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컴퓨터네트워크

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📨 컴퓨터 네트워크

✔️ OSI 7계층

계층 이름 단위 주소 예시
1 물리 계층 (Physical Layer) 비트(bit)
2 데이터 링크 계층 (Data Link Layer) 프레임(frame) Physical HDLC, PPP, LLC
3 네트워크 계층 (Network Layer) 패킷(packet) Logical X25, IP
4 전송 계층 (Transport Layer) 세그먼트(segment) Port HDLC, PPP, LLC
5 세션 계층 (Session Layer) 메시지(message) Application-Specific
6 표현 계층 (Presentation Layer)
7 응용 계층 (Application Layer)

✔️ TCP/IP Protocol Suite

  1. Network Interface (Data Link): LAN, WAN과 관련된 기술; Ethernet, HDLC 등
  2. Internet (Network): 주소 지정, 경로 설정 등; IP, ARP 등
  3. Transport: 전송을 위한 프로토콜; TCP, UDP 등
  4. Application: 응용 프로그램에서 사용; HTTP, DNS, FTP 등

1️⃣ 물리 계층 (Physical Layer)

✔️ 다중화(Multiplexing)

  • 주파수 분할 다중화(FDM)
    • 주파수를 특정 길이만큼 쪼개어 나눠 사용하는 방식
    • 주파수 사이에는 간섭 방지를 위한 guard band가 필요
  • 시분할 다중화(TDM)
  • 코드 분할 다중화(CDM)

2️⃣ 데이터 링크 계층 (Data Link Layer)

✔️ Framing

  • 물리 데이터를 frame 단위로 끊기 위해서는 first bit이랑 last bit의 결정이 필요함
  • SYN과 ETX flag로 프레임의 시작과 끝을 알림
    • ⚠️ Body부분에 ETX와 같은 바이트가 나타나면 도중에 프레임이 끝난 것으로 오인할 수 있다.
      • → Byte-oriented: Escape character를 ETX byte 앞에 붙여서 전송
      • → Bit-oriented: Bit Stuffing을 이용하여 해결 (1이 연속되어 5개 나타나면 0하나 붙여서 전송하고, 반대로 receiver 쪽에서는 1이 5개 연속되어 나타나면 다음 비트 무시)

Ethernet Frame

✔️ Error Detection

  • VRC (Vertical Redundancy Check)
    • 7비트 + 1 패리티 비트로 구성 (ex. ASCII)
    • ex) 11101110 11101110 11101110 11101101
  • LRC (Longitudinal Redundancy Check)
    • VRC에 마지막에 row parities로 구성된 바이트 추가 (BBC; block control character)
    • ex) 11001111 10111011 01110010 01010011 01010101
  • CRC (Cyclic Redundancy Check)
    • 데이터를 어떤 divisor로 나눈 다음 그 나머지를 data 뒤에 붙여서 전송
    • Receiver측에서는 data + CRC를 같은 divisor로 나누어 나머지가 0인지 확인
    • CRC는 algebraic polynomial로 표현됨
    • CRC-16은 divisor가 17-bit 이며 HDLC에 사용
    • CRC-32은 divisor가 33-bit 이며 LAN에 사용

CRC

  • Checksum
    • Sender가 1의 보수를 취해 전송하면 Receiver 측에서는 checksum을 포함한 모든 비트가 0이 되는지 확인

✔️ Error Correction (ARQ)

  • ARQ: Automatic Repeat Request (자동 반복 요청)
  • Stop-and-Wait ARQ
    • 한 번에 frame을 하나씩 보내는 방식 (Sliding Window 존재 X)
    • 💡 Piggybacking: sender와 receiver가 서로 데이터를 주고받는 경우라면 data frame에 ACK 정보를 함께 실어 보내는 method

Stop & Wait ARQ

  • Go-Back-N ARQ
    • 어떤 프레임 하나가 손상되거나 도착하지 않은 경우 ACK를 받은 마지막 frame부터 모든 프레임을 재전송

Go-back-N ARQ

  • Selective Repeat ARQ
    • 손상되거나 사라진 프레임만 재전송

Selective-Repeat ARQ

✔️ Media Access Control

  • 여러 유저가 동시에 같은 채널을 사용하는 경우의 문제
    1. Fair among users
    2. High efficiency
    3. Low delay
    4. Fault tolerant
  • Random Access Protocols
    • CSMA (Carrier Sense Multiple Access)
      • Carrier Sensing: 전송 전에 매체가 사용중인지 확인
      • ⚠️ 감지 타이밍에는 매체가 비어있어도 그 이후 프레임이 도착해 충돌할 수 있다: 전파지연(propagation delay)가 존재하기 때문
    • CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)
      • 유선 Ethernet에서 사용
      • Binary Back-off 알고리즘
        • 충돌 발견시마다 jamming signal 전송 후 K ← K + 1
        • (0 ~ 2K - 1사이의 랜덤한 수) * (maximum propagation time or average transmission time) 만큼 기다린다
    • CSMA/CA (Carrier SenseMultiple Access with Collision Avoidance)
      • 충돌 감지가 어려운 무선 네트워크에서 사용
      • 채널이 idle 상태라고 여겨져도 잠시 기다린 뒤 전송을 진행
  • Controlled Access Protocols
    • Reservation
      • Frame이 mini-slot으로 쪼개져 전송할 데이터가 있으면 자신에게 할당된 slot에 데이터를 실어서 보내는 방법
    • Polling
      • Primary 스테이션이 존재. 데이터를 받을 준비가 되면 primary측에서 POLL signal을 보냄
      • Primary 스테이션에서 보낼 데이터가 있으면 SEL signal을 보냄: Selecting
    • Token passing
      • Ring 형태로 네트워크를 구성하고 token을 돌리는 방식

3️⃣ 네트워크 계층 (Network Layer)

✔️ Switching

  • Circuit Switching
    • 전체 메시지가 쪼개지지 않은 채로 source에서 destination까지 전송됨
    • ex) 전화선
  • Packet Switching
    • 메시지가 packet 단위로 쪼개져서 전송됨
    • Connectionless service
      • Forwarding decision을 destination address 기반으로 함
      • Routing table에 destination address - output interface 형태로 매핑
    • Connection-oriented service
      • Forwarding decision을 label로 함
      • Routing table에 port - label 형태로 매핑 (incoming / outgoing 따로)
      • → Setup와 teardown 존재, 일종의 virtual circuit을 만드는 개념

Packet Swtiching / connection-oriented

✔️ IP Address

  • Classful addressing
    • Class A - 시작 바이트: 0, 주소: 0~127
    • Class B - 시작 바이트: 10, 주소: 128~191
    • Class C - 시작 바이트: 110, 주소: 192~223
    • Class D - 시작 바이트: 1110, 주소: 224~239 → Milticating
    • Class E - 시작 바이트: 1111, 주소: 240~255 → Reserved
  • Subnetting
    • IP address AND Subnet Mask → Network address
    • ex) 141.14.72.24 AND 255.255.192.0 → 141.14.64.0
  • Classless addressing
    • Variable-length blocks
      • x.y.z.t/n
      • ex) 140.120.84.24/20 → 140.120.80.0/20
      • ⚠️ 2의 멱수로만 사용이 가능하다

✔️ IP

  • IP 에서의 패킷은 datagram이라 불림
  • 헤더는 20~60바이트의 크기임
  • ⚠️ Checksum은 header에 대해서만 해줌 (데이터는 전송 계층에서 처리)

IP Datagram format

✔️ ARP (Address Resolution Protocol)

  • Logical address를 물어보면 physical address를 알려주는 프로토콜
  • IP 주소와 함께 사용되며, LAN 등에서 사용
  • ARP request → broadcast
  • ARP reply → unicast

4️⃣ 전송 계층 (Transport Layer)

✔️ UDP (User Datagram Protocol)

  • 프로세스간 통신을 위해 포트를 제공
  • 8바이트 헤더로 고정 (Source port number, Destination port number, total length, checksum 각각 2바이트씩)

✔️ TCP (Transmission Control Protocol)

TCP segment format

  • Three-way handshaking
    • SYN → SYN+ACK → ACK의 순서로 커넥션 수림
    • FIN → ACK → FIN → ACK의 순서로 커넥션 종료
    • 동시에 (simultaneous) 커넥션 수립 시 SYN / SYN → SYN+ACK / SYN+ACK 2번만에 수립 됨

TCP Connection Flow

  • Flow Control

    • 상대의 수신 버퍼 상황을 고려하여 보내는 패킷의 양을 조절하는 것
    • Sliding Window
      • 윈도우 크기 : min(rwnd, cwnd) rwnd=Receiver window, cwnd: congestion window

  • Error Control

    • ACK 전송 기준
      1. Piggy back: 보낸 데이터가 있는 경우 데이터와 ACK를 함께 전송
      2. 보낼 데이터가 없는 경우 500ms time-out후에 ACK 전송
      3. Delayed ACK: 데이터가 많이 들어오면 timeout이 되지 않아도 ACK 전송
      4. 버퍼 중간에 gap이 생긴 경우 → 받은 제일 마지막 번호로 ACK 전송
      5. Filled: Gap이 다시 채워지면 ACK 전송
      6. 중복 데이터가 들어오면 ACK를 바로 전송

TCP Error Control

  • Congestion Control
    • Slow Start: 천천히 시작해서 exponentially하게 증가함
    • Congestion Avoidance: 천천히 증가시키다가 congestion 발생시 줄여나감

TCP congestion control

TCP congestion control example

7️⃣ 응용 계층 (Application Layer)

✔️ 대표적인 응용 계층 프로토콜

  • DNS: Domain Name Space
  • FTP: File Transfer Protocol
    • passive open & active open
    • Control process와 data transfer process의 분리
  • HTTP: Hyper Text Transfer Protocol

참고 자료

  • 한양대학교 데이터통신 수업 강의자료, 최진식 교수 (ITE3003)
    • 교재 - Data Communications and Networking 5/e, Behrouz A. Forouzan
  • 한양대학교 컴퓨터네트워크 수업 강의자료, 조인휘 교수 (ENE4019)
    • 교재 - TCP/IP Protocol Suite 4e, B.A. Forouzan