[네트워크] 데이터 통신과 컴퓨터 네트워크 정리 - 5장

5장. MAC 계층

 

 

1.  MAC 계층과 IEEE 802 시리즈

 네트워크 전송 효율은 주로 전송 매체의 성능에 좌우되지만, 연결 방식이나 전송 방법에도 영향을 많이 받는다.

 

(1) MAC 계층의 이해

 LAN 환경에서는 네트워크 자원을 효율적으로 활용하기 위해 데이터 링크 계층의 기능을 LLC 계층과 MAC 계층으로 나누어 처리한다. 데이터 링크 계층의 기능을 주로 LLC 계층에서 다루고, 매체 간의 연결 방식에 따른 제어 부분은 MAC 계층에서 처리한다.

1. MAC 계층

 MAC 계층은 LAN의 종류에 따라 특성이 구분된다. 공유 버스 방식을 지원하는 이더넷과 링 구조를 지원하는 토큰 링 방식이 대표적인 예이다.

 

2. LLC 계층

 LAN 환경에서 LLC 계층은 WAN 환경의 데이터 링크 계층과 거의 유사하다. LLC 계층도 LAN의 특성에 부분적으로 영향을 받을 수 있다. 이더넷의 LLC 계층은 프레임을 전송하는 과정에서 슬라이딩 윈도우 프로토콜을 사용하고, 토큰 링이나 토큰 버스 구조에서는 사용하지 않는다.

 

 

(2) IEEE 802 시리즈

 데이터 링크 계층과 관련 표준안 연구 결과이다.

• IEEE 802.1 : 관련 표준안 전체를 소개, 인터페이스 프리미티브에 대한 정의
• IEEE 802.2 : LLC 프로토콜의 정의
• IEEE 802.3 : CSMA/CD 방식 정의
• IEEE 802.4 : 토큰 버스 방식 정의
• IEEE 802.5 : 토큰 링 방식 규정

 

1. CSMA/CD

 이더넷으로 많이 알려진 CSMA/CD는 대표적인 데이터 충돌을 허용하는 방식이다. 충돌 허용 방식에서는 충돌로 깨진 프레임을 복구하는 작업이 필요하기 때문에 충돌이 자주 발생하면 오류 복구 과정에 따라 재전송도 많이 이루어져 성능이 떨어진다.

 

 호스트 5가 호스트 1에 프레임을 전송할 때, 다른 호스트가 공유 버스를 사용하고 있는지 확인을 해야한다. 사용하고 있지 않으면 모든 호스트에 프레임을 전송할 수 있는데, 이때 각 호스트에는 고유 주소가 할당되어있어 프레임의 목적지 주소와 자신의 주소가 일치하지 않으면 프레임을 무시할 수 있다.

 

2. 토큰 버스

 토큰 버스 방식은 물리적인 버스 구조로 연결되지만 논리적인 프레임 전달은 링 구조이다. 프레임 전송이 호스트 사이에 순차적으로 이루어지도록 토큰이라는 제어 프레임을 사용한다. 

 

3. 토큰 링

 토큰 링 방식에서는 송신 호스트가 전송한 프레임이 링을 한 바퀴 돈 후 송신 호스트에 되돌아오도록 설계된다. 송신 호스트는 자신에게 되돌아온 프레임의 특정 위치 값을 확인해 올바르게 전송되었는지 확인 후 프레임을 회수하고 토큰을 링에 반환한다.

 

 

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2.  이더넷

 

(1) 이더넷과 신호 감지 기능

 

1. 1-persistent CSMA

 신호 감지 프로토콜중 가장 간단한 형태는 1-persistent CSMA 방식이다. 다른 호스트가 채널을 사용 중이라고 판단하면 유휴 상태가 될 때까지 대기한다. 채널이 유휴 상태로 변경되면 확률 1의 조건으로 프레임을 무조건 전송한다.

 

2. Non-persistent CSMA

 전송 채널의 신호를 감지해 채널이 사용 중이라고 판단하면 더는 채널의 유휴 상태를 확인하지 않는다. 대신 임의의 시간 동안 기다린 후에 다시 채널 감지를 시작한다. 1-persistent CSMA 방식에서는 여러 호스트가 채널이 유휴 상태가 되기를 기다리다가 동시에 프레임을 전송할 수 있기 때문에 보다 충돌이 발생할 확률을 줄일 수 있다. 

 

3. p-persistnet CSMA

 p-persistnet CSMA 방식은 슬롯 채널 방식에서 많이 사용한다. 채널이 유휴 상태이면 p의 확률로 프레임을 전송하고, 사용 중이면 다음 슬롯을 기다린 후에 과정을 반복한다.

 

4. CSMA/CD

 CSMA 방식은 기본적으로 둘 이상의 호스트에서 동시에 채널의 유휴 상태를 확인할 가능성이 있다. 따라서 CSMA/CD에서는 충돌 감지 기능을 사용해 충돌 여부를 확인한다. 충돌을 감지하면 진행 중인 프레임의 전송을 중지한다.

 

케이블로 된 전송 매체에 트랜시버 장비로 보조선을 연결해 각 호스트를 연결한다. 트랜시버 장비는 전송 선로의 신호를 간지하고 충돌 현상을 감지한다. 케이블 하나에 연결되는 호스트 수가 증가하면 케이블을 두 개로 나누어 리피터로 연결한다. 리피터는 신호를 증폭하여 이웃하는 케이블로 넘겨주는 기능을 한다.

 

 

(2) 프레임 구조

 LLC에서 내려온 프레임을 상대 호스트에 전송하기 위해서는 MAC 계층에서 정의된 프레임 구조에 맞게 포장해야 한다. MAC 헤더와 트레일러 정보를 추가한 것을 MAC 프레임이라 하며, 이더넷 프로토콜에서는 이더넷 프레임이라 한다.

이더넷 프레임의 구조

 

• Preamble(프리엠블) : 7바이트 크기로, 수신 호스트가 송신 호스트의 클록과 동기를 맞출 수 있도록 시간 여유를 제공하는 것이 목적. 각 바이트는 10101010 비트 패턴을 포함한다.
• Start Delimiter(시작 구분자) : 프레임이 시작된다는 의미로 사용되며, Preamble 필드와 구분하기 위해 10101011의 값을 갖는다.
• Source Address/Destination Address(송신 호스트 주소/ 수신 호스트 주소) : MAC 계층에서는 호스트를 구분하는 MAC 주소를 사용한다. MAC 주소 값은 일반적으로 LAN 카드에 내장되어 제공된다.
• Length : Data 필드에 포함된 가변 길이의 전송 데이터 크기, 최댓값은 1500이다. 필드 값이 1500 이하이면 Type 대신 해석된다. Data와 Padding을 합한 데이터의 최소 크기는 46바이트이며, Length 값이 46보다 작으면 Padding 필드의 크기만큼 0으로 채운다.
• Type : 이더넷 프레임에 캡슐화된 상위 프로토콜의 패킷 종류를 구분한다.
• Checksum : 데이터 변형 오류의 발생 여부를 수신 호스트가 확인할 수 있도록 송신 호스트가 값을 기록해준다.

 

 

(3) LLC 프레임 캡슐화

 OSI 7계층 모델에서는 데이터 전송 시, 응용 계층에서 물리 계층까지 내려오는 과정에서 각 계층의 프로토콜이 정의한 헤더 정보를 계속 추가한다. 네트워크 계층에서 전송을 요구한 패킷은 LLC 계층으로 내려오면서, LLC 헤더 정보를 추가해 LLC 프레임이 된다. 이 프레임은 다시 MAC 계층으로 내려오는데, 이때 MAC 헤더와 트레일러 정보를 추가한다. 이때 LLC 헤더와 LLC 데이터는 MAC 계층의 데이터로 취급되기 때문에 MAC 프레임의 Data 필드에 기록된다.

 

 

(4) 허브와 스위치

 CSMA/CD 방식에서 트랜시버를 이용해 전송 케이블에 호스트를 연결하는 방식은 더 이상 사용하지 않는다. 대신 허브와 스위치 허브를 사용한다.

 

1. 허브

허브의 구조

 

 허브 구조에서는 박스 형태의 장비에 호스트를 연결하는 다수의 포트를 지원하므로, 외형상 스타형 구조로 연결된다. 그러나 내부의 동작 원리는 버스형 구조를 지원한다.

 

2. 스위치

스위치 허브의 구조

 

 스위치 허브는 일반 허브와 형태가 동일하지만, 성능 면에서 장점이 있다. 중앙에 스위치 기능이 있어 임의의 호스트로부터 수신한 프레임을 해당 프레임의 목적지로 지정한 호스트에만 전송한다.

• 스위치 허브가 충분한 전송 용량을 지원하면 각 호스트는 할당된 LAN 전송 용량을 모두 사용할 수 있다.
• 일반 허브를 스위치 허브로 교체하는 과정에서 하드웨어나 소프트웨어를 교체할 필요가 없다.

 

 

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3.  토큰 버스

 

(1) 프레임 구조

토큰 버스 프레임의 구조

 

 

 LLC 계층에서 내려온 LLC 프레임을 물리 계층을 통해 수신 호스트에 전달하려면 토큰 버스 프로토콜에서 프레임에 맞게 만들어야 한다. CSMA/CD 프레임 구조와 거의 비슷하지만 Frame Control 필드가 추가되었다.

• Start Delimiter/End Delimiter(시작 구분자/끝 구분자) : 프레임의 시작과 끝을 의미하는 경계를 표시한다. 이더넷 프레임의 Length 필드를 대신해 전체 크기를 가늠한다.
• Frame Control(프레임 제어) : 데이터 프레임과 제어 프레임을 구분해준다. 데이터 프레임에서는 프레임 우선순위와 응답 확인이 필요할 때 사용하고, 제어 프레임에서는 토큰의 전달, 링 관리 같은 용도로 사용한다.

 

 

(2) LLC 프레임 캡슐화

 LLC 계층에서 내려온 LLC 프레임이 토큰 버스 프로토콜을 지원하는 MAC 계층에 전달된 후, 토큰 버스 프레임의 Data 필드에 캡슐화되어 전송된다.

 

 

 

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4.  토큰 링

 

(1) 프레임 구조

토큰 링 프레임의 구조

 

 

 토큰 링 프레임은 데이터 프레임과 토큰 프레임으로 구분할 수 있다.

• SD(Start Delimiter) : 시작 구분자
• AC(Access Control) : 접근 제어
• FC(Frame Control) : 프레임 제어
• ED(Edn Delimiter) : 끝 구분자
• FS(Frame Status) : 프레임 상태

 

링에 연결된 호스트 중에서 다른 호스트와 구별되는 특별한 기능을 수행하는 관리 호스트가 존재하는데, 이를 모니터라고 부른다. 주로 네트워크의 정상 동작을 방해하는 예기치 않은 오류를 복구한다.

 

 

(2) LLC 프레임 캡슐화

 LLC 계층에서 MAC 계층으로 전송 요청이 내려온 LLC 프레임은 토큰 링 프레임의 구조로 캡슐화한다. LLC 프레임은 토큰 링 프레임의 Data 필드에 기록되고, 나머지 필드 값을 기록한 후에 물리 계층을 통해 수신 호스트에 전달된다.

 

 

(3) 프레임 필드의 의미

 

1. Start Delimiter/End Delimiter

 SD/ED 필드는 프레임의 시작과 끝을 구분한다. ED 필드에는 I와 E라는 두 종류의 비트가 정의되어 있는데, I 비트는 데이터 프레임을 나누어 전송하는 경우 사용된다. E 비트는 오류 검출용으로 이용한다.

 

2. Access Control

 AC 필드는 여러 가지 제어 기능을 수행하기 위해 사용된다.

• 우선순위 비트 : 토큰의 우선순위보다 높은 프레임을 전송할 수 있도록 해준다. 000이 우선순위가 가장 낮고, 111이 가장 높다.
• 토큰 비트 : 토큰 프레임과 일반 프레임을 구분하는데, 토큰 프레임은 값이 0이다.
• 모니터 비트 : 네트워크 오류가 발생하면 특정 프레임이 링 주위를 무한정 순환하는 현상이 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위해 특정 호스트를 모니터로 지정해 프레임이 자신을 지나갈 때 M 비트를 1로 지정한다. M 비트가 1인 프레임이 다시 모니터 호스트를 지나가면 해당 프레임이 한 번 이상 링을 순환했다는 의미가 된다.

 

3. Frame Control

  FC 필드는 LLC 프레임과 토큰 링 프로토콜에서 사용하는 제어용 프레임을 구분하는 데 사용한다.

 

TT 비트의 값에 의한 프레임 구분은 다음과 같다.

• TT 비트=00 : 제어 기능을 수행하기 위한 프레임을 위해 정의되며, CCCCCC 비트의 코드를 값으로 제어 명령의 종류를 구분한다.
• TT 비트=01 : LLC 계층에서 전송을 요구한 LLC 프레임을 의미한다.

 

4. Frame Status

 FS 필드는 토큰 링 프레임의 맨 마지막에 위치하며, 프레임의 수신 호스트가 송신 호스트에 응답할 수 있도록 한다.

 

 

 

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시험 잘 볼 수 있겠지