[네트워크] 데이터 통신과 컴퓨터 네트워크 정리 - 4장

4장. 데이터 전송의 기초

 

 

1.  데이터 전송 방식

 

컴퓨터 네트워크는 독립적으로 실행되는 호스트들을 연결해 하나의 통신 망을 구성한 것이다.

• 자원 공유 : 하드웨어뿐 아니라 각 호스트에서 사용하는 논리적인 정보를 공유하는 것이다.
• 병렬 처리에 의한 성능 향상 : 시스템이 수행할 작업을 분할해 동시에 처리함으로써 처리 시간을 단축시킨다.
• 중복 저장으로 신뢰성 향상 : 중요한 정보를 여러 시스템에 중복 저장하고, 중복에 따른 부가 처리는 컴퓨터 시스템이 자동으로 해결해준다.

 

(1) 전송과 교환 

 교환은 전달 경로가 둘 이상일 때 라우터에서 데이터를 어느 방향으로 전달할지를 선택하는 기능이고, 전송은 특정한 물리 매체에 의해 일대일로 직접 연결된 두 시스템 간의 신뢰서 있는 데이터 전송을 보장하기 위한 것.

 

1. 전송과 교환의 개요

 

전송 개념에는 교환 개념이 배제되어야 한다. 호스트 a에서 호스트 d 간의 데이터 전달 과정은

  ➀ 호스트 a와 호스트 c 간의 직접 연결에 의한 전송

  ➁ 호스트 c에서 올바른 경로 선택을 의미하는 교환

  ➂ 호스트 c와 호스트 d 간의 직접 연결에 의한 전송

 

2. 전송 방식의 종류

• 점대점 방식 : 호스트 간의 데이터 전달 과정에서 송신 호스트가 중개 호스트와 일대일로 연결되므로 다른 호스트에는 데이터가 전달되지 않음. WAN 환경에서 주로 사용
• 브로드캐스팅 방식 : 공유 전송 매체 하나에 여러 호스트를 연결해 연결된 모든 호스트에 데이터가 전송됨. LAN에서 주로 사용

 

(2) 점대점 방식

 

1. 스타형

 

 중앙에 있는 하나의 중개 호스트 주위로 여러 호스트를 일대일로 연결하는 형태이다. 데이터를 적절한 목적지로 전송하는 중개 기능을 중앙 호스트가 독점적으로 담당하지만, 중앙 호스트에 문제가 발생하면 전체 네트워크의 동작에 영향을 많이 준다.

 

 

2. 링형

 

 호스트의 연결이 순환 고리 구조이며, 전송 데이터가 브로드 캐스팅된다. 호스트 사이의 데이터 송신 시점을 제어하는 토큰이라는 특수한 제어 프레임을 사용한다. 단점은 한 호스트가 고장 나면 전체 네트워크가 동작하지 않을 수 있다.

 

 

3. 완전형

 

 네트워크에 존재하는 모든 호스트가 다른 모든 호스트와 일대일로 직접 연결하는 방식이다. 단점은 전송 매체의 개수가 증가하면 비용 측면에서 극단적으로 비효율적이다.

 

 

4. 불규칙형

 

 특정 패턴으로 분류할 수 없는 형태. 일반 네트워크의 연결 형태는 불규칙형이며, 네트워크에서 고려해야 하는 여러 환경 요인에 의해 연결 구조가 결정된다.

 

 

(3) 브로드캐스팅 방식

1. 버스형

 

 다수의 호스트가 하나의 전송 매체를 공유하므로 전송 데이터를 모든 호스트에서 수신할 수 있다. 둘 이상의 호스트에서 데이터를 동시에 전송하면 데이터 충돌이 발생할 수 있는데 크게 두 가지 방법으로 해결할 수 있다.

1. 호스트의 전송 권한 제한 : 전송 시간대를 분할하는 방법, 토큰으로 전송 권한을 순환적으로 이용하는 방법.
2. 충돌 허용 : 충돌을 일단 허용하고 이를 감지하고 해결하는 과정 (ex.이더넷)

 

 

2. 링형

 

 

 전송 데이터가 링 주위를 특정 방향으로 순환하면서 전달. 순환한 데이터는 원래의 송신 호스트로 되돌아오고, 자신이 전송한 데이터를 링에서 회수함으로써 전송 과정을 종료한다. 이전에 확보한 토큰을 링에 돌려주어 다른 호스트가 데이터를 전송할 수 있게 한다.

 

 

(4) 멀티포인트 통신

 하나의 송신 호스트를 기준으로, 수신 호스트 하나와 연결되면 유니포인트가 되고, 다수의 수신 호스트와 연결되면 멀티포인트가 된다.
 송신 호스트가 한 번의 전송으로 수신 호스트 하나에만 데이터를 전송하면 유니캐스팅이고, 다수의 호스트에 전송하면 멀티캐스팅이다.

 

1. 멀티포인트 유니캐스팅

멀티포인트 유니캐스팅

 

유니캐스팅 방식을 이용해 일대다 통신을 하려면 멀티포인트 유니캐스팅 방식을 사용해야 한다. 송수신 호스트 사이의 흐름 제어와 수신 호스트의 응답 기능 및 재전송 기능 등을 구현하기 좋다. 단점으로 수신 호스트 수가 많아지면 성능 면에서 여러 문제가 나타날 수 있다.

 

 

2. 브로드캐스팅

 송신 호스트가 전송한 데이터가 네트워크에 연결된 모든 호스트에 전송되는 방식을 브로드캐스팅이라 한다. 수신 호스트는 수신 데이터를 받아들일지, 폐기할지는 목적지 주소를 근거로 결정한다. 호스트 수가 많을수록 네트워크 트래픽이 급격히 증가하기 때문에, 특정 서브넷 내에서 이용하는 것이 좋다.

 

3. 멀티캐스팅

 멀티캐스팅 방식은 프로토콜 자체에서 일대다 전송 기능을 구현하고, 송신 호스트의 전송 요구 한 번으로 모든 수신 호스트에 데이터를 전달할 수 있다. 

 

 

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2.  오류 제어

 

 

(1) 전송 오류의 유형

• 수신 호스트의 응답 프레임 : 프레임 변형 오류를 확인한 수신 호스트는 송신 호스트에 응답 프레임을 전송해 원래의 데이터 프레임을 재전송하도록 요구할 수 있다. 응답 프레임의 종류에는 긍정 응답 프레임과 부정 응답 프레임이 있다.
• 송신 호스트의 타이머 기능 : 프레임 분실 오류가 발생하면 수신 호스트는 이 사실을 인지할 수 없어, 전송한 후에 일정 시간 이내에 긍정 응답 프레임 회신이 없으면 타임아웃 기능을 작동시켜 프레임을 재전송한다.
• 순서 번호 기능 : 긍정 응답 프레임을 분실하면 데이터 프레임이 제대로 도착해도 이를 인지할 수 없다. 중복 수신을 방지하기 위해 프레임 내부에 순서 번호를 기록한다. 

 

1. 정상적인 전송

 

 송신 호스트가 전송한 프레임이 오류 없이 수신 호스트에 전송된 경우이다.

 

2. 프레임 변형

 

 데이터 프레임이 도착했으나, 전송 과정에서 프레임의 내용이 변형되는 오류가 발생한 경우이다. 프레임 변형 오류를 인지한 수신 호스트는 부정 응답 프레임을 전송하여 데이터 재전송을 요청한다.

 

3. 프레임 분실

 

데이터 프레임이 전송 과정에서 사라지는 분실 오류를 보여준다. 송신 호스트는 데이터 프레임을 전송한 후에 특정 시간까지 긍정 응답 프레임이 도착하지 않으면 타임아웃 기능에 따라 원래의 프레임을 스스로 재전송한다.

 

 

(2) 순서 번호

 

1. 순서 번호의 필요성

 

 그림처럼 긍정 응답 프레임이 사라지는 오류가 발생하면 타임아웃 기능에 따라 재전송 과정이 진행된다. 이때 프레임이 제대로 수신되면 수신 호스트 입장에서는 동일한 프레임을 중복해 수신하는 결과가 생긴다. 따라서 프레임별로 고유의 순서 번호를 부여하는 방식이 필요하다.

 

 

2. 순서 번호에 의한 프레임 구분

 

 

 데이터 프레임에 순서 번호를 부여해 긍정 응답의 분실 문제를 해결할 수 있다.

 

 

(3) 흐름 제어

 송신 호스트는 수신 호스트가 감당할 수 있을 정도의 전송 속도를 유지해야 하는데 이러한 기능을 흐름 제어라 한다. 흐름 제어 기능을 제공하지 않으면 자신에게 도착한 데이터 프레임을 내부 버퍼에 보관할 여유를 갖지 못한다. 이때 프레임 분실을 초래하는데, 데이터를 재전송하는 방법으로 복구해야 한다.

 

 

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3. 프레임

 

(1) 문자 프레임

 

1. 프레임의 구조

(위)문자 프레임의 구조 (아래)문제될 수 있는 상황

 하나의 프레임 단위를 구분하기 위해 프레임의 앞뒤에 ASCII코드의 특수 문자를 이용한다. 각 프레임의 시작 위치에 DLE, STX 문자를 추가하고 끝나는 위치에 DLE, ETX를 추가해 다른 정보와 구분할 수 있도록 한다. 하지만 데이터에 DLE, STX 등의 문자가 포함되어 시작과 끝 위치를 결정하는 데 혼선을 준다.

 

2. 문자 스터핑

문자 스터핑

 문자 스터핑은 프레임 내부의 전송 데이터에 DLE 문자가 포함되는 문제를 예방하는 방법이다. 전송 데이터가 DLE 문자를 포함하면 송신 호스트는 DLE 문자 다음에 DLE 문자 하나를 강제로 추가한다. 이는 상위 계층인 네트워크 계층에 데이터를 전달하기 전에 하나가 제거된다.

 

(2) 비트 프레임

 비트 프레임은 문자 단위의 가정을 없애고, 임의의 비트 패턴 데이터를 전송할 수 있다. 프레임의 시작과 끝 위치에 플래그라는 비트 패턴을 사용해 프레임 단위를 구분한다.

 

1. 프레임의 구조

 

 데이터를 전송하기 전에 프레임의 좌우에 플래그를 추가하고, 수신 호스트는 이 플래그를 제거해 전송 데이터와 필요한 제어 정보를 상위 계층에 전달한다.

 

2. 비트 스터핑

 

 비트 프레임 방식에서는 송신 호스트가 전송하고자 하는 데이터의 내용 중에 값이 1인 패턴이 연속해서 5번 발생하면 강제로 0을 추가해 전송한다. 플래그는 1이 연속해서 6개 나오는 패턴이기 때문이다. 

 

 

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4. 다항 코드

 프레임 전송 과정에서 발생하는 오류를 극복하는 방법은 두 가지이다.

• 오류 검출 코드 : 정송 프레임에 오류 검출 코드를 넣어 수신 호스트가 전송 과정의 오류를 검출하도록 하는 것
• 순방향 오류 복구 : 오류 복구 코드를 사용해 사용해 수신 호스트가 오류 복구 기능을 수행하는 방식

 

(1) 오류 검출

 네트워크에선 일반적으로 순방향 오류 복구 방식보다는 재전송(오류 검출 코드) 방식을 이용하는데 이를 역방향 오류 복구 또는 ARQ 방식이라 한다. 

 

1. 패리티 비트

 1바이트(8비트) 구조에서 패리티 비트는 7비트의 ASCII 코드를 제외한 나머지 1비트이다. 전송 과정에서 1비트 오류를 검출하기 위한 것으로, 1의 개수가 짝수나 홀수 개가 되도록 한다.

 

2. 블록 검사

 패리티 방식은 짝수 개의 비트에서 오류가 발생하면 오류가 검출되지 않는 문제점이 있다. 다수의 비트에서 오류가 발생할 때 오류를 검출하는 방법으로는 블록 검사를 이용한다.

 

 오른쪽에 표시한 패리티 비트는 수평 방향의 짝수 패리티를, 아래쪽에 블록 검사 비트로 표시한 데이터는 수직 방향으로 짝수 패리티를 적용한 것이다. 문제점은 오버헤드가 크고, 사각형 형태의 데이터 오류가 발생하면 이를 검출하지 못한다.

 

(2) 다항 코드

 CRC라고도 알려진 다항 코드 방식은 현재의 통신 프로토콜에서 가장 많이 사용하는 오류 검출 기법이다. 다항 코드 방식은 버스트 에러 형태의 오류를 검출하는 확률이 높다.

 

1. 생성 다항식

  다항 코드 방식은 계수가 0과 1인 다항식 형태를 기반으로 한다. 100101의 다항 코드는 x^5+x^2+1로 표현할 수 있다. 송신 호스트는 m비트의 전송 데이터를 n+1의 생성 다항식으로 나누어 체크섬 정보를 얻는다. 나누기 연산 과정에서는 나머를 보관할 n비트의 공간을 확보하고 이 자리를 모두 0으로 채운 후에 나누기 연산을 수행한다. 연산에서 얻은 나머지 값을 체크섬이라 정의하며, 전송 데이터의 뒤에 추가해 수신 호스트에 전달한다.

 수신 호스트는 전송 오류가 발생했는지를 판단하기 위해 수신한 m+n비트(m비트+체크섬)를 생성 다항식으로 나누는 연산을 수행한다. 연결 결과로 얻은 나머지가 0이면 전송 오류가 없다고 판단한다.

 

2. 체크섬의 예

 예를 들어, 생성 다항식 G(x) = x^5+x^2+1이 주어지고, 전송 데이터가 101101001의 경우의 체크섬 계산 과정이다.

 

수신 호스트는 수신 데이터 10110100100010을 생성 다항식 100101로 나누기 연산을 수행한다. 이때 나머지가 0이면 전송 오류가 없다.

 

 

 

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내용이 점점 심화되고 깊어지고 어려워지는 것 같다..ㅜ