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컴퓨터 네트워크 PART 02 프로토콜 (chapter 01 데이터 링크 계층과 LAN) 임효택 E-mail : htlim@dongseo.ac.kr

컴퓨터 네트워크 PART 02 프로토콜 (chapter 01 데이터 링크 계층과 LAN) 임효택 E-mail : htlim@dongseo.ac.kr Home page : http://kowon.dongseo.ac.kr/~htlim. Chapter 01 데이터 링크 계층과 LAN. 개요 1.1.1 LAN 의 정의 사무실 , 빌딩 , 공장 등과 같이 제한된 지역에서 고속의 통신 채널을 제공하는 네트워크 LAN 의 특징 제한된 접속 길이

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컴퓨터 네트워크 PART 02 프로토콜 (chapter 01 데이터 링크 계층과 LAN) 임효택 E-mail : htlim@dongseo.ac.kr

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  1. PART 02 프로토콜 컴퓨터 네트워크 PART 02 프로토콜 (chapter 01 데이터 링크 계층과 LAN) 임효택 E-mail : htlim@dongseo.ac.kr Home page : http://kowon.dongseo.ac.kr/~htlim

  2. PART 02 프로토콜 Chapter 01 데이터 링크 계층과 LAN • 개요 1.1.1 LAN의 정의 • 사무실, 빌딩, 공장 등과 같이 제한된 지역에서 고속의 통신 채널을 제공하는 네트워크 • LAN의 특징 • 제한된 접속 길이 • 전송 용량: 보통 1Mbps ~ 수십 Mbps • 방송(broadcasting) 형태의 패킷 네트워크 • 패킷지연의 최소화 • 낮은 오류율 : 10-8, WAN : 10-5

  3. PART 02 프로토콜 IEEE 802.2 Unacknowledged connectionless service Connection-mode service Acknowledged connectionless service LLC MAC CSMA/CD Token bus Token ring Token ring Baseband : 10 BASE 5 10 BASE 2 1 BASE 5 10 BASE T Broadband : 10 BROAD 36 Broadband : 1, 5, 10 Mbps (coaxial) Carrier band 1, 5, 10 Mbps (coaxial) Opticalfiber : 5, 10, 20 Mbps STP (Shielded Twist pair) : 4, 16 Mbps UPT (Unshielded Twist Pair) : 4 Mbps0 Opical fiber : 100 Mbps IEEE 802.3 IEEE 802.4 IEEE 802.5 FDDI 물리 Chapter 01 데이터 링크 계층과 LAN 1.1.2 IEEE의 LAN 표준안 [그림 1.1]

  4. PART 02 프로토콜 응 용 표 현 세 션 Service-access 트랜스포트 () () () 네트워크 LLC 데이터링크 MAC 물 리 물 리 Chapter 01 데이터 링크 계층과 LAN 1.1.3 LAN 프로토콜 참조 모델 [그림 1.2] LAN 표준안과 OSI 모델과의 관계 LAN 표준안과 OSI 모델과의 관계

  5. PART 02 프로토콜 Chapter 01 데이터 링크 계층과 LAN • LAN, MAN의 계층 • OSI 모델의 계층 1~2에 해당 • MAC 부계층(Sublayer) • 공유되는 전송 매체에의 접근 제어 • LLC 부계층(Sublayer) • LAN 구조에 무관하게 상위 계층에 동일한 서비스 제공 • 대표적인 LAN 구조 • CSMA/CD (IEEE 802.3) • Token Ring (IEEE 802.5)

  6. PART 02 프로토콜 Chapter 01 데이터 링크 계층과 LAN • IEEE의 LAN 관련 위원회 • IEEE 802.1 : 상위계층 인터페이스 및 MAC 브릿지 • IEEE 802.2 : LLC(Logical Link Control) • IEEE 802.3 : CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection) • IEEE 802.4 : 토큰 버스(Token Bus) • IEEE 802.5 : 토큰 링(Token Ring) • IEEE 802.6 : MAN(Metropolitan Area Networks) • IEEE 802.7 : 광대역 LAN • IEEE 802.8 : 광섬유 LAN • IEEE 802.9 : 종합 데이터 음성 네트워크 • IEEE 802.10 : 보안(Security) • IEEE 802.11 : 무선 네트워크(Wireless Network)

  7. PART 02 프로토콜 Chapter 01 데이터 링크 계층과 LAN 1.1.4 토폴로지 (Topologies) • 스타(star)형 구성 • 버스(bus)형 구성 • 링(ring)형 구성 • 계층형 구성

  8. PART 02 프로토콜 Chapter 01 데이터 링크 계층과 LAN • 구성(Topologies)

  9. PART 02 프로토콜 Chapter 01 데이터 링크 계층과 LAN • LLC(Logical Link Control) 프로토콜 • LLC 서비스-접근점(LSAP)을 통하여 사용자에게 서비스를 제공 • 세 가지 타입을 제공 • Unacknowledged connectionless service (비확인 비연결 서비스) • 반드시 제공 • ACK, 흐름제어, 오류복구 지원하기 않음 • Connection-mode service (연결 서비스) • ACK, 흐름제어, 오류복구 지원 • Acknowledged connectionless service (확인 비연결 서비스)

  10. PART 02 프로토콜 Chapter 01 데이터 링크 계층과 LAN [그림 1.4] LLC PDU 형식

  11. PART 02 프로토콜 Chapter 01 데이터 링크 계층과 LAN • MAC(Medium Access Control)프로토콜 1.3.1 CSMA/CD (Carrier-Sense Multiple Access with Collision Detection) • IEEE 802.3 MAC • 버스나 트리형 LAN에서 가장 일반적으로 이용 • 보통 이더넷(Ethernet)이라고도 함 • CSMA/CD 방식은 채널을 사용할 때 먼저 다른 스테이션이 채널을 이용하는지의 여부를 모니터링한 다음 사용하는 방법으로서 경쟁(contention)에 의해 채널 사용권을 획득 • Collision 발생 -->binary exponential backoff로 해결

  12. PART 02 프로토콜 Chapter 01 데이터 링크 계층과 LAN Time t0 : A가 전송을 시작 Time t1 : D 가 전송을 시작 Time t2 : D가 충돌을 탐지, 전송 중단 Time t3 : A는 전송 완료 바로 전에 충돌 탐지 [그림 1.5] CSMA/CD 의 Collision 예

  13. PART 02 프로토콜 Chapter 01 데이터 링크 계층과 LAN [그림 1.6] IEEE 802.3 프레임 형식

  14. PART 02 프로토콜 Chapter 01 데이터 링크 계층과 LAN • CSMA/CD 방식은 통신량이 적을 때에는 90% 이상으로 채널 이용률이 높음 • 통신량이 많아지면 충돌의 횟수가 증가하면서 채널 이용률이 떨어지는 단점 • 비교적 저속이며 저 부하의 경우에 적합 • 제어 방식이 간단하면서 시설비가 저렴하므로 소규모에서 대규모 LAN까지 경제 적인 구성이 가능 • 전송매체는 동축 케이블이 일반적 • 최근에는 광섬유 케이블을 이용하는 추세

  15. PART 02 프로토콜 Chapter 01 데이터 링크 계층과 LAN • Ethernet: CSMA/CD 사용 A: sense channel, if idle then { transmit and monitor the channel; If detect another transmission then { abort and send jam signal; update # collisions; delay as required by exponential backoff algorithm; goto A } else {done with the frame; set collisions to zero} } else {wait until ongoing transmission is over and goto A}

  16. PART 02 프로토콜 Chapter 01 데이터 링크 계층과 LAN • Ethernet CSMA/CD (more) Jam Signal : LAN상의 모든 스테이션에게 Collision 이 발생했음을 알도록 함 48 bits; Exponential Backoff : • Goal : 재전송 시도를 부하의 정도에 따라 조절 • heavy load : 더 오래 기다리도록 함 • 첫번째 collision : {0,1}에서 k를 선택; 지연(delay)시간은 K x 512 bit 전송시간 • 두번째 collision : {0,1,2,3}에서 k 선택 • 열번째 collisions {0,1,2,3,4,…,1023}에서 k 선택

  17. PART 02 프로토콜 Chapter 01 데이터 링크 계층과 LAN • IEEE 802.3 물리계층 • 트위스트 페어 • STP(Shielded Twist Pair) • UTP(Unshielded Twist Pair) • 동축 케이블 • 10BASE2라고 하는 얇은(thin) 동축 케이블 • 10BASE5라고 불리는 굵은(thick) 동축케이블

  18. PART 02 프로토콜 종류 10 BASE 5 10 BASE 2 1 BASE 5 10BASE T 10 BROAD 36 Coaxial cable (50 ohm) Baseband (Manchester) 10 500 2,500 100 10 Coaxial cable (50 ohm) Baseband (Manchester) 10 185 925 30 5 Unshielded Twisted pair Baseband (Manchester) 1 500 2,500 - 0.4-0.6 Unshielded Twisted pair Baseband (Manchester) 10 100 500 - 0.4-0.6 Coaxial Cable (75 ohm) Broadband (DPSK;differenti Al phase-shift Keying) 10 1,800 3,600 - 0.4-1.0 전송 매체 시그널링방식 전송율 (Mbps) 최대 세그먼트 길이(m) 네트워크 길이 (m) 세그먼크당 노드수 케이블 직경 (mm) Chapter 01 데이터 링크 계층과 LAN [표 1.1] IEEE 802.3 물리 계층 매체의 종류

  19. PART 02 프로토콜 Chapter 01 데이터 링크 계층과 LAN [그림 1.7] 세 개의 세그먼트를 가진 10 BASE 5 LAN 구성

  20. PART 02 프로토콜 전송 매체 표준 이름 속도 (Mbps) 최대 거리(미터) 전송 모드 굵은 동축 케이블 베이스밴드 10 BASE 5 10 500 50W동축 케이블 베이스밴드 1 BASE 5 1 500 얇은 동축 케이블 베이스밴드 10 BASE 2 10 185 베이스밴드 UTP 1 BASE 5 1 500 베이스밴드 UTP 10 BASE T 10 100 토큰링 베이스밴드 STP 4/16 100 브로드밴드 동축 케이블 브로드밴드 10 BROAD 36 10 3600 광 섬유 베이스밴드 16 4500 Chapter 01 데이터 링크 계층과 LAN • 전송 매체

  21. PART 02 프로토콜 트랜시버 커넥터 Hub 드롭 케이블 터미네이터 컴퓨터 Thin Coaxial Cable Thick Coaxial Cable Twisted Pair(UTP) Chapter 01 데이터 링크 계층과 LAN • 매체 접근 제어 : CSMA/CD 버스(Ethernet)

  22. PART 02 프로토콜 Chapter 01 데이터 링크 계층과 LAN • 허브(Hub) * Ethernet Interface Card

  23. PART 02 프로토콜 Chapter 01 데이터 링크 계층과 LAN 1.3.2 Token bus(토큰 버스) • IEEE 802.4 MAC • 버스형 구성에서 사용 • 고유 채널의 사용권을 균등 분배하기 위해 사용권을 의미하는 특정의 비트 패턴 신호인 토큰 사용 • 논리적인 링(logical ring) 구성 • 스테이션은 토큰을 소유해야만 데이터를 전송 • 데이터 전송 완료 이후에는 다른 스테이션이 채널을 이용할 수 있도록 토큰을 전달

  24. PART 02 프로토콜 Chapter 01 데이터 링크 계층과 LAN [그림 1.8] 토큰 버스의 논리적인 링

  25. PART 02 프로토콜 Chapter 01 데이터 링크 계층과 LAN [그림 1.9] 데이터 전송 동작

  26. PART 02 프로토콜 Chapter 01 데이터 링크 계층과 LAN • 인터네트워킹(Internetworking)

  27. PART 02 프로토콜 Chapter 01 데이터 링크 계층과 LAN • 네트워크의 연결 방법 • LAN-LAN • LAN-WAN • WAN-WAN • LAN-WAN-LAN • [그림 1.11] • 종류 • 리피터(Repeater) • CSU/DSU • 허브(Hub) • 브리지(Bridge) • 라우터(Router) • 게이트웨이(Gateway)

  28. PART 02 프로토콜 LLC LLC MAC MAC 물리 리피터 물리 LAN 세그먼트 LAN 세그먼트 Chapter 01 데이터 링크 계층과 LAN • 리피터(Repeater) • 물리 계층 • 신호의 품질 향상 및 거리 제한 극복

  29. PART 02 프로토콜 Chapter 01 데이터 링크 계층과 LAN • CSU/DSU • 물리 계층에서 동작 • DSU(Data Service Unit) • 저속 • 디지탈 망의 종단점 기능 • 신호 구조 변환 기능 • CSU(Channel Service Unit) • 고속 • DSU의 모든 기능 • 회로 검사 및 에러 제어 기능 추가

  30. PART 02 프로토콜 Chapter 01 데이터 링크 계층과 LAN • 브리지(Bridge) • 물리 계층과 MAC 계층 - 장점 • 물리적 제한 극복 • 다른 타입의 LAN 연결 가능 • 추가의 기능(보안, 망관리) 가능 - 종류 • 트랜스 페어런트 브리지(Transparent Bridge) • 소스 라우팅 브리지(Source Routing Bridge)

  31. PART 02 프로토콜 Chapter 01 데이터 링크 계층과 LAN • 라우터(Router) - 물리 계층, 링크 계층, 네트워크 계층 - 일반적 구조

  32. PART 02 프로토콜 Chapter 01 데이터 링크 계층과 LAN • 게이트웨이(Gateway) - 모든 계층을 포함 • 상이한 망들을 연결 - 일반적 구조

  33. 802.11b 2.4-5 GHz unlicensed radio spectrum up to 11 Mbps direct sequence spread spectrum (DSSS) in physical layer all hosts use same chipping code widely deployed, using base stations 802.11a 5-6 GHz range up to 54 Mbps 802.11g 2.4-5 GHz range up to 54 Mbps All use CSMA/CA for multiple access All have base-station and ad-hoc network versions PART 02 프로토콜 IEEE 802.11 Wireless LAN

  34. PART 02 프로토콜 Wireless Link Characteristics Differences from wired link …. • decreased signal strength: radio signal attenuates as it propagates through matter (path loss) • interference from other sources: standardized wireless network frequencies (e.g., 2.4 GHz) shared by other devices (e.g., phone); devices (motors) interfere as well • multipath propagation: radio signal reflects off objects ground, arriving ad destination at slightly different times …. make communication across (even a point to point) wireless link much more “difficult”

  35. PART 02 프로토콜 Chapter 01 데이터 링크 계층과 LAN • IEEE 802.11 LAN • IEEE 802.11 Wireless LAN • wireless LANs : mobile networking • IEEE 802.11 standard: • MAC protocol • unlicensed frequency spectrum: 900Mhz, 2.4Ghz • Basic Service Set (BSS) (“cell”이라고도 함) 구성요소 : • wireless hosts • access point (AP): base station • Distribution system (DS) 는 여러 개의 BSS로 구성

  36. PART 02 프로토콜 Chapter 01 데이터 링크 계층과 LAN • IEEE 802.11 MAC Protocol: CSMA/CA 802.11 CSMA: 송신측 sender - if DISF sec.동안 channel이 idle then 완전한 frame을 전송 (no collision detection) -if channel이 사용중 then binary backoff 알고리즘 수행 802.11 CSMA 수신측 receiver: if received OK return ACK after SIFS 802.11 CSMA Protocol: others • NAV: Network Allocation Vector • 802.11 frame has transmission time field • 다른 노드들은 NAV 시간동안 access 연기

  37. PART 02 프로토콜 Chapter 01 데이터 링크 계층과 LAN • Ad Hoc Networks • Ad hoc network :스테이션은 AP 없이 네트워크를 구성할 수 있다. • Applications: • “laptop” meeting in conference room, car • interconnection of “personal” devices • battlefield • IETF MANET (Mobile Ad hoc Networks) working group

  38. PART 02 프로토콜 Chapter 01 데이터 링크 계층과 LAN • CA(Collision Avoidance) : RTS-CTS exchange • CSMA/CA: explicit channel reservation • sender: short RTS (request to send) 보냄 • receiver: short CTS (clear to send)로 응답 • CTS는 채널을 예약, notifying (possibly hidden) stations • avoid hidden station collisions • IEEE 802.11는 다음을 허용: • CSMA • CSMA/CA: reservations

  39. PART 02 프로토콜 Avoiding collisions (more) idea: allow sender to “reserve” channel rather than random access of data frames: avoid collisions of long data frames • sender first transmits small request-to-send (RTS) packets to BS using CSMA • RTSs may still collide with each other (but they’re short) • BS broadcasts clear-to-send CTS in response to RTS • RTS heard by all nodes • sender transmits data frame • other stations defer transmissions Avoid data frame collisions completely using small reservation packets!

  40. PART 02 프로토콜 Chapter 01 데이터 링크 계층과 LAN • PPP(Point-to-Point Protocol) • Point to Point Data Link Control • one sender, one receiver, one link : broadcast링크 보다 쉬움 • no Media Access Control • no need for explicit MAC addressing • e.g., dialup link, ISDN line • popular point-to-point DLC protocols: • PPP (point-to-point protocol) • HDLC: High level data link control (Data link used to be considered “high layer” in protocol stack!

  41. PART 02 프로토콜 Chapter 01 데이터 링크 계층과 LAN • PPP non-requirements (불필요 항목) • no error correction/recovery • no flow control • out of order delivery OK • no need to support multipoint links (e.g., polling) • Error recovery, flow control, data re-ordering : 상위 계층의 책임

  42. PART 02 프로토콜 가변길이 (Variable Length) 1 1 1 1 or 2 2 or 4 1 01111110 11111111 00000011 protocol info check 01111110 flag control flag address Chapter 01 데이터 링크 계층과 LAN • PPP Data Frame • Flag : delimiter (framing) • Address : does nothing (only one option) • Control : does nothing; in the future possible multiple control fields • Protocol :상위계층 프로토콜 ( 예 : PPP-LCP, IP, IPCP 등 )

  43. PART 02 프로토콜 Chapter 01 데이터 링크 계층과 LAN • Byte Stuffing • “data transparency” requirement : 데이터 필드는 flag pattern <01111110>을 포함할 수 있어야 함. • Q: is received <01111110> data or flag? • Sender :각 <01111110> data byte 마다 여운의 <01111110> 바이트 추가 • Receiver: • 두개의 연속적인 <01111110> 수신 : 첫번째 바이트 삭제, 데이터 수신 계속 • 단일 01111110: flag byte

  44. PART 02 프로토콜 데이터 내에 있는 Flag 바이트 패턴 Flag 바이트 패턴 Stuffed 바이트 Chapter 01 데이터 링크 계층과 LAN • Byte Stuffing

  45. PART 02 프로토콜 Chapter 01 데이터 링크 계층과 LAN • PPP 설계 요구사항 (RFC 1557) • packet framing :데이터 링크 프레임 내에 네트워크 계층 데이터그램의 Encapsulation. • bit transparency : data 필드내에 어떠한 비트패턴도 전송가능 (Byte Stuffing) • 에러 탐지(에러 교정 불필요) • connection liveness :링크 실패를 탐지, 네트워크 계층에게 알림 • 네트워크 계층 address 현상 :양쪽 스테이션은 서로간의 네트워크 주소를 알고 구성할 수 있음

  46. PART 02 프로토콜 Variable length 1 1 1 1 or 2 2 or 4 1 01111110 11111111 00000011 protocol info check 01111110 flag control flag address Chapter 01 데이터 링크 계층과 LAN • PPP Data Frame • Info :전송될 상위계층의 데이터 • Check :에러탐지를 위한 CRC

  47. PART 02 프로토콜 Chapter 01 데이터 링크 계층과 LAN • PPP Data Control Protocol 네트워크계층 데이터교환 전에 데이터 링크 두 스테이션간에 해야 할일 : • configure PPP link (max. frame length, authentication) • 네트워크 계층 정보를 숙지/구성 • for IP: carry IP Control Protocol (IPCP) msgs (protocol field: 8021) to configure/learn IP address [그림 1.19] PPP연길이 이루어지는 단계

  48. PART 02 프로토콜 Chapter 01 데이터 링크 계층과 LAN • 비트 지향 프로토콜 : HDLC (High-level DataLink Control) • 특징 • 다양한 환경에서 동작 • 다양한 동작 모드 • 여러가지 이름 • SDLC: IBM • ADCCP: ANSI

  49. PART 02 프로토콜 명령 응답 명령 명령 주국 주국 부국 응답 응답 혼합국 혼합국 응답 부국 부국 명령 응답 주국과 부국에 의한 일대일 연결 단일 주국과 다중 부국에 의한 일대다 연결 혼합국에 의한 일대일 연결 Chapter 01 데이터 링크 계층과 LAN • HDLC (High-Level Data Link Control) • HDLC 프레임 형식

  50. PART 02 프로토콜 Chapter 01 데이터 링크 계층과 LAN • 데이터 전송 동작 • 초기화가 성공적으로 완료되어 논리적인 연결이 확립되면 양측은 I-프레임에 사용자 데이터를 보내기 시작 • I-프레임내의 N(S)과 N(R)필드는 흐름제어와 오류제어를 위해 사용 • N(S) : 프레임에 순서적으로 번호를 부여 • N(R): I-프레임을 받게 되면 자신의 I-프레임으로 잘 받았음을 송신측에 확인해 주게 되는데 이때 N(R)필드는 그 다음 받게될 프레임의 번호가 세팅 • 순서번호의 기능 • 흐름제어(3 or 7bit) • Pipelining • 오류제어

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