[네트워크] #23 Mulitple Access Protocols (TDMA, FDMA, Slotted ALOHA, CSMA/CD, Polling protocol, Token passing)

목차

1. Multiple access links and Protocols
2. 채널 분할 방식
   1. TDMA
   2. FDMA
3.  Random access protocols
   1. Slotted ALOHA
   2. CSMA
   3. CSMA/CD
4. Taking turns
   1. Polling protocol
   2. Token passing

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1. Multiple access links and Protocols

네트워크 링크에는 점대점 링크와 브로드캐스트 링크의 두 가지 유형이 있음

노드에 의한 둥 이상의 동시 전송: 간섭

노드가 동시에 두 개 이상의 신호를 수신할 경우 충돌

Mulitple access protocol (다중접속 프로토콜)

노드가 채널을 공유하는 방법, 즉 노드가 전송할 수 있는 시기를 결정하는 분산 알고리즘

채널 공유에 대한 커뮤니케이션은 채널 자체를 사용해야 함

• 조정을 위한 대역 외 채널 없음
• OOB(out-of-band) 채널을 사용할 경우, 추가적인 오버헤드 발생

 

이상적인 Mulitple access protocol

Given: rate R bps의 브로드캐스트 채널

바람직한 특성

1. 하나의 노드가 전송을 원할 때 R 속도로 전송할 수 있음
2. M개의 노드가 전송을 원할 때, 각각은 평균 R/M의 속도로 전송할 수 있음
3. 완전 분산: 전송을 위한 특별한 노드 없음, 클럭, 슬롯 동기화 없음
4. 간단함

 

MAC(Media Access Control) protocols

Three broad classes:

• 채널 분할
  • 채널을 더 작은 조각으로 분할(시간 슬롯, 주파수, 코드)
  • 조각을 노드에 할당하여 전용으로 사용
• 랜덤 액세스
  • 채널이 분할되지 않음, 충돌 허용
  • 중돌로 인한 복구 필요
• 순서대로
  • 노드는 순서대로 돌아가지만 전송할 노드 수가 더 많으면 순서가 오래 걸림

 

각 방법의 장단점은 무엇일까?

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2. 채널 분할 방식

TDMA

Time Division Multiple Access

시분할 다중 액세스

• “rounds”에서 채널에 대한 액세스
• 각 스테이션은 각 라운드에서 고정 길이 슬롯(길이 = 패킷 전송 시간)을 얻음
• 사용하지 않는 슬롯이 유휴 상태로 전환

 

Example

6스테이션 LAN, 1,3,4 전송 패킷, 슬롯 2,5,6 유휴

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FDMA

Frequency Division Multiple Access

주파수 분할 다중 액세스

FDM with Time Domain

FDM with Frequency Domain

• 주파수 대역으로 구분된 채널 스펙트럼
• 각 스테이션에 고정 주파수 대역 할당
• 주파수 대역에서 사용되지 않는 전송 시간이 유휴 상태로 전환

 

Example

6 스테이션 LAN, 1,3,4 전송 패킷, 주파수 대역 2,5,6 유휴

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3. Random access protocols

노드에 보낼 패킷이 있는 경우

• 풀 채널 데이터 전송 속도 R로 전송
• 노드 간의 사전 조정 없음

 

둘 이상의 전송 노드 → 충돌

랜덤 액세스 MAC 프로토콜은 다음을 지정

• 충돌을 감지하는 방법
• 충돌로부터 복구하는 방법(예: 지연된 재전송

 

Examples

• slotted ALOHA
• ALOHA
• CSMA, CSMA/CD, CSMA/CA

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Slotted ALOHA

가정:

• 모든 프레임 동일 사이즈
• 동일한 크기의 슬롯으로 나누어진 시간
• 노드가 슬롯 시작만 전송하기 시작
• 노드가 동기화됨
• 슬롯에서 2개 이상의 노드가 전송되면 모든 노드가 충돌을 감지

 

작업:

• 노드가 새 프레임을 얻으면 다음 슬롯에서 전송
  • 충돌이 없는 경우: 노드는 다음 슬롯에서 새 프레임을 보낼 수 있음
  • 충돌하는 경우: 노드는 성공할 대까지 각 후속 슬롯에서 프레임을 prob.p와 함께 재전송함

C=Collision slot, E=Empty slot, S=Successful slot

장점

• 단일 활성 노드일 때 성능 좋음
• 간단함

 

단점

• 충돌, 슬롯 낭비
• 유휴 공간
• 클럭 동기화 필요

 

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CSMA

Carrier Sense Multiple Access

반송파 감지 다중 액세스: 전송하기 전에 듣기

• 채널 공회전 감지 시: 전체 프레임 전송
• 채널이 사용 중임을 감지한 경우 전송 연기

문제점

전파 지연으로 인해 두 노드가 서로 프레임을 전송하는 것을 감지하지 못하고 프레임을 전송하여 충돌 발생

한번 데이터를 보내기 시작하면 전체 프레임을 전송하므로 충돌이 발생했을 때 loss가 큼

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CSMA/CD

Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection

짧은 시간 내에 충돌을 감지하고 충돌 감지 시 각 노드가 전송을 중단함

충돌 감지:

• 유선 LAN에서 용이함: 신호 세기 측정, 송신, 수신 신호 비교
• 무선 LAN에서 어려움: 로컬 전송 강도에 압도된 수신 신호 강도

1. NIC(Network Interface controller)가 네트워크 계층에서 데이터그램을 수신하고 프레임을 생성
2. NIC에서 채널 유휴 상태를 감지하면 프레임 전송을 시작, NIC에서 채널이 사용 중임을 감지하면 채널 유휴 상태가 될 때까지 기다렸다가 전송
3. NIC가 다른 전송을 감지하지 않고 전체 프레임을 전송하는 경우 NIC는 프레임으로 완료됨
4. 전송 중 NIC가 다른 전송을 감지하면 전송을 중단
5. 중단 후 NIC가 이진 backoff:
   • n번째 충돌 후 NIC가 {0,1,2,…,2^𝑛-1} 중 하나의 시간을 대기 후 다시 프레임을 전송함
   • 충돌이 많을수록 백오프 간격이 길어짐

 

CSMA vs. CSMA/CD

CSMA의 경우 충돌이 발생해도 계속 데이터를 계속 보내서 loss가 큰 반면,

CSMA/CD의 경우 충돌 발생을 감지하면 데이터 보내는 것을 멈추므로 CSMA의 단점을 보완한 것임(loss 작음)

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4. Taking turns

Taking turns / token passing

Polling protocol

마스터 노드가 어떤 슬레이브 노드가 데이터를 보내게 할지 결정

단점:

• polling 오버헤드
• 대기 시간
• 단일 실패점(마스터 노드)

 

token passing

토큰 메시지가 한 노드에서 다음 노드로 순차적으로 전달됨

토큰을 받은 노드가 패킷을 보낼 수 있음