[Lecture] Data Communication - Day 9~10

🖥 Data Communication - Day 9~10

👉🏻 [Chapter 06] 컴퓨터 통신망

6.1 근거리 통신망(LAN)

• LAN의 개요

  • IEEE 의 LAN 정의 : 다수의 독립된 컴퓨터 기기들이 비교적 한정된 지역 내에서 오류율이 낮고, 상당히 빠른 속도의 물리적 통신 채널을 통하여 상호간에 통신이 가능하도록 해주는 데이터 통신 시스템
  • W. Stalling 의 LAN 정의: LAN은 가까운 지역 내에서 다양한 데이터 통신 기기의 상호 연결을 제공하는 고속의 통신 네트워크
  • LAN의 특성
    • 지리적으로 제한된 지역을 관리하며, 단일 조직에 의하여 관리되는 사설 데이터 통신망
    • 대부분의 정보는 비교적 좁은 지역에서만 교환되며, 그 결과 대부분의 트래픽은 빠르고 집중적인 특성을 가지고 있어서 높은 전송 속도를 요구
      • 일반적으로 수 Mbps에서 100Mbps 정도의 전송 속도를 갖음
    • 구성 및 연결이 간단하고 사용이 간단함

• LAN의 특징

  • 거의 대부분의 네트워크가 방송 형태의 패킷 네트워크
  • 원거리 통신망(WAN)과 차이점
    • 단일 기관 소유
    • 패킷 지연 최소화 -> 통신 거리가 짧음
    • 경로 설정 불필요
    • 연결성 우수
    • 신뢰성이 높음
    • 고속 통신 가능
    • 확장성과 재배치성이 좋음
  • LAN 구축 시 효과
    • 정보 자원의 공유
    • 정보의 실시간 처리, 정보 자원의 일관성
    • 정보 처리 시스템의 비용 절감
    • 통합된 사무 자동화의 구축
    • 다른 기종간의 특징

• LAN의 구성요소

  • CIU(Communication Interface Unit)
    • 통신망에 접속하기 위한 LAN의 구성 요소
    • 광대역(broadband) LAN 모뎀
    • PBX에서 사용되는 모뎀
    • 기저대역(baseband) LAN 에서 사용되는 송수신기
  • BIU(Bus Interface Unit)
    • 노드의 내부 버스 또는 이에 해당하는 전기 회로와 CIU 사이의 인터페이스
  • 네트워크 노드 = 서버
    • 네트워크에 특정의 서비스를 제공하는 노드들을 서버(Server) 라고 함
    • 경로 설정 서버(Routing Server)
    • 게이트웨이 서버(Gateway Server)
    • 터미널 서버, 프린터 및 파일 서버(Terminal Server, Printer&File Server)

• LAN의 분류

  • 토폴로지에 의한 분류
    • 성형
      • 각 스테이션이 공통의 중앙 교환기에 점대점 링크에 의해 연결됨
      • 중앙 집중적인 통신 제어 전략 제공
      • 중앙 교환기가 모든 통신을 제어하며, 많은 데이터 경로들을 확립하고 유지함
        • 중앙 교환기 노드는 복잡함
    • 버스형
      • 다중점 또는 방송망 형태
      • 교환기도 리피터도 없음
      • 모든 스테이션이 적당한 하드웨어 인터페이스를 통해서 직접 버스 전송 매체에 부착됨
    • 트리형
      • 다중점 또는 방송망 형태
      • 버스형의 일반화된 형태
    • 링형
      • 닫힌 루프 내에서 점대점 링크에 의해 결합되는 리피터들의 집합으로 구성
  • 전송 방식에 의한 분류
    • 기저대역 방식 - baseband
      • 데이터를 변조하지 않은 상태, 즉 디지털 신호를 그대로 전송하는 방식
      • 단일 채널 사용
      • 양방향 전송 가능
    • 광대역 방식 - broadband
      • 아날로그 신호로 변조하여 전송하는 방식
      • 먼거리 전송 가능
      • 한 번에 한 방향으로만 전송 가능
      • 기존 CATV망 이용
      • 다중 채널
      • 무선 주파수(RF; Radio Frequency) 필요
    • 반송(Carrier) 방식
      • 브로드밴드의 종류로 단일 채널을 사용하는 방식
  • 매체 접근 방식에 의한 분류
    • 매체 접근 제어(MAC; Medium Access Control 기법
    • 경쟁형(contention)
      • ALOHA, CSMA, CSMA/CD
    • 비경쟁형(non-contention)
      • Token Passing(Token-Ring, Token-Bus), 우선 요구 순위 제어(Demand Priority) : 100VG-Any LAN

• LAN의 표준화

  • LAN 프로토콜은 IEEE 802 위원회에서 제정한 프로토콜 사용
  • 논리 링크 제어(LLC; Logical Link Control) Layer, 미디어 접근 제어(MAC; Medium Access Control) Layer, 물리(Physical) Layer 로 구성
    • LLC와 MAC은 OSI 7 Layer의 데이터 링크 계층에 속함
    • MAC 계층 : 매체의 전송권을 제어하는 기능을 담당
    • LLC 계층 : LAN의 종류와 관계없이 상위 계층으로부터 수신한 데이터의 신뢰성 있는 전달 기능을 담당
      • 비확인 비연결형 서비스(unacknowledged connectionless service)
      • 연결형 서비스(connection-oriented service)
      • 확인 비연결형 서비스(acknowledged connectionless service)

• LAN의 매체 접근 제어

  • 1️⃣ CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection) 방식(경쟁형 MAC)

    • LAN과 같이 많은 스테이션의 사용자가 하나의 회선에 동시 접근하면 신호가 겹쳐서 신호가 손상되거나 신호 자체가 소실될 가능성이 있음

    • 이러한 충돌을 피하면서 많은 양의 프레임을 전송하기 위해서는 매체 접근 제어 방식이 필요

    • 동작 순서

      • 스테이션은 데이터를 전송하기 전 회선이 사용 중인지 여부 파악
      • 회선이 사용 중이면 일정 시간만큼 기다린 후 다시 회선의 사용 유무 파악
      • 데이터 전송 중 충돌이 검출되면 충돌 발생 사실을 모든 스테이션에 간단한 잼 신호(jam signal) 전송
      • 충돌이 발생하면 일정 시간동안 대기한 후 다시 데이터 전송

    • CSMA/CD 프레임(802.3 프레임)

      Preamble	SFD	DA	SA	Length	LLC Data	CRC
      7 bytes	1 byte	6 bytes	6 bytes	2 bytes	44 ~ 1,500 bytes	4 bytes

      • 프리앰블(preamble) : 프레임의 도착을 알리고, 입력 타이밍을 동기화 할 수 있도록 0, 1의 반복으로 구성됨
      • 시작 프레임 지시자(SFD; Start Frame Delimiter)
      • 목적지 주소(DA; Destination Address)
      • 송신지 주소(SA; Source Address)
      • Length : PDU(Protocol Data Unit) 길이/유형
      • LLC Data : LLC 계층에 의해 생성되는 802.2 프레임
        • 최소 길이보다 짧다면 PAD(Packet Assembler Disassembler) 를 덧붙여 차이를 보상함
      • CRC(Cyclic Redundancy Check) : 오류 검출 정보

  • 2️⃣ 토큰 링(Token-Ring) 방식(비경쟁형 MAC)

    • 이더넷에서는 여러 스테이션이 동시에 회선을 확보하기 위해 회선의 사용 유무를 확인하는 과정에서 충돌로 인한 지연이 발생

    • 토큰 링 방식은 각 스테이션이 교대로 데이터를 보내게 함으로써 이러한 지연 현상을 극복

    • 토큰(token) 이라는 짧은 길이의 프레임을 사용하여 데이터를 보낼 수 있는 자격을 한정하며 스테이션은 자신의 차례가 되어서야 데이터를 전송할 수 있음

    • 동작 순서 : 토큰 패싱(token passing)

      • 일반적으로 3바이트 길이를 갖는 토큰이 전송할 데이터를 가지고 있는 스테이션을 만날 때까지 링을 순환
      • 보낼 데이터를 가지고 있는 스테이션에 'free' 토큰이 도착하면 자신의 NIC에 있는 비트를 설정하고, 전송할 데이터 프레임을 보냄
      • 각 스테이션은 목적지 주소 필드를 검사하여 그 프레임의 목적지 주소가 자신이 아니면 이웃하는 스테이션으로 전달
      • 프레임 수신국은 자신의 주소를 확인한 후, 메시지를 복사하고 오류 확인
      • 수신국은 프레임의 마지막 바이트에 있는 4비트를 변경하여 프레임에 복사했다는 것을 나타냄
      • 그 후 프레임은 송신국으로 되돌아올 때까지 링을 따라 계속 순환하다 송신국에서 송신지 주소 부분으로 송신자가 자신임을 확인
      • 주소 확인 비트를 검사하여 프레임이 수신되었음을 확인하고 해당 프레임을 버린 후 'free' 토큰을 링으로 보냄

    • 데이터 프레임(단위 : byte)

      SD	AC	FC	DA	SA	LLC Data	CRC	ED	FS
      1	1	1	6	6	~ 4,500	4	1	1

      • 시작 지시자(SD; Start Delimiter)
      • 접근 제어(AC; Access Control)
      • 프레임 제어(FC; Frame Control)
      • 목적지 주소
      • 송신지 주소
      • LLC Data : 실제 데이터가 들어가는 필드
        • 802.3 프레임과 달리 PDU의 길이나 유형에 관한 필드는 없음
      • CRC
      • 종료 지시자(ED; End Delimiter)
      • 프레임 상태(FS; Frame Status)

    • 토큰 프레임(단위 : byte)

      SD	AC	ED
      1	1	1

    • 중지 프레임(단위 : byte)

      SD	ED
      1	1

  • 3️⃣ 토큰 버스(Token-Bus) 방식

    • 이더넷과 토큰 링 방식의 특징을 결합한 것으로 물리적으로는 버스 접속 형태이지만 논리적으로는 토큰 링 방식을 사용하여 매체를 제어하는 방식
    • 토큰 버스 방식에서 토큰은 논리적인 링에 따라 하나의 스테이션에서 다른 스테이션으로 짧은 토큰 프레임의 형태로 전달
    • 각각의 스테이션들은 논리적인 링에서의 다음 스테이션(successor) 의 주소만 기억하고 있으면 됨
    • 스테이션이 토큰을 수신할 수 없다면 이전 스테이션(predecessor) 은 적절한 복구 절차를 거쳐 토큰의 다음 수신 스테이션을 찾음
    • 동작 과정
      • 이전 스테이션으로부터 토큰을 수신한 스테이션은 정의된 제한 시간 동안 대기한 후 프레임 전송
      • 프레임 전송이 끝난 스테이션은 다음 스테이션으로 토큰을 넘김
      • 각 스테이션은 토큰을 전달한 다음 이전 스테이션의 주소를 알고 있어야 함
      • 토큰 전달에 실패하면 다음 스테이션을 찾는 회복 과정 수행
      • 다음 스테이션을 찾지 못할 경우 네트워크 초기화 과정을 수행하거나 네트워크 관리 행위 수행
    • 데이터 프레임(단위 : byte)

      Preamble	SD	FC	DA	SA	LLC Data	CRC	ED
      7	1	1	6	6	~ 8,191	4	1

  • 충돌 방지 방법(충돌에 의한 지연 문제 해결 방법)

    • 1-persistent : 회선의 상태를 조사하여 사용 중이면 회선 사용이 끝날 때까지 기다렸다가 즉시 전송
      • 충돌 확률이 높음(거의 동시에 각 노드가 데이터를 전송하려고 하기 때문)
    • non persistent : 회선 상태를 조사하여 사용 중이 아니면 데이터 전송, 사용 중이면 확률 분포에 따라 정해진 시간 후 재전송
      • 충돌 확률이 낮음(회선이 사용 중이 아닐 확률이 높음)
    • p-persistent : 두 가지 방법의 절충 방법, 회선 사용이 끝난 후 확률 $p$로써 패킷을 송신하고 충돌이 발생하면 $(p-1)$시간 동안 기다린 후 다시 시도
    • 네트워크 상에 가장 멀리 떨어진 호스트 간에 통신이 이루어지는 경우
      • 두 호스트 간의 전송 시간은 2배가 됨
    • 전송 패킷의 슬롯 타임은 가장 먼 호스트 간의 전송 시간의 2배가 되어야 함

6.2 원거리 통신망(WAN)

• WAN의 개요
  • 정보 통신망 기술은 서비스 제공 영역에 따라 근거리 통신망과 원거리 통신망으로 구분
  • 공중 통신망 사업자가 구축하고, 일반 대중 가입자들에게 보편적인 정보 통신 서비스를 제공
  • 30km 정도 도시 규모의 대도시 통신망(MAN)으로 설계하거나, 반경 300~500km의 국가망 그리고 각 국가의 공중 통신망을 상호 접속시키는 국제 정보 통신망으로 설계 및 구축, 운용
  • 일반 음성 전화망(PSTN; Public Switched Telephone Network)
  • 일반 패킷 교환 데이터 통신망(PSPDN; Packet Switched Public Data Network)
  • 프레임 릴레이 통신망(ISDN; Integrated Services Digital Network)
  • ATM 기반의 B-ISDN(Broadband-ISDN)
• X.25 프로토콜
  • 패킷 단말기를 패킷 교환망에 접속하기 위한 인터페이스 프로토콜
  • 물리 계층, 링크 계층과 패킷 계층이라는 세 개의 계층으로 구성됨
  • 물리 계층
    • 스테이션을 전송 매체를 통하여 패킷 교환 노드에 접속시켜 주는 물리적인 인터페이스를 제공
  • 링크 계층
    • 일련의 프레임으로 데이터를 전송함으로써 물리적 링크를 통한 신뢰성 있는 데이터 전송을 제공
    • LAPB(Link Access Procedure Balanced) 프로토콜
  • 패킷 계층
    • 하나의 데이터 링크에 대한 다중화를 통한 가상 회선 서비스를 제공
    • 하나의 물리적 연결에 의해 여러 개의 논리 채널로 다중화
    • X.25에서는 가상 회선을 가상 호(VC; Virtual Call) 와 영구 가상 회선(PVC; Permanent Virtual Circuit) 의 두 가지로 나누어서 정의
    • 주요 기능
      • 다중화 : 하나의 전송 링크를 통하여 여러 개의 논리적 연결을 제공하는 기능
      • 흐름 제어 : 가상 회선 단위로 전송되는 패킷에 대하여 흐름을 조절하는 기능
      • 오류 제어 : 가상 회선 단위로 손실된 데이터 패킷을 복구하는 기능
      • 재설정과 재시동 : 가상 회선 상에 오류가 확인되었을 때 패킷 계층에서 가상 회선을 초기화하거나 해제하는 기능
    • 패킷의 구조
      • X.25의 모든 패킷은 최소 3옥텟의 헤더를 가짐
      • 일반 형식 식별자(GFI; General Format Identifier), 가상 회선 식별자(VCI; Virtual Circuit Identifier), 패킷형 식별자(PTI; Packet Type Identifier) 필드들로 구성

6.3 대도시 통신망(MAN)

• MAN의 개요

  • LAN과 LAN을 연결해 주는 역할을 하는 네트워크 구성 방법
  • 하나의 대도시에 산재해 있는 기업 네트워크를 하나로 묶어 이들 간의 원활한 통신 서비스를 제공
  • 백본망(backbone network) 과 유기적인 접속을 제공하는 기능 수행
  • DQDB(Distributed Queue Dual Bus)
    • DQDB는 두 개의 버스를 연결하는 구조와 링 형태(혹은 루프 형태)의 토폴로지를 지원
  • 기존의 MAN은 일반적으로 버스형 구조가 아닌 링형 구조를 갖고 있으며 ADM(Add/Drop Multiplexer) 이라는 장비를 이용하여 네트워크 구성 요소들을 링으로 연결

• MAN의 프로토콜

  • DQDB는 보통 반경 25km 이내에 있는 LAN의 상호 연결을 제공하는 기능을 수행

  • DQDB는 회선 교환 및 패킷 교환 서비스 모두를 제공

  • 

    • 버스 A의 관전에서 보면 노드 A는 노드 B에게 하향 스트림(down stream), 버스 B의 관전에서 보면 상향 스트림(up stream) 이 됨

  • 

    • DQDB 이중 버스 방식은 버스의 마지막 부분으로 갈수록 가용 대역폭이 줄어드는 기아(starvation) 현상이 발생
    • 해당 문제 해결책으로 분산 큐 방식이 고안됨
    • 분산 큐 방식에서 각 노드는 자신이 연결된 각 버스 당 하나씩의 큐를 만들고, 해당 버스로 지나가는 슬롯을 살펴 다른 노드로부터 슬롯 예약 정보가 오면 해당 정보를 큐에 하나씩 삽입하고, 자신이 전송하고자 할 때 슬롯 예약 요청 정보를 삽입하고 지나가는 슬롯에 예약 정보를 싣음

  • DQDB 프레임(5 bytes)

    B	ST	R	PSR(2)	RQ(3)	주소(20)	타입(2)	우선순위(2)	CRC(8)

    • B(Busy) : 현재 셀에 유효한 데이터가 있음을 뜻함
    • ST(Slot Type) : 전송 슬롯의 두 가지 유형(Data, Real-time Data)을 나타냄
    • R(Reserved) : 슬롯을 예약하기 위해 사용하는 비트
    • PSR(Previous Slot Read) : 슬롯을 읽은 노드에 의해 0으로 됨
    • RQ(ReQuest) : 3개의 비트를 이용하여 전송 우선권을 구분하는 것으로 각 노드에서 예약을 할 때 설정
    • 주소(Address) : MAN과 WAN에 사용되는 가상 채널 식별자(VCI)
    • 유형(Type) : 일반 데이터, 제어용 데이터 등의 MAC 프레임 데이터에 대한 유형을 구분
    • 우선순위(Priority) : 전송 우선순위를 명시
    • CRC(Cyclic Redundancy Check) : 오류 검출용 필드

6.4 부가가치 통신망(VAN)

• VAN의 개요
  • 회선을 직접 보유하거나 통신 사업자의 회선을 임차 또는 이용하여 단순한 전송 기능 이상의 정보의 축적이나 가공, 변환 처리 등의 부가가치를 부여한 음성 또는 데이터 정보를 제공해 주는 매우 광범위하고 복합적인 서비스 집합
  • 출현 배경
    • 사무 자동화의 고도화
    • 전자 기술의 발전
    • 정보 처리 산업의 발전
    • 컴퓨터 이용 기술의 발전
    • 정보 전달 수단의 발전과 다양화
• VAN의 분류
  • 이용되는 기술, 국가별 제도와 법률, 사업자의 범위, 발전의 정도 등에 따라서 다양한 분류 체계로 나누어 짐
• VAN의 특성
  • 컴퓨터 사업적 특성과 통신 사업적 특성이 유기적으로 결합된 사업
• VAN의 제공 기능
  • 전송 기능
  • 교환 기능
  • 통신 처리 기능
  • 정보 처리 기능

6.5 종합 정보 통신망(ISDN)

• ISDN의 개요
  • ISDN; Integrated Services Digital Network
    • 제약 사항을 극복하고 다양한 서비스를 하나의 통합된 디지털 망에서 제공하고자 하는 목적으로 시작된 것
  • ISDN의 목적
    • 표준화(standardization)
    • 투명도(transparency)
    • 경쟁 기능의 분리(separation of competitive function)
    • 전용과 교환 서비스(leased and switched service)
    • 비용에 의한 요금표(cost-related tariff)
    • 순조로운 이전(smooth migration)
    • 다중화된 지원(multiplexed support)
• ISDN 분류
  • 협대역(Narrowband) N-ISDN
    • 회선교환 : 음성통화
    • 패킷교환 : 데이터 통신
    • 둘 다 서비스 지원
  • 광대역(Broadband) B-ISDN
    • 가입자 회선 : 동축 케이블 => 광 케이블
    • 교환기 : 회선, 패킷 교환기 => ATM 교환기
    • ISDN 서비스(전화, 팩시밀리, 데이터 단말) + 광대역 서비스(영상통화, 영상회의, 고속 데이터 전송)를 통합하기 위한 디지털 통신망
• ISDN의 구조
  • ISDN에서는 전송 속도에 따라 전송 채널을 몇 개의 하위 서브 채널로 나눔
  • 채널의 종류
    • 베어러 채널 : 사용자 정보를 전송하기 위한 채널
    • 데이터 채널 : 사용자의 ISDN 간에 신호 정보를 전달하기 위해 사용되는 채널
    • 하이브리드 채널 : 베어러 채널보다는 더 많은 대역폭을 요구하는 고속 사용자 정보를 전송하기 위한 채널
  • 사용자 인터페이스
    • 기본 속도 인터페이스(BRI; Basic Rate Interface)
    • 1차군 속도 인터페이스(PRI; Primary Rate Interface)
  • 기능 그룹
    • 경계점을 명확히 규정하기 위해 사용
    • 가입자 구내망(CPN; Customer Premises Network) 과 공중 통신망(Public Network) 으로 구분