반송파 감지 다중 접속

반송파 감지 다중 접속의 핵심은 네트워크 매체의 상태를 지속적으로 모니터링하여 데이터 전송 시점을 결정하는 반송파 감지 메커니즘에 있다. 이 메커니즘은 네트워크 상에서 충돌을 최소화하고 다수의 노드가 공유 매체를 효율적으로 사용할 수 있도록 한다.

반송파 감지 메커니즘은 크게 두 가지 상태로 구분된다. 첫째는 '감지' 상태로, 노드는 데이터를 보내기 전에 통신 채널이 사용 중인지(사용 중인 신호, 즉 반송파가 존재하는지) 확인한다. 채널이 사용 중이면 노드는 전송을 지연시킨다. 둘째는 '전송' 상태로, 채널이 일정 시간 이상 유휴 상태로 감지되면 노드는 자신의 데이터 프레임을 전송한다. 이때, 여러 노드가 동시에 채널이 유휴 상태라고 판단하여 전송을 시작하면 충돌이 발생한다.

감지 방식은 다시 '지속적'과 '비지속적'으로 나뉜다. 1-지속 CSMA에서는 노드가 채널이 유휴 상태가 될 때까지 계속 기다린 후, 즉시 전송을 시도한다. 비지속 CSMA에서는 채널이 사용 중일 경우, 노드는 무작위 시간 동안 대기한 후 다시 감지 절차를 반복한다. p-지속 CSMA는 채널이 유휴 상태일 때, p의 확률로 즉시 전송하고, (1-p)의 확률로 다음 시간 슬롯까지 전송을 지연시키는 하이브리드 방식을 사용한다[1].

반송파 감지 다중 접속 방식에서 여러 단말이 동시에 전송을 시도하면 데이터 충돌이 발생한다. 충돌은 전송된 데이터가 손상되어 수신 측에서 올바르게 해석할 수 없게 만든다. 따라서 충돌을 감지하고, 감지된 충돌을 처리하며, 가능하면 충돌 자체를 사전에 회피하는 메커니즘은 CSMA의 핵심 성능 요소이다.

충돌 감지는 주로 유선 이더넷 환경에서 사용되는 CSMA/CD 방식의 특징이다. 송신 장치는 데이터를 보내는 동시에 매체의 신호를 모니터링한다. 만약 자신이 보낸 신호와 매체에서 감지된 신호 사이에 불일치(예: 전압 수준의 변화)가 발견되면, 이는 다른 송신과의 충돌이 발생했음을 의미한다. 충돌이 감지되면 송신은 즉시 전송을 중단하고 재전송 백오프 알고리즘을 실행한다. 이 알고리즘은 각 장치가 무작위의 시간 동안 대기한 후 재전송을 시도하도록 하여, 동일한 장치들이 계속 충돌하는 상황을 방지한다.

반면, 무선 환경에서는 충돌을 신호 수준으로 직접 감지하기 어렵기 때문에 사전에 충돌을 회피하는 CSMA/CA 방식을 주로 사용한다. 주요 회피 메커니즘은 다음과 같다.

• DIFS 대기: 데이터를 전송하기 전에 지정된 시간(예: DIFS) 동안 매체가 유휴 상태인지 확인한다.

• RTS/CTS 핸드셰이크: 큰 데이터 프레임을 보내기 전에 짧은 제어 프레임(RTS와 CTS)을 교환하여 주변 장치들에게 예정된 전송 시간을 알린다. 이 동안 다른 장치들은 전송을 자제한다.

• NAV: RTS/CTS 프레임에 포함된 전송 예상 시간 정보를 듣고, 각 장치는 자신의 NAV(Network Allocation Vector) 타이머를 설정하여 그 시간 동안 매체 접근을 연기한다.

이러한 충돌 감지 및 회피 메커니즘은 매체 접근의 공정성을 유지하고, 네트워크 효율을 최대화하며, 데이터의 신뢰성 있는 전달을 보장하는 데 기여한다.

CSMA/CD는 반송파 감지 다중 접속 방식 중 하나로, 유선 네트워크에서 데이터 충돌을 감지하고 처리하는 메커니즘이다. 이 방식은 주로 초기 이더넷 표준인 10BASE5와 10BASE2 같은 공유 매체 네트워크에서 널리 사용되었다. CSMA/CD의 핵심은 충돌 감지와 재전송 절차에 있다.

동작 과정은 다음과 같다. 먼저, 송신 노드는 데이터를 보내기 전에 매체가 사용 중인지 감지한다(반송파 감지). 매체가 유휴 상태이면 즉시 전송을 시작한다. 전송 중에도 노드는 자신이 보낸 신호를 계속 모니터링하여 다른 노드의 전송과 충돌이 발생했는지 확인한다. 만약 충돌을 감지하면, 즉시 전송을 중단하고 재충돌을 방지하기 위해 모든 노드에게 충돌 발생을 알리는 재밍 신호를 보낸다. 이후, 각 노드는 이진 지수 백오프 알고리즘에 따라 무작위 대기 시간을 계산한 후 재전송을 시도한다[3].

CSMA/CD의 주요 특징과 제약 사항은 아래 표와 같다.

이 방식은 구현이 비교적 단순하고 효율적이어서 초기 LAN 기술의 발전에 기여했다. 그러나 전이중 통신 방식과 스위치 기반의 스타형 토폴로지가 보편화되면서, 충돌 자체가 발생하지 않는 환경이 조성되었다. 이로 인해 기가비트 이더넷 이상의 고속 네트워크에서는 CSMA/CD가 사실상 사용되지 않게 되었다.

CSMA/CA는 충돌 회피를 목표로 설계된 반송파 감지 다중 접속 방식이다. 이 방식은 주로 무선 네트워크 환경에서 사용되며, 유선 환경의 CSMA/CD와 달리 전파 특성상 충돌을 감지하기 어렵기 때문에 사전에 충돌을 피하는 절차를 도입한다.

CSMA/CA의 핵심 동작은 데이터 전송 전에 채널이 사용 가능한지 확인하고, 일정 시간 대기한 후 전송하는 것이다. 구체적인 절차는 다음과 같다. 먼저, DIFS라는 시간 동안 채널이 유휴 상태인지 감지한다. 채널이 유휴 상태이면, 송신자는 0부터 특정 경쟁 창 사이의 무작위 값으로 백오프 타이머를 설정한다. 타이머는 채널이 유휴 상태일 때만 감소하며, 0이 되면 데이터 프레임을 전송한다. 만약 채널이 사용 중이 되면 백오프 타이머는 정지하고, 채널이 다시 유휴 상태가 된 후에도 남은 DIFS 시간 동안 기다린 후에야 타이머가 다시 감소하기 시작한다.

무선 환경에서는 숨은 터미널 문제가 발생할 수 있어, 이를 완화하기 위해 RTS/CTS 핸드셰이크 절차를 선택적으로 사용한다. 송신자는 데이터 전송 전에 짧은 RTS 프레임을 보내 통신 의사를 알린다. 수신자는 이에 응답하여 CTS 프레임을 브로드캐스트함으로써 주변 노드들에게 데이터 전송이 예정됨을 알린다. 이로 인해 주변 노드들은 NAV라는 가상의 채널 점유 시간 정보를 설정하여 해당 시간 동안 전송을 자제하게 되어 충돌 가능성을 줄인다.

이 방식은 충돌을 완전히 제거할 수는 없지만, 무선 채널의 특수한 조건 하에서 네트워크 혼잡을 관리하고 공정한 채널 접근 기회를 제공하는 데 효과적이다.

p-지속 CSMA는 반송파 감지 다중 접속 방식의 한 변형으로, 채널이 사용 중인지 감지한 후의 행동을 확률적 매개변수 p에 기반하여 결정한다. 이 방식은 1-지속 CSMA와 비지속 CSMA의 절충안으로 설계되었다. 채널이 사용 중이지 않을 때, 노드는 p의 확률로 즉시 전송을 시작하고, (1-p)의 확률로 전송을 지연시킨다. 이 지연 시간은 일반적으로 하나의 전파 지연 시간 단위이다.

p-지속 CSMA의 동작 절차는 다음과 같다. 먼저, 송신하려는 노드는 채널을 감지한다. 채널이 사용 중이면, 노드는 채널이 유휴 상태가 될 때까지 계속 감지하며 기다린다. 채널이 유휴 상태가 되면, 노드는 미리 설정된 확률 p(0 < p ≤ 1)에 따라 동작한다. p의 확률로는 즉시 프레임을 전송하고, (1-p)의 확률로는 짧은 시간(보통 최대 전파 지연 시간)만큼 대기한 후 다시 채널 상태를 확인한다. 이 대기 시간 동안 다른 노드가 전송을 시작하면, 해당 노드는 다시 채널이 사용 중임을 감지하고 대기 상태로 돌아간다.

이 방식의 성능은 확률 p의 값에 크게 의존한다. p 값이 1에 가까우면 동작은 1-지속 CSMA와 유사해져서, 채널이 유휴 상태가 되자마자 여러 노드가 동시에 전송을 시도할 가능성이 높아져 충돌 확률이 증가한다. 반대로 p 값이 너무 작으면, 채널이 유휴 상태임에도 불구하고 노드들이 전송을 지연시켜 채널 활용도가 낮아지고 지연 시간이 증가할 수 있다. 따라서 네트워크의 부하 상태에 맞게 p 값을 적절히 조정하는 것이 성능 최적화의 핵심이다.

p-지속 CSMA는 주로 시간이 슬롯으로 구분된 채널 환경에서 사용된다. 각 노드의 전송 시점은 슬롯의 시작점에 맞춰지며, 전송 결정은 각 슬롯의 시작 시점에서 이루어진다. 이는 ALOHA 프로토콜의 슬롯화 개념과 결합된 형태로 볼 수 있다. 이 방식은 네트워크 트래픽 부하가 중간 정도일 때, 1-지속 CSMA의 과도한 충돌과 비지속 CSMA의 불필요한 지연 사이에서 균형 잡힌 성능을 제공할 수 있다.

이더넷은 CSMA/CD 방식을 기반으로 하는 가장 대표적인 유선 근거리 통신망 기술이다. IEEE 802.3 표준으로 정의되며, 초기에는 동축 케이블을 사용했으나 현재는 트위스티드 페어 케이블과 스위치가 주류를 이룬다. 이더넷의 매체 접근 제어 계층은 CSMA/CD 알고리즘을 핵심으로 채택하여, 여러 장치가 공유 매체에 접근할 때 발생하는 충돌을 관리한다.

이더넷 네트워크에서 데이터 프레임을 전송하려는 노드는 먼저 매체가 유휴 상태인지 감지한다. 매체가 사용 중이면 전송을 지연하고, 유휴 상태가 되면 즉시 전송을 시작한다. 전송 중에도 지속적으로 매체를 감시하여 다른 노드의 전송과 충돌이 발생했는지 확인한다. 충돌이 감지되면 전송을 중단하고 재전송 백오프 알고리즘에 따라 임의의 시간 동안 대기한 후 재전송을 시도한다. 이 과정을 통해 공유 매체 환경에서의 공정한 접근이 보장된다.

이더넷의 진화는 CSMA/CD의 적용 범위와 물리적 계층의 변화를 동반했다. 주요 발전 단계는 다음과 같다.

현대의 스위치 기반 이더넷에서는 노드와 스위치 포트 간의 전용 연결이 일반적이므로 전이중 통신이 가능하며, CSMA/CD는 더 이상 활성화되지 않는다. 그러나 이 프로토콜은 이더넷의 역사적 기반이자 표준의 일부로 남아 있으며, 하위 호환성을 위해 지원된다.

무선 LAN 표준인 IEEE 802.11은 CSMA/CA 방식을 핵심 매체 접근 제어 프로토콜로 채택하여 채널 접근을 관리한다. 유선 환경의 CSMA/CD와 달리, 무선 환경에서는 모든 노드가 서로의 전송을 감지할 수 없는 숨은 터미널 문제가 존재하고, 충돌 신호를 정확히 감지하기 어렵기 때문에 충돌을 사전에 회피하는 CSMA/CA 접근법이 필수적이다.

IEEE 802.11의 CSMA/CA 동작은 크게 두 가지 모드로 구분된다. 첫 번째는 DCF 모드로, 모든 무선 단말이 경쟁을 통해 채널에 접근하는 기본적인 방식이다. 전송 전에 채널이 비어 있는지 일정 시간 동안 감지하고, 임의 백오프 시간을 설정하여 전송 시점을 분산시킨다. 두 번째는 PCF 모드로, 액세스 포인트가 중앙 조정자 역할을 하여 폴링 방식으로 단말들에게 전송 기회를 부여하지만, 실제 널리 구현되지는 않았다.

구체적인 절차는 다음과 같다. 데이터를 전송하려는 단말은 먼저 DIFS 동안 채널이 유휴 상태인지 확인한다. 채널이 사용 중이면 백오프 타이머를 설정하고 대기한다. 채널이 유휴 상태가 되면 타이머가 감소하기 시작하며, 타이머가 0이 되었을 때 채널이 여전히 유휴 상태여야만 데이터 프레임을 전송한다. 수신 측은 SIFS라는 더 짧은 간격 뒤에 ACK 프레임을 보내 전송 성공을 확인한다. 이 과정에서 RTS/CTS 핸드셰이크 절차를 선택적으로 사용하여 숨은 터미널 문제를 추가로 완화할 수 있다.

이러한 메커니즘을 통해 IEEE 802.11은 여러 무선 단말이 공정하게 공유 매체를 사용할 수 있도록 하며, 무선 환경의 고유한 제약을 극복하고 효율적인 통신을 가능하게 한다.

반송파 감지 다중 접속 방식의 성능은 주로 처리량과 지연 시간이라는 두 가지 지표로 평가된다. 처리량은 단위 시간당 성공적으로 전송된 데이터의 양을 의미하며, 지연 시간은 데이터 프레임이 전송을 시도하기 시작한 순간부터 성공적으로 전송이 완료되기까지 걸리는 시간을 가리킨다. 이 두 지표는 네트워크 부하, 즉 프로토콜 데이터 유닛의 도착률에 크게 의존한다.

네트워크 부하가 낮을 때는 충돌이 거의 발생하지 않아 처리량은 부하에 비례하여 선형적으로 증가하고, 지연 시간도 짧게 유지된다. 그러나 부하가 임계점을 넘어서면 충돌 빈도가 급격히 높아지기 시작한다. 이로 인해 성공적인 전송보다 재전송 시도가 더 많아져, 실제 유효 처리량은 오히려 감소할 수 있다. 지연 시간 또한 충돌 후의 백오프(Backoff) 시간과 재전송 대기 시간으로 인해 기하급수적으로 증가하는 경향을 보인다.

CSMA 방식의 최대 처리량은 사용되는 변형에 따라 달라진다. 예를 들어, CSMA/CD를 사용하는 전통적인 이더넷의 최대 이론적 처리량은 채널 용량의 약 30~40% 수준으로 알려져 있다[6]. 반면, CSMA/CA를 사용하는 무선 LAN은 RTS/CTS 핸드셰이크와 같은 추가적인 오버헤드로 인해 이론적 효율이 더 낮을 수 있다. 지연 시간은 평균값뿐만 아니라 변동성(지터)도 중요한 평가 요소가 된다.

성능을 최적화하기 위해 백오프 알고리즘의 조정(예: 지수 백오프), 프레임 크기의 최적화, 물리적 계층의 전송 속도 향상 등의 방법이 사용된다. 근본적으로 CSMA는 경쟁 기반 방식이므로, 부하가 매우 높은 환경에서는 시분할 다중 접속이나 토큰 패싱과 같은 비경쟁 방식에 비해 처리량과 지연 시간 성능이 열위에 있을 수 있다.

충돌 확률은 네트워크에 접속하려는 노드의 수와 각 노드의 전송 시도 빈도에 직접적인 영향을 받는다. 노드 수가 많아지거나 트래픽 부하가 증가할수록 두 개 이상의 노드가 동시에 전송을 시작할 가능성이 높아져 충돌 확률은 증가한다. 이는 CSMA/CD와 CSMA/CA 모두에서 공통적으로 나타나는 현상이다. 특히, 전파 지연 시간이 긴 네트워크에서는 한 노드가 전송을 시작한 사실이 다른 노드에 늦게 전달되어 '늦은 감지'로 인한 충돌이 발생할 수 있다[7].

네트워크 효율성은 충돌로 인한 시간 낭비 없이 유용한 데이터를 성공적으로 전송하는 비율을 의미한다. 효율성은 일반적으로 다음과 같은 요인에 의해 결정된다.

효율성을 정량적으로 분석할 때는 채널이 유휴 상태인 시간, 성공적인 전송이 이루어지는 시간, 충돌이 발생하는 시간의 비율을 고려한다. 이론적으로, p-지속 CSMA와 같은 변형 방식은 적절한 지속 확률(p) 값을 선택함으로써 특정 부하 조건에서 최대 효율성을 달성할 수 있다. 그러나 실제 네트워크에서는 트래픽이 역동적으로 변하기 때문에 효율성은 평균적인 값으로 평가된다.

반송파 감지 다중 접속 방식의 가장 대표적인 응용 분야는 유선 네트워크이다. 특히 이더넷 네트워크는 CSMA/CD 방식을 근간으로 발전하여 현대 유선 LAN의 사실상 표준이 되었다. 초기 동축 케이블을 매체로 사용하던 시절부터, CSMA/CD는 여러 단말이 하나의 공유 매체에 접근할 때 발생하는 충돌을 효율적으로 관리하는 핵심 메커니즘이었다.

이더넷 표준인 IEEE 802.3은 CSMA/CD를 매체 접근 제어 방식으로 명시한다. 네트워크에 연결된 모든 장치는 데이터를 전송하기 전에 케이블 상의 신호를 감지하여 회선이 사용 중인지 확인한다. 회선이 비어 있다고 판단되면 즉시 전송을 시작하며, 전송 중에도 지속적으로 충돌을 감지한다. 만약 충돌이 발생하면, 모든 전송 장치는 전송을 중단하고 임의의 시간 동안 대기한 후 재전송을 시도한다. 이 방식은 비교적 간단한 구현으로 분산 환경에서의 공정한 채널 접근을 가능하게 한다.

스위치드 이더넷이 보편화된 현대 네트워크에서는 풀 듀플렉스 통신이 일반적이어서 CSMA/CD의 역할이 상대적으로 축소되었다. 스위치를 사용하면 각 포트가 독립적인 충돌 영역을 형성하여 동시 전송이 가능해지기 때문이다. 그러나 허브를 사용하는 하프 듀플렉스 환경이나 특정 산업용 네트워크에서는 여전히 CSMA/CD가 활발히 작동한다. 또한 이 방식의 기본 철학과 백오프 알고리즘은 많은 네트워크 프로토콜의 설계에 지속적으로 영향을 미치고 있다.

무선 네트워크에서 반송파 감지 다중 접속은 주로 CSMA/CA 방식을 통해 구현된다. 유선 네트워크와 달리 무선 환경에서는 모든 노드가 서로의 신호를 직접 감지하기 어렵고, 송신 중 충돌을 실시간으로 감지하는 것이 물리적으로 불가능하기 때문이다. 대표적인 예는 IEEE 802.11 표준, 즉 Wi-Fi 네트워크이다. 이 표준은 분산 조정 기능을 사용하여 채널 접근을 관리한다.

CSMA/CA의 핵심 동작은 데이터 프레임을 전송하기 전에 RTS와 CTS 프레임을 교환하거나, DIFS와 백오프 시간을 기다리는 절차를 포함한다. 송신 노드는 먼저 채널이 일정 시간 동안 비어 있는지 감지한다. 채널이 비어 있으면 무작위로 선택된 백오프 시간 동안 추가 대기한 후 데이터를 전송한다. 이 과정은 숨은 노드 문제와 노출된 노드 문제를 완화하는 데 도움을 준다.

무선 네트워크에서 CSMA의 성능은 주변 환경의 간섭, 경쟁 노드의 수, 사용 중인 주파수 대역 등에 크게 영향을 받는다. ISM 대역과 같이 여러 장치가 공유하는 비허가 대역에서는 성능 저하가 더 두드러질 수 있다. 최근의 고속 무선 표준들은 MU-MIMO나 OFDMA와 같은 기술을 도입하여 CSMA/CA의 한계를 보완하고 다중 사용자 동시 접속 효율을 높이고 있다[9].

TDMA와 FDMA는 채널을 시간이나 주파수 영역에서 사전에 분할하여 각 사용자에게 독점적으로 할당하는 방식이다. 이에 비해 CSMA는 채널을 사용자가 필요할 때 경쟁적으로 접근하는 무선 LAN과 이더넷 같은 LAN에서 널리 사용된다.

TDMA와 FDMA는 사용자에게 전용 자원을 보장하여 지연과 충돌을 근본적으로 방지하지만, 트래픽이 적을 때는 할당된 자원이 놀게 되어 효율이 떨어진다. 반면 CSMA는 자원을 공유하므로 동적 트래픽에 유연하게 대응할 수 있지만, 사용자가 많아지면 충돌이 빈번해져 성능이 급격히 저하될 수 있다[10]. 따라서 CSMA는 사무실 네트워크처럼 트래픽이 불규칙하고 버스트성인 환경에 적합한 반면, TDMA와 FDMA는 통화나 방송처럼 연속적이고 안정적인 전송이 필요한 환경에 더 적합하다.

토큰 패싱은 네트워크에서 충돌을 근본적으로 방지하기 위해 설계된 매체 접근 제어 방식이다. 이 방식에서는 특별한 제어 프레임인 토큰이 네트워크를 순환하며, 토큰을 보유한 노드만이 데이터를 전송할 권리를 얻는다. 데이터 전송을 마친 노드는 토큰을 다음 노드로 전달하여 네트워크 접근 기회를 부여한다. 이 구조는 CSMA 방식에서 발생하는 충돌과 그에 따른 재전송 지연이 존재하지 않으므로, 네트워크 부하가 높은 상황에서도 일정한 성능과 예측 가능한 지연 시간을 보장한다.

주요 토큰 패싱 방식으로는 토큰 링과 토큰 버스가 있다. 토큰 링은 노드들이 논리적 또는 물리적인 링 형태로 연결되어 토큰이 순차적으로 전달된다. 반면 토큰 버스는 물리적 버스 토폴로지 상에서 논리적인 링을 구성하여 토큰을 전달한다. 두 방식 모두 IEEE 802.4 (토큰 버스) 및 IEEE 802.5 (토큰 링)와 같은 표준으로 정의되었다.

토큰 패싱 방식은 충돌이 없는 결정론적 접근을 제공하지만, 토큰의 손실이나 복구에 대한 관리 오버헤드가 존재한다. 또한 네트워크에 노드가 적거나 트래픽이 적을 때는 토큰을 기다리는 불필요한 지연이 발생할 수 있다. 이러한 특성 때문에 실시간 제어 시스템이나 부하가 매우 높은 특정 네트워크 환경에서 장점을 발휘하지만, 일반적인 이더넷이나 무선 LAN과 같은 범용 네트워크에서는 CSMA/CA나 CSMA/CD 방식이 더 널리 채택되었다.