6.3 Multiple Access Links And Protocols

Point-to-Point Links

 

• 하나의 송신 노드와 하나의 수신 노드로 구성된 링크이다.

• PPP(Point-to-Point Protocol)와 HDLC(High-Level Data Link Control)과 같은 프로토콜이 이 범주에 속한다.

 

Broadcast Links

 

• 여러 송수신 노드가 단일 링크를 공유하며 데이터를 주고받는 구조이다.

• 이 링크에서 송신된 데이터는 모든 연결된 노드에 전송된다.

• Ethernet과 Wireless LAN(Wi-Fi)이 대표적인 Broadcast Links의 예이다.

 

Figure 6.8은 다양한 Broadcast Links의 예를 보여준다. 이 그림은 Shared Wire(케이블 네트워크), Shared Wireless(Wi-Fi)

, Satellite Links, **Cocktail Party(비유적 설명)**의 구조를 묘사하며 여러 노드가 링크를 공유하는 방식과 그 문제를 잘 시각화한다.

 

Multiple Access Problem

 

Broadcast 링크의 가장 큰 과제는 여러 노드가 동시에 전송하려 할 때 충돌(collision)이 발생할 수 있다는 점이다. 이를 해결하기 위해 노드 간의 전송 타이밍을 조정하는 다양한 Multiple Access Protocol이 고안되었다.

 

Multiple Access Protocol의 분류

 

Multiple Access Protocol은 크게 세 가지로 나뉜다:

1. Channel Partitioning Protocols

• 채널을 시간(TDM), 주파수(FDM), 또는 코드(CDMA)로 나누어 노드 간의 충돌을 방지한다.

• Figure 6.9는 TDM(Time Division Multiplexing)과 FDM(Frequency Division Multiplexing)의 예시를 보여준다.

• TDM에서는 시간이 N개의 슬롯으로 나뉘고 각 노드가 하나의 슬롯에 전송한다. FDM에서는 주파수 대역이 노드별로 분리된다.

2. Random Access Protocols

• 노드가 데이터가 있을 때 언제든지 전송을 시도하며 충돌 시 랜덤한 대기 시간 후 다시 전송한다.

• ALOHA와 **CSMA(Carrier Sense Multiple Access)**가 대표적이다.

이 그림은 3개의 노드(Node 1, Node 2, Node 3)가 같은 시간 슬롯에서 충돌을 일으킨 후, 충돌 해결 과정에서 각 노드가 성공적으로 데이터를 송신하는 모습을 보여준다.

예를 들어:

• 첫 번째 슬롯에서는 Node 1, 2, 3이 동시에 전송하여 충돌 발생.

• Node 2는 네 번째 슬롯에서, Node 1은 여덟 번째 슬롯에서 성공적으로 전송.

 

Slotted ALOHA의 효율성

 

슬롯 기반 ALOHA는 간단하지만, 여러 노드가 활성화될 경우 충돌이나 비어 있는 슬롯으로 인해 비효율적일 수 있다. 이 프로토콜의 최대 효율은 이며, 이는 전송 가능한 슬롯 중 37%만이 성공적으로 사용됨을 의미한다.

 

이 섹션은 다양한 링크 환경에서 발생할 수 있는 충돌 문제와 이를 해결하기 위한 주요 프로토콜을 이해하는 데 필수적인 내용을 다루고 있다. 이를 통해 네트워크 설계자가 각 환경에 맞는 접근 방식을 선택할 수 있게 한다.

 

 

ALOHA 프로토콜

 

ALOHA는 초기 무선 통신 네트워크에서 사용된 매우 간단한 프로토콜이다. 이 프로토콜은 모든 노드가 중앙 제어 없이 독립적으로 데이터를 전송할 수 있도록 설계되었다.

 

순수 ALOHA (Pure ALOHA)의 동작

 

순수 ALOHA에서는 네트워크에 연결된 노드가 데이터를 보내고자 할 때 언제든지 바로 데이터를 전송한다. 여기서 중요한 점은 다른 노드가 동시에 데이터를 전송하면 충돌(Collision) 이 발생한다는 것이다.

 

만약 충돌이 발생하면:

1. 해당 노드는 자신의 데이터를 일정 시간 뒤에 다시 전송한다.

2. 이 시간은 랜덤하게 설정되어, 연속적인 충돌을 방지한다.

 

효율성 분석: 순수 ALOHA의 최대 효율은  1/(2e) =>18.4% 이다. 이는 충돌 발생 확률이 높기 때문에 효율이 낮아지는 결과이다.

 

그림 6.11: 충돌 시나리오

 

그림 6.11에서는 순수 ALOHA에서 충돌이 어떻게 발생하는지 보여준다.

• 노드 i가 t_0 시점에 프레임을 전송한다고 가정하자.

• 다른 노드가 t_0 - 1과 t_0 + 1 사이에 데이터를 전송하면, 이 전송은 i의 프레임과 충돌한다.

이러한 이유로, 충돌 없는 성공적인 전송 가능 시간은 전체 시간의 절반 이하로 줄어든다.

 

슬로티드 ALOHA (Slotted ALOHA)

 

슬로티드 ALOHA는 순수 ALOHA의 단점을 개선한 방식이다. 데이터를 특정 시간 슬롯의 시작점에서만 전송하도록 강제한다. 이렇게 하면 충돌이 발생할 수 있는 구간이 반으로 줄어들어, 효율이  1/e => 36.8% 로 향상된다.

 

 

CSMA (Carrier Sense Multiple Access) 프로토콜

 

ALOHA의 단점을 극복하기 위해, CSMA라는 프로토콜이 개발되었다. CSMA는 “전송 전에 통신 채널을 먼저 확인하는 방식”으로 동작한다. 이를 캐리어 감지(Carrier Sensing) 라고 한다.

 

CSMA의 동작 원리

 

1. 캐리어 감지: 노드가 데이터를 전송하기 전, 채널이 사용 중인지 확인한다.

• 만약 다른 노드가 이미 데이터를 전송 중이라면, 기다린다.

• 채널이 비어 있으면 데이터를 전송한다.

 

그러나 CSMA에도 충돌이 발생할 수 있다. 예를 들어, 두 노드가 거의 동시에 채널을 비어 있다고 감지하고 전송을 시작하면 충돌이 발생한다.

 

그림 6.12: 충돌 발생 시나리오

• 그림 6.12는 CSMA 환경에서 충돌이 발생하는 과정을 설명한다.

• t_0 시점에 노드 B가 데이터를 전송하기 시작한다. 데이터는 양방향으로 전파되는데, 이 전파는 시간 차이가 있다.

• t_1 시점에 노드 D가 채널이 비어 있다고 판단해 전송을 시작하면, B와 D의 데이터가 충돌한다.

이 상황은 전파 지연(Propagation Delay) 때문에 발생한다.

 

 

 

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

 

CSMA의 한계를 극복하기 위해, 충돌 감지(Collision Detection) 기능이 추가된 CSMA/CD 프로토콜이 등장했다. CSMA/CD는 충돌을 빠르게 감지하고 데이터를 중단시켜 불필요한 전송 낭비를 줄인다.

 

CSMA/CD의 동작 원리

 

1. 데이터를 전송하는 동안, 노드는 전송 신호를 모니터링한다.

2. 충돌이 감지되면 전송을 즉시 중단하고, 랜덤한 시간 후에 다시 전송을 시도한다.

 

그림 6.13: 충돌 감지와 중단

 

• 그림 6.13은 CSMA/CD 프로토콜이 충돌을 어떻게 처리하는지 보여준다.

• 노드가 충돌을 감지하면 즉시 전송을 중단한다. 이로써, 손상된 데이터 프레임이 계속 전송되는 것을 방지한다.

 

 

ALOHA와 CSMA를 바탕으로 한 사례: ALOHAnet

 

Norm Abramson은 1970년대에 ALOHA 프로토콜을 개발하고 이를 통해 ALOHA 네트워크(ALOHAnet) 를 구축하였다.

ALOHA는 하와이 여러 섬에 분산된 호스트와 중앙 서버 간의 통신을 가능하게 하였다. 이 네트워크는 무선 패킷 전송 시스템의 시초였으며, 이후 Ethernet 및 다양한 프로토콜 개발에 영감을 주었다.

 

 

DOCSIS: 케이블 네트워크의 사례

 

케이블 네트워크는 다양한 접근 방식을 혼합하여 사용하는 대표적인 사례이다.

• Downstream 채널: CMTS가 데이터를 모든 모뎀에 방송(broadcast)한다.

• Upstream 채널: 여러 모뎀이 CMTS에 데이터를 보낸다. 여기서 충돌 가능성이 존재한다.

 

그림 6.14: CMTS와 케이블 모뎀의 상호작용

 

• CMTS는 각 모뎀이 데이터를 보낼 수 있는 시간을 MAP 메시지로 지정한다.

• 충돌이 발생하면 모뎀은 이진 지수 백오프(Binary Exponential Backoff) 알고리즘을 사용해 재전송 시점을 결정한다.

 

DOCSIS는 TDM, FDM, 랜덤 접근 방식을 결합해 효율적인 네트워크 동작을 가능하게 한다.