[네트워크] 5. MAC 계층

(쉽게 배우는 데이터 통신과 컴퓨터 네트워크 5장)

5. MAC 계층

01 IEEE 802 시리즈

1. MAC과 LLC 계층

LAN 환경 - 데이터 링크 계층의 기능을 LLC 계층과 MAC 계층으로 나누어 처리

LLC: 데이터 링크 계층의 기본 기능

MAC: 물리적인 전송 선로의 특징과 매체 간의 연결 방식에 따른 제어 부분

MAC 계층

MAC(Medium Access Control) 계층: 전송 선로의 물리적 특성 반영

LAN의 종류에 따라 특성 구분: 전송 방식, 호스트 연결 구조, 유무선 환경

종류: CSMA/CD 방식, 토큰 링 방식

이더넷 : CSMA/CD 방식 지원 (공유 버스를 이용해 호스트 연결)

LLC 계층

Logical Link Control 계층: WAN 환경의 데이터 링크 계층과 기능 유사

WAN 환경의 데이터 링크 계층과 기능이 유사

송수신 호스트 사이의 프레임 전송 과정에서 물리적인 오류가 발생하면 이를 복구

2. LAN 표준안

국제 표준화 단체 IEEE: 데이터 링크 계층과 관련된 LAN 표준안 연구 결과를 IEEE 802 시리즈로 발표

IEEE 802.1: 관련 표준안 전체 소개, 인터페이스 프리미티브에 대한 정의

IEEE 802.2: LLC 프로토콜의 정의

IEEE 802.3~: 물리 계층과 MAC 계층에 대한 내용

IEEE 802.3: CSMA/CD 방식 (이더넷)

IEEE 802.4: 토큰 버스 방식

IEEE 802.5: 토큰 링 방식

CSMA/CD

다중 접근 채널 방식을 이용하여 공유 매체에 프레임을 전송하는 방식은 데이터 충돌 가능성이 항상 존재

CSMA/CD: 충돌을 허용하는 방식, 충돌이 발생한 후에 문제 해결

Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection

충돌로 깨진 프레임을 복구해야 하므로 프레임을 송신한 호스트에서 충돌을 감지하는 기능이 반드시 필요

충돌 자주 발생 > 재전송 많이 이루어짐 > 네트워크의 전체 성능이 떨어짐

공유 매체의 길이가 길수록 프레임의 전송 지연 증가 > 충돌 발생 가능성 높아짐

(a)에서 호스트 5가 프레임을 전송: 전송하기 전에 다른 호스트가 공유 버스를 사용하고 있는지 확인

버스가 사용x > 전송 프레임을 공유 버스에 보냄 > (b)처럼 브로드캐스팅 방식으로 프레임 전송

이 과정에서 다른 호스트가 동시에 프레임 전송을 시도하면 충돌 발생 → 이 부분 처리 필요

전송 과정 중 충돌이 발생 → 공유 버스의 물리적인 기능으로 이를 인지, 각 호스트에 충돌을 통지하는 기능 필요

토큰 버스

물리적으로 보면 공유 버스 구조로 연결되지만, 논리적인 프레임 전달은 링 구조

데이터 프레임 전송이 호스트 사이에 순차적으로 이루어지도록 토큰이라는 제어 프레임 사용

데이터 프레임을 전송하기 위해 토큰을 확보해야 함

토큰을 획득 > 데이터 전송 > 데이터 전송 완료, 이웃 호스트에 토큰을 넘겨줌

*호스트의 이웃 순서: 각 호스트의 고유 번호와 관련

충돌 발생은 원천적으로 차단

공유 버스는 토큰 프레임과 데이터 프레임을 물리적으로 전송하는 수단만 제공

토큰 링

대기 모드: 입력단으로 들어온 비트를 출력단으로 즉시 보냄 - 네트워크의 동작에 영향x

전송 모드: 호스트가 토큰을 획득해 데이터 프레임을 전송할 수 있는 권한을 보유한 상태

네트워크가 송신 호스트의 중개를 거쳐서 연결

송신 호스트는 데이터 프레임을 출력단을 통해 링으로 내보낼 수 있음 → 링을 한 바퀴 순환 (브로드캐스팅)

송신 호스트가 전송한 프레임이 링을 한 바퀴 돈 후 송신 호스트에 되돌아오도록 설계

데이터 프레임의 수신 호스트: 해당 프레임을 수신, 프레임 내부의 특정 위치에 올바로 수신했다고 표시

송신 호스트는 프레임이 올바로 전송되었음을 확인, 데이터 프레임 호수, 토큰 프레임을 링에 반환

02 CSMA/CD

IEEE 802.3: 1-persistent CSMA/CD 방식의 LAN 환경에 관해 규정한 표준안

1. 신호 감지 기능

프레임 충돌 방지를 위해 다른 호스트가 공유 버스를 사용하고 있는지 확인

신호 감지 프로토콜(Carrier Sense): 전송 매체의 신호를 감지해 프레임의 전송 여부를 결정

선로의 전달 지연이 성능에 영향을 많이 줌

1-persistent CSMA

가장 간단한 형태

일반 신호 감지 프로토콜처럼 프레임을 전송하기 전에 전송 채널이 사용 중인지 확인

과정: 다른 호스트에서 채널을 사용 중이라고 판단 → 유휴 상태가 될 때까지 대기 → 임의의 순간에 채널이 유휴 상태로 변경되면 확률 1의 조건으로 프레임을 무조건 전송

둘 이상의 호스트에서 동시에 전송 채널을 유휴 상태로 판단하면 프레임 전송 과정에서 충돌 발생 가능 → 임의의 시간 동안 대기한 후 전송 채널 감지 과정을 반복

Non-persistent CSMA

전송 채널의 신호를 감지해 채널이 사용 중이라고 판단하면 더는 채널의 유휴 상태를 확인하지 않음

임의의 시간 동안 기다린 후 다시 채널 감지 시작 → 1-persistent 보다 충돌이 발생할 확률을 줄일 수 있음

p-persistent CSMA

슬롯 채널 방식에서 많이 사용

채널이 유휴 상태이면 p의 확률로 프레임을 전송, 채널이 사용 중이면 다음 슬롯을 기다린 후 과정 반복

충돌 감지

여러 호스트가 동시에 채널을 사용할 수 있다고 판단하면(동시에 채널의 유휴 상태를 판단) 충돌 가능

충돌 감지 기능: 전송 과정에서 충돌 여부를 확인 → 충돌을 감지하면 프레임의 전송 중지

트랜시버(Transceiver): 호스트를 전송 케이블에 연결하기 위한 송수신 장치, 전송 선로의 신호 감지+충돌 현상 감지: 충돌이 발생했음을 알려줌으로써 무의미한 프레임 전송 억제

IEEE 802.3: 전송 케이블의 최대 길이를 일정 범위 이내로 제한

케이블에 연결되는 호스트 간 간격을 일정 간격 이상으로 규정 → 리피터: 거리 제한 문제 해결, 많은 수의 호스트 수용

2. 프레임 구조

상위 계층인 LLC에서 내려온 프레임을 상대 호스트에 전송하기 위해 MAC 계층에서 정의된 프레임 구조에 맞게 포장해야 함

MAC 프레임: MAC 계층 프로토콜에서 정의된 MAC 헤더와 트레일러 정보를 추가한 것

• Preamble: 7바이트, 수신 호스트가 송신 호스트의 클록과 동기를 맞출 수 있도록 시간 여유를 제공하는 것, 각 바이트는 10101010비트 패턴을 포함
• Start Delimiter(시작 구분자): 프레임이 시작된다는 의미, Preamble과 구분하기 위해 10101011 값을 가짐
• Source Address/Destination Address(송신 호스트 주소/수신 호스트 주소): MAC 주소는 LAN 카드에 내장, 전송되는 프레임의 송신/수신 호스트 주소 의미
  • 수신 호스트 주소: 최상위 비트가 1이면 그룹 주소, 0이면 일반 주소
  • 그룹 주소: 멀티캐스팅, 브로드캐스팅
• Length/Type: 필드 값이 1500 이하면 Data 필드의 데이터 크기(Length)로 파악, 그렇지 않으면 Type
• Length: Data 필드에 포함된 가변 길이의 전송 데이터 크기, 최댓값=1500, IP 패킷의 크기가 length 값을 초과하면 분할→여러 MAC 프레임으로 나누어져 젼송
  • Data+Padding 데이터 최소 크기: 46 바이트
• Type: 이더넷 프레임에 캡슐화된 상위 프로토콜의 패키 종류 구분
• Checksum: 데이터 전송 과정에서 데이터 변형 오류의 발생 여부를 수신 호스트가 확인할 수 있도록 송신 호스트가 값을 기록

3. LLC 프레임 캡슐화

네트워크 계층에서 전송을 요구한 패킷이 LLC 계층으로 내려오면서 LLC 헤더를 추가하여 LLC 프레임이 됨

LLC 프레임이 MAC 계층으로 내려오면서 MAC 헤더와 트레일러 정보를 추가

LLC 헤더와 LLC 데이터는 MAC 프레임의 Data 필드에 기록

4. 허브와 스위치

트랜시버를 이용해 연결하는 방식은 사용x

허브: 박스 형태의 장비, 잭을 사용해 호스트 연결

허브

박스 형태의 장비에 호스트를 연결하는 다수의 포트 지원, 외형상 허브에 스타형 구조로 연결, 내부는 버스형 구조 지원

여러 호스트가 동시에 프레임 전송시 충돌 발생 O

전체 전송 용량이 각 호스트를 연결하는 전송 선로 용량의 제한을 받음

스위치

허브에 스위치 기능 O: 해당 프레임의 수신 호스트로 지정한 호스트에만 전송 → 브로드캐스팅x

전체 전송 용량 증가

• 스위치 허브가 충분한 전송 용량을 지원하면 각 호스트는 할당된 LAN 전송 용량을 모두 사용할 수 있음
• 일반 허브를 스위치 허브로 교체하는 과정에서 연결된 호스트는 하드웨어나 소프트웨어를 교체할 필요 X

03 토큰 버스

IEEE 802.3의 문제점

• 네트워크 트래픽이 심할 때 특정 호스트가 오랫동안 프레임을 전송하지 못할 염려
• 프레임의 우선순위 규정X

1. 프레임 구조

LLC 프레임을 물리 계층을 통해 수신 호스트에 전달하기 위해 토큰 버스 프레임을 만들어야 함

LLC 프레임은 토큰 버스 프레임의 전송 데이터로 취급

CSMA/CD 프레임 구조와 거의 비슷, 중요 차이점: Frame Control 필드

• Start Delimiter / End Delimiter: 시작, 끝 구분자, Length 필드X, Start/End 구분자를 통해 프레임 크기 결정
• Frame Control(프레임 제어): 데이터 프레임과 제어 프레임 구분
  • 데이터 프레임: 프레임 우선순위와 수신 호스트의 응답 확인이 필요할 때
  • 제어 프레임: 토큰 전달, 링 관리
  • 첫 번째 2비트 값에 따라 프레임의 역할이 구분

    | T | T |  |
    | --- | --- | --- |
    | 0 | 0 | 제어용 MAC 프레임, 토큰 프레임=00001000 |
    | 0 | 1 | LLC 프레임 |
    | 1 | 0 | 네트워크 관리용 데이터 프레임 |
    | 1 | 1 | 예약 |

2. LLC 프레임 캡슐화

04 토큰 링

IEEE 802.5 토큰 링: 점대점 연결 호스트가 순환 구조 형태로 LAN 구성

1. 프레임 구조

토큰 링 프레임: 데이터 프레임 + 토큰 프레임

SD	AC	FC	Dest Address	Source Address	Data	CheckSum	ED	FS

모니터 호스트: 네트워크의 정상 동작을 방해하는 예기치 못한 오류 복구

2. LLC 프레임 캡슐화

토큰 버스 프로토콜과 유사함

3. 프레임 필드의 의미

Start Delimiter/End Delimiter

프레임의 시작과 끝 구분

End Delimiter: I와 E라는 두 비트가 정의

• I 비트: 데이터 프레임을 여러 개로 나누어 전송하는 경우에 사용, 처음과 중간 프레임은 1, 마지막 프레임은 0으로 지정
• E 비트: 오류 검출용

Access Control

여러가지 제어 기능

• P 우선순위:토큰의 우선순위보다 높은 프레임을 전송, 000이 가장 낮고 111이 가장 높음
• T 토큰: 토큰 프레임과 일반 프레임 구분, 토큰=0
• M 모니터: 네트워크 오류 방지(무한정 순회), 데이터 프레임이 자신을 지나갈 때 M 비트를 1로 지정
• R 예약

Frame Control

LLC 계층에서 목적지 호스트로 전송해줄 것을 요청한 LLC 프레임과 토큰 링 프로토콜에서 사용하는 제어용 프레임 구분

T	T
0	0	제어용 MAC 프레임
0	1	LLC 프레임
1	x	예약
- 00: 제어 기능을 수행하기 위한 프레임
- 상위 계층인 LLC 계층에서 전송을 요구한 LLC 프레임

Frame Status

토큰 링 프레임의 맨 마지막에 위치

데이터 프레임의 수신 호스트가 송신 호스트에 응답하도록

A, C 필드로 정의, 두 필드의 값이 쌍으로 존재 → 한 쌍의 값이 동일한 경우에만 유효한 응답, 다르면 0으로 처리

• A 비트: 목적지로 지정한 수신 호스트에서 데이터 프레임이 자신에게 전달되면 해당 프레임에 접근 했다는 표시로 A 비트=1 → 수신 호스트가 링 네트워크에서 제대로 동작하는지 확인
• C 비트: 입력된 데이터 프레임의 수신 호스트가 자신의 주소와 동일한 프레임이 지나가면 프레임을 버퍼 내부에 보관, C 비트=1 → 송신 호스트는 A비트와 C비트를 비교해 수시 ㄴ호스트가 제대로 수신했는지 확인