데이터 통신(6장. LAN)

LAN

• LAN은 10 Km 이내의 데이터 처리 장치들을 연결하여 10 Mbps 정도의 속도를 제공해 주는 망을 말한다. LAN은 매체 공유와 브로드캐스팅에 의한 전송이라는 중요한 기술적인 특성을 가지고 있다. 이 두 가지 특성의 의미는 다음과 같다.
• 매체 공유 : 여러 스테이션들이 하나의 전송 매체를 공유하여 통신한다는 것을 의미한다.
• 브로트 캐스팅 : 한 스테이션이 전송한 데이터는 모든 스테이션들에게 전송된다는 것을 의미한다.
• LAN이 매체 공유의 특성을 가지고 있다는 것은 스테이션들의 매체 액세스(에 대한 체계적인 제어 기술이 필요하다는 것을 의미한다. 이와 관련 사용) 된 기법들에 대해서는 매체 액세스 제어에서 자세히 설명한다.
• 또한 브로드캐스팅에 기초한 데이타 전송을 한다는 것은 송수신 스테이션들의 중간에 데이터의 중계 및 교환 기능을 수행하는 장치가 필요하지 않다는 것을 의미한다. 이러한 특성은 WAN과 비교할 때 매우 큰 장점이 되는 것이다.
• 물론, 모든 LAN들이 다 위의 두 가지 특성들을 지니고 있는 것은 아니다. PABX(Private Automatic Branch eXchange)나 허브(hub)를 이용한 스타(star) 형태의 경우 각 스테이션들에게 전용선이 할당되며 일대일(1:1) 연결에 의해 데이터를 전송하는 방법을 취할 수도 있다. 그러나, LAN의 주류는 위에서 설명한 두 가지 특성을 기초로 하고 있다고 볼 수 있다.

전송 매체

• LAN에서 사용되는 전송 매체는 트위스티드 패어, 동축 케이블, 광섬유 등 세 가지이다. 이 전송 매체들에 대해서는 앞(1장. 전송 매체)에서 간단히 소개되었지만, 여기에서는 몇 가지 내용을 추가하여 설명하기로 한다.
•  트위스티드 패어 : 차폐 여부에 따라 STP(Shielded Twisted Pair)와 UTP(Unshielded Twisted Pair)로 나누어진다. STP는 꼬임 쌍(들) 위에 외부 전파 간섭 차단용 그물형 도선을 감싼 것이고 UTP는 이러한 도선을 감싸지 않은 것이다. 이들은 다시 아래의 표에서와 같이 여러 가지의 category로 나누어진다.
• 동축 케이블 : 대역폭의 크기에 따라 베이스밴드 동축 케이블과 브로드밴드 동축 케이블로 나누어진다. 보통 베이스밴드 케이블은 디지털 전송 방식을 사용하고 브로드밴드 케이블은 아날로그 전송 방식을 사용한다. 아래 표에서는 이들에 대하여 간단히 비교하고 있다.

• 광섬유 : 광 전송 방식에 따라 싱글 모드 광섬유와 멀티 모드 광섬유로 나누어진다. 싱글 모드 광섬유는 기본 모드의 빛만 통과시키며 멀티 모드의 광섬유는 여러 모드의 빛을 통과시킨다. 아래 표는 이들의 특징들을 간단히 비교하고 있다.

구분	싱글 모드	멀티 모드
반경	6-10 um	40-100 um
대역폭	수 GHz - 수십 GHz	수십 MHz - 수 GHz
제작 용이성	제작이 어려움	제작이 쉬움

토폴로지

• LAN에서 사용되는 토폴로지에는 아래 그림과 같은 버스형, 스타형, 링형, 트리형의 네 가지가 있다. 각각의 특징은 다음과 같다.
• 버스형 : 각 스테이션들을 연결해 주는 케이블이 버스 구조를 이룬다. 망의 구조가 간단하고 신뢰성이 좋으나 망의 거리에 제한이 따른다.
• 스타형 : 각 스테이션들이 전용의 선로를 통해 중앙의 제어기(예를 들면, PABX)에 연결된다. 망의 관리가 용이하고 일대일 연결 방식을 사용할 경우 고속 통신이 가능하나 망의 고장(failure)(예를 들어, 중앙 제어기의 고장)에 약하다.
• 링형 : 각 인접 스테이션들이 서로 연결되어 전체적으로 하나의 링 구조를 이룬다. 망의 거리에 제한이 적고 성능이 우수하나 망의 고장(예를 들어, 케이블 연결 장치(repeater)의 고장)에 약하다.
• 트리형 : 여러 버스형 케이블들이 전체적으로 하나의 트리 구조를 이룬다. 융통성 있는 망의 구조(layout)가 가능하나 망이 다소 복잡해질 수 있다.

전송 기법

• LAN의 전송 기법은 베이스밴드 방식과 브로드밴드 방식으로 나누어진다.
• 스테이션에서 전송로에 데이터를 내보낼 때 디지털 신호로 전송하는 방식이 베이스밴드 전송이다. 이 방식에서 전송로는 단일 채널로 사용되며 사용자 시스템은 간단한 기능의 트랜시버를 통해 전송로에 접속된다. 사용자 시스템에서 전송한 데이터는 양방향으로 전송된다.
• 스테이션에서 전송로에 데이터를 내보낼 때 아날로그 신호로 전송하는 방식이 브로드밴드 전송이다. 이 방식은 기존 CATV 망의 전송 방식을 그대로 이용하고 있고 있는 것으로 전송로는 다중 채널로 사용될 수 있으며 사용자 시스템은 모뎀(일명 RF (Radio Frequency) 모뎀)을 통해 전송로에 접속된다. 또한, 사용자 시스템에서 전송한 데이터는 아래 그림에서와 같이 headend라는 장치를 통해 중계된다. 전송 케이블은 single bus 형태로 구성될 수도 있고 dual bus 형태로 구성될 수도 있다.
• 참고로, 브로드밴드 전송 방식의 한 종류로, 데이타를 아날로그 신호로 전송하지만 전송 매체를 단일 채널(single channel)로 사용하는 방식을 carrier-band 전송이라 한다.

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매체 액세스 제어

• LAN에서는 여러 스테이션들이 하나의 전송로를 공유하고 있기 때문에 각 스테이션이 언제, 어떻게 전송 매체를 액세스 하여 데이터를 보낼 것인가가 제어되어야 하는데 이 일을 매체 액세스 제어라 한다.
• LAN의 매체 액세스 제어(Medium Access Control : MAC) 기법은 크게 CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) 방식과 토큰 패싱 (token passing) 방식으로 나누어진다. 각각의 특징은 다음과 같다.
• CSMA/CD : 각 스테이션들이 전송 매체에 경쟁적으로 데이터를 전송한다. 따라서, 전송된 데이터는 전송 동안에 다른 스테이션의 데이터와 충돌할 수 있다. 구현은 토큰 패싱에 비해 비교적 간단하다고 말할 수 있다.
• 토큰 패싱 : 각 스테이션들이 순서적으로 데이터를 전송한다. 따라서, 전송 도중에 충돌이 생기는 일은 발생하지 않는다. 구현은 CSMA/CD보다 복잡하다. 이 방식은 적용되는 토폴로지에 따라 다시 두 가지로 나누어진다. 링 토폴포로지를 위한 토큰 링과 버스 토폴로지를 위한 토큰 버스가 바로 그것이다.
• 이어서 각 기법의 동작 원리에 대해서 설명한다.

CSMA/CD

• CSMA/CD의 동작 원리를 설명하면 다음과 같다.
• 데이터를 전송하고자 하는 스테이션은 전송 매체가 idle한지를 검사한다.
• 전송 매체가 idle하면 전송하고 busy이면 일정 시간 대기후 재시도한다.
• 데이터 전송 동안에는 충돌이 발생하는지를 검사한다.
• 충돌이 발생하면 일정 시간 대기후 재전송한다.

토큰 패싱

• 토큰 패싱 기법의 토큰 링과 토큰 버스는 기본적으로 그 동작 원리가 동일하다. 하지만, 세부적으로는 약간 차이가 있기 때문에 각각 별도로 설명한다.
• 먼저, 토큰 링의 동작 원리를 설명하면 다음과 같다.
• 토큰이 링을 따라 순환한다.
• 데이터를 전송하고자 하는 스테이션은 토큰 확보 후 데이터를 전송한다.
• 다른 스테이션들은 전송되고 있는 데이터의 목적지 주소를 확인하여 자신의 주소와 일치하면 그 데이터를 자신에게로 복사한다.
• 데이터가 링을 순환하여 돌아오면 링에서 제거한다.
• 데이터 전송 확인 후 토큰을 링에 방출한다. (참고로, 데이터를 링에 전송한 후에 곧바로 토큰을 링에 방출할 수도 있는데 이러한 방식을 'early-release'라 한다.)

CSMA/CD LAN의 물리 계층 규격

• CSMA/CD LAN의 물리 계층 규격은 보통 10BASE5, 10BASE2, 1BASE5 등 'n BASE/BROAD m'으로 나타낸다. 여기에서 n, BASE/BROAD, m 등의 의미는 다음과 같다.
• n : Mbps 단위의 데이터 전송 속도를 의미한다.
• BASE, BROAD : 전송 방식을 나타낸다. BASE는 베이스밴드 전송 방식을 사용함을 나타내며 BROAD는 브로드밴드 전송 방식을 사용함을 나타낸다.
• m : m이 숫자일 경우 100 m 단위의 최대 케이블 세그먼트 길이를 나타낸다. 만약 m이 숫자가 아니고 T 또는 F일 경우 각각은 Twisted pair, optical Fiber를 전송 매체로 사용함을 나타내며 이 때 각각의 최대 케이블 세그먼트 길이는 100 m와 1~2 Km이다.
• 참고로, 10BASE2의 정확한 최대 세그먼트 길이는 185 m이며, 1BASE5 규격에서 최대 세그먼트 길이가 250 m로 표시되고 있는 것은 star 토폴로지의 중앙 제어기로부터 하나의 사용자 시스템까지의 거리(즉, 전체 길이의 1/2)만을 나타내고 있기 때문이다.

허브

• 허브라는 장치는 주로 Ethernet에서 본래 몇 개의 사용자 장치들을 묶어서 LAN의 한 부분에 접속시키기 위한 장치로 사용되어 왔는데 현재에는 Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet 등에서 LAN을 구성하는 중심 장치로 부상하였다. 이러한 허브는 크게 단순 허브와 스위칭 허브로 나누어 볼 수 있다.
• 단순 허브 : 멀티 포트 리피터 수준의 허브를 말하는데 외형적으로 스타 토폴로지 망을 구성해 주며 내부적으로는 버스 토폴로지 망처럼 작동한다. 이 경우 사용자 시스템들은 하나의 매체를 공유하고 있는 것과 같은 상태가 되며 모든 데이터는 허브에 의해 브로드캐스팅된다. 따라서, 공유 허브(shared hub)라고도 하며 하나의 허브가 10 Mbps의 전송 속도를 지원한다고 할 때, 사용자 장치들이 N 개라면, 이 장치들에게는 평균적으로 대략 10/N Mbps의 속도가 제공된다.
• 스위칭 허브 : 기존의 교환기와 기능이 비슷하며 아래 그림에서처럼 외형적으로 스타 토폴로지 망을 구성해 주며 내부적으로도 스타 토폴로지 망으로 작동한다. 즉, 사용자 시스템들 간에 일대일(1:1) 연결에 의해 통신이 이루어지도록 한다. 따라서, 지능형 허브(intelligent hub)라고도 하며 각 사용자 장치들에게 10 Mbps의 전송 속도가 제공되도록 하려면 허브는 사용자 장치들의 갯수(N) 만큼의 용량(N x 10 Mbps)을 확보해야 한다

연결 장치

• LAN에서 두 개 이상의 전송 선로들을 서로 연결하여 하나의 전송 선로처럼 작동하도록 하거나 서로 독립적인 LAN 세그먼트들 간을 연결해서 서로 통신할 수 있도록 해야 할 경우가 있는데 이러한 각각의 경우를 위한 장치가 바로 리피터와 브리지이다.

브리지

• 브리지에서는 한 세그먼트를 통해서 들어온 데이터가 항상 다른 모든 반대편 세그먼트들에게로 forwarding 되지는 않는다. 브리지가 데이터를 forwarding 하는 방법은 다음과 같은 3 가지로 나누어진다.
• 첫째, 데이터의 수신 측이 송신 측 세그먼트에 속하는 경우 아무 세그먼트에게로도 forwarding하지 않는다.
• 둘째, 데이터의 수신 측이 송신 측 세그먼트 외의 어느 한 세그먼트에 속하는 경우 이 세그먼트에게로만 forwarding 한다. 데이터의 수신 측이 송신 측 세그먼트에도 속하지 않고 또 다른 세그먼트들에도 속하지 않은 경우 송신 측 세그먼트 외의 다른 모든 세그먼트들에게로 forwarding 한다.
• 셋째, 데이터의 수신 측이 송신 측 세그먼트에 속하지 않고 브리지에 연결된 또 다른 세그먼트들에게도 속하지 않은 경우 송신 측 세그먼트 외의 다른 모든 세그먼트들에게로 forwarding 한다.