MAC 계층 - IEEE 802 시리즈 (MAC&LLC 계층, LAN 표준안, CSMA/CD, 토큰 버스, 토큰 링)

원거리에 있는 호스트를 연결하는 WAN과 달리 LAN 환경은 근거리에 분포된 호스트를 연결한다.

LAN 환경에서는 WAN 환경보다 효율적인 전송 관리를 통해 네트워크의 전송 효율을 극대화해야 한다. 네트워크의 전송 속도는 주로 전송 매체의 성능에 좌우되지만, 연결 방식이나 전송 방법 등에도 영향을 받는다. 

 

IEEE 802 시리즈는 LAN 환경의 데이터 링크 계층에 대한 표준안을 다루는데, 공통 기능인 LLC 계층뿐 아니라 다양한 MAC 계층에 대한 표준안을 정의하고 있다.

 

MAC(Media Access Control)과 LLC(Logical Link Control) 계층

MAC과 LLC 계층의 관계

LAN 환경에서는 네트워크 자원을 효율적으로 활용하려고 (a)와 같이 데이터 링크 계층의 기능을 LLC 계층과 MAC 계층으로 나누어 처리한다. 즉, OSI 7 계층 모델에서 정의한 데이터 링크 계층의 기본 기능은 주로 LLC 계층에서 다루고, 물리적인 전송 선로의 특징과 매체 간의 연결 방식에 따른 제어 부분은 MAC 계층에서 처리한다.

(b)의 WAN 환경과 비교하면, LAN의 LLC 계층이 WAN의 데이터 링크 계층과 역할이 비슷하기 때문에 LAN 환경에 MAC 계층이 추가된 것으로 볼 수 있다.

 

MAC(Media Access Control) 계층

Media Access Control(MAC)이라는 명칭을 통해 계층의 주요 기능과 목적을 간략하게 먼저 알아보자. 
Media(매체): 데이터가 전송되는 물리적 매체를 의미한다. 유선 LAN의 경우 전기 신호를 전달하는 케이블이, 무선 LAN의 경우 전자기파가 전파되는 공기가 이에 해당한다.
Access(접근): 여러 장치들이 동일한 전송 매체를 공유하는 환경에서, 각 장치가 이 매체를 사용하여 데이터를 전송하는 것을 의미한다.
Control(제어): 여러 장치가 동시에 매체에 접근하려 할 때 발생할 수 있는 충돌을 방지하고 효율적인 데이터 전송을 보장하기 위한 규칙과 메커니즘을 의미한다.
"Media Access Control"이라는 명칭은 MAC 계층이 수행하는 '공유 매체에 대한 접근을 제어하는 기능'을 잘 표현하고 있다.

 

MAC 계층은 전송 선로의 물리적인 특성을 반영하므로 LAN의 종류에 따라 특성이 구분되는데, 전송 방식이 점대점 혹은 브로드캐스팅인지의 여부, 호스트의 연결 구조, 유무선 환경 등의 차이점을 MAC 계층에서 처리하여 전송 효율을 높여준다. LAN 환경을 위한 MAC 계층은 종류가 다양한데, 공유 버스 방식을 지원하는 CSMA/CD 방식과 링 구조를 지원하는 토큰 링 방식이 대표적이다.

 

컴퓨터 네트워크가 가장 많이 사용하는 이더넷(ethernet)은 공유 버스를 이용해 호스트를 연결하는 CSMA/CD 방식을 지원한다. 이더넷에서는 데이터를 전송하기 전에 전송 선로를 먼저 확인해 다른 호스트의 데이터 전송 여부를 파악해야 한다. 다른 호스트가 전송 선로를 사용하고 있다면 정해진 정책에 따라 나중에 다시 시도해야 한다. 둘 이상의 호스트에서 동시에 데이터 프레임 전송을 시도하면 충돌이 발생한다. 충돌이 생기면 호스트는 이를 감지하여 복구 기능을 진행하고, 일정 시점이 지난 후에 재전송해야 한다.

 

토큰 링 방식은 점대점 연결의 순환 구조를 지원하며, 토큰이라는 특정 패턴의 제어 프레임이 링을 순환한다. 토큰 프레임은 1개만 사용되기 때문에 토큰 링 방식에서 충돌 현상은 발생하지 않는다. 전송된 프레임은 링을 한 바퀴 순환하여 송신 호스트로 되돌아오기 때문에 브로드캐스팅 방식을 지원한다.

 

LLC(Logical Link Control) 계층

Logical Link Control (LLC)이라는 명칭을 통해 계층의 주요 기능과 목적을 간략하게 먼저 알아보자.
Logical (논리적): LLC는 물리적인 매체와 직접적으로 연관되지 않고, 상위 계층과 하위 MAC 계층 사이의 논리적인 연결을 담당한다.
Link (링크): 두 네트워크 노드 간의 데이터 링크를 설정하고 관리하는 역할을 한다.
Control (제어): LLC는 데이터 흐름 제어, 오류 제어, 프레임 동기화 등 링크의 다양한 측면을 제어한다.
LLC의 주요 기능 : 상위 계층 프로토콜 식별 및 다중화/ 연결 설정, 유지, 종료/ 순서 제어 및 흐름 제어/오류 감지 및 복구
Logical Link Control(LLC)계층의 이러한 기능들은 모두 논리적인 수준에서 링크를 제어하는 역할을 수행한다.

 

LAN 환경에서 LLC 계층은 WAN 환경의 데이터 링크 계층과 기능이 유사하다. 송수신 호스트 사이의 프레임 전송 과정에서 물리적인 오류가 발생하면 이를 복구하는 작업을 한다. 따라서 데이터 변형, 데이터 분실 등에 관한 오류 제어와 송수신 호스트 사이의 속도 차이에 관한 흐름 제어 등의 기능이 필요하다.

LAN 종류에 따라 MAC 계층의 설계 형태가 영향을 받는 것처럼, LLC 계층도 LAN의 특성에 부분적으로 영향을 받을 수 있다. 

따라서 CSMA/CD에서 사용하는 LLC와 토큰 링에서 사용하는 LLC는 차이가 있을 수 있다.

CSMA/CD 방식의 LLC 계층은 프레임을 전송하는 과정에서 슬라이딩 윈도우 프로토콜을 사용한다.

반면 토큰 링이나 토큰 버스 구조에서는 송신 호스트가 수신 호스트 도움 없이, 보낸 프레임의 전송 오류를 검출하고 재전송하는 기능을 수행할 수 있어 슬라이딩 윈도우 프로토콜이 불필요하다.

 

LAN 표준안

국제 표준화 단체 IEEE에서 데이터 링크 계층과 관련된 LAN 표준안 연구 결과를 IEEE 802시리즈로 발표하였다.

IEEE 802.1 : 관련 표준안 전체 소개 및 인터페이스 프리미티브에 대한 정의

IEEE 802.2 : 데이터 링크 계층의 상위 부분인 LLC 프로토콜의 정의

IEEE 802.3 ~ : 물리 계층과 MAC 계층에 대한 내용을 주로 다룸

IEEE 802.3 : 이더넷으로 알려진 CSMA/CD 방식

IEEE 802.4 : 토큰 버스 방식

IEEE 802.5 : 토큰 링 방식

IEEE 802 시리즈의 계층 구조

LLC 계층의 기능은 LAN 종류에 큰 영향을 받지 않으므로 공통의 프로토콜인 IEEE 802.2 표준안을 사용한다. 그러나 MAC 계층은 물리 계층의 연결 방식과 구조에 따라 종류가 다양하므로 각각에 대하여 별도의 표준안이 정의되어 있다. 

위 그림의 계층 구조에 있는 CSMA/CD, 토큰 버스, 토큰 링의 IEEE 시리즈는 모두 유선 환경에 대한 표준안이다.

 

다중 접근 채널(Multiple Access Channel) 방식을 이용하여 공유 매체에 프레임을 전송하는 방식에서 충돌 문제 해결 방법 

1. 충돌 허용 : CSMA/CD(이더넷)

2. 충돌 회피 : 타임슬롯, 토큰(토큰 버스, 토큰 링)

 

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

이더넷으로 더 잘 알려진 CSMA/CD는 충돌을 허용하는 대표적 방식으로 충돌이 발생한 후에 문제를 해결한다.

충돌 허용 방식에서는 충돌로 깨진 프레임을 복구해야 하므로 프레임을 송신한 호스트에서 충돌을 감지하는 기능이 반드시 필요하다. CSMA/CD 방식에서 충돌이 자주 발생하면 오류 복구 과정에 따라 재전송도 많이 이루어져 동일한 프레임을 여러 번 재전송하는 과정을 반복하므로 네트워크 전체 성능이 떨어지게 된다. 일반적으로 공유 매체의 길이가 길수록 프레임의 전송 지연이 증가하여 충돌이 발생할 가능성도 높아진다.

 

공유 버스에서의 데이터 전송

위의 그림은 하나의 공유 버스에 호스트 5개가 연결된 LAN 환경을 가정하여 CSMA/CD 방식에서 데이터를 전송하는 원리는 보여준다. 

(a)와 같이 호스트 5가 호스트 1에 프레임을 전송한다고 가정하면 프레임을 전송하기 전에 먼저 다른 호스트가 공유 버스를 사용하고 있는지 확인해야 한다. 버스를 사용하고 있지 않다면 전송 프레임을 공유 버스에 보냄으로써, (b)와 같이 브로드캐스팅 방식으로 모든 호스트에 프레임을 전송할 수 있다. 호스트 5의 프레임 전송 과정에서 다른 호스트가 동시에 프레임 전송을 시도하면 충돌이 발생하므로 이 부분을 처리하는 기능이 필요하다.

전송 프레임은 버스 구조에 연결된 모든 호스트에 전송되기 때문에 (b)와 같이 프레임의 목적지가 아닌 호스트 2, 3, 4에 도착한다. 호스트 1을 제외한 나머지 호스트는 해당 프레임을 버린다. 해당 기능 지원을 위해 각 호스트에는 고유 주소가 할당되며, 전송 프레임 내부에는 수신 호스트 주소를 호스트 1로 지정한 후 프레임을 전송해야 한다. 호스트 1을 제외한 호스트에서는 프레임의 목적지 주소가 자신이므로 프레임을 수신한다. 

결과적으로 (c)와 같이 호스트 5에서 호스트 1까지 프레임을 올바르게 전송할 있다.

그러나 전송 과정에서도 충돌이 발생할 수 있는데, 충돌 발생 시 공유 버스의 물리적 기능으로 이를 인지하고, 각 호스트에 충돌을 통지한다. 충돌을 감지한 송신 호스트는 프레임 전송을 중단하고 오류 복구 절차를 진행한다.

 

 

토큰 버스 (Token Bus)

토큰 버스

토큰 버스 방식은 위의 그림과 같이 물리적으로 보면 공유 버스 구조(점선)로 연결되지만, 논리적인 프레임 전달은 링 구조(실선)이다.

토큰 버스에서는 데이터 프레임 전송이 호스트 사이에 순차적으로 이루어지도록 토큰이라는 제어 프레임을 사용한다.

데이터 프레임을 전송하려면 반드시 전송 권한을 의미하는 토큰을 확보해야 한다. 데이터 전송을 완료한 호스트는 이웃 호스트에게 토큰을 넘겨준다. 호스트가 이웃하는 순서는 물리적인 순서가 아닌 각 호스트의 고유 번호와 관련이 있다. 높은 번호부터 네트워크에 연결되고, 토큰 전달도 먼저 이루어진다.

모든 전송 과정은 논리적인 링의 순환 구조로 이루어지며, 공유 버스는 토큰 프레임과 데이터 프레임을 물리적으로 전송하는 수단만 제공한다.

 

 

토큰 링(Token Ring)

토큰 링

위 그림과 같은 순환 구조의 전송 매체와 점대점 방식으로 연결되는 링 인터페이스의 동작은 대기 모드와 전송 모드로 구분된다.

대기 모드에서는 입력단으로 들어온 비트를 출력단으로 즉시 내보낸다. 따라서 호스트가 다운되거나 기타 장애가 발생하면 대기 모드가 되어 네트워크의 동작에 영향을 주지 않는다. 대기 모드에서 인터페이스는 링 네트워크를 유지하는 역할만 수행한다.

전송 모드는 호스트가 토큰을 획득해 데이터 프레임을 전송할 수 있는 권한을 보유한 상태이다. 이때는 네트워크의 입력단과 출력단의 논리적인 연결이 끊어지는 대신 네트워크가 송신 호스트의 중개를 거쳐서 연결된다. 송신 호스트는 전송하고자 하는 데이터 프레임을 출력단을 통해 링으로 내보낼 수 있다. 이렇게 전송된 데이터는 링을 한 바퀴 순환하기 때문에 브로드캐스팅 전송을 지원한다.

토큰 링 방식에서는 송신 호스트가 전송한 프레임이 링을 한 바퀴 돌아 다시 송신 호스트에 되돌아오도록 설계한다. 이 과정에서 데이터 프레임의 수신 호스트 주소가 자신의 주소와 동일한 호스트는 해당 프레임을 수신하고, 프레임 내부의 특정 위치에 프레임을 정상적으로 수신했다고 표시한다. 송신 호스트는 자신에게 되돌아온 프레임의 특정 위치에 있는 값을 확인하여 프레임이 정삭적으로 전송되었음을 확인한 뒤, 데이터 프레임을 회수하고 토큰 프레임을 링에 반환한다.

 

 

참고 자료 :

쉽게 배우는 데이터 통신과 컴퓨터 네트워크 3판 - 박기현 지음