네트워크 프로토콜 이해: 물리 계층부터 고급 중재까지

개요

네트워크의 물리적 속성(신호 유형, 전압 레벨, 커넥터 핀아웃, 케이블링, 토폴로지) 외에도, 단순 2노드 포인트-투-포인트 링크에서도 여러 노드 간 통신을 관리하기 위한 명확하고 표준화된 방법이 있어야 합니다.

노드가 전송할 때, 그것은 배선에 신호를 부과합니다. DC 하이-로우 전압, 변조된 AC 반송파, 광섬유의 광 펄스 등 형태는 다양합니다. 다른 노드들은 이 신호를 수동적으로 모니터링합니다. 두 개 이상의 노드가 동시에 전송하면 출력이 충돌하여 데이터 스트림이 손상됩니다. 이 충돌이 규율 있는 중재 메커니즘, 즉 프로토콜이 필수적인 이유입니다.

프로토콜은 노드가 공유 매체에 어떻게, 언제 접근할 수 있는지를 지시합니다. 많은 프로토콜이 존재하지만, 각각 특정 네트워크 아키텍처와 목적을 수행합니다. 아래는 핵심 개념과 예시의 개요입니다.

OSI 참조 모델 (ISO DIS 7498)

국제 표준화 기구(ISO)는 디지털 통신에 필요한 기능을 분류하기 위해 7계층 모델을 정의했습니다.

• 1계층 – 물리: 와이어 유형, 커넥터 설계, 신호 레벨 등 전기적, 기계적 세부 사항 지정.
• 2계층 – 데이터 링크: 프레임 형식, 주소 지정, 오류 검출 및 정정 정의.
• 3계층 – 네트워크: 패킷 캡슐화 및 라우팅 처리.
• 4계층 – 전송: 종단 간 전달 및 흐름 제어 보장.
• 5계층 – 세션: 세션 설정, 유지, 종료 관리.
• 6계층 – 표현: 데이터 포맷, 문자 집합, 그래픽 변환.
• 7계층 – 응용: 사용자 지향 서비스 및 인터페이스 제공.

일부 프로토콜은 이 계층의 부분 집합만 다룹니다. 예를 들어 RS-232C는 물리 계층만 다루는 반면, X-Window 시스템은 모든 7계층을 아우릅니다. 다른 프로토콜은 물리 계층을 공유하지만 고수준 동작에서 다를 수 있습니다; RS-422A(포인트-투-포인트)와 RS-485(버스, 최대 32노드)가 이를 예시합니다.

중재 기법

단순 송신자 전용 방식

심플렉스 네트워크에서 단일 송신자가 데이터를 전송하고 다른 모든 노드는 수동적 수신자입니다. 'BogusBus' 예시가 이 원칙을 보여줍니다: 하나의 마스터 노드가 라인을 구동하고, 램프 구동 수신기들은 단순히 반응합니다.

반송파 감지 다중 접속 (CSMA)

여러 노드가 매체를 공유해야 할 때, CSMA는 전송 전 감시를 위한 규율 있는 방법을 제공합니다. 이는 프로토콜이라기보다 방법론이며 여러 변형으로 구현될 수 있습니다.

충돌 감지 (CSMA/CD)

이더넷에서 흔히 사용됨. 노드는 맑은 채널을 감지한 후에만 전송. 충돌 발생 시 각 노드는 랜덤 기간 동안 백오프 후 재시도.

비트 단위 중재 (CSMA/BA)

노드에 우선순위 번호 할당; 충돌 시 최고 순위 노드가 먼저 진행. 이는 인간 그룹의 계층적 의사결정을 반영합니다.

CSMA/CD와 CSMA/BA 모두 '비요청' 모드를 지원합니다. 어떤 노드든 매체가 유휴일 때 전송을 개시할 수 있습니다. '요청' 모드는 초기 전송을 마스터 노드의 요청으로 제한하며, 충돌 처리는 응답 노드에만 적용됩니다.

마스터/슬레이브 프로토콜

단일 마스터가 각 슬레이브에 독점적 시간 슬롯을 스케줄링하여 충돌을 완전히 제거합니다. 마스터가 각 노드를 이름으로 주소 지정하고, 전송 권한을 부여하며, 목록을 순차적으로 진행합니다.

토큰 패싱

각 노드가 전송 권한을 부여하는 가상 토큰을 수신. 완료되면 다음 노드에 토큰 전달. 전통적으로 링 토폴로지와 연관되지만, 토큰 패싱은 모든 네트워크 유형에서 작동합니다.

하이브리드 접근

Fieldbus는 마스터/슬레이브 스케줄링과 비스케줄 데이터용 토큰 패싱을 결합. 링크 액티브 스케줄러(LAS)가 슬레이브에 주기적 'Compel Data' 쿼리를 발행한 후, 자유 형식 트래픽을 허용하는 토큰을 분배. LAS는 활성 노드 라이브 리스트를 유지하고, 다른 노드가 LAS 책임을 맡을 수 있게 하여 이중화 지원.

레거시 및 특수 시스템

Honeywell의 1975년 Highway Traffic Director(HTD)는 별도 트위스트 페어 링크에서 포인트-투-포인트 마스터 개시 방식을 사용했으며, 초기 산업 제어 네트워크의 예시를 보여줍니다. 오늘날 기준으로는 원시적이지만, 전용 마스터-슬레이브 통신의 실행 가능성을 입증했습니다.

현대 네트워크에서 게이트웨이 장치는 이기종 세그먼트를 자주 연결합니다. 예: 마스터/슬레이브 플랜트 플로어 네트워크가 이더넷 LAN에 연결되고, 다시 FDDI 백본에 연결되어 서로 다른 프로토콜과 토폴로지가 원활하게 상호 운용됩니다.