Link Layer

• Host와 Gateway간에 연결을 의미하는 레이어, Just 1 hop, 그림에서 붉은 선
• NIC(네트워크 인터페이스 카드)를 통해서 패킷을 캡슐화하여 만든 프레임을 라우터로 transport - 다른 계층은 CPU에서 처리
  • 유선일 경우는 브로드캐스트 또는 포인트 투 포인트, 무선일 경우 브로드캐스트.
• 전용선으로 도식화된 것이 아니라, 공용으로 사용하는 broadcast medium 매질을 통해서 연결 - 따라서 하나의 Gateway에 여러 대의 Host가 연결되어 있음
• 파장의 비유(broadcast): Host가 전달한 Frame은 라우터로 연결되어 있는 다른 모든 Host가 전달 받으며, 한명이 신호를 보내고 있을때 다른 호스트가 동시에 신호를 보내면 충돌이 발생
• Frame간의 충돌(collision)에 주의!

Medium Access Control (MAC) Protocol

결국 충돌이 나지 않게 하는 것이 목적

1. Channel partitioning

'대역을 1/n으로 할당하여 그 시간 순서 혹은 주파수에 왔을 때 데이터를 보내겠다'

장점: 사람이 많으면 많을 수록 할당이 있기에 유리 - 분배해서 꽉 채워서 사용하는 것이 가능
단점: 사용자가 적으면 효용성이 떨어짐

• TDMA: time division multiple access, 시간 분할 배정
  • 시간을 쪼개서 사용할 사람들을 정한다

• FDMA: frequency division multiple access, 주파수 분할 배정
  • 각자 자기자신의 고유 주파수가 있어서 주파수에 맞게 보낸다

2. Random access

가장 일반적으로 사용하는 프로토콜
'내가 보내고자 할 데이터가 있을 때 보내겠다' - 필연적인 충돌 발생
보내기 전 상황 감지 + 여러 호스트의 프레임 전송 + 충돌 감지, 충돌로 부터 backoff 및 recover 를 통한 상황 제어
ex. ALQHA, ALOHA, CSMA, CSMA/CD(Ethernet - 유선), CSMA/CA(802.I I - 무선)

장점: 사용자가 적은 경우 굉장히 효율적으로 컨트롤 가능
단점: 사용자가 많은 경우 충돌 오버헤드

CSMA(carrier sense multiple access)

• listen before transmit: 전송 전 다른 frame이 전송 중인지 확인 후 전송
• 우리가 여러명이서 모여서 말할때, 말하는 기법이랑 비슷한 개념
• 누군가 말하고 있을 때 말하지 않는다.
• 하지만, 혹시나 동시에 얘기하는경우도 발생

CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/ Collision Detection)

• 충돌이 일어나는 경우, NIC가 인지한 후 바로 Stop
• 다음 한발짝 물러선다 binary exponential backoff
• 사람이 많으면 backoff 하는 경우도 많아지고 말할 타이밍이 느려진다(단점)
• 충돌 감지 일때만 재전송한다.(유선일 경우 큰 문제는 없음. 그래서 이더넷에서 csma/cd사용)
  • 대기 random time을 두 배씩 늘려가면서 재전송
• Host가 많을수록 대기 시간이 늘어날 수밖에 없음 - 더 많은 충돌 발생
• 혹시라도 충돌 감지를 못하면 큰 문제가 될 수 있다

Taking turns

앞서 등장한 프로토콜의 장단점 보완, 치명적인 문제점 때문에 잘 사용되지 않음

• Polling(여론 조사)
  • 진행자 느낌의 마스터 컨트롤러가 주관하여 데이터 보낼 여부를 확인하여 전송 중재
  • 마스터가 작동이 멈추면 큰 문제 발생

• Token passing
  • token 메세지를 활용하여 token을 가진 호스트만 데이터 전송 가능
  • 전송할 데이터가 없는 경우 다른 host로 token을 넘기면서, 전송할 데이터가 있는 경우 그 순서에 데이터 전달
  • token을 분실하는 경우 큰 문제 발생

CSMA/CD 재전송과 TCP 재전송 차이

• TCP는 호스트와 멀리 있는 다른 호스트와의 재전송을 담당(4계층 전송 계층) - 상위 레벨
  • Timeout이나 3-Duplicate Ack 발생 시 Timer 만료로 송신 호스트에서부터 다시 패킷을 재전송하는 개념
  • 수신 호스트와 근접한 라우터에서 Timeout이 발생해도 호스트에서부터 재전송
• CSMA/CD는 호스트와 게이트웨이 라우터와의 재전송을 담당(2계층 링크 계층) - 하위 레벨
  • 라우터는 3계층으로 구성되어 전송계층에 관여가 불가능
  • Just 1 hop에 대한 라우터로의 재전송
  • 충돌이 일어나면 재전송을 하는데, 송수신에 대한 라우터의 feedback이 따로 없음

LAN(Local Area Network)

같은 prefix를 가지고 라우터를 거치지 않아도 접근 가능한 호스트들의 집합인 Subnet은 Lan으로 이루어져 있음
내부 공유되는 미디엄으로 연결

Ethernet

70년대 후반 등장 했지만, 단순하면서 효과적인 MAC 프로토콜이기에 현재까지도 사용 - 유선
충돌의 효과적인 해결이 목적, CSMA/CD 기반
random access + carrier sense + collision detection + + exponential backoff
과거에는 버스형이었으나 현재는 스위치 기반의 스타형으로 주로 연결 구성

1. Link Layer의 Frame 구조

• data 부분에 IP 패킷이 들어가서 캡슐화
• 프레임의 Header는 4가지로 굉장히 단순 + Footer에는 에러 체킹을 위한 부가 정보인 SRC
• MAC Src / Dest Address, type(data 내부 사용된 프로토콜 - 보통 IP)이 핵심

2. Link Layer의 Reliable

• 충돌이 일어나지 않으면 전송 성공으로 인지 - 유선상황에선 외부 노이즈에 대한 보호가 보장된 상황
• 충돌이 일어나면 재전송을 해야하는데, 송수신에 대한 라우터의 feedback이 따로 없음
• 만약 충돌이 발생했지만 감지하지 못하면?
  • A에서 프레임을 보내고 있고, B에서는 A에서 시작된 것이 오고 있는 줄 모르고 시작했다가 충돌이 나고 B는 전송을 중단
  • B 근처에서 발생한 충돌 감지에 대한 신호가 A에 도착하기 전에, A에서는 보내던 frame의 길이를 모두 보냈으므로 충돌 없음으로 간주 가능 - 문제 발생
  • 따라서, 프레임을 보낼 때 할 말이 없어도 말을 길게하여 오디오 겹침을 감지할 수 있도록 설계
  • Minimum Frame Size : LAN의 길이 만큼 64바이트를 지켜서 전송, 만약 사이즈가 작다면 패딩을 해줘서 64바이트 맞춰주어야 함

3. MAC Address / IP Address

• MAC 주소는 제조회사(24bits) + LAN 인터페이스카드 자체의 바꿀 수 없는 고유한 주소(24bits) - 48bits
• MAC Address는 주민 번호, IP Address는 거주지의 주소 같은 느낌(32bits)
• 자기 자신의 MAC address는 어답터에 내포되어 있음, 머신의 MAC address는 언제 어디서도 바뀌지 않음

4. ARP

• 호스트에서 처음에 Frame 을 게이트웨이 라우터로 전송
  • 게이트 웨이 라우터의 IP Address는 DHCP에 통해서 알게된다
  • Frame 헤더의 MAC src Address는 호스트의 인터페이스 카드, MAC dest Address는 게이트웨이 라우터의 인터페이스 카드
  • Frame 내부 data의 IP src Address는 DHCP를 통해 아는 자신의 IP, IP dest Address는 향하고자 하는 목적지의 IP
  • 따라서, 게이트웨이의 IP Address를 가지고 MAC Address를 찾는 과정이 필요 - 각 호스트 내부 ARP(Address Resolution Protocol) table 참조
  • table에서 MAC Address 알 수 없는 경우 호스트에서 ARP request Frame을 통해 LAN 전체에 게이트웨이 IP가 적힌 메시지를 브로드캐스팅하고 게이트웨이는 그에 응답
• 각 1 hop 마다 해당 과정을 반복
  • Next hop을 알아내기 위하여 Forwarding 테이블을 look-up
  • MAC Address를 알아내기 위해서는 ARP 테이블을 look-up
  • 없으면 ARP request Frame을 브로드캐스팅 (Forwarding 테이블을 만들때 어느 정도 ARP 테이블도 만들어진다)
  • IP Packet을 유지하며, 다시 Frame으로 캡슐화하면서 Header를 맞게 조정하여 전송
• 현재는 스타형이라 switch 과정 필요

5. Switch

• Link Layer에서만 유효함. Network Layer 관점에선 없는 것
• 일반 호스트 입장에서는 switch의 존재를 알지 못함, 도우미 역할만 수행 - only connection 개념
• 버스형에서는 라인 전체가 하나의 collision domain이라 2명 이상 동시에 브로드캐스팅 하면 충돌 발생
• 스타형에서는 스위치를 중심으로 각 collision domain로 분리를 하면서 브로드캐스팅이 전체로 퍼지는 것을 방지
  • A-A’ , B-B’ 동시에 보낼 수도 있고, 목적지가 같은 경우 서로 교통 정리도 해준다
  • 그렇다면, 스위치는 목적지를 어떻게 찾지? - 스위치 테이블을 구성하여 목적지를 찾음(self MAC Addr, interface, TTL)
  • 스위치 테이블은 구성하는 방법 → Self Learning (스스로 학습하는 방법으로 스위치 테이블 만듬)

• 테이블이 아무 것도 없는데 A(출발지)-A’(도착지) Frame이 들어올 경우
• 우선 들어온 A의 1번 인터페이스 정보를 TTL과 함께 테이블에 저장
• A’에 대한 인터페이스 정보를 모르므로 flooding을 통해 모두에게 전송 ( flooding은 구성 초반에만 발생 )
• 학습하면 할 수록 테이블이 채워지므로 스위치 테이블을 Self Learning으로 만들게 되는 것
  • 목적지 정보를 모르는 경우: flooding
  • 목적지 정보를 아는 경우(스위치 테이블 채워진 이 후) : 테이블 참조하여 전송

• Interconnect Switch
  • 스위치끼리 서로 연결 할 수 있음 - 계층화
  • 연결을 통한 규모 확장
  • 스위치는 맥 어드레스 아답터 없음 - only connection 개념
• 스위치(Link)와 라우터(Network)은 다른 개념
  • 오히려 공유기는 라우터로 인지 - Physical 계층 device
  • 확장 방식의 선택