데이터 통신 : 데이터링크 계층1

 

오늘은 물리계층에 이어서, 그 다음 계층인 데이터링크 계층에 대해서 공부해보자.

데이터링크 계층의 기본적인 개요와 오류제어 방법, 흐름제어 방법, 프레임 생성과 관리 그리고 링크제어 관리에 관해

공부해보자

 

데이터링크 계층이란?

--->

노드와 노드 간의 오류가 없는 데이터 전송을 하기 위한 목표로 전송 규격을 정의한다

상위계층(네트워크 계층)에서 오류없는 물리 계층처럼 보이도록 역할을 한다

**노드 : 통신장비, 컴퓨터를 의미

 

데이터 링크 계층의 핵심기능!

1. 물리 주소 지정 : 송신자와 수신자의 물리주소를 헤더에 지정

---> 물리적 주소로 식별

 

2. 접근제어 : 프레임을 전송하기 위해 물리계층으로 접근하는 제어 기능

---> 전송매체에서 충돌할 수 있으니 접근제어를 통해 확인하는 과정

 

3. 프레임 관리 : 프레임 형식으로 전송할 데이터를 생성/관리 하는 기능

---> Data에 헤더와 트레일러를 붙여서 프레임(전송단위)를 만든다

 

4. 오류제어 : 전송장애가 발생하면 수신노드에서 오류를 탐지하고 복구하는 기능

---> 오류 없이 데이터가 맞는지 오류판별 및 복구

 

5. 흐름제어 : 수신 처리 속도를 고려하여 수신기가 송신기의 전송속도를 제어하는 기능

---> frame 속도를 제어하여 속도를 맞추는 역할

 

6. 링크제어/관리 : 링크를 생성하고 링크를 관리하며 링크를 삭제하는 기능

---> 링크 설정(누가 누구한테 줄지) 관리

데이터링크계층의 핵심기능

 

 

자 이번에는 데이터링크 계층의 오류제어를 한 번 알아보도록 하자

 

오류제어 >>>

 

오류의 원인 :

1. 물리계층의 전송장애로 오류가 발생함(신호감쇄, 왜곡, 잡음, 신호간섭 등..)

2. 송신노드 또는 수신노드의 장애(고장)

3. 전송매체의 절단, 파괴등의 장애

4. 저속 전송매체(예, UTP1)로 데이터를 빠른속도로 무리하게 송신하는 경우

 

오류제어의 단계는 다음과 같다.

1. 오류 검출

2. 오류 정정 및 복구 (전방향오류정정 or 역방향오류정정)

오류제어의 대략적인 과정

 

오류의 유형 : 

1. single bit error - 에러가 1개만 나는 것

2. burst errors - 에러가 동시 다발적으로 나는 것, 보통 장거리나 열악한 환경에서 발생

오류의 유형 2가지

 

 

그럼 첫번째로 우선 오류를 어떻게 검출하는지 알아보자.

 

오류 검출 단계 >>>

 

오류를 검출하는 방법은 크게 5가지가 존재한다.

1. Parity 비트 검출법 (in single bit, 안정적인 곳에서 사용) ---> 홀수 parity와 짝수 parity 존재함

- 데이터에서 1개의 개수를 홀수(또는 짝수)로 맞추어 전송, 수신 후에 개수를 확인하는 기법

- 예시) 데이터 "1010011"의 경우

            ---> 홀수 Parity 사용 : 10100111 로 뒤에 1을 추가하여 1의 갯수를 홀수로 만들어준다

                   수신 후에 1의 갯수를 확인하고 홀수가 맞으면 오류 없음으로 판정한다

문제점 : 2비트 이상 즉, burst errors가 발생하면 검출 성능이 떨어진다.

 

 

2. 2차원 Parity 비트 검출법 (2차원 배열의 느낌)

- 2차원 짝수 Parity bit 검출방법 - 1차원보다 좀더 견고하게 진화된 방법

- 예시) 마찬가지로 짝수 또는 홀수로 설정을 해놓고 찾는 방식이다. 짝수 Parity를 사용한다고 가정해보면,

정상

이 경우에는 가로 세로 모든 줄을 봤을 때, 1의 갯수가 짝수이므로 정상인 범위이다.

에러

하지만 이 경우에는 동그라미 쳐진 0 때문에 짝수가 아닌 홀수가 되기때문에 저 부분이 에러임을 알 수 있다.

 

3. Checksums 검출법

- 데이터를 1byte(블록) XOR을 하여 Checksum을 생성한 후 전송, 수신 후에 받은 데이터들을 동일하게

XOR하여 만든 것과 수신한 Checksum Byte를 비교/확인하는 방법이다

- 예시) 데이터가 "10100110 11001111 10101001 11110000" (4byte) 라면,

10100110

11001111

10101001

11110000   XOR

---------------------- 을 진행한다

00110000    ----> 한 열씩 봤을때, 1의 갯수가 짝수면 0이고 홀수면 1이다.

 

그러면 이제 프레임을 전송할때 데이터 뒷부분에 이 Checksum byte를 추가해서 보내는 것이다 다음과 같이 말이다

101001110 11001111 10101001 11110000 00110000

그러면 수신노드가 수신후에 직접 Checksum을 진행하고 값이 동일하면 오류가 없다고 판단하는 것이다.

 

4. Internet Chechsums 검출법

- ones - complement addition 방식으로 계산한다

- IP, TCP, UDP에서 사용하는 오류검출 방식이다

예시

 

5. CRC (Cyclic Redundancy Checks)

- 일반적으로 가장 좋다고 알려진 방법이다

- 다항식의 원리를 이용한 방법이다

- 예시) 4차 다항식 (X^4 + X^3 + X^2 + X^1 + 1)

사용하고자 하는 CRC다항식이 X^4 + X + 1이면

Generator는 10011 이 되는 것이다

실제 보내야할 데이터가 110101111 라고 하면 실제데이터에 제네이리터(Generator)를 나누어 나머지를 구한다

그것이 바로 CRC이다

 

그러면 이제 프레임 속 데이터에 CRC값을 붙여서 전송하고 수신기가 후에 확인하는 방식이다

110101111 0010 (보내질 데이터)

 

일반적으로 검출능력이 좋아서 대부분의 LAN(Internet)에서 사용되는 방법이고

CRC-16, CRC-32, CRC-12는 고정적으로 사용하는 Generator 가 존재한다.

 

오류정정 및 복구 단계 >>>

오류 검출을 하였으면 이제 정정 및 복구를 해야하는 차례이다.

오류 정정 및 복구는 2가지 방법이 있는데, 1. 전방향 오류정정과 2. 역방향 오류정정이다.

 

역방향 오류 정정에는 3가지 단계가 있는데 그림으로 한번에 제시하겠다.

역방향 오류 정정의 3가지

*** ACK : 긍정적인 답변 즉, 오류 없음, 

     NAK : 부정적인 답변 즉, 오류 검출됨

 

전방향 오류 정정을 소개하겠다.(재전송을 하지 않고 오류를 해결하는 방법)

- 수신된 프레임만을 가지고 오류정정을 할 수 있는 방식

 

1. 해밍코드(Hamming Code)

- 송신할 프레임 데이터 : 00101110 (Original data라고 가정)

- 예시)

위 표를 보면, 원본데이터 영역에 비트들이 들어가있고, P1,P2,P4,P8에는 우선 빈칸이 되어있는 것을 볼 수 있다.

아래에 있는 공식을 통하여, XOR를 이용하여(1의개수가 홀수면 1) Parity bit를 생성한다. ===> 0111

그 비트를 원본데이터 사이에 자리에 맞게 끼워넣어서 데이터를 만들어준다. 즉, 010101011110 이 된다.

패러티들을 포함한 데이터인 010101011110을 송신하는데, 위에 표를 보면 010111011110으로 수신이 잘못되었다.

이럴때, 다시 또 공식을 이용해서 Parity bit 를 역으로 검사한다.

검사를 했는데 0000이 아니라 다른 숫자가 나오면 그것은 오류가 났다는 의미이고, 그 비트를 10진수로 바꾸면

그 자릿수가 틀렸다는 의미이다. 즉 5가 나왔으니 5번째 자리가 1이 아닌 0이어야 한다는 의미가 된다.

 

흐름제어

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흐름제어가 발생하는 원인과 해결방법, 오류복구 방법을 알아보자

1. 원인 :

- 송신노드와 수신노드의 처리성능(속도차이)차이가 있기 때문이다.

- 송신속도가 너무 빨라서 수신노드가 처리하기 어려워서 발생한다

- 수신버퍼링이 늦어지면 프레임이 분실될 수 있기 때문이다

 

2. 해결방법

- 수신노드가 송신노드의 송신 시점을 제어하면 된다.즉, 이것이 흐름제어다

 

3. 오류복구 방법

- Stop & Wait 흐름제어 기법 (단순 제어 방식, 성능이 낮다)

- Sliding Windows 흐름제어 기법(정해진 양만큼 보내고 응답을 기다리는 방식)

 

1. Stop & Wait 흐름제어

- 전송프레임당 응답을 수신하는 흐름제어 기법이다

- 송신기는 수신기로부터 응답을 받기 전까지는 다음 프레임을 송신하지 않는다

- 1 = 프레임전송시간(transmission time), a = 프레임 전송지연시간(propagation time)

 

               

 

1. Sliding Windows 흐름제어

- Window size : 응답없이 보낼 수 있는 프레임의 최대 개수

ex) Window size = 4, 송신노드가 4개의 프레임을 응답없이 보낼 수 있음

 

이렇게 흐름제어의 방식은 크게 2가지가 있으며 성능이 더 좋은쪽은 Slinding Window 방식이다.

 

마지막으로 프레임을 관리하는 방법을 알아보자

 

프레임(frame)

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프레임이란, 데이터링크 계층에서 전송하는 데이터의 단위이다

프레임의 종류로는 데이터프레임과 응답프레임(ACK, NAK)이 존재한다 

 

프레임의 생성 방법으로는 

네트워크 계층에서 내려온 bit stream을 프레임으로 생성하는 방법이다.

구조는 Header와 Trailer를 데이터의 앞뒤에 붙이는 구조이다.

 

생성시 4가지 고려사항이 존재한다

1. Byte count

2. Character frame

3. Bit stuffing

4. 물리계층 코딩침해 문제

 

다음으로는 프레임의 종류를 소개하겠다.

그림으로 너무 이해하기 쉽게 되어있으니 바로 제시하겠다.

 

이러한 4가지의 방법으로 프레임을 만들어 송수신 할 수 있는 것이다.

 

데이터링크 계층의 기본을 알아보았다. 방식들과 이름들이 헷갈릴 수 있으니

정확하게 알아놓도록 하자!!