정통공 기말정리

카테고리 없음 2023. 6. 6. 02:59

9장 WAN
10장 무선이동통신(셀룰러)
11장 하나의 LAN 안에서의 선통신
12장 Ethernet(하나의 LAN), Virtual Lan(여러개의 LAN)
13장 무선고정통신 WLAN(와이파이)

Data Flow (데이터 흐름 방향)

Simplex: 단방향 전송
Half-duplex: 양방향 전송, 동시 불가능
Full-duplex: 양방향 전송, 동시 가능 => 충돌X니 12장의 충돌알고리즘과 상관이 없다

Network의 물리적 접속 형태(L1)

bus: 하나의 케이블이 모든 장치를 연결하는 backbone network의 역할 (ex.케이블 TV)
ring: 각 장치는 자신의 양쪽에 있는 장치와 point-to-point 연결
star: 각 장치는 중앙제어장치와 point-to-point 연결 (ex. wifi, modem)

internet: TCP/IP 통신을 사용하는 프로토콜

계층구조

Application layer: user에게 서비스

Transport layer: port #(tcp, udp)로 프로세스 탐색, flow&error control

Network layer: ip addr을 통한 src부터 dst까지의 전달 책임, routing(e2e 경로 탐색), router, L3-sw

Data link layer: mac addr을 통한 next hop까지의 전달 책임, framing, flow&error&access contorl, bridge, L2-sw

Physical layer: bit를 signal로 변환, 주파수(아날로그/디지털 신호), repeater, amplifier, hub

L2의 flow&error control

9장(WAN)

: 다양한 기술의 네트워크로 구성된 장거리 통신

LAN에 비해 link capacity가 크나, 사용하는 트래픽량 및 패턴이 복잡하여 가입자가 느끼는 지연(latancy)이 큼
주요관심사
- 시간지연 성능향상
- 비트 오버헤드 성능향상

안정성을 높이기 위해 WAN에는 두 호스트 사이에 둘 이상의 경로 존재 > 신뢰성 확보
- ex. multi-homed 고객 ISP(customer ip)는 둘 이상의 공급자 ISP(provider isp)에 연결
WAN 역사의 시초인 Alexander graham bell에서 시작한 POST은 analog 통신망이었으나, 최근에는 subscribe loop과 core network 모두 digital로 대체되는 중
Routing & Switching & Forwarding
- Routing: wan에 연결된 두개의 호스트들을 연결하는 경로를 구하는 것
  - Router: IP addr로 next hop 탐색
- Switching: TX가 전송한 메시지가 C.S wan을 지나갈 때, 임의의 한개의 네트워크 노드의 incomming link에서 outgoing link로 전송되는것
- Forwarding: TX가 전송한 메시지가 P.S wan을 지나갈 때, 임의의 한개의 네트워크 노드의 incomming link에서 outgoing link로 전송되는것

Network: 서로 통신이 가능한 형태로 연결된 device들

> 모든 device들을 star나 ring 처럼 p2p로 연결이 어려움 > switching 기술 사용

switching 기술: mac addr로 라우터 탐색 => c.s(L1), p.s(L2,L3) => (datagram(L3,tcp), virtual-circuit network(L2))

데이터 교환방식

데이터

/ \

회선교환(c.s) 패킷교환(p.s)

/ \ / \

PSTN ISDN DPS VCPS

/ / \

인터넷 ATM FR

/ \

stateful stateful

Circuit Switching: 자원이 미리 할당되어 있어 buffer와 header 불필요, 고정 속도나 실시간 서비스에 효과적

Qos 파라미터: low delay, low delay jitter

데이터 전송 전, transmission + propagation + processing delay
데이터 전송 시, propagation delay
구성요소
- 가입자: 전화 및 모뎀과 같이 네트워크에 연결되는 장치
- 가입자 회선: 가입자와 네트워크 간 링크
- 교환기: 네트워크의 switching centers
- 트렁크: 교환기 사이의 연결, FDM 또는 synchronous TDM을 통해 다중 음성 주파수 전송
Multiplexing: 하나의 물리적 링크에 다중 논리 채널
- ex) FDM, 트렁크에서 사용되는 TDM
- C.S는 TDM, FDM 등의 기술을 이용해 n개의 채널로 나눔
과정
- a. 회선 개설
  - No queueing delay due to out-of-band signalling (제어 메세지를 전송하기 위한 별도의 channel이 있음)
  - 작은 transmission delay
  - 라우팅 및 채널 할당을 위한 processing delay
  - 1-hop 및 e2e에 대한 propagation delay
  - 수신자가 콜수락 메세지를 송신지까지 전달하여 콜 설정이 완료되는 이 과정 중에는 라우팅이 필요없음
  - TX에서 한 번만 Transmission delay => full-duplex로 전화 시작
- b. 데이터 전송: 원본과 대상 간의 직접 연결과 같은 투명한 전달
  - propagation delay를 제외한 다른 지연이 발생하지 않음
  - Fixed and constant data rate and in-order delivery are guaranteed during connection. (CS는 end nodes 들이 동일한 data rate으로 동작(데이터를 주고받는)하는 응용 (전화통신)에 적합하며, 현재 인터넷처럼 사용자들이 다양한 품질의 기기들을 가지고 다양한 속도의 access ISP에 연결된 환경엔 적합하지 않다.)
  - 채널부족으로 전화가 끊기면 call set-up부터 시작
- c. 통화끊김: disconnet message를 전송하여 쓰던 링크자원을 해제하는 과정 필수
  - 작은 transmission delay
  - 채널 할당 해제를 위한 작은 processing delay (라우팅 없음)
  - 1-hop 및 e2e에 대한 propagation delay

When using sync. TDM

Q1) 어떤 link에 A bps logical channel n개 (= 각 사용자의 응용의 data rate이 A bps)를 sync. TDM으로 MUX 한다면 이 링크의 transmission rate, R 은? A bps channel을 동시에 n개 사용할 수 있으므로, R = (A x n)bps

Q2) Q1에서 1 time slot 이 s-bits 크기라면 frame rate은?
(frame size= n x s) bits/frame, (nxA) bps / (nxs) bits/frame = (A / s) frames/sec

Q3) 한명의 사용자의 frame rate? (A bps) / (s time-slot/frame) = A/s frame/sec

Q4) 한명의 사용자가 초당 (A/s) frame/sec을 생성하고 있으며, frame size 는 (sxn)bits/frame 이므로 R = (A/s) frame/sec x (sxn) bits/frame = (Axn)bps

circuit switching은 call set-up 기능과 signal switching 기능이 integrated되어 제품을 개발하는 회사의 proprietary hardware에 구현되는 반면, softswitching 기술은 두가지 기능이 separated되어 특정회사에 영향을 받지 않는 general-purpose hardware로 구현되므로 VoIP와 같이 다양한 smart software 구현이 가능

Packet Switching: 자원이 미리 할당되지 않아 buffer와 header 필요, 하나의 메세지를 여러개의 패킷으로 쪼갬, 다양한 속도 서비스에 효과적, 가입자들에게 우선순위를 두어 처리속도 및 서비스 품질 차별화 가능, 링크 효율성 good

패킷의 쪼갬
- tcp/ip를 사용하는 ps망에서 data가 더 작은 packet으로 쪼개지는 현상은 host의 4계층 TCP에서 혹은 3계층 IPv4에서 발생할 수 있으며, 중간 라우터에서는 IPv4를 사용하는 경우에만 3계층 IPv4에서 발생가능
패킷 크기의 중요성
- 더 작은 패킷크기를 사용하면 효율적인 "Pipelining" 가능, but 너무 작아지면 전송효율이 떨어짐

과정
- 패킷 스위칭(DPS 및 VCPS)의 기본 작동은 Store & Forward
  - 1. 전체 프레임(패킷)을 라우터의 입력 버퍼에 저장
  - 2. FIB(Forwarding Information Bases) 테이블을 조회하고 패킷 헤더(DPS)의 대상 IP 주소, 또는 L2 header(VCPS)의 VCID와 일치하는 항목을 검색하여 출력 포트를 찾음 (processing delay)
  - 3. 패킷을 출력 포트의 출력 버퍼로 전환(queuing delay)
  - 4. 패킷 전송(transmission delay)
  - 5. 다음 노드(라우터/교환기/RX)로 전달 (propagation delay)
- PS지연순서: processing > queueing > transmission > propagation
DPS
- 1. src측에서 하나의 메세지를 여러개의 패킷으로 쪼갬
- 2. 각 패킷마다 중간노드(버퍼)가 개별적으로 라우팅 > Out-of-order delivery
- 3. 각 패킷이 목적지 station까지 도달하는 중간 경로는 상황에 따라 달라짐, 이는 라우터들이 dynamic routing (상황에 따라 경로를 수정하는 알고리즘)을 하기 때문 > 유연성 good
- 4. 순서에 맞게 message 원본을 만드려면, RX의 TCP가 재정렬
  - L2의 ARQ에서도 re-ordering을 하나 이는 one-hop 간격의 두 노드에서 일어나므로 end-to-end의 패킷 정렬은 할 수 없음
VCPS
- 1. 두 호스트 사이에 하나의 길을 라우팅
  - call set-up중 call requst메세지가 중간노드 버퍼에서 congestion을 겪을 수 있으며 이로인해 중간 노드에서 drop되는 경우 call blocking이 일어남 > 연결 불가능
- 2. 각 중간 노드마다 VCID를 할당
- 3. 링크는 할당되어있으나 버퍼를 거치면서 감 + 이때 header 처리
  - 사용자 data가 virtual circuit path를 통해 전송되는 중에는 수신 호스트(destination host)의 IP address를 확인할 필요X > 라우팅 필요 없음
  - 중간에 끊어지면(라우터 고장/네트워크 정체/VCID 없음) call set-up 단계부터 다시 시작해야하며, in-orde-delivery라 재정렬할 필요가 없다.
  - Call set-up 중 가용한 링크 대역폭 확보를 필수적으로 수행하지 않으므로 data transfer 중 버퍼에서 대기하는 현상이 발생할 수 있다.
  - FR: frame size가 커서 less of header #, s/w로 구현
  - ATM: h/w로 구현 및 패킷이 고정된 사이즈라 고속스위칭 가능
- Out-of-band signalling을 사용하여 queueing delay가 없는 Circuit switching network 과는 달리 VCPS 망에서는 control message도 packet 과 동일하게 중간 노드의 buffer에 저장되므로 call set-up 과정에 사용되는 message들도 중간 노드의 buffer에서 대기하는 queueing delay를 겪게된다.
- 하나의 station에서 여러개의 call set-up이 발생할 수 있다.
  - 다른 dst station이 있다면 걔랑도 연결해야 하니
- processing delay: 데이터 전송 중 해더 처리
- queueing delay: 보장된 채널이 없어 버퍼에서 대기
- transmission delay: bit->signal 변환
- propagation delay: 다음 라우터로 전달

ATM과 FR 모두 가상회선을 중간라우터가 아는 internalVirtualCircuit이다.

external virtual circuit은 양쪽 호스트 사이에 논리적인 연결을 설정하여 마치 물리적으로 연결된 것처럼 in-order-delivery가 가능한 것을 말하며, 이는 datagram packet switching기술을 사용하는 망에서도 양 호스트의 4계층 tcp를 사용하면 구현가능하다.

PSTN(전화통신망) > ISDN(종합정보통신망=음성+데이터) > ADSL

네트워크 하드웨어 장비

1. Repeater: 약해진 전송신호 증폭, Lan의 세그먼트 연결장치

2. Hub: 분산된 포트에 여러 PC, 단말을 연결하는 장치(선의 확장)

3. Bridge: 서로다른 Lan의 세그먼트 연결장치

4. Switch: 기존 허브에 속도저하 및 충돌보완장치 추가

5. Router: 네트워크 연결장치(Lan과 Lan의 연결), 로드밸런싱 기능, 최적의 경로로 패킷전송

6. Gateway: 프로토콜간 변환 장치

MAC(매체 접근 제어): Lan 안에서의 충돌 제어를 하며, LLC(논리 링크 제어)와 MAC(매체 접속 제어)으로 나뉜다.

mac 프로토콜의 충돌회피 처리기술
- CSMA/CD: 충돌 감지시, 일정시간 대기후 재전송 방식 (ex. ethernet -유선), 경쟁구도
- CSMA/CA: 충돌 감지시, 회피 (ex. wifi. 단 wifi-6는 필요X -무선), 경쟁구도
  - 무선에서는 충돌감지가 힘들기에 회피해버림

Ethernet망(Lan)과 Internet망(Wan)의 차이점

: 인터넷은 이더넷망을 비롯한 다양한 네트워크를 하나의 네트워크로 묶은 것으로 더욱 큰 개념이다.

10장(무선이동통신, 셀룰러 네트워크)

: TX가 보낸 절대적인 신호세기 보다 전송중 발생할 수 있는 간섭을 없앤 SIR을 높이는 것이 목표

이동통신의 셀의 크기를 결정할 때는 mu의 안테나 높이, BTS의 안테나 기술, BTS와의 최적의 신호세기(SIR), 주변의 전파환경까지 고려 > 예측이 어려움

여기는 랜/wan구분 X

network

/ \

LAN WAN

Lan: 한정지역 내 고속 근거리 통신망, 이 안에서는 mac addr로 연결

multiplexing: 단일 링크를 통하여 여러개 신호를 동시에 전송하는 기술(L1), 1:1

multiple access: 주어진 시간,주파수,공간,코드 등을 여러 사용자가 공동으로 사용하는 전송기술(L2), 1:n

서로 다른 채널대역폭을 사용하는 인접한 셀들의 집합을 cluster라고 한다.
한 개의 클러스터 안의 셀 개수를 frequency reuse factor라고 한다.
동일한 채널대역폭을 사용하는 셀을 co-channel cell이라고 한다.
동일한 채널을 사용하는 셀들 사이에 발생하는 간섭을 co-channel interference(CCI)라고 하며, 이는 안테나 높이가 같을 때,
reuse distance가 작을 수록 발생확률이 높다.
Cellular netwark의 설계 목표는 제한된 리소스(채널대역폭)을 이용하여 주어진 서비스영역에서 동시에 통신(call)이 가능한 가입자 수를 최대화하여 capacity를 높이는 것이다.

셀룰러 네트워크 설명

특정 셀룰러 네트워크에서 R(셀 반경)을 동일하게 유지하면서 D(재사용 거리)를 줄이면 N(주파수 재사용 요소, 즉 셀당 채널 수)과 네트워크 용량은 어떻게 될까요? CCI는 어떻습니까?

클러스터의 셀 수(N)가 감소합니다.
서비스 영역에 더 많은 클러스터가 있고 용량이 더 커진다는 의미입니다. 즉, 셀당 채널 수가 증가하고 용량이 증가합니다.
그러나 재사용 거리(D) 감소로 인해 CCI의 확률도 높아집니다.
따라서 안테나 전력을 더 낮게 조정해야 합니다.

고정된 수의 셀이 있는 영역에서 더 큰 N은 무엇을 의미합니까?

셀당 할당되는 채널 수가 줄어들고 해당 지역의 클러스터 수도 줄어드는 것을 의미한다. 결국 용량이 줄어듭니다.
그러나 재사용 거리가 증가하기 때문에 CCI의 확률은 감소합니다.

육각형 셀이 정사각형 셀보다 나은 이유는 무엇입니까?

인접한 두 BS의 모든 쌍은 동일한 거리를 가지므로 MU가 어느 셀로 이동하는지 쉽게 추정할 수 있습니다.
육각형은 안테나 전력의 중첩을 최소화하면서 서비스 영역에서 전체 범위를 달성하는 데 좋은 원과 유사합니다.

셀 분할 대 셀 섹터링

셀 분할은 주어진(혼잡한) 영역에서 셀 수를 줄이고(D 및 R) 증가시켜 결과적으로 용량이 증가하는 것입니다.
셀 섹터링은 CCI를 줄이고 SIR을 높여 결과적으로 용량이 증가하는 것입니다.
셀 분할 및 섹터화에는 더 많은 안테나와 handoff가 필요합니다.

2G 셀룰러 네트워크

2G 셀룰러 네트워크 구성 요소: BTS -- BSC -- MTSO(MSC)
- BTS는 채널할당을 하지 않음(채널 할당은 MSC나 BSC가 함)
- BSC는 MSC를 도와주는 역할로, 작은 용량의 다중 링크(BTS)를 큰 용랑의 적은 개수의 링크(BSC)로 통합
셀룰러 네트워크 아키텍처의 변화
- BTS(1G, 2G) = NodeB(3G) = eNB(4G) = GNodeB(5G)
- 4G망 부터 Packet switching(인터넷)과 Circuit switching(PSTN망)으로 연결되는 cellular network이 통합
FDMA를 사용하던 1세대 이동통신에서는 reuse factor(N) 값으로 7을 사용하였으나, CDMA를 사용하던 3세대 이동통신에서는 N=1이었으며, 이는 3세대 이동통신에서는 인접한 두 cell들이 동일한 주파수 대역을 사용해도 통신이 가능하다는 말
Mu가 pstn에 연결된 유선전화 A로 통신할 때 경유하는 네트워크 노드들의 순서는 Mu > BTS > BSC > MTSO > GMSC > A이다.
한 개의 BTS가 한개 혹은 여러개의 안테나를 가지며, BTS가 관리하는 셀에서 사용되는 채널 수만큼 tx가 있다.

2G GSM에서 2개의 모바일 장치(MU) 간 통화에서의 수행단계
- 1. MU_S가 broadcast control channel을 통해 주변 BTS들 중 한 개의 (가장 신호 강도가 높은) BTS 와 연결된 후, MTSO로부터 가입자 인증 및 현 위치 update를 한다.
- 2. MU_S가 자신이 속한 셀에서 free한 dedicated control channel 이 있는지 확인하고 없으면 대기한다.
- 3. MU_S가 dedicated control channel 을 통해 BTS에게 MU_D의 번호를 전송하고 그 BTS는 MU_D의 번호를 MTSO에게 전달한다.
- 4. MTSO 가 MU_D의 번호를 기반으로 라우팅을 수행한다.
- 5. 현재 위치의 MU_D 가 속한 MTSO가 자신이 관할하는 모든 BTS들에게 paging한다.
- 6. BTS 가 MU_D에게 common control channel을 통해 paging 신호를 보낸다.
- 7. Common control channel을 listen하고 있던 MU_D가 paging 신호를 받고 자신의 번호를 확인한후 BTS에게 응답하면 그 BTS가 자신의 상위 MTSO에게 MU_D의 paging 응답을 전달한다.
- 8. MU_D를 관할하는 MTSO 와 MU_S를 관할하는 MTSO가 traffic channel을 할당한다.
- 9. BTS가 MTSO가 할당한 traffic channel을 MU_S와 MU_D에게 알려준다.
- 10. MU_S와 MU_D는 BTS가 알려준 채널로 맞춰 통신을 시작한다.
제어 및 데이터 트래픽을 위해 MU와 BTS 간에 사용되는 control/traffic channel
- 각 BTS 마다 서로다른 Broadcast / Common /Dedicated control channel을 사용
- Traffic channel은 MU가 통화 중에만 사용
- 이모든 채널의 할당은 MSC (혹은 BSC)가 관리
  - MTSO가 채널할당하고 BTS가 Mu한테 알림
셀룰러 네트워크에서의 Handover or Handoff
- BTS사이의 handoff는 BSC에서, BSC에서 handover은 MTSO가 관리
- Handover하는 방법
  - 여유있는 BSC에서 사용할 채널을 보다 혼잡한 BSC에게 할당
  - 두 BSC의 경계선에 있는 Mu들을 보다 덜 혼잡한 BSC로 handover
- Handoff의 필요성
  - 계속 통신하며 이동하는 동안 최적의 BTS와 연결되기 위해 위치정보를 업데이트하고 끊김없는 통화 퀄리티의 유지
  - handoff란 유저가 A cell에서 B cell로 이동할 경우 연결이 끊기는 것
- GSM의 handoff 유형
  - intra-cell Handover
    - 특정 주파수가 (외부환경 등 다양한 이유로) 노이즈로 간섭이 심할때 혹은 효과적인 채널 사용을 위헤 기사용 중인 채널을 변경하는 inter-frequency handover
  - inter-BSC Handover
  - inter-MSC Handover
- mu가 통신 중 이동할 때에도 통신 품질을 유지할 수 있도록 해야 함
- 셀의 반지름 감소, 이동 속도 증가 => handover 횟수 증가
- 인접한 두 셀들의 load가 심하게 차이날 때, load balancing을 유지하기 위해 사용
caller > callee: uplink
callee > caller: downlink

cell spliting

채널 수가 부족한 congested area의 셀 크기를 줄여서 해당 지역의 셀 개수를 증가시킴으로써 frequency reuse를 더 많이 하여 capacity를 증가시키는 것
동일 거리를 이동할 때, 그 이전보다 handover회수가 늘어날 수 있음
특정 sub-area만 cell-spliting을 하기에 채널할당 알고리즘이 복잡
늘어난 셀 수만큼 base station(안테나)를 추가로 설치

cell sectoring

하나의 셀을 여러개의 directional antenna로 서비스하여 reuse distance가 가까워져도 CCI가 발생하지 않고 SIR을 높이게 되어 co-channel cell 수를 높임으로써 capacity를 증가시키는 것
- 하나의 셀을 여러개의 섹터로 나눠 섹터마다 채널을 재분배(O)
- 하나의 셀을 여러개의 섹터로 나눠 섹터마다 채널을 재활용(X)
하나의 omnidirectional antenna 대신 여러개의 diretional antenna가 필요
사용자의 이동성이 큰 경우 채널효율성을 높이기 위해 각 섹터별 사용하는 채널을 재분배
안테나를 설치하기 어려운 지역, 혹은 사용자가 특별히 많거나 없는 지역을 고려하여 셀을 구성하기에 용이

Microcells: 이용자 수가 늘어남에따라 시 단위로 쪼개던 셀을 도시단위로 쪼개, co-channel cell 수를 높임으로써 capacity를 증가시키는 것

multi-path fading: BTS에서 전송된 신호가 LoS 외에도 diffraction, scattering, reflection 등의 이유로 다중의 경로를 통해서 각기 다른 증폭(amplitude)과 위상(phase)으로 다른 시간에 수신기에 도착하여 신호 품질이 떨어지는 현상
intersymbol interference (ISI): 이동통신의 multi-path transmission으로 인해서 발생하는 간섭으로, TX가 전송한 특정 심볼이 LoS로 RX에 도착했을 때 뒤늦게 도착한 이전 심볼이 겹쳐 발생하는 간섭
- 고속전송일수록 symbol rate (=band rate)이 커지고 즉, 심볼간 간격이 작아지므로 ISI가 더 심각해짐
- ISI를 완화시키기 위해서 equalizer를 사용하거나 발생한 에러를 forwarding error correction으로 복구 할 수 있으며, spread spectrum 방식으로도 줄일 수 있다. 그러나 이러한 기술들은 고속에서는 효과적이지 않으며, 따라서 고속 서비스 구현을 위해 4G-LTE 및 5G는 OFDM 기술을 이용하여 ISI를 제거
- 이통통신에서 ISI를 제거하기 위해 유선에서는 error correction을 위해 사용되었던 FEC를 사용할 수는 있으나 효율이 떨어짐
- 하나의 symbol이 여러 경로로 도착할 때 Los로 처음 도착한 symbol과 마지막에 도착한 echo symbol 사이의 시간 간격을 delay spread라 한다.

※ 신호의 파장 길이 보다 크기가 큰 물체를 만난 때 회절(diffraction)이 발생하며 이는 line of sight가 아닌 곳까지도 통신이 도달할 수 있게 하는 장점이 있다. 또한 신호의 파장이 커질수록 회절의 양(bending하는 각도)은 커지므로 저 주파수(ex. AM radio)를 사용할수록 신호의 회절성이 증가해 신호 coverage가 넓어지며, 반대로 고 주파수(ex. 5G)에서는 신호의 직진성이 커져 coverage가 좁아진다. 반면, 신호 파장 보다 크기가 작은 물체의 표면이 울퉁불퉁하여 발생하는 현상이 산란(scatter)이다.

1세대 셀룰러와 2세대 셀룰러의 차이점

Digital traffic channels: 1세대 셀루러는 순수하게 아날로그 신호를 사용함으로써 FM을 이용한 음성 채널을 제공, 2세대는 디지털을 사용함으로써 음성 데이터는 전송전 디지털신호로 인코딩됨
Encryption: 2세대는 암호화를 통해 도청 방지
Error detection and correction: 2세대는 오류감지 및 수정이 가능
Channel access: 1세대는 주어진 시간에 채널을 한명만 사용 가능, 2세대는 TDMA나 CDMA를 사용해 다수의사용자 채널 사용 가능

multiple access control(MAC algo) 다중접근프로토콜: 다수의 device들이 충돌없이 데이터를 공유하기 위한 기술

목표: 노드 A/B가 노드 C에 연결될 때 발생가능한 충돌 제어, 물리계층에서의 유/무선망의 연결

종류:

1. FDMA: 1G, 다수의 Mu가 동시에 다른 주파수 사용, analog voice call

폭이 넓은 채널 하나를 한명의 사용자에게 할당하기에 delay spread > symbol time 이 되어 ISI 발생확률이 증가

2. TDMA: 2G, 다수의 Mu가 시간대별로 동일한 주파수 사용, 디지털 폰의 SMS

3. CDMA: 3G, 모든 시간에 모든 주파수 사용, 스마트 폰의 인터넷 서비스

Spread spectrum: 여러 사용자의 signal을 큰 BW안에 합쳐 전송하는 방법으로, 신호 1개의 입장에서 본다면 BW가 늘어나보이지만, 이를 여러유저가 나눠쓰는 방법이기에 전체 시스템 상에서는 차이가 없다.(실제로 사용하는 대역폭이 늘어나지는 않는다) => SNR증가, 더 많은 대역폭 제공, 사용자에게 프라이버시 제공
- FHSS: Mu가 시간대별로 사용하는 주파수를 random하게 변경할 때마다 (TX, RX)쌍이 겹치지 않게 할당 > ISI 피함
- DSSS: 원본에 chipping code를 추가해 encoding하면 주파수가 겹칠일이 없음 > ISI 피함
  - chipping code 생성 알고리즘 특허는 Qualcomm이 가짐

4. OFDMA: 4G, 모든 시간에 모든 주파수 사용, 모바일 광대역의 표준, 스트리밍

다른 사용자와 간섭이 없는(orthogonal한) 폭이 작은 채널 여러개를 한명의 사용자가 사용하도록 하여 고속을 구현하면서도 ISI 발생확률이 감소
CA + MIMO + OFDM
- CA: 여러 주파수 대역을 결합하여 각 사용자에게 제공하는 data rate을 높이는 기술
- MIMO: input/outpt 안테나를 여러개 사용하여 data rate을 높이는 기술
- OFDM: ISI를 직접 줄여 SNR을 높이는 기술, 동일한 주파수 대역폭으로 보다 많은 가입자를 수용해도 통화품질이 떨어지지않아, 한명의 가입자가 사용할 수 있는 대역폭을 늘림
- => 'data rate 증가 > 고속 > ISI 증가' 가 한 루틴이므로 OFDM를 통해 증가된 ISI를 낮춘다.

5. ?: 5G, lot, 자율주행, AR/VR services

URLLC(낮은 지연) + mMTU(초연결) + eMBB(초고속)

11장(하나의 LAN)

11장에서의 가정

하나의 LAN이 라우터를 포함하여 여러개의 sub-network로 구성될 수 있다.
11장에서는 source station과 destination station이 하나의 sub-network에 있는 즉, L3-router 없이 L2 장비 (bridge, Hub, L2-switch)만으로 통신하는 경우를 가정한다.

-unicast: 1대1 통신

-multicast: 1대 n 통신(특정 다수에게 전송)

-broadcast: 1대 n 통신(불특정 다수에게 전송)

LAN: 하나의 메세지를 여러개의 frame으로 쪼갬

network topology: 네트워크에 연결된 station이 상호 연결되는 방식

src host가 의도한 dst host를 판별하기 위해 mac 주소 필요
- 하나의 Lan 안에서는 IP주소 앞자리가 다 동일
Bus topology로 연결된 초기 LAN에서는 특정 호스트가 느끼는 maximum delay가 늘어나는 것을 방지하기 위해, 한 개의 호스트가 오랫동안 미디어를 점유하지 않도록 데이터를 작은 프레임으로 쪼개서 전송하는 방식 사용

BUS vs STAR

BUS
- Bus에 연결된 모든 station은 동일한 collision domain > 동일한 전송매체를 사용하기 위해 경쟁 > 충돌 커짐
- L1에서 링크 충돌났을 때 해결하는 알고리즘 필요 by MAC sub-layer
  - CSMA/CD: Ethernet에서 사용
  - CSMA/CA: Wi-fi에서 사용
- 하나의 transmission media를 공유하여 통신 > 물리계층 broadcast방식 > TX가 의도한 RX판별을 위한 L2주소 필요
- 단점
  - 연결된 RX가 많아질수록 신호세기 감소
  - 한 개의 링크에 고장 발생시, 나머지 station 간의 통신문제 발생 > station이 적은 Lan에 적합
STAR
- 중앙노드에 따른 데이터 속도 변화
  - Hub, Tap, Repeater: Lan에서 bus topology와 동일한 broadcast/flooding 방식으로 통신
    - broadcast/flooding란 한개의 TX가 전송한 신호를 연결된 모든 호스트들이 수신하는 것
  - Bridge, L2-sw: buffer가 있어 2계층 해더를 읽고 RX의 주소를 확인하여 해당 RX가 연결된 포트로만 신호를 전송, 어느포트와 연결되었는지 파악되기 전에는 flooding 방식을 잠시 사용하나 최종적으로는 연결된 포트를 알아내서(learning) 해당 포트로만 신호를 전송
    - incomming frame을 해당 프레임의 수신호스트가 연결된 포트로만 forwarding하므로 나머지 포트 들 사이의 forwarding을 동시에 수행 가능
    - Bridge는 Half-duplex
    - L2-sw의 2가지 모드
      - Half-duplex
      - Full-duplex
- 단점: 중앙 노드 자체가 비정상적으로 동작시, 전체 Lan이 비정상적으로 작동하는 single point of failure의 문제점

HDLC vs LLC

HDLC
LLC
- 하위의 다양한 L1에 의존적인 mac sub-layer의 프로토콜들을 상위계층 software로 연결하는 역할
- multiplexing/demultiplexing은 필수
  - demultiplexing: 2계층의 프레임의 payload를 처리할 상위 3계층 프로토콜을 찾는 것
- flow/error control은 선택
  - ARQ를 LLC에서, CRC를 MAC에서

LLC의 모드 3가지(flow/error control)

Type1(Unacknowledged connectionless service): 보장된 기능이 업는 best-effort service(mux/demux만 함)를 제공하므로 정기적으로 정보를 자동수집하는 센서 망에 적합하며 또한, TCP에 기반한 인터넷에서 사용되는 ethernet, wifi 가 사용 => 오버헤드 X, TCP한테 일 넘김, loss&out-of-delivery, flow control X, error control X
Type2(Connection-mode service): WAN의 trunk에서 주로 사용하는 HDLC와 유사한 매커니즘을 사용해 connection-mode service를 제공, ARQ, no loss&(connection=>in-order-delivery) > reliable
Type3(Acknowledged connectionless service): no loss&(no connection=>out-of-delivery): 보장된 기능이 없는 service를 지원하므로, 각 PDU는 stop-and-wait 기술을 사용하여 인식됨

MAC

IEEE에서 정의한 mac frame은 표준마다 다르다
기능
- CRC > error detection > error난 프레임 버림
- 다수의 사용자가 공통된 미디어를 충돌없이 사용하도록 collision solution
- 서로 다른 mac 계층 프로토콜(ethernet, wifi) 사이의 통신을 지원

centralized: A mac addr이 B mac addr로 보낼때, 중앙 controller에게 허락받음(star랑 비슷)
- 단점: signle point of failure(controller가 망가지면 다망함)
  - 해결: Lan 운영자가 원하는 방침에 따라 호스트들의 미디어 접근 스타일을 제어
distributed(decentralized): 각각의 호스트들이 독자적인 판단에 따라 data전송을 시작해도 충돌이 없도록 하는 알고리즘을 실행하는 방식 > 특정 호스트의 오류가 전체 Lan 동작에 영향을 미치지 않음

MAC addr의 역할

L1의 성질(FDMA, OFDMA 등)을 고려한 미디어 접근제어 프로토콜(mac protocol)을 정의, src/dst 스테이션을 식별
- 802.3: ethernet
- 802.11: wi-fi

충돌 해결을 위한 중앙 집중식 구현의 장단점

MAC에서 다중접속을 가능하게 만드는 3가지 동기적 해결방법

Round robin: "토큰 가진애가 보낼게~"로 미디어에 연결된 호스트들의 데이터 전송율이 비슷한 경우에 적절
Reservation: "ㄹㅇ예약" => wifi
Contention: "예약할거야~" 하는 메세지를 보낼때 사용 => ethernet, wifi

Bridge

- half duplex

목표: 물리 계층에서 충돌 도메인을 분리하고 처리량을 증가시켜 LAN을 확장
다중의 Lan segment(ethernet, wifi)들을 하나의 LAN으로 통합하여 MAC frame을 relaying하는 2계층 장비로 LLC sub-layer를 가지지 않음
- 10개의 stantion이 연결되어있던 Lan에, 또다른 10개의 station이 연결된 Lan을 추가하고싶다면 bridge로 이음
  - router는 필요X
- bridge로 연결된 Lan segment는 다른 mac 프로토콜(ethernet, wifi) 사용 가능
security level이 다른 station들을 하나의 LAN에 연결할 때, 의도하지 않은 도청을 막음
Lan 확장시 collision domain이 분산되므로 L1에서의 신호충돌이 줄음
장점
- Lan 확장시, 특정 링크의 고장이 다른 링크에 연결된 station들의 통신에는 영향을 미치지 않음

Mac Bridge의 과정

고정 라우팅: 운영자가 각 bridge의 forwarding database를 수동으로 입력하여 운영
- 네트워크 토폴로지가 변경될 때마다(특정 링크 혹은 bridge가 고장), 라우팅을 계산 > 실수 커짐
동적 라우팅(dynamic routing): 네트워크 토폴로지가 변경될 때마다 새로운 e2e path를 자동으로 계산한후, forwarding database를 갱신하므로 운영자의 개입이 필요하지 않음 > reliable
여러 개의 bridge로 구성된 Lan에서 임의의 두 Lan segment 사이에 둘 이상의 경로가 있는 경우 e2e path는 하나일 것
filtering & flooding & forwarding
- 각 bridge들은 특정포트(P0)로 frame(F1)을 수신하면 forwarding할지 filtering(dropping)할지 결정하게 되는데 이는 received frame인 F1의 dst mac주소에 기반해서 결정된다. 즉 F1의 목적지가 P0과 연결된 링크에 연결되어 있디고 판단하면 bridge가 F1을 받았을 때 이미 수신 호스트도 받았기 때문에 F1을 버린다.
address learning
- 특정 station이 어느 포트를 통해서 도달할 수 있는지 학습하는 것
- F1 프레임의 (src max addr, F1을 수신한 port number)를 기억
loop
- 두개 이상의 bridge가 다수의 Lan segment를 연결할 때, loop 발견 > 각 bridge에 spanning tree가 없다면?
  - address learning > frame forwarding의 오류
    - dst mac addr == broad mac addr -> 무한 반복 문제 발생

HUB(half-duplex) vs L2-SW vs BRIDGE(half-duplex)

hub
- flooding
- 버퍼가 없어서 연결된 모든 link의 속도는 유사
- half duplex 통신 > hub에 연결된 station은 동시에 받거나 보낼 수 없음
- hub에 연결된 모든 station > 동일한 collision domain
- 하나의 station이 broadcast frame 전송시, 나머지 station 모두 수신
- hub에 연결된 모든 station은 star topology로 보이나, 결과적으로 linear 형태인 bus topology와 유사하게 동작
- hub는 임의 포트로 전송된 signal을 그대로 나머지 포트들로 재전송
  - 충돌시, hub는 아무 역할도 하지 않고(no re-transmission) station에 꼽힌 NIC카드의 MAC 프로토콜에서 진행
    - ex. ethernet card 사용시 csma/cd방식으로 서로의 신호충돌을 피해서 전송
    - 즉, station이 bus형태로 연결된 것이나 hub로 연결된 것이나 collison domain측면에서는 동일
L2-sw
- flooding/forwarding/filtering
- 한번에 여러개 프레임 전송 가능
- hub를 full-duplex한 것과 비슷
- Gigabit ethernet L2-sw 사용시, buffer덕분에 다양한 속도의 NIC 카드를 장착한 station 연결 가능 > 다양한 속도의 포트 제공
- 하나의 station이 broadcast frame 전송시, 특정 포트의 station만 수신
- 에러 탐지
  - store-and-forward sw: L2-sw는 입력라인에서 프레임을 수신하고 잠시 버퍼링한 다음 적절한 출력라인으로 라우팅한다. 그 후 CRC를 하여 불량프레임을 삭제한다.
    - max frame의 마지막에 있는 FCS 필드를 이용해 CRC를 체크하므로 에러가 있는 frame은 Lan에서 제거하는 효과가 있으나 end-to-end latency가 큼
  - cut-through sw: 에러탐지X(CRC), L2-sw는 대상 주소가 mac 프레임의 시작부분에 표시된다는 점을 활용한다. 대상주소를 확인하는 즉시 적절한 출력라인으로 라우팅한다.
- 다른 종류의 케이블(optical, twisted..)을 연결할 수 있는 포트를 가지는 스위치가 존재
- 2가지 모드
  - half-duplex
  - full-duplex
Bridge
- flooding/forwarding/filtering
- 한번에 한개의 프레임만 전송 가능
- buffer덕분에 다른 속도의 링크들 사이의 데이터 전송 가능 > 다양한 속도의 포트 제공
- collisin domain의 분리
  - 10개를 동일한 링크에 연결(bus)보다 5개씩 나눠 brige를 통해 연결시, 평균 data rate이 2배 증가
- store-and-forward 모드만 사용 가능
- Bridge는 buffer가 있어서 서로 다른 속도의 MAC을 지원(support various data rate) 하나 동시에 둘 이상의 frame을 처리할 정도로 속도가 빠르지는 않았다. 현재 Bridge는 별도의 장비로 사용되기 보다는 L2-switch에 소프트웨어로 그 기능이 남아있다.

교수님 정리

802.1D MAC bridge 프로토콜의 forwarding table에는 < MAC 주소 , 나가는 포트 , 상태 , 타이머 > 항목이 포함

프레임 F가 X에 도착하면 브리지는 MAC 주소가 F의 목적지 MAC 주소와 일치하는 항목 E를 찾기 위해 테이블을 검색
프레임 F는 " 엔트리 E 및 Y의 포트 Y( != X)가 차단되지 않은 경우 forwarded"
프레임 F는 " 항목 E의 포트가 X와 같을 때 filtered, 아니라면 "발견된 항목의 포트가 차단된 상태"
프레임 F는 " 항목이 없으면 flooded"

LAN 세그먼트(브리지)의 토폴로지에서 loop의 두 가지 효과는 무엇입니까 ?

목적지 MAC 주소가 브로드캐스트 MAC 주소(= 0xFFFFFFFFFFFF)인 브로드캐스트 프레임을 끝없이 전달
끝없는 플러딩 및/또는 의도하지 않은 필터링 => 주소 학습이 충분하지 않으므로 브리지된 LAN에서 루프를 제거하는 스패닝 트리 알고리즘이 필요

IEEE 802.1D MAC Bridge는 폐쇄 루프 없이 LAN 세그먼트를 연결하는 MST(최소 스패닝 트리)를 형성하려고 합니다 .

허브, 브리지 및 L2 스위치의 차이점은 무엇입니까 ?

허브와 달리 브리지와 L2 스위치는 다른 MAC 프로토콜 및/또는 다른 데이터 속도를 사용하는 노드를 연결할 수 있습니다.
허브와 달리 브리지와 L2 스위치에는 버퍼가 있으므로 서로 다른 링크 속도를 지원합니다.
All stations connected via a hub are in the same collision domain. Meanwhile, bridges and L2-switches separate the collision domains. Therefore, bridges and L2-switches reduce collision unlike hubs that slow down the network. 허브에 연결된 모든 station들은 같은 collision domain에 연결됨. 즉 동시에 두 station이 TX를 할 수 없는 half-duplex 통신이다. 반면 (star topology로 연결된) bridge 혹은 half-duplex mode로 동작하는 L2-SW에 연결된 station들은 두 개 이상이 동시에 TX를 할 수 있다. 따라서 (Source station, destination station)이 중복되지 않게(pair-wise) 짝지어 통신한다면 링크 속도 x (port 개수/2) 만큼의 성능을 기본적으로 제공한다. 그러나 이 또한 한개의 station이 TX와 RX를 동시에 할 수는 없어 half-duplex 통신 (즉, 스위치와 station 사이에 collision이 발생할 수 있어 MAC 프로토콜이 필요함)이다. Bridge는 하나의 frame씩 처리하므로 L2-SW 보다는 속도가 떨어질 수 있다.
허브와 달리 브리지와 L2 스위치는 더 지능적입니다. 그런 다음 브리지와 L2 스위치는 어떤 소스 MAC 주소가 어떤 포트에 도착하는지 학습하여 대상 MAC 주소를 기반으로 프레임을 특정 포트로 전달할 수 있습니다. 또한 네트워크 토폴로지에서 스패닝 트리를 계산하여 네트워크 토폴로지의 폐루프를 해결할 수 있습니다.
Unlike bridges, L2-switches can forward multiple frames at a time and can implement wire speed at each port and they are good for implementing a high-speed LAN. 일반적으로 bridge는 star topology로 사용되지 않으며 cut-through 방식이 없어 L2-SW 보다 느리다.
L2-switches have more interfaces (ports) than bridges. Full-duplex mode로 동작하는 L2-SW와 연결된 station이 모두 full-duplex adapter (NIC)를 사용한다면 각 station이 TX와 RX를 동시에 할 수 있다. 이런 상태가 되면 스위치와 station 사이에 collision이 없어 MAC 프로토콜도 더이상 필요없게된다 (12장에서 추가 설명함). 또한 max. throughput은 (모든 링크가 동일한 속도라고 가정할 때) link speed x port개수 로 증대한다.

cut-through switch와 store-and-forward swtich의 차이점
최대 1Gbps 이더넷의 경우, 허브, 브리지 및 L2 스위치를 half or full-duplex mode에서 작동하는 스테이션과 함께 사용할 수 있습니다. 그러나 10Gbps보다 빠른 이더넷에는 L2 스위치가 필요하며 스테이션은 full-duplex mode로 작동해야 한다.

12장(유선망 LAN기술, Ethernet)

Half-duplex만 생각

노랭이는 겹쳐서 사용하지 않는다. ethernet의 경우, csma/cd를 통해 다중접속 제어를 하지, FDMA&TDMA&CDMA 같은 L2다중 접속 제어를 하지 않는다. 즉, 세개의 노랭이는 겹쳐서 사용하지 않는다. 다만 wifi6의 경우는 OFDMA + CSMA/CA를 사용하는데, 이는 backward compatibility를 위함이다.

두개의 TX가 하나의 RX에게 프레임 전송했을 때 충돌 해결하는 알고리즘 6개(mac 알고리즘) => 특정해서 가는거는 다 동일

아래는 CSMA/CD가 탄생하기까지의 역사

1. ALOHA algo: 반송파 감지 없음, 충돌 감지 없음, ACK를 사용한 충돌 해결, 백오프 시간 = 무작위

TX가 RX로부터 ACK이 올지 안올지 기다리는 시간은 LAN의 가장 먼 거리에 떨어져있는 host를 기준으로 propagation time * 2에 해당
ALOHA를 사용하는 Lan에서 frame을 수신한 host들 중 frame의 destination mac주소가 해당 frame을 수신한 자신의 NIC 카드에 설정된 MAC주소와 일치하는 host만 FCS를 검사하여 error가 없다고 판단되면 바로 src gost에 해당하는 송신 host에게 ack을 전송하고 error를 감지하면 아무런 행동도 하지 않음
Pure ALOHA: 전송할 프레임을 vulnerable time은 피해서 아무때나 전송하고, ACK을 통해 실패하면 모두 전송실패
- nic카드를 장착한 호스트들이 100bps 링크와 연결되어 있다. 어느 호스트가 10bit 프레임을 성공적으로 전송하기 위해서는 vulnerable time(average transmission time*2 = 0.2sec)만큼 나머지 TX들이 프레임을 보내면 안됨
Slotted ALOHA: 전송할 프레임을 time slot에 맞춰 전송하고, ACK을 통해 실패하면 모두 전송실패
- Pure ALOHA보다 collison 횟수를 반으로 줄임 > 링크효율도는 2배 증가

2. CSMA algo / LBT: 채널여부를 확인하고 비어있다면 프레임을 전송, ACK를 사용

propagation time이 작을 수록 collision 발생확률이 감소
- 성공적인 프레임 전송을 위해서는 어느 station이 전송을 시작해서 e2e propagation time동안 어떤 station도 전송을 시작하면 안됨
frame이 클수록 frame을 전송할 확률이 높아지고, 네트워크 처리율(throughput)도 높아짐
- 이유는 프레임을 쪼갤수록 더 많은 collision 가능성을 확인해야 되기 때문
- . CSMA는 충돌을 피하기 위해 프레임을 보내기 전에 반송파를 감지하고 전달 성공 여부를 확인하기 위해 프레임을 보낸 후 ACK를 기다리기 때문이다 .
각 station이 frame을 전송하기 전에 L1에서 신호감지를 먼저 수행하여 collision을 사전에 예방하는 알고리즘
- 보내지기 전에 carrier sense를 수행하고, 보내고나면 하지 않음 > 전송중 발생한 collision 탐지 불가능
Listen했더니 busy할 때, 3가지 버전
- 1-persistent: 채널 계속 Listen하다가 바로사용
  - 어느 station이 데이터를 전송하고 있는 중에, 전송을 기다리는 station이 두개 이상이면 100% 충돌 > load가 많은 네트워크에서는 적절하지 않음
- non-persistent: 랜덤 주기로 채널 Listen하다가 바로 사용 => 전력낭비 적음, 충돌가능성 큼
  - 1-persistent의 capacity를 보완하고자 나온 방식
  - link가 busy하면 random time이후 다시 carrier sensing 시도
  - link가 idle하면 데이터를 전송 > load가 거의 없는 네트워크에서 사용시 효율성 떨어짐
    - 왜? link가 idle해도, 데이터 전송을 못하는 시간이 생기기 때문
- p-persistent: 채널이 busy상태면 계속 Listen 하다가 끝나는 순간 ramdom number을 생성해 p와 비교한 후, p보다 크면 대기(최소 propagation time), 작으면 채널 사용. => 채널효율도 큼
  - load가 낮은 네트워크면 p값을 크게 높여 TX가 collision을 피해 전송될 가능성을 높일 수 있음
    - np <= 1
  - 단점: Lan에서 데이터 전송을 원하는 station이 link가 free함에도 데이터를 전송하지 않고 random time만큼 기다려야 하는 현상이 생김

(순수/슬롯) ALOHA: 반송파 감지 없음, 반송파 감지에 의한 충돌 감지 없음 , ACK를 사용한 충돌 해결, 백오프 시간 = 무작위
(nonpersistent/1-persistent/p-persistent) CSMA: 반송파 감지에 의한 충돌 감지 없음, ACK를 사용한 충돌 해결, 백오프 시간 = 비지속의 경우 임의의 양, 1-지속의 경우 백오프 시간 없음, 1시간 단위(T_prop ) p-지속
CSMA/CD: ACK 없이 반송파 감지에 의한 충돌 감지 (ACK는 LLC 유형 2에서 사용될 수 있음), 백오프 시간 = [0, 2^k-1] 이진 지수 백오프 시간, k는 전송 실패 또는 시도 횟수

3. CSMA/CD(802.3) algo(ethernet) / LWT: ACK을 사용하지 않고 프레임 전송중에만 Listen

CSMA/CD가 필요한 이유 (transmission time >= 2*e2e propagation time) ? 송신기는 전송 중에 충돌을 감지할 수 있기 때문
프레임이 너무 작아서 전송 시간이 충분히 길지 않으면 충돌 감지가 실패하고 CSMA/CD는 덜 효과적이며 CSMA보다 성능이 떨어짐 => 프레임이 커야함

BEB(이진 지수 백오프): 네트워크 무거워짐 > 백오프 시간 증가 > 충돌 가능성 감소시킴으로써 csma/cd 효율도 증가
- 단점: TX 경쟁에 늦게 진입한 station이 이미 여러번 collision을 겪은 station보다 TX가 될 확률이 높다.
- Back-off time: propagation time * random # in [0,2^k -1], 일정 횟수 이상으로 collision이 발생해 재전송한 프레임이 뒤로 물러나서 기다리는 시간
  - 3번째로 온 사람은 0~7의 슬롯시간을 기다려야 한다.

MAC 주소는 6 octets 즉 48 bits 이다. MAC 주소는 IP 주소 처럼 구조를 가지고 있지 않고 따라서 지역적인 정보를 담고 있지도 않다. 단, 6 octet 중 첫번째 octet의 LSB가 0면 unicast 주소를 1이면 multicast 주로를 의미한다.

예를 들어 MAC 주소가 0x446A03015C49 인 경우, 0x44가 첫번째 octet이고 0x44 는 이진수로 01000100 이다. 여기서 LSB가 0이므로 이 MAC 주소는 unicast 주소 이다.

Ethernet의 경우, 프레임이 크기때문에 mac format에서 extension과 pad 쓸데없는 정보를 넣는다. BW가 낭비되지만, 충돌회피를 할 수 있기에 그냥 크게 만들어주는 것이 좋다. mac format에서 type/lenth필드(2byte)를 보고 ethernect인지, 802.3인지 구분한다. 2^16 = 1500보다 크면 ethernet 작으면 802.3, ethernet mac frame 에서는 LLC헤더를 넣는 공간이 없다.

Ethernet의 역사

1. 전통적인 Ethernet은 hub를 사용하는 Half-duplex(한 번에 하나의 스테이션만 전송할 수 있음)이므로 CSMA/CD가 필요, Half-duplex NIC 및 hub를 사용하여 최대 1Gbps Ethernt을 구현할 수 있음

full-duplex는 충돌날 일이 애초에 없어서 CSMA/CD가 필요하지 않음

2. Half-duplex 1G 이더넷에서 CSMA/CD가 제대로 작동하는 데 필요한 두 가지 기술

2* Tpropagation <= slot time <= Ttransition 을 만족해야 함
Carrier extension: mac 프레임의 크기를 늘림(ipg 공간사용)으로써 애초부터 충돌 가능성을 낮춤 => 단 공간낭비로 인한 링크효율 감소 > Frame bursting 방법이 나온 이유
Frame bursting: 프레임을 다시 조합하므로써 csma/cd를 한 번에 쉽게 할수 있도록

3. High-speed switched Ethernet(switching hub 사용)은 Full-duplex(한 스테이션이 동시에 송수신할 수 있고 두 스테이션이 동시에 전송할 수 있음)이므로 CSMA/CD가 필요하지 않지만, 'backward compatibility(하위 호환성)' 을 위해 이전 프레임 형식을 준수

4. 100Gbps Ethernet의 data rate를 향상시키기 위한 기술

MLD(Multilane Distribution): 큰 프레임을 66비트 워드로 나누고 각각을 여러 병렬 채널로 전송

CSMA/CD 방식은 IEEE 802.3에서 표준으로 정의된 multiple access control 알고리즘으로, 1-persistent CSMA 방식과 Binary Exponential Backoff 알고리즘을 기반으로 동작하며 Ethernet network에서 사용
CSMA/CD 방식이 효과적으로 동작하기 위해서는 (transmission time >= 2*e2e propagation time) 이어야 sending station이 collision을 감지하는 것이 가능하다.
그렇지 않으면, RX가 ACK을 보내지 않기 때문에 TX는 collision을 감지하지 못한다.
mac 다중접속 제어에서 contention 사용한다.

교수님 답변: Hub는 csma/cd를 통해서 충돌감지를 한다. 만약 나랑 다예가 현경이한테 프레임을 전송한다면, 나와 다예의 충돌가능성을 미리 보는 것이다. 그렇게 충돌나지 않고 현경이에게 잘 도착한 내 프레임은 L2의 mac layer에서 CRC검사를 거쳐 에러유무를 확인한다. (collision 감지와 error 감지는 다른 것!)

VLAN

1. "일부 station이 동일한 LAN 에 속함" 은 동일한 broadcast domain에 있음을 의미

2. 하나의 LAN이 아닌 여러 개의 LAN이 있는 이유

정보 공유 범위 조절

3. VLAN

LAN의 논리적인 서브그룹
소프트웨어에 의해 생성되며 물리적 이동 및 물리적 분리를 하지 않음
다른 physical Lan의 station들을 묶어 하나의 single broadcast domin(1LAN)으로 만듦
VLAN을 잇기 위해서 router 또는 L3-sw가 필요
- 서로 다른 VLAN에 속한 station들 간의 통신은 반드시 L3 routing, 즉 IP address 기반 routing이 필요하다. 이를 위해 라우터 혹은 Layer-3 switch가 필요하다. (L3-SW 는 MAC 주소기반 L2 routing과 IP 주소 기반 L3 라우팅을 모두 할 수 있으나 기존의 라우터에서 하는 edge 기능 (firewall, NAT, Tunneling, QoS 등)이 없으므로 LAN과 WAN의 경계에 사용되지 않는다.)

4. VLAN을 형성해야 하는 경우

5. VLAN membership을 구성하는 방법

port group
mac addr
protocol info

13장(무선망 LAN기술, Wi-fi)

와이파이: L1과 L2의 기능을 커버한다.

Infrastructure network: ap(ex. iptime)가 있는 BSS
Ad-hoc network: ap가 없는 BSS => 각 stantion끼리 직접 데이터 주고받을 때 사용(ex. 에어드롭)
Distribution system(DS): 여러개의 BSS를 총괄, 서버에 유선으로 연결되어 있어야 한다.

와이파이의 access control protocol

ap(L2장비)의 기능 종류

PCF: ap에 의해 제어됨,csma/polling
DCF(distributed coordination function): distributed, csma/ca -> 인터넷 트레픽에 효과적
와이파이의mac주소에서는 reliable data delivery를 구현해두어 error detection
WiFi-5 vs WiFi-6
- WiFi-6 : 여러명의 user가 동시에 data 전송이 가능하므로 media access control 알고리즘이 필요없으나, (wifi1/2/3/4/5는 CSMA/CA가 필요하므로) backward compatibility를 위해 CSMA/CA 기능을 포함한다.
- WiFi-6는 WiFi5에는 없는 Uplink MIMO(안테나 여러개 사용)가 있다.
- WiFi5는 5Ghz 대역만 사용하나, WiFi6는 2.4Ghz 대역도 사용하므로 coverage가 wifi5보다 넓다.
  - wifi5는 직진성이 강한 고주파 5Ghz만 사용하므로 넓은 대역을 cover하지 못함
- Wifi6는 battery saving을 위한 scheduled access control 기능을 제공하다.
- WiFi-6는 symbol사이거리가 크게해 ISI 발생확률을 낮춤
OFDM(wifi5) 대 OFDMA(wifi6)
- OFDM, OFDMA 모두 하나의 큰 대역폭 대신 , 주파수를 간섭이 없는 (orthogonal) 작은 대역폭에 해당하는 여러 sub-carrier로 만들고 이를 이용하여 데이터를 전송하는 방식
  - 이때 sub-carrier를 모두 한명의 사용자가 다 사용하면 OFDM(1:1)
    - 어느 시간에 한명의 유저만 사용하므로, 다른 유저도 사용하고 싶다면? 에러가 발생
      - 이 에러를 해결하기 위해 CSMA/CA 가 필요
  - sub-carrier 중 골라서 여러 사용자가 사용하면 OFDMA(1:n)
Ad-hoc networking: 중앙제어장치(AP)없이 작동하므로 station끼리만 소통(peer to peer) => 인터넷 없음
Ad-hoc 모드와 WLAN의 infrastructure mode의 차이점
- 우리가 일반적으로 쓰는 것은 infrastructure mode: AP을 사용
WLAN 아키텍처의 각 구성 요소(AP, BSS, ESS, DS/IBSS)에 대해 간략하게 설명해주시겠습니까?
- 1. AP (Access Point):
     - AP는 무선 네트워크에서 유선 네트워크(L2-sw)와 무선 클라이언트(wifi) 간의 연결을 제공하는 장치입니다.
     - AP는 무선 신호를 발생시켜 무선 클라이언트가 네트워크에 접속할 수 있도록 합니다.
     - 클라이언트들은 AP에 연결하여 네트워크 서비스를 이용하고 통신할 수 있습니다.
  
  2. BSS (Basic Service Set):
     - BSS는 WLAN에서 AP와 해당 AP에 연결된 클라이언트들로 구성된 기본 서비스 세트를 의미합니다.
     - 하나의 BSS는 단일 AP와 해당 AP에 연결된 클라이언트들로 구성되며, AP를 중심으로 데이터 통신이 이루어집니다.
     - BSS는 독립적인 무선 네트워크 영역을 나타냅니다.
  
  3. ESS (Extended Service Set):
     - ESS는 여러 개의 BSS를 하나의 큰 논리적인 네트워크(1LAN)로 결합하는 개념입니다.
     - ESS는 여러 개의 AP가 연결되어 하나의 네트워크로 동작하며, 사용자들은 이 하나의 네트워크 안에서 이동하면서 서비스를 이용할 수 있습니다.
     - ESS는 클라이언트의 로밍(Roaming)을 지원하여, 클라이언트가 AP 간에 신호를 전환하면서 연결을 유지할 수 있도록 합니다. ESS의 연결을 할 땐 L3-sw나 router가 필요하다.
  
  4. DS (Distribution System):
     - DS는 WLAN에서 AP 간에 데이터를 전송하는데 사용되는 네트워크 인프라를 의미합니다.
     - DS는 유선 네트워크로 구성되며, 여러 개의 AP와 다른 네트워크 간의 데이터 흐름을 관리하고 제어합니다.
     - DS는 AP 간의 데이터 전송, 로밍, 보안 등을 담당하여 WLAN의 확장성과 기능성을 제공합니다.
BSS에서 코디네이터(AP)의 주요 기능은 무엇입니까?
- 두 스테이션 간의 데이터 중계
- 802.11과 802.x 사이의 브리징
- BSS의 스테이션 간 다중 액세스
hidden node problem의 문제: 두개의 station이 동일한 AP(in infrastructure mode)에 연결되어 있는데, 두 station들은 무선통신영역 밖이라 동시에 AP에 전송한 신호를 AP에서 감지하지 못해 충돌나는 문제> error 탐지도 당연히 불가능
exposed node problem의 문제: ad-hop에서만 생기는 문제로, A는 D한테만 보내고싶은데 B까지 다 보내짐 >그럼 B는 그 신호가 A한테 오는건지, C한테 오는건지 모름 > 그래서 충돌생길까봐 B는 아무한테도 안보내는 문제 > 링크효울도 감소
WLAN에 충돌 방지가 필요한 이유는 무엇입니까? WLAN에서 충돌 감지가 작동하지 않는 이유는 무엇입니까?
- 약한 신호 및 숨겨진 노드 문제로 인해
- RTS/CTS 없이 ACK를 사용한 재전송은 유선 LAN보다 낮은 WLAN의 BW를 낭비하게 됨
CSMA/CA의 작동방식 (STA=스테이션): ack사용, 위 두 문제를 해결하기 위해 나온 충돌해결 알고리즘

Sender 브로드캐스트 (2계층 destination mac 주소=0xFFFFFFFFFFFF) 짧은 RTS 프레임(RTS 프레임 간 충돌 발생 가능)을 보내 AP 또는 STA를 예약
인프라 모드의 AP 또는 Ad-hoc 모드의 대상 STA는 CTS로 브로드캐스트합니다 .
CTS를 수신한 모든 STA은 CTS 프레임에 표시된 (DATA + ACK) 시간 동안 TX를 유지 : 충돌 방지
발신자는 자신의 데이터 프레임을 AP 또는 (목적지 STA)에 유니캐스트합니다.
전송이 완료되면 인프라스트럭처 모드의 AP 또는 Ad-hoc 모드의 목적지 STA은 ACK와 함께 브로드캐스트합니다 .
다른 STA은 ACK를 받거나 (DATA + ACK) 프레임을 보내는 시간만큼 기다린 후 프레임 전송을 위한 RTS 프레임 전송을 시도합니다.

RTS를 수신했지만 CTS를 수신하지 않은 STA(노출된 노드)는 프레임을 보낼 수 있나?
- 예, 노출된 노드는 자유롭게 전송할 수 있습니다. => 더 나은 BW 효율성
CTS를 수신한 일부 STA(히든 노드)는 프레임을 전송할 수 있나 ?
- 아니요, 그들의 전송은 Ad-hoc 모드의 대상 STA 또는 인프라의 AT에서 충돌을 일으킬 것입니다. 따라서 히든 노드는 백오프해야 합니다.
Infrastructure WLAN에서는 데이터를 주고, 받는 source station(찐 내주소)과 destination station의 MAC 주소는 각각 신호를 전송하는 노드와 신호를 수신하는 노드의 MAC address와 일치하지 않는다.
- "privacy" in a communication system : 의도한 수신자 (receiver)외에는 message 에 접근(read)할 수 없도록 하는 것.
- WPA(Wireless Protected Access)는 WEP(Wired Equivalent Privacy)보다
- WPA3를 사용하면 어떤 이점이 있습니까 ?
1. 사용자는 보안을 유지하는 쉬운 암호를 선택할 수 있습니다.
2. NW 장치는 KRACK 및 오프라인 사전 공격과 같은 공격으로부터 보호될 수 있습니다.
3. 보다 안전한 서버 연결(순방향 비밀성 : 비밀번호가 노출되기 전에 전송된 데이터를 보호할 수 있음)

질문

이더넷은 CSMA/CD랑 contention을 다중제어 기술로 사용하는건가요? 네

따라서, MAC 계층은 오류의 감지를 수행하고 해당 프레임을 폐기하는 역할을 하며, ARQ는 LLC 계층에서 오류의 복구와 재전송을 처리합니다. 이렇게 함으로써 데이터의 무결성과 신뢰성을 유지하면서 효율적인 데이터 전송이 가능해집니다.

FDMA, TDMA, CDMA, OFDMA와 같은 다중 접속 방식은 주로 무선 통신에서 사용되며, 다수의 사용자가 동시에 통신 채널을 공유하는 환경에서 효율적인 데이터 전송을 위해 사용됩니다. 이들 방식은 주파수, 시간, 코드 또는 주파수-시간 공간을 다르게 나누어 다수의 사용자가 동시에 데이터를 전송하고 수신할 수 있도록 합니다.

따라서, 이더넷은 다중 접속 방식인 FDMA, TDMA, CDMA, OFDMA를 사용하지 않고, CSMA/CD 기반의 접근 제어 방식을 사용하여 데이터 전송과 충돌 처리를 수행합니다.

네, 맞습니다. 이더넷은 CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)를 사용하여 충돌 회피를 수행하고, contention 기반으로 다중 접속을 제어합니다.

ethernet이랑 wifi 둘다 LLC type1을 사용하여 error check를 하지 않는다. 그런데 wifi의 경우 csma/ca를 사용해 ack을 보낸다. 이 ack은 LLC가 보내는거면 모순이 아닌가? 여기서 ack은 mac layer가 보냅니다.

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