CSMA/CD
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CSMA/CD
개요
CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection, 캐리어 감지 다중 접근/충돌 감지)는 이더넷(Ethernet) 네트워크에서 데이터 링크 계층(Data Link Layer)에서 사용되는 접근 제어 프로토콜의 일종으로, 여러 장치가 동일한 통신 채널을 공유할 때 데이터 전송 시 발생할 수 있는 충돌을 관리하는 기술입니다. 이 프로토콜은 특히 버스 토폴로지 기반의 10BASE5 및 10BASE2 이더넷 네트워크에서 널리 사용되었습니다.
CSMA/CD는 물리적 미디어(예: 동축 케이블)를 공유하는 환경에서 네트워크 장치들이 효율적으로 데이터를 전송할 수 있도록 도와주며, 충돌이 발생했을 경우 이를 감지하고 재전송하는 메커니즘을 제공합니다.
⚠️ 현재는 스위치 기반의 풀 듀플렉스(full-duplex) 네트워크가 보편화되면서 CSMA/CD는 주로 허브(hub)를 사용하는 반 듀플렉스(half-duplex) 환경에서만 적용되며, 현대 네트워크에서는 거의 사용되지 않습니다.
작동 원리
CSMA/CD는 다음과 같은 세 단계로 작동합니다:
1. 캐리어 감지 (Carrier Sense)
네트워크 장치가 데이터를 전송하기 전에, 먼저 통신 채널이 사용 중인지 확인합니다.
- 채널이 비어 있음(idle): 데이터 전송 시작
- 채널이 사용 중(busy): 전송을 지연하고 일정 시간 대기 후 재시도
이 과정을 통해 여러 장치가 동시에 데이터를 보내는 것을 최소화하려고 합니다.
2. 다중 접근 (Multiple Access)
여러 장치가 동일한 네트워크 세그먼트에 연결되어 있으며, 동일한 전송 매체를 공유합니다.
즉, 어떤 장치라도 채널이 비어 있으면 데이터를 보낼 수 있습니다. 이로 인해 동시 전송 가능성이 존재하며, 충돌이 발생할 수 있습니다.
3. 충돌 감지 (Collision Detection)
데이터 전송 중에 다른 장치도 동시에 전송을 시작하면 충돌(collision)이 발생합니다.
CSMA/CD는 이 충돌을 다음과 같이 감지합니다:
- 전송 중인 장치는 자신의 신호와 채널의 신호를 비교합니다.
- 신호의 왜곡이나 전압의 변화를 감지하면 충돌로 판단합니다.
- 충돌이 감지되면 즉시 전송을 중단하고, 지연 신호(Jam Signal)를 송출하여 네트워크 전체에 충돌 발생을 알립니다.
충돌 후 처리 절차
충돌이 발생한 후에는 다음과 같은 절차가 수행됩니다:
- 전송 중단: 즉시 데이터 전송을 중단합니다.
- 지연 신호 송출: 짧은 잼 신호(Jam Signal)를 보내 네트워크 내 모든 장치가 충돌을 인지하도록 합니다.
- 백오프 알고리즘 적용: 각 장치는 랜덤한 대기 시간(Backoff Time)을 결정하여 재전송 시도를 지연시킵니다.
백오프 알고리즘 (Binary Exponential Backoff)
- 재전송 대기 시간은 공식적으로 결정됩니다.
- 충돌이 n번 누적될수록 대기 시간의 범위는 지수적으로 증가합니다.
- 공식:
[ \text{대기 시간} = \text{랜덤 값} \times \text{슬롯 시간} ] 여기서 랜덤 값은 ( 0 ) 에서 ( 2^n - 1 ) 사이의 정수이며, ( n )은 충돌 횟수(최대 10회까지 적용).
이 알고리즘은 네트워크 혼잡을 줄이고, 동일한 시점에 재전송이 중복되는 것을 방지합니다.
CSMA/CD의 제한 사항
CSMA/CD는 특정 조건에서만 효과적으로 작동하며, 다음과 같은 제한점이 있습니다:
- 네트워크 세그먼트 크기 제한: 충돌 감지가 제대로 작동하려면 신호가 네트워크 전체를 왕복하는 시간(라운드 트립 시간, RTT)이 최소 프레임 전송 시간보다 작아야 합니다. 이로 인해 최대 세그먼트 길이와 최소 프레임 크기(64바이트)가 규정됩니다.
- 반 듀플렉스 환경에만 적용: 풀 듀플렉스 통신에서는 충돌이 발생하지 않으므로 CSMA/CD가 필요 없습니다.
- 확장성 부족: 네트워크 규모가 커질수록 충돌 빈도가 증가하여 성능이 급격히 저하됩니다.
CSMA/CD와 관련된 이더넷 표준
| 표준 | 전송 속도 | 미디어 유형 | CSMA/CD 적용 여부 |
|---|---|---|---|
| 10BASE5 | 10 Mbps | 두꺼운 동축 케이블 | ✅ |
| 10BASE2 | 10 Mbps | 얇은 동축 케이블 | ✅ |
| 10BASE-T | 10 Mbps | UTP 케이블 | ✅ (반 듀플렉스 모드에서) |
| 100BASE-TX | 100 Mbps | UTP 케이블 | △ (반 듀플렉스 모드에서만 가능) |
| 1000BASE-T | 1 Gbps | UTP 케이블 | ❌ (기본적으로 풀 듀플렉스) |
💡 1 Gbps 이상의 이더넷은 풀 듀플렉스를 기본으로 하며, 스위치를 중심으로 작동하므로 CSMA/CD는 사용되지 않습니다.
CSMA/CD vs CSMA/CA
CSMA/CD와 유사한 이름의 프로토콜로 CSMA/CA(Collision Avoidance, 충돌 회피)가 있습니다. 주요 차이점은 다음과 같습니다:
| 항목 | CSMA/CD | CSMA/CA |
|---|---|---|
| 주 사용 환경 | 유선 네트워크 (이더넷) | 무선 네트워크 (Wi-Fi) |
| 충돌 처리 방식 | 충돌 감지 후 대응 | 충돌 예방 중심 |
| 전송 매체 | 케이블 (신호 감지 가능) | 공기 (신호 감지 어려움) |
| 주요 기술 | 백오프, 잼 신호 | RTS/CTS, ACK |
무선 환경에서는 신호 감지가 어려우므로 충돌을 사전에 피하는 CSMA/CA가 더 적합합니다.
결론
CSMA/CD는 초기 이더넷 네트워크의 핵심 기술로, 공유 매체에서의 데이터 전송 충돌을 효율적으로 관리하는 데 기여했습니다. 그러나 기술의 발전과 함께 스위치 기반 풀 듀플렉스 네트워크의 확산으로 인해 실질적인 사용은 거의 사라졌습니다. 현재는 주로 네트워크 역사 및 교육 목적에서 다뤄지는 프로토콜이지만, 데이터 링크 계층의 접근 제어 메커니즘을 이해하는 데 중요한 기초 지식입니다.
참고 자료
- Tanenbaum, A. S., & Wetherall, D. J. (2011). Computer Networks. Pearson Education.
- IEEE 802.3 표준 문서 (Ethernet)
- Kurose, J. F., & Ross, K. W. (2020). Computer Networking: A Top-Down Approach.
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