[정보통신공학] Ch07. Data Link Control Protocols

핵심 주제

• 흐름 제어 (Flow Control)
  • Stop-and-Wait 흐름 제어
  • Sliding-Window 흐름 제어
• 오류 제어 (Error Control)
  (ARQ: Automatic Repeat Request, 자동 재전송 요청 방식)
  • Stop-and-Wait ARQ
  • Sliding-Window ARQ
    • Go-Back-N ARQ
    • Selective-Reject ARQ
• 고급 데이터 링크 제어 프로토콜 (HDLC: High-Level Data Link Control)

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용어 정리

• Layer 2의 PDU(Protocol Data Unit) → "프레임(Frame)"
• 프레임 유형:
  • 데이터 프레임: L2 페이로드에 IP 패킷 포함
  • ACK 프레임: IP 패킷 없음 (확인 응답용)

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✅ 흐름 제어 (Flow Control)

• 송신자가 수신자의 처리 능력을 초과하지 않도록 하는 메커니즘
  → 버퍼 오버플로 방지

일반 흐름

1. 수신자는 최대 크기의 데이터 버퍼 할당
2. 수신 후 상위 계층으로 전달 전 처리 필요
3. 흐름 제어 없으면 버퍼가 가득 차서 데이터 손실 발생

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프레임 전송 모델

• L2 헤더에는 오류 없음, **L2 페이로드에서 CRC(FCS)**로 오류 감지 가능

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✅ 왜 데이터를 작은 블록으로 나누는가?

• 큰 블록은 작은 프레임들로 나눔
  이유:

1. 수신자의 버퍼가 작기 때문
2. 오류 발생 시 작은 프레임 단위로 빠르게 감지 및 재전송 가능
3. 공유 매체에서는 한 노드의 장시간 점유 방지

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✅ Stop-and-Wait 흐름 제어

• 가장 단순한 흐름 제어 방식
• 한 번에 하나의 프레임만 전송, ACK 수신 후 다음 프레임 전송
• 버퍼 불필요
• 큰 데이터가 여러 작은 프레임으로 나뉘면 비효율적

TX 절차

1. 프레임 전송
2. ACK 수신 대기
3. 수신 시 다음 프레임 전송

RX 절차

1. 프레임 수신 및 ACK 응답
2. 필요 시 ACK 지연으로 흐름 중단 가능

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Stop-and-Wait: 링크 활용도 계산

• 전송 시간: 1
• 전파 지연: a
  → a가 클수록 효율성 낮음

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✅ Sliding-Window 흐름 제어

• W개의 프레임을 동시에 전송 가능
• 수신자는 W개의 버퍼 확보
• 각 프레임에 시퀀스 번호 부여, modulo 2ᵏ 순환
  • 최대 번호 = 2ᵏ - 1
  • 예: k=3이면 시퀀스 번호는 0~7 반복

ACK 포함 내용: 다음 기대 시퀀스 번호
→ 누적 ACK 방식

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ACK 프레임 종류

• RRk (Receive Ready k): k-1까지 수신했으며, k번째 수신 준비 완료
• RNRk (Receive Not Ready k): k-1까지 수신했지만 이후 수신 불가
  → 정상 ACK 도착 시 재개

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Piggybacking

• 전이중 통신에서만 사용
• 데이터 프레임에 데이터+ACK 시퀀스 번호를 동시에 포함

3가지 경우:

1. 데이터 + ACK 모두 → 통합 전송
2. ACK만 → ACK 전용 프레임
3. 데이터만 → 마지막 ACK 포함하여 데이터 전송

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예제: Sliding-Window에서 W 계산

• F0~F6 전송, RR2 수신 → F0, F1 수신 확인
• F2~F6 = 아직 ACK 안 받은 프레임 = 5개
• 이후 5개 추가 전송 가능 → 총 10개 → W = 10

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슬라이딩 윈도우 구조 시각화

• 송신자 측: 전송 후 윈도우 후방 줄어듦, ACK 수신 시 전방 확장
• 수신자 측: 수신 후 후방 줄어듦, ACK 전송 시 전방 확장

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✅ 오류 제어 (Error Control)

기법설명

오류 검출	수신한 프레임 검사
긍정 응답 (ACK)	수신 성공 여부 통보
타임아웃 후 재전송	ACK 누락 시 재전송
부정 응답 (NACK)	오류 발생 시 즉시 재전송 요청

• 프레임 종류: 데이터 프레임, ACK 프레임
• 오류 종류:
  • 유실: 타임아웃 → 재전송
  • 손상: RX에서 프레임 폐기

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✅ ARQ: 자동 재전송 요청

• 신뢰성 없는 링크를 신뢰성 있게 만드는 방식
• 주요 유형:
  • Stop-and-Wait ARQ
  • Sliding-Window ARQ
    • Go-Back-N
    • Selective-Reject

목표: 손실 없이 순서대로 수신

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✅ Stop-and-Wait ARQ

• 한 프레임 전송 후 ACK 기다림
• 타임아웃 or 손상 시 재전송
• ACK 손상 시 중복 수신 방지 위해 0/1 교번 시퀀스 번호 사용

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Stop-and-Wait ARQ 시각도

• Send Window: 1
• Receive Window: 1
• 타이머 필요

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✅ Go-Back-N ARQ

• Sliding Window 기반, 가장 많이 사용됨
• 오류 없는 경우: RR or piggybacked ACK 수신
• 오류 발생 시:
  • RX는 오류 프레임 및 이후 프레임 모두 폐기
  • REJ 전송 → TX는 해당 프레임부터 전부 재전송
• TX는 단일 타이머 사용

윈도우 크기

• Send W = 2ᵏ – 1
• Receive W = 1

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✅ Selective-Reject ARQ (SR)

• Go-Back-N의 비효율을 개선
• 오류 프레임만 재전송
• 수신자는 out-of-order 프레임 버퍼링 가능해야 함

수신 응답

• 올바른 프레임 → 개별 ACK
• 오류 프레임 → SREJk (Selective Reject)

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SR의 장단점

장점단점

재전송 최소화 → 위성 링크에 적합	RX 버퍼 요구량 ↑
긴 지연 환경에 효율적	논리 복잡도 ↑

• Send/Recv W = 2ᵏ⁻¹
  → 이유: 중복 프레임 오인 방지

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✅ HDLC (High-Level Data Link Control)

• ISO 3009 / ISO 4335 표준
• 많은 링크 제어 프로토콜의 기반

통신국 유형

• Primary (주국)
• Secondary (종속국)
• Combined (혼합)

링크 구성

• Unbalanced, Balanced

동작 모드

• NRM (정상 응답 모드)
• ABM (비동기 대칭 모드)
• ARM (비동기 응답 모드)

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✅ HDLC 프레임 구조

• 비트 지향 동기 전송 사용
• 단일 프레임 형식으로 데이터/제어 모두 처리

필드설명

Flag	01111110 (시작/종료)
Address	다지점 통신 주소
Control	흐름/오류 제어 정보
Information	데이터 or 제어 정보
FCS	오류 검출용

프레임 유형:

• I: 정보 프레임
• S: 감독 프레임
• U: 번호 없는 제어 프레임

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비트 스터핑

• 데이터에 Flag 패턴 포함 시 혼동 방지
• 5개의 1 뒤에 0 삽입 (TX)
• 수신 시 0 제거
• 11이면 오류로 간주 → ABORT

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✅ HDLC 동작 단계

1. 연결 설정 (U-프레임)
2. 데이터 교환 (I/S 프레임)
3. 연결 해제 (U-프레임)