Local Area Network Overview

Local Area Networks (LANs)

• LAN의 기본요소 : 토폴로지, 매체, wiring layout, medium access control(mac) 프로토콜

LAN Topologies

• Station의 물리적 배치
• (a) 버스
• (b) 트리
• (c) 링 – closed loop
• (d) 스타 – center에 연결된 형태

Bus and Tree

• 버스를 확장하면 트리구조
• 버스를 연결하기 위해 탭이 필요 – t탭
• 하나의 매체를 통해 full duplex – 동시에 주고받음
• 매체를 통해 전파
• 한 군데에서 보내면 여러 군데에서 다 받음
• 터미네이터가 필요
• 터미네이터는 신호가 반사되지 않도록 신호를 흡수
• 트리는 버스를 합성한 것
• No closed loops
• 트리의 시작은 headend에서
• 모든 곳에서 다 수신

Frame Transmission on Bus LAN

• 목적지가 아니면 무시 맞으면 copy

Ring Topology

• 폐회로 루프 closed loop
• 리피터로 구성, 리피터를 통해서 스테이션이 연결
• 리피터는 신호를 복원
• 리피터와 리피터 사이의 연결은 point to point 연결
• 다양한 매체 사용가능(광섬유 가능)
• 광섬유는 분기하기 어려워 버스에서는 적합하지 않음
• 광범위하게 사용 중
• 단방향성
• Station이 repeater에 연결되어 있음
• 전송하는 단위는 프레임
• 프레임이 순환하며 모든 스테이션을 거침
• 목적지주소와 자기 자시의 주소가 같으면 리피터에서 카피해서 스테이션에 넘겨줌
• 프레임은 일반적으로 source가 제거
• Mac 프로토콜이 누가 링에 프레임을 삽입할 것인지 결정

Frame Transmission Ring LAN

Star Topology

• 하나의 센트럴 노드가 있고 여기에 다수개의 스테이션이 달라붙어 있는 것
• 각각의 스테이션은 공통의 central node에 연결
• Point to point 연결
• 링크가 두 개임 하나는 전송, 하나는 수신에 사용

Central node

• broadcast – 모든 곳에 다 보냄
• 내부적으로 버스 구조와 같음
• 한순간에는 하나만 전송가능 -> mac 프로토콜 필요
• 경우에 따라서 central node가 switch로 동작할 수 있음

Choice of Topology

• 사용되는 매체 (유선, 무선)
• Wiring layout
• Access control
• 고려해야 할 것 : 신뢰성, 성능, 확장성
• Central node의 신뢰성은 낮음 -> 중심 노드가 고장 나면 모두 영향을 끼침

Bus LAN Transmission Media

• Twisted pair(TP) – 음성급, 전송속도를 올리는 데는 바람직하지 않음
• Baseband 동축케이블 – 모듈레이션 사용하지 않음, 디지털 시그널링, 이더넷
• Broadband 동축케이블 – 모듈레이션 함 -> 신호가 아날로그로 바뀜, but 디지털 전송 방식 tv, 비쌈, 설치와 유지관리가 어려움
• 광섬유 – 장점 : 용량이 큼, 고속 가능, 신뢰성이 높음, 빛을 전송, 노이즈에 강함, 감쇠가 작음, 증폭기 없이도 멀리 보낼 수 있음, 신호의 퀄리티 보장, 가벼움
• 단점 : 태핑 하기가 어려움(분기하기 어려움) -> 버스구조에 적합하지 않음

Ring and Star Topologies

Ring

• 고속 가능
• 잠재적으로 좋은 처리량을 보임
• 링크 하나가 죽으면 전체 고장 -> 링 두 개 사용하여 해결

Star

• 빌딩에 적합
• 짧은 거리에 적합
• 스테이션 수를 적게 하면 고속 가능

Choice of Medium

• LAN의 토폴로지에 의해 제한을 받음
• 용량 – 네트워크의 트래픽양을 수용할 수 있는지
• 신뢰성
• 애플리케이션에 의존적
• 환경과 관련 있음

Media Available

• 이용가능한 매체
• UTP – 카테고리 5를 가장 많이 사용, 카테고리는 단위길이당 꼬은 수가 다름, 많이 꼬을수록 노이즈에 덜 민감
• STP/baseband coaxial
• Broadband cable
• 광섬유 – 도청하기 어려움, 빛 전송, 가벼움, 용량 큼 but 비쌈

LAN Protocol Architecture

• LAN은 공유 매체 사용
• 한 군데서 보내면 여러 군데에서 받아볼 수 있음
• LAN에서는 네트워크 layer가 필요 없음 routing필요 없음
• LAN의 프로토콜은 Physical layer, data link layer로 구성
• Upper layer
• Data link layer는 medium access control(mac, 매체 접속 제어)과 logical link control(llc)로 나누어짐
• 표준 : IEEE802
• Logical link control은 프로토콜이 하나
• Mac은 표준화되어 있는 것이 여러 개
• 매체에 따라 mac프로토콜이 다름
• Logical link control의 주요 기능 point to point 간의(이웃노드 간의) 신뢰성 있는 전송을 보장-에러컨트롤(CRC) 에러가 일어나면 재전송 요청
• Logical link control에서 다중화 일어남
• LLC Service Access Point(LSAP)

IEEE 802 Layer

Physical layer

• 비트를 신호로 바꿔서 보냄
• 신호를 인코딩/디코딩함
• Preamble을 만듦 – 동기를 맞추기 위한 것
• Bit를 전송/수신
• 전송매체와 토폴로지와 관련

Logical Link Control Layer (LLC)

• 하나
• Higher level과의 인터페이스 제공
• Flow, error control
• 에러는 crc이용
• Point to point 신뢰성 있는 전송 보장

Media Access Control

• 전송할 때는 데이터를 받아서 프레임을 만듦
• 프레임을 physical layer로 보냄
• 수신 측에서는 반대
• 공유매체에 접근해야 함
• 같은 LLC에 대해서 다수개의 MAC옵션이 있음

LAN Protocols in Context

• 하나의 레이어를 거칠 때마다 헤더가 달라붙음
• MAC 레이어에서는 트레일러도 붙음 – 에러를 감지하는 용도
• 헤더 : 그 레이어에서 하는 일을 정의
• 수신 측에서 헤더를 보고 해야 할 일을 함 -> 할 일을 다하고 나면 헤더는 빼고 보냄

Logical Link Control

• PDU(protocol data unit) : 전송하는 단위
• 스테이션 간에 PDU전송
• 다중 접근 지원, 공유 매체
• Service access point를 보고 접근

LLC Service

• HDLC (High level data link control)
• 세 종류의 프레임 타임
• Information : 사용자 데이터
• Supervisory : receive ready , receive not ready, reject, selective reject 컨트롤 정보 전송
• Unnumbered : 프레임의 넘버를 포함하지 않음, 처음 초기화할 때 사용
• Connection oriented service : 커넥션을 설정하고 데이터를 주고받음, 신뢰성이 높음, acknowledged 하는 것이 신뢰성 높음
• Connectionless service : 콜 셋업 과정 없이 데이터를 주고받음, 무조건 전송

LLC Protocol

• HDLC와 같다
• 제공하는 모드

Asynchronous balanced mode

• 동등한 입장에서 커뮤니케이션
• 내가 전송하고 싶을 때 상대방의 허락을 받지 않고 전송
• Type2

Unacknowledged connectionless service

• Unnumbered frame을 사용
• Type1

Acknowledged connectionless service

• 2개의 동작 필요
• Type3
• LLC에서는 다중화를 할 수 있음
• LSAPs

MAC Frame Format

MAC Protocol

• 자원을 공유
• 자원을 누가 언제 쓸지 결정할 수 있어야 함

Where(who)

• Centralized : 하나의 노드가 결정 권한 가짐, 중앙 노드만 복잡, central노드가 고장 나면 전체 고장
• Distributed : 각각의 노드가 결정 가능, 각각의 노드는 결정할 수 있는 알고리즘을 갖고 있어야 함, 복잡, 하나가 고장 나도 다른 곳은 영향받지 않음

How

• 동기 방식 : 자원을 규칙적으로 할당, 트래픽에 상관없이, 모든 노드가 항상 전송할 데이터를 가지면 제일 효율적인 방식
• 비동기 방식 : 요청에 의해 반응,
  • round robin : 쉬움, 폴링 방식, 전송할 데이터가 있으면 기회를 주고 없으면 넘어감, 전송할 데이터가 많으면 맥시멈 값을 정해 놓음
  • reservation : 예약을 받고 할당
  • contention : 경쟁해서 승리한 것이 자원을 사용

Asynchronous Systems

• Round robin : 각 스테이션이 교대적으로 기회를 갖는다.
• Reservation : 매체를 슬롯으로 할당해 놓고 슬롯을 예약해서 사용, stream traffic에 적합
• Contention : 모든 스테이션이 자원을 쓰기 위해 경합, bursty traffic에 적합, 구현을 쉬움, 헤비 트래픽에 적합하지 않음 - 충동률이 높아짐
• Stream traffic : 오랫동안 전송
• Bursty traffic : 짧은 시간 동안 많은 데이터 전송

MAC Frame Handling

• LLC에서 프레임을 내려보내면 MAC에서 맥헤더를 붙여서 physical layer로 넘겨줌
• PDU 전송 단위
  • MAC control
  • Destination MAC address
  • Source MAC address
  • LLC
  • CRC
• MAC layer는 에러를 감지하고 폐기
• LLC는 선택적으로 실패한 프레임을 재전송 요청

Bridges

• 같은 physical , link layer 프로토콜을 사용하는 네트워크 간의 연결하는 데 사용
• Layer2 장비
• 고속
• 프로세싱 오버헤드가 적어야 함
• 처리량을 최소화, 단순
• MAC format사이에 매핑
• Multiple LAN : 같은 프로토콜을 사용함에도 불구하고 LAN을 여러 개 구성
• 여러 LAN을 연결하는 데 사용하는 것이 bridge
• Bridge 사용하는 이유
  • 신뢰성
  • 성능
  • 보안 - 물리적으로 분리
  • 지역적인 위치

Bridge Function

• 두 개의 LAN을 연결하기 위해 bridge사용
• Address filtering기능
• 필요한 것만 받아 냄

Bridge Design Aspects

• 디자인 요구조건
• 프레임을 변경하면 안 됨
• 프로세싱 최소화
• No encapsulation
• 실시간으로 처리
• 버퍼링 link상태가 busy면 idle 할 때까지 기다림
• 최악의 조건을 고려해서 버퍼링 하는 용량을 결정해야 함
• 포워딩하기 위한 정보를 가지고 있어야 함
• 2개 이상의 LAN연결
• Transparent 함

Bridge Protocol Architecture

• IEEE802.1D 표준화
• MAC level
• LLC 필요 없음

Connection of Two LANs

• Bridge는 MAC까지만 있음

Bridges and LANs with Alternative Routes

• 사이클 생기지 않도록 해야 함 → 스패닝 트리 알고리즘
• 최소길이 최소비용 알고리즘

Fixed Routing

• Route가 고정됨 ⇒ routing table이 고정
• 단순
• 트래픽양이 일정, 안정
• 큰 변화가 일어났을 때 : 토폴로지가 변경됐을 때 변경됨
• 광범위하게 사용되지만 융통성이 없음

Spanning Tree

• Bridge는 자동적으로 routing table이 만들어짐
• 토폴리지가 변화되면 자동적으로 반응하여 routing table을 업데이트
• 세 가지 메커니즘
  • Frame forwarding
  • Address learning
  • Loop resolution

Frame Forwarding

• X를 통해 프레임이 왔음
• 목적지를 보고 어디로 보내야 하는지 결정해야 함
• 프레임 정보를 가지고 있지 않을 수도 있음
• 데이터베이스에 정보를 가지고 있는지 확인
• 정보가 없으면 브로드캐스트
• X를 제외하고 나머지를 브로드캐스트함
• Y 쪽으로 보내야 하면 문제가 없는지 체크 blocking, forwarding state
• Blocking이 되면 못 보냄
• Blocking이 돼있지 않을 때 보냄

Address Learning

Loop of Bridges

• Loop를 해결하기 위해 spanning tree사용

Interconnecting LANs-Hubs

• 기본적으로 star였음
• UTP 케이블 사용
• Repeater로 동작
• 거리는 100m
• 광섬유는 손실이 작기 때문에 500m
• 물리적으로는 star 토폴로지, 논리적으로는 bus
• 버스구조와 같이 동작
• 한 군데서 보내면 모두 받을 수 있음
• 두 개 이상의 스테이션이 동시에 전송하면 충돌이 발생

Two level Hub Topology

• 허브에는 두 종류
• Header hub, intermediate hub
• Dummy hub : 전송을 하면 무조건 위로 올라감, 자원을 비효율적으로 사용, 트래픽양 증가
• intelligent hub : 중간 hub에서 바로 내려올 수 있어야 함, 정보를 가지고 있음, 프로세싱해서 바로 포워딩

Buses, Hubs and Switches

• 한순간에 하나만 전송 가능
• Layer2 switch가 나옴
• 별도의 포트, 두 개 이상이 동시에 전송 가능
• 병렬적으로 전송 가능

Shared Medium Bus and Hub

• 스테이션 수가 늘어나면 각각의 스테이션 관점에서 전송할 기회가 줄어듦
• 두 개 이상 동시 전송 불가능
• Layer2 switch는 crossbar switch
• Multiple transmission가능
• 두 쌍 동시에 전송 가능

Layer 2 Switch Benefits

• 기존과 같이 MAC프로토콜 사용
• 원래 LAN이 가지는 dedicated capacity를 가질 수 있음
• 확장성이 좋음

Types of Layer 2 Switches

• 구현 방법

Store-and-forward switch방식

• switch에서 패킷을 받아 버퍼에 집어넣음
• 헤더를 프로세싱 후 스위치를 설정하여 전송
• 약간의 지연 발생

Cut-through switch

• 실시간
• 받으면서 실시간으로 처리
• 버퍼링 x
• 들어오는 속도에 맞게 처리 이루어져 output으로 포워딩
• 처리량이 높음
• 하드웨어에서 처리해야 함
• 단점
• 구현하기 어려움
• Bad frame이 전파됨

Layer 2 Switch vs Bridge

• Bridge는 소프트웨어적으로 처리, 프로세싱하고 포워딩, store-and-forward방식을 많이 사용
• Switch는 하드웨어적으로 처리, multiple frames 가능, cut-through방식을 많이 사용
• Layer 2 switch는 full-duplex hub, multiport bridge와 같이 동작, bridge의 기능을 가짐

A Partitioned Lan Configuration

• 여러 개의 작은 LAN으로 구성하는 이유
• 성능을 향상하기 위해
• 보안을 위해 – 보안성이 높은 것은 별도의 랜으로 구성하여 사용
• 지리적인 문제 때문에 충돌률이 높아지고 지연 발생\
• 물리적으로 떨어진 LAN을 소프트웨어적으로 같은 그룹으로 묶을 수 있음 : virtual LAN

Virtual LANs(VLANs)

• 하나의 LAN 안의 서브그룹
• 소프트웨어적으로 구성

A VLAN Configuration

• 물리적으로는 분리되어 있지만 같은 그룹

Defining VLANs

• Port group
• MAC address
• Protocol information
• 에 의해 묶임