- 인터넛 사용자 home computer를 Internet Service Provider에 연결하는데 사용하는 프로토콜
서비스 특징
- 장치들 사이에서 교환될 프레임의 형식을 정의
- 링크 설정 및 데이터 교환 방법도 정의
- 흐름 제어를 정의하지 않음
- 간단한 오류 제어 사용
프레임 구성
문자-중심(Character-oriented, 또는 byte-oriented) 프레임 사용
PPP 프레임 형식
PPP 프레임 필드 종류
- 플래그 필드(flag field): 01111110 값을 가진 1바이트 필드
- 주소 필드(address field): 상수 값이고, 11111111(브로드캐스트 주소)로 설정
- 제어 필드(control field): HDLC의 U-프레임을 본 뜬 상수 값 00000011로 설정. 흐름제어 제공없음
- 프로토콜 필드(protocol field): 데이터 필드에 사용자 데이터 또는 다른 정보가 들어 있는 것을 정의
- 페이로드 필드(payload field): 사용자 데이터나 다른 정보를 전송
- FCS 프레임(frame check sequence field): 2바이트 또는 4바이트 표준 CRC
* 페이로드 필드에 flag byte 패턴이 나타나면 ‘바이트 채우기'를 수행하며 탈출 바이트는 01111101임. 탈출 바이트 자체는 다른 탈출 바이트로 채워져야 함
천이 단계(Transition Phases)
천이 단계
다중화
PPP가 비록 데이터 링크층 프로토콜이지만 PPP는 링크를 설정하고 관련된 당사자를 인증하며 네트워크층 데이터를 전달하는 등 일련의 다른 프로토콜도 사용. 3종류 프로토콜 정의
- 링크 제어 프로토콜(LCP, Link Control Protocol): 링크의설정, 유지, 구성과 해제를 담당
- 인증 프로토콜(AP, Authentication Protocol): 자원들에 접근하기를 원하는 사용자의 신원을 증명
1)패스워드 인증 프로토콜(PAP)
2)챌린지 핸드셰이크 인증 프로토콜(CHAP)
- 네트워크 제어 프로토콜(NCP, Network Control Protocol): 협상 하고자 하는 네트워크 프로토콜(인터넷, OSI, Xerox등)과 링크 설정, 유지, 종료를 수행
1)IPCP(Internet Protocol Control Protocol) :인터넷에서 IP 패킷을 전달하도록 회선을 구성
PPP에서 다중화
인증
- 자원에 접근하기를 원하는 사용자의 신원을 증명하는것
PAP
- 사용자는 id와 password를 시스템에 보낸다
- 시스템은 유효성을 검사하여 연결을 수용하거나 거부한다
CHAP
- 시스템이 보통 몇 개의 byte로 된 챌린지값이 들어 있는 챌린지 패킷을 사용자에게 보낸다
- 사용자는 챌린지값과password로 미리 정의된 함수를 적용하여 결과값을 만들어 응답 패킷에 넣고 시스템에 보낸다
- 시스템도 미리 알려진 사용자의 패스워드와 챌린지값을 같은 함수에 적용하여 결과값을 만들고 이 결과와 응답 패킷을 비교하여 같으면 접근을 허용한다
다중링크(multi-link) PPP
점-대-점 링크에서 다중 채널이 가능
다중링크 PPP
매체 접근 프로토콜
다중 접근(Multiple Access): 노드나 지국이 다중점(multipoint) 또는 브로드캐스트 링크(broadcast link)라는 공유 링크를 사용할 때 링크에 접근하는 것을 조율하기 위한 다중 접근 프로토콜이 필요
각 노드는 링크에 대한 접근을 확보했다는 확신이 필요. 첫번째 목표는 노드간 충돌을 예방하는 것이며 두번째 목표는 충돌을 해결하는 것임
다중 접근 프로토콜의 분류
임의 접근
임의 접근(Random Access)
- 각 지국(station)은 다른 어느 지국에 의해 제어받지 않는 매체 접근(media access) 권리를 가지고 있음
- 매 순간 전송할 데이터가 있는 지국은 전송할지 말지를 결정하기 위해 프로토콜에서 정해진 절차를 따름
- 이 결정은 매체의 상태(휴지 상태이냐 바쁘냐)에 좌우
충돌(collision)을 피하기 위한 절차
1)언제 지국이 매체에 접속할 수 있는가?
2)만약 매체가 사용된다면 지국은 무엇을 할 수 있는가?
3)어떤 방법으로 지국은 전송의 실패와 성공을 파악할 수 있는가?
4)만약 매체 충돌이 발생한다면 지국은 무엇을 할 수 있는가?
ALOHA
가장 오래된 임의 매체 접근 방법인 ALOHA는 70년대 초반에 하와이 대학에서 개발됨
지국들은 매체를 공유
지국이 데이터를 전송할 때 동시에 다른 지국도 같은 시도를 할 수 있음
두 지국의 데이터는 서로 충돌하여 망가질 수 있음(garbled)
순수 ALOHA(pure ALOHA)
- 각 지국은 지국이 전송할 프레임이 있으면 언제든지 전송
- 그러나 오직 하나의 채널만이 있으므로 서로 다른 지국에서 전송한 프레임 간에 충돌이 있을 수 있음
- 프레임 전송 후 확인응답을 기다리고 시간 내에 확인응답을 받지 못하면 프레임을 잃어버렸다고 간주하고 재전송을 시도
순수 ALOHA 네트워크의 프레임
- ALOHA 프로토콜은 수신자가 잘 받았다는 확인응답에 의존한다.
- 확인응답이 타임아웃이 될 때까지 오지 않으면 지국은 프레임이 전송 도중 훼손된 것으로 간주하고 다시 전송한다.
- 채널이 혼잡해지는 것을 방지하기 위해 대기시간(back-off time)후 재전송하는 것과 최대 재전송 회수 Kmax가 지나면 전송을 포기하는것
순수 ALOHA 프로토콜의 절차순수 ALOHA 프로토콜의 취약 시간 (Vulnerable time)
- Tfr : 프레임을 전송하는데 소요되는 평균 시간
- TB : 각지국이 보내는 고정 크기의 프레임 (가정)
ALOHA: 처리율(throughput)
S는 처리량이라 불리며, 성공적으로 전송되는 프레임의 평균 개수
G 는 한 프레임 전송 시간 동안에 시스템 전체에서 생성되는 프레임의 평균 개수
G =1/2는 2개 프레임 전송시간 동안 1개 프레임만 전송함을 의미
0.184는 이들 프레임 중 18.4%가 성공적으로 목적지에 도착함을 의미
틈새 ALOHA
틈새(slotted) ALOHA에서는 시간을 Tfr 의 틈새로 나누어 지국은 매 시간 틈새가 시작할 때에 전송하도록 제어
틈새 ALOHA 네트워크의 프레임
틈새(slotted) ALOHA 프로토콜의 취약 시간
- 지국은 오직 동기화된slot시작 시점에만 프레임을 전송할 수 있으므로 이 순간을 놓치면 다음slot시작점까지 기다려야 함
반송파 감지 다중 접근
반송파 감지 다중 접근(CSMA, Carrier Sense Multiple Access)
- 충돌의 기회를 최소화함으로서 성능을 높이기 위하여 CSMA 방법이 개발
- 각 지국은 전송 전 매체의 상태를 점검
- “전송 이전에 감지” 또는 “말하기 이전에 듣기” 원칙에 기반
- 충돌 가능성을 줄일수는 있지만 제거는 할 수 없음
- 전파 지연 때문에 충돌 가능성은 존재
CSMA에서 충돌에 대한 시공간 모델
CSMA의 취약 시간
- CSMA의 취약 시간은 전파 시간(propagation time) Tp임
- 이 시간은 신호가 매체의 한끝에서 다른끝으로 전파되는데 소요되는 시간
- 회색 표시 부분 → 시간과 공간상의 취약 지역
지속 방식
- 1-지속 방식(1-persistent method)
1)지국의 회선이 휴지 상태인 것을 감지하게 되면 즉각 프레임을 전송(확률 1을 가지고)
- 비지속 방식(nonpersistent method)
1)전송할 프레임이 있는 지국이 회선을 감지
2)회선이 휴지 상태에 있으면 즉각 프레임을 보냄
3)회선이 휴지 상태에 있지 않으면 임의 시간을 대기하고 있다가 다시 회선을 감지
- p-지속 방식(p-persistent method)
1)확률 p를 가지고 프레임을 전송
2)확률 q=1-p를 가지고 지국은 다음 슬롯 시작까지 기다리다가 회선을 다시 감지
세 가지 지속 방식의 동작세 가지 지속 방식의 흐름도
CSMA/CD
충돌 검출 반송파 감지 다중 접근(CSMA/CD; Carrier sense multiple access with collision detection)
- 충돌을 처리하는 절차를 더함
- 충돌 발생시 재전송을 요구
- 두 번째 충돌을 줄이기 위해 대기
- 지속적인 백오프 방법에서 대기 시간: 0과 2N × 최대 전송 시간 사이만큼 대기(N: 전송 시도 회수)
CSMA/CD에서 지국은 프레임을 전송한 뒤에 전송이 성공적인지 매체를 관찰
- 성공적이면 지국은 소임을 다한 것
- 그렇지 않다면 충돌이 생긴 것이며,프레임은 다시전송됨
CSMA/CD 에서 첫 번째 비트의 충돌
CSMA/CD에서의 충돌과 폐기
최소 프레임 크기
- CSMA/CD가 동작하기 위해서는 프레임의 크기에 제한을 둬야 함
- 프레임 전송 시간(frame transmission time) Tfr은 최소한 최대 전파 시간(maximum propagation time), Tp의 2배가 되어야 함, 최악 상황 고려(end-to-end)
CSMA/CD의 흐름도
CSMA/CD 의 흐름도
ALOHA 프로토콜과 차이점
- 지속 과정을 포함하고 있음
- ALOHA는 전체 프레임을 보내고 응답을 기다리지만CSMA/CD는 프레임 전송과 충돌 감지를 동시에 수행한다.
- 충돌이 생겼을 때 모든 지국이 충돌에 대해 알수 있도록 짧은 길이의 충돌 신호(jamming signal) 를 보내어 충돌 사실을 알린다.
처리량
- ALOHA보다 크다
- 서로 다른 G값과 방식에 따라 다르다
- 1-지속 방식의 경우 G=1일때 약 50%
- 비지속 방식의 경우 G=3에서 8일때 90%
- G: 한 프레임 전송 시간동안 시스템 전체에서 생성되는 프레임의 평균 개수
전통적인 이더넷
- 10Mbps의 속도를 갖는 전통적인 이더넷에서 CSMA/CD 사용
- 브로드캐스트 LAN이므로 1-지속방법 사용
제어 접근
제어 접근(Controlled Access)
- 어느 지국이 전송 권리를 가지고 있는지 서로 상의하여 찾음
- 지국은 다른 지국들에 의해 권리를 인정받을 때까지는 전송할 수 없음
제어접근 방식
- 예약(Reservation)
- 폴링(Polling)
- 토큰 전달(Token passing)
예약
예약(Reservation)
- 지국은 데이터를 송신하기 전에 예약을 필요로 함
- N개의 지국이 존재하면 N개의 예약된 미니 틈새(mini slot)들이 예약 프레임 안에 존재
- 예약을 한 지국은 데이터 프레임을 예약 프레임 뒤에 전송
폴링
폴링(Polling)
- 지국 중 하나가 주국(primary station)이 되고 다른 지국들은 종국(secondary station)이 되는 접속 형태에서 동작
- 궁극적으로는 종국으로 가는 데이터는 모두 주국을 통해서 전달
- 주국이 링크를 제어하며 종국은 그 지시에 따름
- 폴(poll): 주국이 종국으로부터 전송을 요청(수신)하는데 사용
- 선택(select)
1)주국이 언제든지 송신할 것이 있을 때 사용
2)예정된 전송을 위해 주국은 종국의 준비 상태에 대한 확인 응답을 대기
3)주국은 전송 예정된 장치의 주소를 한 필드에 포함하고 선택 프레임(SEL)을 만들어 전송
폴(Poll) 기능
- 주국이 데이터를 수신할 준비가 되어 있으면 각 지국에게 차례로 보낼것이 있는지 물어보아야 한다.
- 종국은 보낼것이 없으면 NAK를 보내고, 보낼것이 있으면 데이터를 보냄
토근 전달
토큰 전달(token passing) 방식에서 네트워크 안의 지국들은 논리 링 형태로 구성된다. 다시 말하면 각 지국에는 선행자(predecessor)와 후행자(successor)가 있다. 선행자는 링형 접속형태(ring topology)에서 논리적으로 앞에 있는 지국이며 후행자는 링의 바로 뒤에 있는 지국이다.
토큰 관리 필요
- 지국의 토큰 보유 시간 제한
- 토큰의 손실 혹은 유실을 위한 감시
- 낮은 순위의 지국이 상위 순위의 지국에게 양보
토큰(특별 패킷)을 가진 지국이 데이터 송신할 권한을 가짐
토큰 전달 접근 방법에서 논리적 링과 물리적인 접속형태
물리적인 링 접속 형태
- 링크중 하나라도 끊어지면 전체 시스템이 동작을 멈춤
이중 링 접속 형태
- 이차링은 비상상태에서만 사용
버스 링 접속 형태 = 토큰 버스
- 토큰의 목적지 주소와 일치하는 주소를 가진 지국이 공유 매체에 접근할 권리를 갖음
성형(링) 접속 형태
- 허브가 연결 장치 역할을 함
- 링크가 끊어지면 해당 링크는 무시하고 나머지 하고만 통신
링크 계층 주소지정
발신지와 목적지 IP 주소는 두 종단을 정의하지만 패킷이 경유하는 경로에 대해서는 정의하지 못함
비연결형(connectionless) 상호연결 네트워크에서는 두 노드들의 링크 계층 주소를 결정하기 위해 다른 주소지정 메커니즘이 필요
데이터그램이 네트워크층에서 데이터 링크층으로 전달될 때, 데이터그램은 프레임에 캡슐화되고 두 데이터 링크 주소는 프레임 헤더에 추가됨
링크 계층 주소(link-layer address)는 링크 주소(link address), 물리 주소(physical address), MAC 주소(MAC address)라고도 불림
세 가지 유형의 주소
링크 계층 프로토콜은 유니캐스트, 멀티캐스트, 브로드캐스트라는 세 가지 유형의 주소를 정의
- 유니캐스트 주소: 일-대-일 통신을 의미하며 유니캐스트 주소를 목적지로 갖는 프레임은 링크에서 하나의 장치와 연결됨
- 멀티캐스트 주소: 일-대-다 통신을 의미하며 범위는 로컬 링크로 국한됨
- 브로드캐스트 주소: 일-대-전체 통신을 의미하며 목적지로 브로드캐스트 주소를 가지는 프레임은 링크내의 모든 장치로 전달됨
주소 변환 프로토콜(ARP)
링크내 다른 노드로 전송하기 위해, 한 노드가 가지고 있는 IP 데이터그램은 수신 노드의 IP 주소를 가지지만, 다음 노드의 IP 주소는 링크를 통과하는 프레임이 이동하는데 도움이 되지 않기때문에 다음 노드의 링크 계층 주소를 알아야 함.
주소 변환 프로토콜(ARP, Address Resolution Protocol)은 IP 주소를 지정된 링크 계층 주소에 매핑시키고, 데이터 링크층으로 전달함.
