[네트워크] 링크 계층 (Link Layer)

0. 링크 계층

링크 계층은 어떤 노드(호스트/라우터)로 부터 인접한 노드까지 연결한 엣지(링크)로, 안전하게 패킷/데이터그램을 옮기는 책임을 가진다. 링크 계층은 네트워크 계층에서 받은 데이터그램을 프레임 단위로 쪼개어 전송한다. 이 프레임들은 전송 과정 중에서 모든 링크가 같은 프로토콜을 사용하는 것이 아니므로, 중간 중간에 다른 서비스를 제공하는 다른 프로토콜을 거치기도 한다. 물리 계층, 즉, 케이블을 타고 0과 1의 신호로 변환되기 직전이므로 윗 계층들이 논리적으로 구현되어 있다고 하면, 링크 계층은 논리적 구현은 물론 실제 기기(NIC, 칩셋 등)가 존재해야 한다. 주된 목표는 역시 속도와 정확성이다.

 

 

링크 계층(data-link layer)
  - 프린스턴에서 로잔까지 간다면, 
  - 1. 리무진을 타고 프린스턴에서 JFK 공항까지
  - 2. 비행기를 타고 JFK 공항에서 제네바공항까지
  - 3. 기차를 타고 제네바 공항에서 로잔까지
  - 이때 여행객=데이터그램, 운송 부분=통신 링크, 운송수단=링크계층 프로토콜, 여행 플래너 = 라우팅 알고리즘

 

링크 계층 서비스
  - 프레이밍(framing) : 데이터그램을 헤더와 트레일러를 붙여 프레임(frame) 단위로 포장해줌
  - 공유 매체라면 채널 접근
  - 프레임의 헤더에는 시작과 도착점을 식별하기 위해 MAC 주소가 존재(IP와 다름)
  - 인접한 노드 간에 신뢰 가능한 전송
  - 흐름 제어(flow control) : 인접한 노드 간의 송신과 수신의 속도를 제어
  - 에러 탐지(error detection) : 에러(신호 감쇠, 노이즈로 인해 발생)를 수신자가 탐지해서 재송신 받거나 버림
  - 에러 수정(error correction) : 수신자가 에러 탐지 후 비트 오류를 스스로 수정
  - 반양방 통신(한 쪽이 송신하고 있을 때 다른 한 쪽은 수신할 수 밖에 없음) / 전이중 통신(쌍방향)

 

링크 계층의 실제 위치
  - 모든 호스트 안에 존재
  - 어댑터(NIC 네트워크 인터페이스 카드)나 칩셋 = (컨트롤러 + 물리계층)
  - 호스트의 시스템 버스에 붙어 있음
  - 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어 등 다양하게 사용됨
  - 송신측은 데이터그램을 프레임으로 캡슐화 하고, 오류 확인용 비트, rdt, 흐름 제어 요소 등을 추가한다.
  - 수신측은 에러여부, rdt, 흐름 제어 요소를 확인하고 데이터그램을 확인해 상위 계층으로 넘긴다.

 

 

 

1. 오류 확인 및 수정

오류 확인
  - 패리티 검사 : single bit(다 더해서 홀짝인가), two-dimensional bit(가로세로로 다 더해서 홀짝)
  - 인터넷 체크섬 : 송신자는 데이터를 16bit 정수로 읽고 1의 보수합을 해 데이터그램 한 켠에 넣음, 수신측에서 검사
  - 주기적 덧붙임 검사(CRC) :

순환 중복 검사 (CRC, Cyclic Redundancy Check) > 도리의 디지털라이프

 

 

 

2. 다중 접근 프로토콜

링크는 어떤 지점에서 다른 지점으로 보내는 방식(Point-to-Point)과, 연결된 모두에게 알려주는 방식(Broadcast). 이렇게 두가지 종류가 있다. 이 때 후자의 브로드캐스트 상황에서 호스트들은 어쩔 수 없이 선이나 매체를 공유하게 된다. 하나의 채널에 여럿이 동시에 달려든다면 충돌이 발생할 수 있기 때문에 이를 적절히 분배하는 다중접근 프로토콜이 필요하다.

 

 

다중 접근 프로토콜(multiple access protocol)
  - 채널 파티셔닝 : R 속도의 브로드캐스트 채널에 M 명이 연결되어있다면 각자가 R/M씩 보내면 충돌이고 뭐고 없음
  - 랜덤 접근 : 채널이 나눠져있지 않고, 충돌을 허용. 그냥 충돌나면 그것을 회복시키는데 집중
  - 순번 접근 : 돌아가면서 보내는 것(보내던거 마저 보내도록 배려) 

 

채널 파티셔닝(channel partitioning MAC protocols)
  - TDMA(Time Division Multiple Access) : 시분할 방식. 라운드를 거치며 각자의 라운드에 패킷을 전송
  - FDMA(Frequency Division Multiple Access) : 한 채널을 주파수 영역으로 나눠 각자의 주파수로 데이터를 전송

 

랜덤 접근 프로토콜(random access MAC protocol)
  - 그냥 보내고 싶을 때 보냄(충돌 발생 가능)
  - 여기서는 그 충돌을 감지하고, 충돌로 부터 회복하는 것에 집중
  - slotted ALOHA, ALOHA, CSMA, CSMA/CD, CSMA/CA 등

 

slotted ALOHA
  - 모든 프레임 크기 동일, 전송가능한 시간대는 나눠짐(그 때에 누구든 마음대로 보냄), 충돌 발생 시 모두 알 수 있음
  - 1. 노드가 새로운 프레임을 획득했다면, 다음 슬롯을 통해 전송
  - 2. 만약 충돌이 없다면 바로 다음 슬롯에 또 전송
  - 3. 만약 충돌이 있다면 노드는 다시 프레임을 성공할 때 까지 재전송
  - 장점 : 연속적으로 최대 속도로 보낼 수 있다, 싱크만 맞추면 되고 단순하다
  - 단점 : 충돌, 남는 슬롯이 많다. 전송 하기 전에 충돌이 발생했음을 모를 수도 있다. 시각의 동기화 문제가 있다.
  - 보낼 프레임이 많을 때, 보장된 긴 빈 슬롯이 필요할 때 효율적, 전송에 온전히 사용되는 채널은 시간의 최대 37%!

 

unslotted ALOHA
  - 더 단순하고 동기화도 필요없다
  - 프레임이 도착하면 바로 전송해버림
  - 충돌이 일어날 확률이 더 높아짐
  - 따라서 더 비효율적이고, 전송에 온전히 사용되는 채널이 시간의 최대 18%밖에 안 나옴!

 

CSMA(carrier sense multiple access)
  - 보내기 전에 눈치를 보자
  - 만약 채널이 놀고 있다면, 프레임을 통째로 전송
  - 만약 채널이 바쁜 것 같다면 전송을 연기 (남들을 방해하지 마세요!)
  - 그래도 충돌은 발생(전파 속도가 늦어 남들이 보내는지 안 보내는지를 모를 수 있음, 발생 시 패킷 전송시간만큼 낭비

 

CSMA /CD(Collision Detection)
  - 캐리어를 감지하고 CSMA처럼 연기
  - 빠른 충돌의 감지기능을 추가, 충돌한 전송은 폐지해 채널 낭비를 줄임
  - 충돌의 감지는 전송하거나, 받는 신호들 보다 신호가 약하다면 LAN을 통해서는 쉽게 감지(무선에서는 어려움)
  1. NIC(네트워크 인터페이스 카드)가 데이터그램을 네트워크 계층으로부터 내려받고 프레임을 만든다.
  2. NIC는 채널이 놀고 있는 것을 감지하고 프레임 전송을 시작한다. 채널이 바쁘다면 놀 때까지 전송 대기한다.
  3. 만약 NIC가 전체 프레임을 다른 충돌 감지 없이 보냈다면, 일이 끝난것!
  4. 만약 NIC가 보내놓고 보내는 도중 다른 전송을 감지했다면, 폐지하고 혼잡 신호를 보냄
  5. 폐지한 후에 NIC 지수 백오프 처음에 랜덤으로 기다린 후에 점점 더 오래 기다리는 것!

전송을 위한 신호감지 알고리즘, CSMA/CD와 CSMA/CA 방식

 

순번 접근(taking turns MAC protocol)
  - 모두가 행복한 세상을 만들어보자
  - 폴링(polling) : 주인노드가 노예노드(저수준의 디바이스)에게 순서대로 보내라고 초대함 / 오버헤드, 느림
  - 토큰 패싱(token passing) : 토큰을 돌려가면서 토큰이 이는 사람들만 메세지 전송 / 오버헤드, 느림

오버헤드 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전

 

케이블 접근 네트워크
  - 케이블의 전체적인 네트워크 구조에서는 CMTS(Cable Modem Termination System)가 존재
  - 다운스트림은 자신에게 연결되있는 친구들에게 브로드캐스트 하면됌
  - 업스트림은 모든 사용자가 자신이 CMTS에 올리겠다고 타임슬롯을 경쟁한다.
  - 이 케이블 구조에서는 DOCSIS 표준(CMTS 및 가입자의 CM 간의 규격 정의)을 사용

출처 : 케이블방송전송기술동향 및 전망 - ITFIND

 

 

 

3. LANs  

누군가가 우리집으로 편지를 보내는 상황을 가정하자. 편지가 우리집까지 찾아오기 위한 주소체계는 IP라 할 수 있다. 다만 집에 도착하면 가족 구성원들 중 누구에게 온 편지인지를 구별할 수 있는 이름이 필요하다. 이 때 이름의 역할을 하는 것이 MAC 주소이다. 

자신의 IP 주소와 MAC 주소는 쉽게 얻을 수 있지만 수신자의 주소는 다르게 처리된다. 즉, 상대방의 IP 주소는 응용 프로그램 사용자로부터 입력되지만, 상대방 MAC 주소 정보는 어디서도 얻을 수 없다. 따라서 사용자로부터 입력된 IP 주소를 이용해 MAC 주소를 구하는 기능이 필요한데, 이것을 ARP(Address Resolution Protocol)가 담당한다.

일반적으로 호스트의 IP 주소는 하드 디스크의 특정 위치에 보관한다. 하드 디스크가 없는 시스템은 LAN 카드에 내장된 자신의 MAC 주소는 알지만, 자신의 IP 주소는 알 수 없다. 그러므로 MAC 주소를 IP 주소로 변환하는 RARP(Reverse Address Resolution Protocol)가 필요하다.

 

 

주소지정과 ARP
  - 48비트 MAC주소는 NIC의 ROM에 각인되어 있으며, 소프트웨어로 설정 가능할 때도 있음
  - LAN의 각 어댑터에는 각각의 고유한 LAN 주소가 있음
  - IEEE에서 발급한 MAC주소를 제조사들이 구매해서 각인
  - 말하자면 MAC주소는 주민등록번호, IP는 주소
  - ARP 테이블 : IP/MAC주소를 LAN에 맵핑할수 있는 표 ex. <IP , MAC, TTL>
  - 여기서 TTL은 이 맵핑 정보가 언제 잊혀질지(보통 20분)

 

같은 랜에서 ARP 프로토콜
  1. A가 B에게 데이터그램을 보내고 싶다(B의 MAC주소가 A의 ARP 테이블에 없음)
  2. A가 ARP 질문 패킷을 브로드 캐스팅함(B의 IP도 포함됨)
  3. B가 A가 보낸 패킷을 받고 자신의 MAC 주소를 보냄
  4. A는 IP-MAC 주소쌍을 ARP 테이블에 TTL동안 저장해놓음

 

다른 랜에서 ARP 프로토콜
  1. A가 IP 데이터그램을 만든다(송신 A, 수신 B)
  2. A는 프레임을 만들어 라우터의 MAC주소로 보냄
  3. 라우터는 데이터그램을 B를 향해 포워딩함
  4. 라우터가 프레임을 만들어, B에 보내는데 여기에는 송신 MAC주소는 라우터, IP는 A
  5. B에 도착하면 B가 다시 자신의 MAC주소를 실어 보냄

 

이더넷(Ethernet)

이더넷은 간단하고 저렴해서 대부분이 사용하는 LAN 기술이다. 하나의 칩으로 몇배의 속력을 내며 지금도 속력이 개선되고 있다. 90년대 중반까지만 해도 버스가 인기가 좋았으나 지금은 스위치를 중앙에 둔 ☆형태를 선호한다. 이더넷 프로토콜 형식은 프레임의 시작을 알리는 preamble로 시작하여, 목적지 MAC주소, 송신자  MAC주소를 데이터그램 앞에 붙인다. 사실 handshaking 이나 ACK, NACK가 없는 비신뢰성을 띄지만 CRC검사로 최소한의 오류는 검사해준다. 오류가 검출되면 drop 해버리고, 이를 복구하기 위에서는 상위 계층에서 신뢰적 프로토콜을 사용해 복구하면 된다. unslotted CSMA/CD (binary backoff)를 사용한다.

 

스위치(switches)
  - 링크 계층에서의 스위치|
  - 이더넷 프레임을 저장하거나 포워딩
  - 들어오는 프레임의 MAC 주소를 검사해서 선택적으로 포워딩해줌, CSMA/CD를 사용해 세그먼트에 접근
  - 호스트는 스위치의 존재를 인식할 수 없음
  - 연결되는 즉시 사용 가능(plug-and-play), 스스로 학습(self-learning)
  - 호스트는 스위치를 향해 직접 연결되어있음
  - 이더넷 프로토콜은 각각의 링크에 사용되지만, 충돌은 없다(각 링크가 각자의 충돌 도메인이 존재)
  - 스위칭을 한다는 것 동시에 부딪히지 않고 스위치 지점을 통과할 수 있는것
  - 라우팅 테이블처럼 스위치 테이블이 있어서, MAC 주소와 인터페이스가 매칭됨

 

  1. 프레임이 스위치에 도착
  2. 어디에서 왔는지 MAC 주소와 인터페이스를 기록해둠
  3. 어디로 가려는 프레임인지 테이블에서 찾아봄
  4. 만약 테이블에 기록되어있다면 그쪽 인터페이스로 전달
  5. 만약 테이블에 기록이 없다면 연결된 모든 인터페이스에 전달(플러딩flood)
  6. 스위치의 네트워크에서도 똑같이 그대로 적용

 

VLANs
  - 가상의 랜을 정의하는 것
  - 헬스장 사물함 등록하듯 호스트도 스위치에 가상 랜에 선을 꼽을 수 있음
  - 가상이기 때문에 언제든 자리를 쉽게 바꾸거나 권한을 제어하는 것도 가능

 

 

 

4. MPLS

MPLS(Multi Protocol Label Switching)
  - 고정 길이의 라벨을 IP주소 대신 사용해, 빠르게 IP 포워딩을 하도록함( IP 데이터그램에 IP주소가 빠지는 것은 아님)
  - MPLS capable 라우터 = label-switched 라우터 처럼 이것을 지원하는 라우터가 있음
  - IP가지고 움직일 때랑 가는 길이 다를 순 있음(미리 계산된 백업경로가 있기 때문에 중간에 drop 시 다시 라우팅좋음
  - IP 데이터그램은 목적지만 보고 테이블이랑 대조한다면, MPLS는 출발지점까지 같이 고려할 수 있음