오류제어

오류제어 방식

• 데이터의 전송에는 항상 오류가 발생할 수 있다. 오류가 발생하는 주 원인은 통신채널과 송수신 장치에서 발생하는 각종 잡음(noise)이며, 채널의 상태와 전송기술(변복조 방식 등)에 따라 오류 발생률(error rate)이 달라진다.
• 링크 계층에서는 프레임 단위로 오류제어를 하므로 프레임 내의 한 비트라도 어긋나면 이 프레임은 오류가 발생하였다고 한다.
• 오류제어 방식은 모든 통신 계층에서 이용할 수 있다.
• 링크 계층에서는 오류 처리 방안을 다음의 세 가지로 나눌 수 있다.
  • 오류 무시
  • 전진 오류 수정
  • 자동 재전송 요구

오류 무시

• 오류가 발생한 프레임에 대하여, 이를 수신측에서 버리거나(discard) 상위 계층에게 그대로 전달하여 상위 계층에서 오류가 발생한 프레임을 알아서 처리하도록 하는 방안이다.
• 이 방식은 오류가 발생하더라도 통신의 목적 달성에 큰 문제가 생기지 않는 경우에 사용되거나 오류가 발생한 데이터의 재전송(retransmission)을 요구하여도 실시간 처리를 만족하지 못하므로 소용이 없는 경우 등에 사용한다. 또한, 고속망에서 오류를 무시하는 경우도 있다.

전진 오류 수정(forward error correction)

• 전진 오류 수정은 수신측에서 오류가 발생한 사실을 검출만 하는 것이 아니라 일정한 비트 수 이하로 오류가 발생한 경우에는 비트 오류를 수신측에서 스스로 정정할 수 있도록 하는 방식을 말한다.(1000비트 중 5비트 이하로 오류난 프레임은 수정하자!)
• 이를 위해서 오류 정정 부호(error correction code)를 추가로 보내야 하며, 이를 패리티(parity) 정보라 부른다.
• 이 방식은 오류를 자동으로 수신측에서 정정할 수 있지만, 추가적인 패리티 정보가 붙기 때문에 순수 데이터 전송효율(effective throughput)은 떨어지게 된다.

• 이 방식은 채널의 전송 오류 발생률이 높아 **재전송 요구가 빈번하게 발생하는 경우(ex: 무선통신)**이거나, 재전송이 어려운 경우에 사용한다.
• 또한, 디스크 읽기, 테이프 읽기 등 데이터를 저장 후 읽는 경우에도 사용하는데, 한 번 읽은 데이터에서 오류가 발생했다고 해서 뒷부분으로 다시 돌려 데이터를 읽게 되면 효율이 떨어지기 때문이다.

자동 재전송 요구방식(ARQ)

• 오류가 발생한 프레임을 수신측이 검출(detect)하고, 재전송을 요구하는 방안으로, 오류 검출 후에 재전송을 자동으로 요구하는 방식을 자동 반복 요청기법, 즉, ARQ(Automatic Repeat reQuest)라고 한다.

ARQ의 세 가지 방식

정지-대기(stop-and-wait) 방식

• 정지-대기(stop-and-wait) 방식은 상대방으로부터 ACK가 오고, 오류가 발생하지 않은 것이 확인되면 다음 프레임을 보내는 방식이다.
• 수신측에서 오류의 유무를 판단하여 오류가 발생하지 않았다면 ACK 신호를, 발생하였다면 NAK 신호를 보낸다. NAK신호의 경우 송신측이 재전송을 하도록 한다.

정지-대기 방식 원리 이해

• 송신측은 데이터 프레임에 0과 1을 번갈아 부여하여 전송하고, 수신측 또한 ACK 신호에 1과 0을 번갈아 부여하여 전송한다.
• ACK 1은 FRAME 0을 받았으니 다음 프레임인 FRAME 1을 보내달라는 것을 의미한다.
• ACK 신호를 받은 경우에는 다음 프레임을 전송하고, NAK 신호를 받거나 일정시간이 경과할 때까지 응답이 없다면(타임 아웃) 해당 프레임을 재전송한다.
• ACK 신호가 송신측으로 전송되던 도중 손실되면, 송신측에서 타임 아웃이 되어 프레임을 재전송하게 되는데, 수신측에서 이미 프레임을 받았으므로 무시한다.
• 만약 같은 프레임에서 계속 오류가 발생하는 경우, 재전송 요구 횟수를 제한한다(ex: 20회).
• 만약 이 횟수 이상으로 오류가 발생하면, 링크에 이상이 있다 판단하여 링크 리셋을 요구한다.

결론

• 이 방식의 단점으로는 링크를 통하여 전송 중인 패킷(outstanding packet)이 하나 뿐이므로 링크의 효율을 충분히 활용하지 못한다는 점이 있다. 그렇기에 여러 개의 프레임을 전송할 수 있다면 링크의 효율을 높일 수 있는데 이를 위해서 SWFC와 연계된 오류제어 방식을 사용한다.
• 정리하자면, 이 방식의 장점으로는 가장 단순한 형태의 ARQ이기 때문에 구현이 간단하다는 점이고, 단점은 데이터 프레임을 전송할 때마다 수신측의 응답을 기다려야 하므로 통신효율이 떨어진다는 것이다.

SWFC를 이용하는 2 가지 오류제어 방법

go-back-N 방식

• 연속적 ARQ는 앞에서 살펴본 Stop-and-wait ARQ의 단점을 개선한 방식으로, 연속적으로 데이터 프레임을 보낼 수 있다.

  

• go-back-N ARQ 방식은 SWFC와 연계하여 동작하는 오류제어 방식으로서, 오류가 발생한 프레임을 받은 수신측은 제어용 프레임인 REJECT(REJ)를 보내어 재전송을 요구한다.

• REJ의 N(r)에는 오류가 발생한 프레임의 순서번호를 기록한다. 예로, REJ(N(r) = 4)를 보내면 송신측은 4번 프레임(N(s) = 4)부터 재전송한다. (r = receive, s = send)

• 이처럼 오류가 난 프레임으로 되돌아가서 재전송을 하기 때문에 go-back-N이라 부른다.

go-back-N 방식 원리 이해

• 송신측은 연속한 여러 개의 데이터 프레임을 전송한다.
• 수신측이 받은 FRAME 3에서 오류가 검출되어 NAK 3신호를 전송하면, 송신측은 FRAME 3 이후의 모든 프레임을 재전송한다.
• 이 방식의 단점은 오류가 난 데이터 프레임 이후의 모든 프레임을 재전송하기 때문에, 성공적으로 전송된 프레임까지 재전송되는 비효율성이 있다는 것이다.

selective-request 방식

• go-back-N 방식에서 발생하는 무조건 불필요한 재전송을 해야했다.
• 따라서 이런 비효율성을 제거하고 전송효율을 높이는 방법으로 오류가 발생한 프레임만 선택적(selective)으로 재전송하는 방법이 있다.
• selective-request 방식은 이러한 개념을 채택하여 오류가 난 프레임 이후의 프레임(ex: 5,6번 프레임)을 다시 보내지 않고, 오류가 난 프레임(ex: 4번 프레임)을 재전송 한 다음, 이어서 전송(ex: 7,0,1,2)하는 방식이다.
• 그러나 이 방식은 수신측에서 정확한 순서로 재정렬해야 한다는 번거로움과 재정렬에 필요한 프레임을 메모리에 기억해놓아야 하며, 오류가 발생한 이후의 데이터가 신뢰성이 떨어짐에도 수신한다는 점에서 단점이 있다.
• 따라서, 실제로는 비효율적임에도 불구하고 go-back-N 방식을 일반적으로 널리 사용한다.

오류 검출

• 프레임에서 발생하는 에러를 관리하기 위해서는 먼저 오류가 발생한 사실을 검출하는 기능이 필요하다.
• 오류 검출을 위해서는 사용자 데이터 이외에 추가 정보를 더 보내주어 수신측에서 오류를 검출할 수 있도록 하는 방법을 기본적으로 사용한다.
• 일반적으로 k값은 n보다 작으며, 수백 비트의 n값에 대하여 k는 16 또는 32 비트면 충분히 검출할 수 있다.
• 오류 검출용 데이터는 사용자 데이터 정보를 전달하는 것이 아니므로, 중복된 정보라는 뜻으로 redundant bits, 또는 parity bits라고 한다.

오류 검출 방식 세 가지

패리티 체크(parity checks)

• 패리티 체크는 가장 간단한 오류 검출 방식으로, 패리티 비트를 프레임 내 모든 워드에 붙이는 방법이다.
• 예를 들어, 아스키 코드의 전송같은 경우, 7-비트의 아스키 코드 뒤에 패리티 비트 1비트를 붙여 전송하였으며, 짝수 패리티 전송과 홀수 패리티 전송이 있다.
• 짝수 패리티 전송은 패리티 비트를 포함하여 워드 내의 ‘1’의 개수가 짝수가 되도록 패리티 비트를 붙여 전송하는 것을 의미하며, 홀수 패리티 전송은 ‘1’의 개수가 홀수가 되도록 패리티 비트를 붙여 전송하는 것을 의미한다.