데이터 전송의 기초

컴퓨터 네트워크 효과

• 자원 공유
  • 컴퓨터 하드웨어, 소프트웨어 등 모든 종류의 물리적, 논리적 자원을 공유
  • 자원 활용의 극대화
• 병렬 처리에 의한 성능 향상
  • 병렬처리 (tightly coupled)
    • 하나의 공유 시스템 버스에 다수의 메인 프로세서를 장착
    • I/O 장치의 처리 속도를 향상시키기 위해 I/O 전용 프로세서를 설치
  • 분산처리 (loosely coupled)
    • 네트워크 기능 활용
• 중복 저장으로 신뢰성 향상 - redundancy
  • 중복 저장되므로 데이터 복구가 용이함
  • 신뢰성의 향상 정도만큼 시스템 성능은 저하됨

전송과 교환

• 교환: 라우터에서 데이터를 어느 방향으로 전달할지를 선택하는 기능

• 전송: 일대일로 직접 연결된 두 시스템간의 신뢰성 있는 데이터 전송을 보장

• 전송 방식의 종류

  • 지리적 분포에 따른 분류 방식
    • LAN
    • MAN
    • WAN
  • 데이터 전송 교환 기술의 분류 방식
    • 점대점
    • 브로드캐스팅 방식

• 점대점 방식

  • 호스트가 중개 호스트와 일대일로 연결
  • 원거리에 있는 시스템 사이의 통신 방식, WAN 환경에서 주로 사용

• 브로드캐스팅 방식

  • 네트워크에 연결된 모든 호스트에 데이터가 전송
  • 별도의 교환 기능이 불필요
  • LAN처럼 지리적으로 가까운 호스트 사이의 통신에서 주로 사용

점대점 방식

• 교환 호스트가 송수신 호스트의 중간에 위치, (스타형, 링형, 완전형, 불규칙형)
• 연결 개수가 많아지면 성능은 유리하나, 비용이 많이 소요, 연결 개수가 적어지면 전송 매체를 많이 공유해 네트워크 혼잡도 증가

스타형

• 하나의 중개 호스트 주위로 여러 호스트를 일대일로 연결하는 형태
• 중앙 호스트의 신뢰성과 성능이 네트워크에 영향 줌
• 트리형: 중앙에 있는 스타 구조 주변에 위치한 호스트들을 중심으로 새로운 스타 구조가 확장되는 형태
• 장단점: 중개 과정이 간단하나 중앙 호스트에 문제 발생 시 전체 네트워크 동작에 영향을 줌

링형

• 호스트의 연결이 순환 고리 구조
• 모든 호스트가 데이터 전송과 교환 기능을 동시에 수행
• 토큰
  • 호스트 사이의 데이터 송신 시점을 제어하는 기능
  • 데이터의 전송 권한을 의미하는 토큰을 확보
  • 데이터 전송이 완료되면 토큰을 다시 링 네트워크에 돌려줌
• 단점
  • 한 호스트가 고장나면 전체 네트워크가 동작하지 않을 수 있음

완전형

• 모든 호스트가 다른 모든 호스트와 일대일로 직접 연결하는 방식
• 단점: 전송 매체가 증가하면 비용 측면이 비효율적임

불규칙형

• 연결 구조를 특정 패턴으로 분류할 수 없는 방식(일반 네트워크)

브로드캐스팅 방식

• 특정 호스트가 전송한 데이터가 네트워크에 연결된 모든 호스트에 전달
• LAN 환경에서 사용(교환 호스트 불필요)
• 종류: 버스형, 링형

버스형

• 전송 데이터를 모든 호스트에서 수신할 수 있음

• 충돌: 둘 이상의 호스트에서 데이터를 동시에 전송할 때 충돌 발생

• 충돌 해결 방법

  1. 호스트의 전송 권한을 제한함
  • 사전에 전송 권한을 확보하는 방법: 시간대를 다르게 지정하는 방법, 토큰으로 전송 권한을 순환적으로 이용하는 방법
  2. 충돌 허용
  • 둘 이상의 호스트가 데이터를 동시에 전송할 수 있도록 허용, 충돌 발생 시에 해결 과정 필요
  • ex) 이더넷

링형

• 호스트를 순환 구조로 연결
• 송신 호스트가 전소안 데이터는 링을 한 바퀴 순환한 후 송신 호스트에 되돌아옴
• 중간의 호스트 중에서 수신 호스트로 지정된 호스트만 데이터를 내부에 저장
• 데이터를 전송하기 위해서는 토큰 확보가 필수

멀티포인트 통신

• 유니캐스팅 방식
  • 두 호스트 사이의 데이터 전송 (텔넷, FTP, 웹 검색)
• 멀티포인트
  • 일대다, 다대다 형식 (화상 회의, 원격 교육, 인터넷 채팅)
• 하나의 송신 호스트를 기준으로
  • 수신 호스트 하나와 연결: 유니포인트
  • 다수의 수신 호스트와 연결: 멀티 포인트
• 송신 호스트가 한번의 전송으로
  • 수신 호스트 하나에만 데이터 전송: 유니캐스팅
  • 다수의 수신 호스트 전송: 멀티캐스팅
• 멀티포인트 유니캐스팅
  • 일대다 통신을 위해 멀티포인트 유니캐스팅 방식을 사용
  • 송신 호스트가 다수의 복사본을 개별 수신 호스트에게 전송
  • 단점: 수신 호스트 수가 많아지면 성능에서 문제 발생
  • 장점: 송수신 호스트 사이의 흐름 제어와 수신 호스트의 응답 기능 및 재전송
• 브로드캐스팅
  • 네트워크에 연결된 모든 호스트에 전송되는 방식
  • 단점: 호스트 수가 많을수록 네트워크 트래픽이 급격히 증가 (서브넷 내에서 이용이 좋음)
  • 특정한 브로드캐스팅 주소로 전송
  • 네트워크 장비에서는 전달된 패킷을 복사하여 네트워크 전체로 전송

• 멀티캐스팅

  • 일대다 전송 기능을 구현: 통신 환경을 연결 설정 요구 한번으로 지원 가능

  • 송신 호스트의 전송 요구 한 번으로 모든 수신 호스트에 데이터를 전달

  • ex) 비디오, 오디오 서비스, 화상 회의 서비스, 인터넷 뉴스, 인터넷 주식

  • 그룹 생성 및 관리 기능 필요

    • 호스트가 특정 그룹에 가입하고 탈퇴하는 기능
    • 라우터가 그룹 주소를 인식해서 다수의 수신 호스트로 중개하는 기능

오류 제어

전송 오류의 유형

• 신뢰성 있는 서비스를 제공하기 위하여 필요한 기능

  • 수신 호스트의 응답 프레임

    • 송신 호스트에게 응답 프레임을 전송해 원래의 데이터 프레임을 재전송하도록 요구
    • 긍정 응답 프레임
    • 부정 응답 프레임: 송신 호스트의 재전송 기능 작동

  • 송신 호스트의 타이머 기능

    • 타임아웃: 데이터 프레임을 전송한 후에 일정 시간 이내에 수신 호스트로부터 긍정 응답 프레임 회신이 없으면 데이터 프레임을 재전송함

  • 순서 번호 기능

    • 데이터 프레임 내에 프레임 구분을 위한 일련 번호 부여
    • 수신 호스트가 중복 프레임을 구분할 수 있도록 지원

정상적인 전송

• 송신 호스트가 전송한 데이터 프레임이 수신 호스트에 오류없이 도착
• 수신 호스트는 송신 호스트에게 긍정 응답 프레임을 회신

프레임 변형

• 프레임 변형 오류를 인지한 수신 호스트는 송신 호스트에 부정 응답 프레임을 전송, 원래의 데이터 프레임을 재전송함
• 부정 응답 프레임을 사용하지 않는 프로토콜에서는 송신 호스트의 타임아웃 기능에 따라 복구 과정을 시작

프레임 분실

• 송신 호스트는 데이터 프레임을 전송한 후에 특정 시간까지 수신 호스트의 긍정 응답 프레임이 도착하지 않으면 타임아웃 기능에 따라 원래의 프레임을 스스로 재전송

순서 번호

• 중복 수신 문제를 해결하기 위해 데이터 프레임에게 부여되는 고유 번호
• 순서 번호의 필요성
  • 긍정 응답 프레임이 사라지는 오류 발생시 송신 호스트의 타임아웃 기능에 따라 재전송 과정이 진행됨 -> 동일한 프레임 중복 수신
  • 수신 호스트가 두 경우((a) 긍정 응답 분실, (b) 긍정 응답 도착)를 구분할 수 있도록 데이터 프레임별로 고유의 순서 번호를 부여하는 방식이 필요함
• 순서 번호에 의한 프레임 구분
  • 순서 번호에 근거하여 동일한 데이터 프레임이 중복 도착여부를 확인 가능
  • 수신 호스트는 다른 데이터 프레임이 도착함을 알 수 있다.

흐름 제어

• 수신 호스트가 감당할 수 있을 정도의 전송 속도를 유지하면서 데이터 프레임을 전송

• 너무 빨리 전송하는 경우

  • 수신 호스트가 내부 버퍼에 보관하지 못할 수 있음
  • 이는 프레임 분실과 동일한 효과를 야기함

• 기본 원리

  • 수신 호스트가 송신 호스트의 전송 시점을 제어
  • 대표적인 예: 슬라이딩 윈도우 프로토콜

프레임

• 데이터 링크 계층: 전송 데이터를 프레임 단위로 나누어 처러
• 전송 프레임: 체크섬, 송수신 호스트 주소, 제어 코드 등 정보 포함
• 내부 정보를 표현하는 방식에 따라 문자 프레임과 비트 프레임으로 구분

문자 프레임

• 내용이 문자로 구성

• 8비트 단위(또는 ASCII 문자 코드)의 고정 크기로 동작

• 프레임의 구조

  • 프레임의 시작과 끝에 특수 문자 사용
    • 시작: DLE/STX
    • 끝: DLE/ETX
  • 전송 데이터에 특수 문자가 포함되면 혼선이 발생

• 문자 스터핑

  • 문자 프레임의 전송 과정에서 제어문자를 추가하는 기능
  • 전송: 전송 데이터가 DLE 문자를 포함하면 뒤에 DLE 문자 하나를 강제 추가
  • 수신: 데이터에 DLE 문자가 두 번 연속 있으면 하나의 DLE 문자 삭제

비트 프레임

• 프레임의 시작과 끝 위치에 플래그라는 특수하게 정의된 비트 패턴(01111110)을 사용해 프레임 단위를 구분

• 프레임의 구조

  • 데이터 전송 전에 프레임의 좌우에 플래그를 추가, 수신 호스트는 이 플래그를 제거해 전송 데이터와 필요한 제어 정보를 상위 계층 전달

• 비트 스터핑

  • 전송 데이터에 플래그 패턴이 포함되면 혼선이 발생
  • 송신 호스트: 전송 데이터가 1이 연속해서 5번 발생하면 강제로 0을 추가
  • 수신 호스트: 송신 과정에 추가된 0을 제거하여 원래의 데이터를 상위 계층 전달

다항 코드

• 오류를 극복하는 방법
  • 오류 검출
    • 전송 프레임에 오류 검출 코드를 넣어 수신 호스트가 전송 과정의 오류를 검출
    • 패리티, 다항 코드
  • 순방향 오류 복구(FEC, Forward Error Correction)
    • 오류 복구 코드를 사용해 수신 호스트가 오류 복구 기능을 수행하는 방식
    • hamming code

오류 검출

• 역방향 오류 복구(BEC, Backward Error Correction, ARQ, Automatic Repeat reQuest 방식)
  : 재전송 방식을 이용해 오류 복구(네트워크에서 일반적으로 사용)

• 패리티 비트

  • 1 바이트(8비트) = 7 비트 ASCII 코드 + 1 패리티 비트
  • 짝수 패리티: 데이터 끝에 패리티 비트를 추가해 전체 1의 개수를 짝수로 만듦
  • 홀수 패리티: 1의 개수를 홀수로 만드는 것
  • 송신 호스트와 수신 호스트는 동일한 패리티 방식을 사용해야 함

• 블록 검사

  • 짝수개의 비트가 깨지는 오류를 검출
  • 수평, 수직 방향 모두에 패리티 비트를 지정

다항 코드(CRC)

• 생성 다항식

  • 계수가 0과 1인 다항식 형태를 기반
  • 다항 코드 10_0101 = 1x^5 + 0x^4 + 0x^3 + 1x^2 + 0x^1 +1x^0 = 생성 다항식 x^5+x^2+1

• 생성 다항식: 연산 나머지가 체크섬

  • 전송 데이터: m비트의 M(x)
  • n+1비트의 생성 다항식 G(x)를 사용해 오류 검출 코드를 생성, 오류 제어
  • 전송 데이터 M(x)를 생성 다항식 G(x)로 나누어 체크섬 정보를 얻음
  • 체크섬 계산인 나누기 과정에서 발생하는 다항 연산은 모듈로-2 방식
  • 덧셈과 뺄셈은 배타적 논리합 (XOR) 연산과 동일한 결과를 얻음
  • 수신 호스트는 전송 오류가 발생했는지를 판단하기 위해 수신한 m+n비트의 데이터를 생성 다항식 G(x)로 나누는 연산을 수행
    • 나머지가 0: 전송 오류가 없음
    • 나머지가 0이 아님: 오류가 발생했다고 판단
  • 최고 차수 만큼 전송데이터 뒤에 0 추가

• 국제 표준으로 이용되는 생성 다항식

  • CRC-12: x^12+x^11+x^3+x^2+x^1+1
  • CRC-16: x^16+x^15+x^2
  • CRC-CCITT: x^16+x^12+x^5+1