개요
CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection, 캐리어 감지 다중 접속/충돌 감지)는 이더넷(Ethernet) 네트워크에서 데이터 링크 계층(Data Link Layer)의 매체 접근 제어(MAC, Medium Access Control)를 담당하는 프로토콜 중 하나입니다. 이 프로토콜은 여러 장치가 동일한 통신 매체(예: 동축 케이블, 이중 꼬임선)를 공유할 때, 데이터 전송 과정에서 발생할 수 있는 충돌(Collision)을 방지하고 관리하기 위해 고안되었습니다.
CSMA/CD는 1980년대부터 2000년대 초반까지 공유형 이더넷(Shared Ethernet) 환경에서 널리 사용되었으며, 특히 10BASE5, 10BASE2, 10BASE-T와 같은 초기 이더넷 표준에서 핵심적인 역할을 했습니다. 그러나 스위치 기반의 전이중(Full-duplex) 네트워크가 보편화되면서 충돌이 발생하지 않는 환경이 되었고, CSMA/CD는 현대 네트워크에서는 거의 사용되지 않게 되었습니다.
작동 원리
CSMA/CD는 세 가지 핵심 개념을 기반으로 작동합니다:
- Carrier Sense(캐리어 감지)
- Multiple Access(다중 접속)
- Collision Detection(충돌 감지)
이를 단계별로 설명하면 다음과 같습니다.
1. 캐리어 감지 (Carrier Sense)
전송을 원하는 장치는 먼저 네트워크 매체가 사용 중인지 확인합니다. 즉, 다른 장치가 데이터를 송신하고 있는지 감지합니다. 이 과정을 통해 장치는 "매체가 비어 있는지"(idle) 판단합니다. 매체가 사용 중이라면, 장치는 무작위 백오프 시간(random backoff time) 동안 기다린 후 다시 시도합니다.
2. 다중 접속 (Multiple Access)
여러 장치가 동일한 네트워크 매체를 공유하며 데이터를 전송할 수 있다는 의미입니다. 이로 인해 동시 전송 가능성이 존재하며, 충돌이 발생할 수 있습니다.
3. 충돌 감지 (Collision Detection)
두 개 이상의 장치가 거의 동시에 전송을 시작하면, 신호가 서로 겹쳐 충돌(Collision)이 발생합니다. 이때, 송신 장치는 전기적 신호의 변화(예: 전압 급상승)를 감지하여 충돌을 인지합니다. 충돌이 감지되면, 장치는 즉시 전송을 중단하고 지정된 길이의 충돌 신호(Jam Signal)를 송신하여 다른 장치들에게도 충돌 발생을 알립니다.
4. 백오프 알고리즘 (Backoff Algorithm)
충돌 후, 관련 장치들은 지수 백오프(Exponential Backoff) 알고리즘을 사용하여 재전송 시점을 결정합니다. 이 알고리즘은 다음과 같은 방식으로 작동합니다:
- 충돌 횟수 ( n )에 따라, 재전송 대기 시간을 ( 0 )부터 ( 2^n - 1 ) 사이의 슬롯 시간(slot time) 중에서 무작위로 선택합니다.
- 최대 재시도 횟수(일반적으로 10~16회)에 도달하면, 전송을 포기하고 오류를 보고합니다.
이 방식은 충돌이 반복될 경우 재시도 간격을 점진적으로 늘려 경쟁을 완화합니다.
CSMA/CD의 적용 환경
CSMA/CD는 다음 조건에서 효과적으로 작동합니다:
- 반이중(Half-duplex) 통신 환경
- 버스 또는 허브 기반의 공유 매체
- 충돌 도메인(Collision Domain)이 존재하는 네트워크
예를 들어, 허브(Hub)를 사용하는 10BASE-T 네트워크에서는 모든 포트가 동일한 충돌 도메인에 속하므로 CSMA/CD가 필요합니다. 반면, 스위치(Switch)는 각 포트를 별도의 충돌 도메인으로 분리하며, 전이중 통신을 지원하므로 충돌이 발생하지 않아 CSMA/CD가 불필요합니다.
CSMA/CD의 한계와 현대적 대체
한계
- 충돌 발생 시 성능 저하: 네트워크 트래픽이 많을수록 충돌 빈도가 증가하고, 이로 인해 효율적인 대역폭 사용이 어려워집니다.
- 지연 시간 비가역성: 백오프로 인해 예측 불가능한 전송 지연이 발생할 수 있습니다.
- 매체 길이 제한: 신호 전파 지연 시간이 길면 충돌 감지가 늦어져 프로토콜의 신뢰성이 떨어집니다. 따라서 네트워크의 최대 지연(maximum propagation delay)이 제한됩니다.
현대 네트워크에서의 대체
- 전이중 이더넷(Full-duplex Ethernet): 스위치 기반 네트워크에서는 각 장치가 독립된 경로를 가지며, 동시에 송수신이 가능하여 충돌이 발생하지 않습니다.
- CSMA/CA(CSMA with Collision Avoidance): 무선 네트워크(Wi-Fi, IEEE 802.11)에서 사용되며, 충돌을 감지하기 어려운 환경에서 충돌을 사전에 회피하는 방식을 사용합니다.
관련 표준
CSMA/CD는 IEEE 802.3 이더넷 표준의 핵심 요소로 정의되어 있습니다. 주요 관련 표준에는 다음이 포함됩니다:
| 표준 |
설명 |
| IEEE 802.3 |
이더넷 MAC 프로토콜, CSMA/CD 정의 |
| 10BASE5 |
두꺼운 동축 케이블 기반 이더넷 (버스 토폴로지) |
| 10BASE2 |
얇은 동축 케이블 기반 이더넷 |
| 10BASE-T |
UTP 케이블 기반 이더넷 (허브 연결 시 CSMA/CD 적용) |
참고 자료 및 관련 문서
- IEEE 802.3-2018: Ethernet Working Group 표준 문서
- Tanenbaum, A. S., & Wetherall, D. J. (2011). Computer Networks. Pearson Education.
- Kurose, J. F., & Ross, K. W. (2021). Computer Networking: A Top-Down Approach. Pearson.
- 관련 문서: 이더넷, 데이터 링크 계층, CSMA/CA
CSMA/CD는 네트워크 기술의 발전 과정에서 중요한 전환점을 제공한 프로토콜로, 현대 네트워크 설계의 기초를 이해하는 데 필수적인 개념입니다.
# CSMA/CD
## 개요
**CSMA/CD**(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection, 캐리어 감지 다중 접속/충돌 감지)는 이더넷(Ethernet) 네트워크에서 데이터 링크 계층(Data Link Layer)의 **매체 접근 제어**(MAC, Medium Access Control)를 담당하는 프로토콜 중 하나입니다. 이 프로토콜은 여러 장치가 동일한 통신 매체(예: 동축 케이블, 이중 꼬임선)를 공유할 때, 데이터 전송 과정에서 발생할 수 있는 **충돌**(Collision)을 방지하고 관리하기 위해 고안되었습니다.
CSMA/CD는 1980년대부터 2000년대 초반까지 **공유형 이더넷**(Shared Ethernet) 환경에서 널리 사용되었으며, 특히 10BASE5, 10BASE2, 10BASE-T와 같은 초기 이더넷 표준에서 핵심적인 역할을 했습니다. 그러나 스위치 기반의 전이중(Full-duplex) 네트워크가 보편화되면서 충돌이 발생하지 않는 환경이 되었고, CSMA/CD는 현대 네트워크에서는 거의 사용되지 않게 되었습니다.
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## 작동 원리
CSMA/CD는 세 가지 핵심 개념을 기반으로 작동합니다:
1. **Carrier Sense**(캐리어 감지)
2. **Multiple Access**(다중 접속)
3. **Collision Detection**(충돌 감지)
이를 단계별로 설명하면 다음과 같습니다.
### 1. 캐리어 감지 (Carrier Sense)
전송을 원하는 장치는 먼저 **네트워크 매체가 사용 중인지 확인**합니다. 즉, 다른 장치가 데이터를 송신하고 있는지 감지합니다. 이 과정을 통해 장치는 "매체가 비어 있는지"(idle) 판단합니다. 매체가 사용 중이라면, 장치는 **무작위 백오프 시간**(random backoff time) 동안 기다린 후 다시 시도합니다.
### 2. 다중 접속 (Multiple Access)
여러 장치가 동일한 네트워크 매체를 공유하며 데이터를 전송할 수 있다는 의미입니다. 이로 인해 **동시 전송 가능성**이 존재하며, 충돌이 발생할 수 있습니다.
### 3. 충돌 감지 (Collision Detection)
두 개 이상의 장치가 거의 동시에 전송을 시작하면, 신호가 서로 겹쳐 **충돌**(Collision)이 발생합니다. 이때, 송신 장치는 전기적 신호의 변화(예: 전압 급상승)를 감지하여 충돌을 인지합니다. 충돌이 감지되면, 장치는 즉시 전송을 중단하고 **지정된 길이의 충돌 신호**(Jam Signal)를 송신하여 다른 장치들에게도 충돌 발생을 알립니다.
### 4. 백오프 알고리즘 (Backoff Algorithm)
충돌 후, 관련 장치들은 **지수 백오프**(Exponential Backoff) 알고리즘을 사용하여 재전송 시점을 결정합니다. 이 알고리즘은 다음과 같은 방식으로 작동합니다:
- 충돌 횟수 \( n \)에 따라, 재전송 대기 시간을 \( 0 \)부터 \( 2^n - 1 \) 사이의 **슬롯 시간**(slot time) 중에서 무작위로 선택합니다.
- 최대 재시도 횟수(일반적으로 10~16회)에 도달하면, 전송을 포기하고 오류를 보고합니다.
이 방식은 충돌이 반복될 경우 재시도 간격을 점진적으로 늘려 경쟁을 완화합니다.
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## CSMA/CD의 적용 환경
CSMA/CD는 다음 조건에서 효과적으로 작동합니다:
- **반이중**(Half-duplex) 통신 환경
- **버스 또는 허브 기반**의 공유 매체
- **충돌 도메인**(Collision Domain)이 존재하는 네트워크
예를 들어, 허브(Hub)를 사용하는 10BASE-T 네트워크에서는 모든 포트가 동일한 충돌 도메인에 속하므로 CSMA/CD가 필요합니다. 반면, **스위치**(Switch)는 각 포트를 별도의 충돌 도메인으로 분리하며, 전이중 통신을 지원하므로 충돌이 발생하지 않아 CSMA/CD가 불필요합니다.
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## CSMA/CD의 한계와 현대적 대체
### 한계
- **충돌 발생 시 성능 저하**: 네트워크 트래픽이 많을수록 충돌 빈도가 증가하고, 이로 인해 효율적인 대역폭 사용이 어려워집니다.
- **지연 시간 비가역성**: 백오프로 인해 예측 불가능한 전송 지연이 발생할 수 있습니다.
- **매체 길이 제한**: 신호 전파 지연 시간이 길면 충돌 감지가 늦어져 프로토콜의 신뢰성이 떨어집니다. 따라서 네트워크의 **최대 지연**(maximum propagation delay)이 제한됩니다.
### 현대 네트워크에서의 대체
- **전이중 이더넷**(Full-duplex Ethernet): 스위치 기반 네트워크에서는 각 장치가 독립된 경로를 가지며, 동시에 송수신이 가능하여 충돌이 발생하지 않습니다.
- **CSMA/CA**(CSMA with Collision Avoidance): 무선 네트워크(Wi-Fi, IEEE 802.11)에서 사용되며, 충돌을 감지하기 어려운 환경에서 **충돌을 사전에 회피**하는 방식을 사용합니다.
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## 관련 표준
CSMA/CD는 **IEEE 802.3** 이더넷 표준의 핵심 요소로 정의되어 있습니다. 주요 관련 표준에는 다음이 포함됩니다:
| 표준 | 설명 |
|------|------|
| IEEE 802.3 | 이더넷 MAC 프로토콜, CSMA/CD 정의 |
| 10BASE5 | 두꺼운 동축 케이블 기반 이더넷 (버스 토폴로지) |
| 10BASE2 | 얇은 동축 케이블 기반 이더넷 |
| 10BASE-T | UTP 케이블 기반 이더넷 (허브 연결 시 CSMA/CD 적용) |
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## 참고 자료 및 관련 문서
- **IEEE 802.3-2018**: Ethernet Working Group 표준 문서
- Tanenbaum, A. S., & Wetherall, D. J. (2011). *Computer Networks*. Pearson Education.
- Kurose, J. F., & Ross, K. W. (2021). *Computer Networking: A Top-Down Approach*. Pearson.
- 관련 문서: [이더넷](/wiki/이더넷), [데이터 링크 계층](/wiki/데이터_링크_계층), [CSMA/CA](/wiki/CSMA/CA)
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CSMA/CD는 네트워크 기술의 발전 과정에서 중요한 전환점을 제공한 프로토콜로, 현대 네트워크 설계의 기초를 이해하는 데 필수적인 개념입니다.