다중 접근 프로토콜(Multiple Access Protocol)

I. 다중 접근 프로토콜의 필요성 및 분류

필요성
– 노드B와 노드C에서 노드A로 연결되는 공유 매체에서 발생 가능한 충돌을 방지/제어
– 타 사용자와 유/무선망 매체 공유 위해 데이터링크 계층에서 다중 접근 프로토콜 사용
분류
  • OSI 7 Layer 중 2계층에서 동작하는 다중 접근 프로토콜은 공유 매체의 효율적인 자원 할당을 위해 경쟁/비경쟁 및 중앙 제어 방식을 이용하여 임의 접근, 제어 접근, 채널화 프로토콜로 분류

 

II. 경쟁 방식 매체 공유, 임의 접근 프로토콜

가. 임의 접근 프로토콜(Random-access protocols)의 개념/특징

개념다수 노드가 공유 매체에서 프레임을 전송하기 위해 스케줄링 및 전송 순서 없이 충돌 감지 및 회피, 충돌 발생 시 재전송 하는 노드 간 경쟁 방식 프레임 전송 프로토콜
특징– 각 노드는 다른 노드의 간섭을 받지 않고 공유 매체에 접근할 권한 보유
– 노드에 프레임을 전송하기 위한 스케줄링이 없으며, 전송은 노드 사이에서 임의 발생
– 노드 간 프레임 전송 순서가 없으며, 각 노드는 공유 매체에 접근하기 위해 서로 경쟁
  • 매체 접근 가능 여부, 매체 busy 여부, 전송 성공/실패 여부, 충돌 발생 여부 확인 후 프로토콜 별 동작

나. 임의 접근 프로토콜의 유형

유형개념도 / 흐름도특징
ALOHA– 타 노드와 무관하게 프레임 전송, 충돌 허용
– 프레임 충돌 시 전송 실패 프레임 재전송
– pure ALOHA: 노드는 언제든지 프레임 전송
– slotted ALOHA: 타임슬롯 시작시 프레임전송
CSMA/CD– 프레임 전송 전 공유 매체 사용 여부 체크
– 프레임 전송 후 충돌 발생 여부 체크
– 충돌 시 재밍 신호 전송, Backoff time 대기
– IEEE 802.3 표준, 유선 이더넷 환경에서 사용
CSMA/CA– 프레임 전송 전 공유 매체 사용 여부 체크
– IFS 이후 매체가 idle 인 경우 프레임 전송
– 매체가 사용중인 경우 Backoff time 대기
– IEEE802.11 표준, 무선 이더넷 환경에서 사용
  • 무선 매체 사용 시 송수신 노드가 아닌 제3의 노드에서 신호 감지 불가로 인해 CSMA/CD 사용 불가

 

III. 비경쟁 방식 매체 공유, 제어 접근 프로토콜

가. 제어 접근 프로토콜(Controlled-access protocols)의 개념/특징

개념다수 노드가 공유 매체에서 프레임을 전송하기 위해 노드 간 협상하여 특정 노드에 프레임 전송 권한을 부여하는 비경쟁 방식 프레임 전송 프로토콜
특징– 프레임 전송 권한이 부여된 노드만 공유 매체에 프레임 전송 가능
– 다른 노드에 의해 프레임 전송 권한이 승인될 때까지 공유 매체에 프레임 전송 불가
  • 제어 접근 프로토콜은 어떤 노드에 프레임 전송 권한을 부여할지 선택하는 프로토콜

나. 제어 접근 프로토콜의 유형

유형개념도 / 흐름도특징
Reservation– 예약 프레임에 노드 수만큼 예약 슬롯 생성
– 프레임을 전송하기 전 미니 슬롯에 예약
– 예약 프레임 뒤에 데이터 프레임 전송 가능
– 예약된 노드 외 데이터 프레임 전송 불가
Polling– 하나는 주 노드, 다른 하나는 부 노드 지정
– 주 노드가 링크 제어, 부 노드는 지시 이행
– select: 주 노드 → 일반 노드로 프레임 전송
– poll: 일반 노드에서 주 노드로 프레임 전송
Token Passing– 노드가 고리 형태의 토폴로지를 구성
– 앞 노드는 뒤 노드로 프레임 전달
– 고리 내 토큰 보유한 노드가 공유 매체 사용
– IEEE 802.5 표준, FDDI, CDDI는 Token Ring

 

IV. 중앙 제어 매체 공유, 채널화 프로토콜

가. 채널화 프로토콜(Channelization protocols)의 개념/특징

개념노드 간 링크의 가용 대역폭을 주파수, 시간, 코딩 방식을 통해 중앙에서 제어하는 다중 접근 방식 프레임 전송 프로토콜
특징– 한정된 매체 용량을 다수 노드가 효율적으로 나누어 사용
멀티플렉서 기반 변조와 복조를 통해 프레임 전송 비용 절감

나. 채널화 프로토콜의 유형

유형개념도특징
FDMA– 넓은 대역폭을 다수 좁은 대역폭으로 분할
– 전송 매체를 각 주파수 대역으로 전송
– 송신측: 링크 대역폭을 분할하여 신호 변조
– 수신측: 필터 통해 부 채널 신호 구분, 복조
TDMA– 프레임을 일정한 시간 슬롯으로 분할 전송
– 하나의 회선을 복수 채널로 다중화
– 동기식: 할당된 타임슬롯 위치 고정 방식
– 비동기식: 할당된 타임슬롯 위치 조절 방식
CDMA– 여러 신호가 각기 다른 코드 시퀀스 부여
– 낮은 신호 스펙트럼, 다경로 페이딩에 유리
– 도청이나 간섭에 강인하여 보안성 향상
– 수신부 인코딩 코드 필요하며, 장치가 복잡
  • 위 프로토콜 외 공간분할(SDMA), 파장분할(WDMA)이 있으며, 직교주파수분할(OFDMA) 등으로 발전

 

V. 다중 접근 프로토콜 간 비교

비교 항목임의 접근 프로토콜제어 접근 프로토콜채널화 프로토콜
매체 점유 방식노드 간 경쟁노드에 권한 할당노드에 자원 할당
매체 점유 범위전체 점유전체 점유일부 점유
매체 제어 주체매체 제어 없음권한 부여된 노드기지국 등 중앙 제어
주요 표준IEEE 802.3 / 802.11IEEE 802.5CDMA2000, IMT-2020
활용 기술Ethernet, WLANFDDI, CDDIDWDM, LTE, 5G
  • 다중 접근 프로토콜의 세부 프로토콜은 각각 발전해왔으며, 여러 프로토콜을 혼합 사용, 효율성 향상
  • 고밀도 WLAN 환경에서 동일 채널 간섭 문제 해결을 위해 TDMA 알고리즘 사용, 무선망 품질 개선

 
[참고]

  • Mac Graw Hill, 이재광, “컴퓨터 네트워크”

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