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

개념	다수 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

유형	개념도 / 흐름도	특징
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

개념	다수 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

유형	개념도 / 흐름도	특징
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

개념	노드 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

유형	개념도	특징
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 항목	임의 접근 프로토콜	제어 접근 프로토콜	채널화 프로토콜
매체 점유 방식	노드 간 경쟁	노드에 권한 할당	노드에 자원 할당
매체 점유 범위	전체 점유	전체 점유	일부 점유
매체 제어 주체	매체 제어 없음	권한 부여된 노드	기지국 등 중앙 제어
주요 표준	IEEE 802.3 / 802.11	IEEE 802.5	CDMA2000, IMT-2020
활용 기술	Ethernet, WLAN	FDDI, CDDI	DWDM, 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”