[Network] Framing

Framing이란?

프레임은 컴퓨터 네트워크와 통신에서 디지털 전송 단위이다. 프레임은 시분할 다중화 프로세스에서 지속적으로 사용된다.
프레이밍은 두 컴퓨터 또는 장치 간의 지점 간 연결로, 데이터가 비트 스트림으로 전송되는 와이어로 구성된다. 그러나 이러한 비트는 식별 가능한 정보 블록으로 프레이밍되어야 한다. 프레이밍은 데이터 링크 계층의 기능이다. 송신자가 수신자에게 의미 있는 비트 세트를 전송할 수 있는 방법을 제공한다. 이더넷, 토큰 링, 프레임 릴레이 및 기타 데이터 링크 계층 기술에는 고유한 프레임 구조가 있다. 프레임에는 오류 검사 코드와 같은 정보가 포함된 헤더가 있다.
데이터 링크 계층에서는 송신자로부터 메시지를 추출하여 송신자와 수신자의 주소를 제공하여 수신자에게 제공한다. 프레임을 사용하는 이점은 데이터 손상 여부를 쉽게 확인할 수 있는 복구 가능한 청크로 분할된다는 것이다.
데이터를 프레임으로 나누고 다시 조립하는 과정은 사용자에게 투명하며 데이터 링크 계층에서 처리된다.
프레이밍은 데이터 링크 계층 프로토콜 설계의 중요한 측면으로, 데이터 전송을 구성하고 제어하여 데이터가 정확하고 효율적으로 전달되도록 보장한다.

Framing 문제

• 프레임 시작 감지: 프레임이 전송되면 모든 스테이션은 프레임을 감지할 수 있어야 한다. 스테이션은 프레임의 시작을 표시하는 특수한 비트 시퀀스, 즉 SFD(Starting Frame Delimiter)를 찾아 프레임을 감지한다.
• 스테이션은 어떻게 프레임을 감지하는가: 모든 스테이션은 순차 회로를 통해 SFD 패턴에 대한 링크를 수신 대기한다. SFD가 감지되면 순차 회로가 스테이션에 경고하나다. 스테이션은 목적지 주소를 확인하여 프레임을 수락하거나 거부한다.
• 프레임 끝 감지: 프레임 읽기를 중단해야 하는 경우.
• 오류 처리: 프레이밍 오류는 노이즈나 기타 전송 오류로 인해 발생할 수 있으며, 이로 인해 스테이션이 프레임을 잘못 해석할 수 있다. 따라서 순환 중복 검사(CRC)와 같은 오류 감지 및 수정 메커니즘을 사용하여 프레임의 무결성을 보장한다.
• 프레이밍 오버헤드: 모든 프레임에는 소스 및 대상 주소, 오류 감지 코드 및 기타 프로토콜 관련 정보와 같은 제어 정보가 포함된 헤더와 트레일러가 있다. 이 오버헤드는 특히 작은 크기의 프레임의 경우 데이터 전송에 사용 가능한 대역폭을 줄인다.
• 프레이밍 비호환성: 서로 다른 네트워킹 장치와 프로토콜은 서로 다른 프레이밍 방법을 사용할 수 있으며, 이로 인해 프레이밍 비호환성 문제가 발생할 수 있다. 예를 들어, 한 프레이밍 방법을 사용하는 장치가 다른 프레이밍 방법을 사용하는 장치로 데이터를 보내는 경우 수신 장치는 프레임을 올바르게 해석하지 못할 수 있다.
• 프레이밍 동기화: 스테이션은 충돌을 피하고 안정적인 통신을 보장하기 위해 서로 동기화되어야 한다. 동기화에는 모든 스테이션이 프레임 경계와 타이밍에 동의해야 하며, 이는 많은 장치와 다양한 트래픽 부하가 있는 복잡한 네트워크에서는 어려울 수 있다.
• 프레이밍 효율성: 프레이밍은 데이터 전송에 사용 가능한 대역폭을 최대화하는 동시에 데이터 오버헤드 양을 최소화하도록 설계되어야 한다. 비효율적인 프레이밍 방법은 네트워크 성능을 저하시키고 지연 시간을 증가시킬 수 있다.

Framing의 종류

1. 고정 크기: 프레임의 크기가 고정되어 있으며 프레임에 경계를 제공할 필요가 없으며, 프레임 자체의 길이가 구분 기호 역할을 한다.

• 단점: 데이터 크기가 프레임 크기보다 작으면 내부 조각화가 발생한다.
• 해결책: Padding

2. 가변 크기: 이 경우 프레임의 끝과 다음 프레임을 시작을 구분하기 위해 정의해야 한다. 이는 두 가지 방법을 수행할 수 있다.
   1. 길이 필드 - 프레임에 길이 필드를 도입하여 프레임의 길이를 나타낼 수 있다. 이더넷에서 사용된다. 이 경우의 문제점은 길이 필드가 손상될 수 있다는 것이다.
   2. 끝 구분 기호(ED) - 프레임의 끝을 나타내기 위해 ED(패턴)을 도입할 수 있다. 토큰 링에서 사용된다. 이 경우의 문제점은 ED가 데이터에서 발생할 수 있다는 것이다. 이는 다음과 같이 해결할 수 있다.
      1. 문자/바이트 스터핑: 프레임이 무자로 구성될 때 사용된다. 데이터가 ED를 포함하는 경우, ED와 구별하기 위해 바이트를 데이터에 채운다.
         단점 - 비용이 많이 들고 시대에 뒤떨어진 방법.
      2. 비트 스터핑: ED = 01111이고, data = 01111이면
         -> 송신자는 패턴을 깨기 위해 비트를 채운다. 즉, data = 0111 0 1에 0을 추가한다.
         -> 수신자가 프레임을 수신한다. -> data에 0111 01이 포함되면 0을 제거하고 데이터를 읽는다.

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프레이밍이 제기하는 몇가지 문제점

• 가변 길이 프레임: 프레임의 길이는 전송되는 데이터에 따라 다를 수 있으며, 이는 전송의 비효율성을 야기할 수 있다. 이 문제를 해결하기 위해 HDLC 및 PPP와 같은 프로토콜은 플래그 시퀀스를 사용하여 각 프레임의 시작과 끝을 표시한다.
• 비트 스터핑: 비트 스터핑은 데이터 스트림에 추가 비트를 삽입하여 데이터가 제어 문자로 해석되는 것을 방지하는 데 사용되는 기술이다. 그러나 비트 스터핑은 동기화 문제를 일으키고 전송 오버헤드를 증가시킬 수 있다.
• 동기화: 동기화는 데이터 프레임이 올바르게 전송되고 수신되도록 하는 데 중요하다. 그러나 동기화는 특히 프레임이 빠르게 전송되는 고속 네트워크에서 어려울 수 있다.
• 오류 감지: 데이터 링크 계층 프로토콜은 체크섬 및 CRC와 같은 다양한 기술을 사용하여 전송된 데이터의 오류를 감지한다. 그러나 이러한 기술은 완벽하지 않으며 일부 유형의 오류를 놓칠 숭 있다.
• 효율성: 사용 가능한 대역폭을 효율적으로 사용하는 것은 데이터가 빠르고 안정적으로 전송되도록 하는 데 중요하다. 그러나 프레이밍 및 오류 감지와 관련된 오버헤드는 전송의 전반적인 효율성을 저하시킬 수 있다.

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참고고

• https://www.geeksforgeeks.org/framing-in-data-link-layer/