바꿈으로서 성능 개선을 꾀한 실험에서 비롯되었음 • 즉, IP와 TCP header를 data 부분의 끝으로 옮김으로써 data가 kernel내로 복사될 때 memory to memory copy가 효율적으로 이루어지도록 한 것임 • 현재는 사용되지 않음

9. 2.4 SLIP : Serial Line IP • RFC 1055 • RS-232 serial port를 통해 Internet에 접속할 때 사용 • framing rule • IP datagram의 앞뒤에 special character END(0xc0)를 추가. 이는 어떤 line noise가 데이터로 해석되는 것을 막기 위함. • IP datagram 내에 0xc0는 0xdb, 0xdc로 변환하여 전송(0xdb는 SLIP ESC character라 함) • IP datagram 내에 0xdb는 0xdb, 0xdd로 변환하여 전송

10. 2.4 SLIP : Serial Line IP(Cont’d) • SLIP의 단점 • 각 end system은 서로의 IP address를 알고 있어야 한다. 즉, IP address를 알려 줄 방법이 없다. • Ethernet의 type field와 유사한 type field가 없다. 어떤 serial line이 SLIP을 사용하고 있다면 동시에 다른 protocol을 사용할 수 없다. • SLIP은 Ethernet의 CRC와 같은 아무런 checksum을 하지 않는다. SLIP을 통해 전송하고 있는 datagram은 잡음으로 인해 잘못될 수 있고, 이는 상위 계층이 검출해야 한다. 따라서 IP의 header checksum, TCP의 header와 data checksum, UDP의 header와 data(optional) checksum이 이를 담당한다.

11. 2.5 Compressed SLIP • RFC 1144 [Jacobson 1990a] • SLIP line은 저속(19200bits/sec or below)이며 interactive traffic(TCP를 사용하는 Telnet or Rlogin)에 빈번히 사용 : 1 byte를 전송하기 위해 40bytes(TCP 20, IP20)의 overhead가 있음. • 이러한 성능상의 결점을 해결하기 위해 CSLIP을 고안 • 일반적으로 어떤 접속에 사용되는 두 header의 일부 field는 바뀌지 않는다는 성질을 이용하여 40 bytes의 header를 3 or 5 bytes로 줄여서 전송. 따라서 이러한 작은 header는 interactive response time을 많이 개선한다.

12. 2.6 PPP : Point-to-Point Protocol • PPP는 SLIP의 모든 단점을 수정하며 다음과 같은 3개의 요소로 구성된다. • Serial link상의 IP datagram을 encapsulation하는 방법. PPP는 8 bits data, no parity를 사용하는 asynchronous link와 bit-oriented synchronous link를 모두 지원한다. • Data-link connection을 설정, 구성, 테스트 하기 위한 LCP(Link Control Protocols). 따라서 각 end system은 다양한 option을 협상할 수 있다. • NCP (Network Control Protocols)로 다른 네트워크 계층의 프로토콜 지정.현재 IP, OSI network layer, DECnet, AppleTalk를 위한 RFC가 존재.

13. 2.6 PPP : Point-to-Point Protocol(Cont’d) • RFC 1331 : encapsulation method and link control protocol • RFC 1332 : network control protocol for IP

14. 2.6 PPP : Point-to-Point Protocol(Cont’d) • information field에 0x7e가 나타난 경우 • 동기식 링크인 경우 bit stuffing • 비동기식 링크인 경우 escape character(0x7d) 사용하며 escape character가 PPP frame에 나타난 경우(두 번째 바이트의 6번째 bit를 보수로 바꿈) • 0x7e는 0x7d, 0x5e • 0x7d는 0x7d, 0x5d • 0x20보다 작은 값은 무조건 투명유지 작업을 하게 된다. 예를 들면 0x01은 0x7d, 0x21로 바꾸어 전송. 이는 호스트나 모뎀상의 serial driver가 ASCII control character로 인식하는 것을 막기 위함.

15. 2.6 PPP : Point-to-Point Protocol(Cont’d) • SLIP과 마찬가지로 constant(flag, address)를 생략하고 protocol을 1 byte로 줄여 사용할 수 있다. 그러나 이 경우에도 3 byte(CRC 2, protocol 1)의 overhead가 생김. 또한 CSLIP과 마찬가지로 IP, TCP header의 크기를 줄여서 사용할 수 있다. • SLIP보다 PPP가 주는 장점 • 한 serial line에 multiple protocol을 제공 • 각 frame에 cyclic redundancy check • IP network control protocol을 사용하여 IP address의 동적 협상 가능 • CSLIP과 유사한 TCP, IP header compression • link control protocol을 통한 다수의 data-link option 협상 • 결과적으로 이러한 이점은 3 byte의 overhead, link를 설정할 때 협상을 하기 위한 몇 개의 frame, 훨씬 더 복잡한 구현에 대한 대가이다.

16. 2.7 Loopback Interface • 같은 호스트내의 client와 server가 TCP/IP를 이용하여 통신하기 위해 대부분 loopback interface를 제공 • 이름은 localhost, IP address는 127.0.0.1

17. 2.7 Loopback Interface (cont’d) • Key points • loopback address로 보내진 모든 것은 IP input에 나타난다. • broadcast or multicast address로 보내진 datagram은 loopback interface로 복사되고 Ethernet으로 보내진다. 이는 broadcasting과 multicasting의 정의가 sending host를 포함하기 때문이다. • 자신의 IP address 중 하나로 보내진 어떤 것도 loopback interface로 보내진다. • 모든 transport와 IP layer가 loopback data를 처리하는 것이 비효율적으로 보일지도 모르겠지만 이는 network layer에게 loopback interface가 단지 다른 link layer로 보이기 때문에 설계를 단순화 시킨다. • 또한 자신의 IP address 중 하나로 송신한 IP datagram은 네트워크 상에 절대로 나타날 수가 없다는 것을 암시한다.

18. 2.8 MTU • frame의 크기를 제한하는 link layer의 특성을 MTU (maximum transmission unit)라 한다. • IP datagram이 link layer의 MTU보다 크면 fragmentation이 일어나며 각 fragment는 MTU보다 작아야 한다. • 이 중 Point-to-Point에 대한 MTU는 network media의 물리적 특성에 따른 것이 아니라 대화형 응용의 적당한 response를 제공하기 위한 논리적인 제한. Network MTU(bytes) Hyperchannel 65535 16 Mbits/sec token ring(IBM) 17914 4 Mbits/sec token ring(IEEE 802.5) 4464 FDDI 4352 Ethernet 1500 IEEE 802.3/802.2 1492 X.25 576 Point-to-Point(low delay) 296

19. 2.9 Path MTU • 두 호스트가 같은 network 상에서 통신할 때는 MTU가 중요한 factor이다. • 그러나 두 호스트 사이에 multiple network가 개입되어 있는 경우 두 호스트가 접속한 network의 MTU 보다는 중계 network의 가장 작은 MTU가 더 중요하며 이를 path MTU라 한다. • Path MTU는 일정하지 않으며 이는 어떤 시점에 사용된 경로에 의존하기 때문이다. • 또한 routing은 대칭이 아니다. 즉, A에서 B로 가는 경로와 B에서 A로 가는 경로가 다를 수 있기 때문이다. 따라서 path MTU는 두 방향이 서로 다를 수 있다. • RFC 1191에는 path MTU를 결정하기 위한 방법(path MTU discovery mechanism)을 설명하고 있다.

20. 2.10 Serial Line Throughput Calculations • line speed 9600bps, data 8 bits, start 1 bit, stop 1bit인 경우 960 byte/sec이며 1024 byte packet 전송에 1066ms가 소요된다. • 이러한 가정하에 SLIP link 상에서 1024 byte frame을 나르는 application과 interactive application이 사용되는 경우 interactive packet을 보내는데 평균 1066/2 = 533ms를 기다려야 한다. • Interactive traffic은 100-200ms를 넘어서면 좋지 않은 것으로 판단한다[Jacobson 1990a](인간 공학 연구) • MTU가 256인 경우 266ms(256/960) 소요되며 평균 wait는 133ms이다. 133이 완벽한 throughput은 아니나 64나 128보다는 utilization이 좋다.

21. 2.10 Serial Line Throughput Calculations(Cont’d) • Point-to-Point link에서 MTU를 296으로 정한 이유 • 256+40(TCP + IP header)=296이다. 그러나 CSLIP을 사용하는 경우 40을 5로 줄이기 때문에 261byte frame이 되고 261 중에서 98.1%(256/261)는 data, 1.9%(5/261)가 header이므로 좋은 utilization 이라고 할 수 있다.

22. 2.11 요약 • 이더넷과 IEEE 802.2/802.3캡슐화의 차이점 • SLIP과 PPP 캡슐화 차이점 • SLIP과 PPP는 둘 다 저속 링크에서 사용되기 때문에 종종 변하지 않는 필드는 압축하는 방법사용 • 루프백 인터페이스 • MTU와 path MTU