고급 데이터 연결 제어

3. 프레이밍

HDLC 프레임은 동기 직렬 통신 또는 비동기 직렬 통신 링크를 통해 전송될 수 있다. 이러한 링크에는 프레임의 시작 또는 끝을 표시하는 메커니즘이 없으므로, 각 프레임의 시작과 끝을 식별해야 한다. 이를 위해 프레임 구분 기호(플래그 시퀀스)라는 고유한 비트 시퀀스를 사용하며, 이 시퀀스는 프레임 내에서 절대 나타나지 않도록 인코딩된다. 각 프레임은 프레임 구분 기호로 시작하고 끝난다. 프레임 끝의 프레임 구분 기호는 다음 프레임의 시작을 표시할 수도 있다.

프레임 구분 기호는 "01111110" (16진수 0x7E)의 8비트 코드이다. 데이터 투명성(프레임 내에서 플래그 시퀀스와 동일한 비트열이 나타나는 것을 방지)을 위해 다음과 같은 방법을 사용한다.

• 동기식 링크: 비트 스터핑을 사용한다. 전송 데이터에 1비트가 5개 연속으로 나타날 때마다 데이터 전송을 일시 중단하고 0비트를 추가한다. 수신 측에서는 이 0비트를 제거하여 원래 데이터를 복원한다.
• 비동기식 링크: 바이트 스터핑을 사용한다. 프레임 경계 옥텟(0x7E) 또는 제어 이스케이프 옥텟(0x7D)이 데이터에 나타나면, 이스케이프 옥텟(0x7D)을 먼저 전송하고 원래 데이터 옥텟의 비트 5를 반전시켜 전송한다.

3. 1. 프레임 구조

하나의 프레임 종료 플래그는 다음 프레임의 시작 플래그일 수 있지만, 반드시 그럴 필요는 없다.

데이터는 일반적으로 8비트 단위로 전송되지만, 일부 변형만이 이 요구 사항을 따르며, 다른 변형은 이론적으로 8비트 경계가 아닌 다른 데이터 정렬을 허용한다.

프레임 검사 시퀀스(FCS)는 주소, 제어 및 정보 필드에 대해 계산된 16비트 CRC-CCITT 또는 32비트 CRC-32이다. 이는 수신자가 손실된 비트, 뒤집힌 비트, 불필요한 비트 등 프레임 전송 중에 발생할 수 있는 오류를 감지할 수 있는 수단을 제공한다. 그러나 FCS를 계산하는 데 사용되는 알고리즘은 오류 검사를 위해 확인되는 데이터의 길이에 따라 특정 유형의 전송 오류가 감지되지 않을 확률이 증가하므로, FCS는 암묵적으로 프레임의 실제 크기를 제한할 수 있다.

수신자의 FCS 계산이 발신자의 계산과 일치하지 않아 프레임에 오류가 있음을 나타내는 경우, 수신기는 발신자에게 부정 응답 패킷을 보내거나 아무것도 보내지 않을 수 있다. 부정 응답 패킷을 수신하거나 긍정 응답 패킷을 기다리는 시간이 초과된 후, 발신자는 실패한 프레임을 재전송할 수 있다.

FCS는 초기 통신 링크의 비트 오류율이 상대적으로 높았기 때문에 구현되었으며, FCS는 간단하고 빠른 회로 또는 소프트웨어로 쉽게 계산할 수 있었다. 보다 효과적인 순방향 오류 수정 방식이 이제 다른 프로토콜에서 널리 사용된다.

제어 필드의 일반적인 형식은 다음과 같다.

I-프레임과 S-프레임에는 확장(2바이트) 형태도 있다. 최하위 비트(이 표의 가장 오른쪽)가 먼저 전송된다.

Poll/Final 비트는 두 가지 이름을 가진 단일 비트이다. 기본국이 보조국으로부터 응답을 얻기 위해 설정하는 명령의 일부일 때는 Poll이라고 불리고, 응답의 일부(응답 또는 전송 종료를 나타내기 위해 보조국에서 설정)일 때는 Final이라고 불린다. 그 외의 경우에는 비트가 지워진다.

이 비트는 스테이션 간에 주고받는 토큰으로 사용된다. 한 번에 하나의 토큰만 존재해야 한다. 보조국은 기본국으로부터 Poll을 수신했을 때만 Final을 보낸다. 기본국은 보조국으로부터 Final을 다시 수신했거나, 비트가 손실되었음을 나타내는 타임아웃 후에만 Poll을 보낸다.

• NRM에서 폴 토큰을 소유하면 주소가 지정된 보조국에 전송 권한도 부여된다. 보조국은 마지막 응답 프레임에서 F 비트를 설정하여 전송 권한을 포기한다. (이는 무선 음성 절차에서 "Over"라는 단어와 동일하다.)
• ARM 및 ABM에서 P 비트는 응답을 강제한다. 이러한 모드에서는 보조국이 전송을 위해 Poll을 기다릴 필요가 없으므로, Final 비트는 Poll 이후의 "첫 번째" 응답에 포함될 수 있다.
• 합리적인 시간 내에 P 비트에 대한 응답이 수신되지 않으면 기본국은 타임아웃되어 P를 다시 보낸다.
• P/F 비트는 HDLC를 구현하는 데 필요한 기본 '''체크포인트 재전송''' 방식의 핵심이다. 다른 모든 변형(예: REJ S-프레임)은 선택 사항이며 효율성을 높이는 역할만 한다. 스테이션은 P/F 비트를 수신할 때마다 마지막으로 P/F 비트를 전송하기 전에 보냈지만 아직 승인되지 않은 모든 프레임이 도착하지 않을 것이라고 가정하고 재전송해야 한다.

• 비트 값 = 00 (0x00)^[2]
• 송신자가 더 많은 데이터를 수신할 준비가 되었음을 나타낸다(이전 RNR의 효과를 취소).
• 보낼 프레임이 없지만 패킷을 보내야 하는 경우 이 패킷을 보낸다.
• 주 스테이션은 P-비트를 설정하여 보조 스테이션에서 데이터를 요청하기 위해 이를 보낼 수 있다.
• 보조 터미널은 보낼 데이터가 없는 경우 폴링에 응답하기 위해 F-비트를 설정하여 이를 사용할 수 있다.
• 비트 값 = 01 (0x04)^[3]
• 일부 패킷을 승인하지만, 추가 통지가 있을 때까지 더 이상 전송하지 않도록 요청한다.
• P 비트가 설정된 RR과 같이 사용하여 보조 스테이션의 상태를 요청할 수 있다.
• F 비트가 설정된 RR과 같이 사용하여 스테이션이 사용 중일 경우 폴에 응답할 수 있다.
• 비트 값 = 10 (0x08)^[4]
• N(R)부터 시작하여 즉시 재전송을 요청한다.
• 관찰된 시퀀스 번호 갭에 대한 응답으로 전송된다. 예를 들어 I1/I2/I3/I5를 본 후 REJ4를 보낸다.
• 생성 여부는 선택 사항이다. 작동하는 구현은 RR만 사용할 수 있다.
• 비트 값 = 11 (0x0c)
• 프레임 N(R)만 재전송을 요청한다.
• 모든 HDLC 변형에서 지원되지 않는다.
• 선택적으로 생성 가능; 작동하는 구현은 RR만 사용하거나 RR과 REJ만 사용할 수 있다.

프레임 구분 기호를 포함하는 HDLC의 프레임 구조는 다음과 같다.

말단의 프레임 구분 기호는 다음 프레임의 시작 부분의 프레임 구분 기호를 겸한다(없어도 된다). 또한, 제어 전용 프레임과 비번호제 프레임은 정보부를 갖지 않는다.

주소부에는 송신 측과 수신 측에서 공유하는 간이 주소가 기록된다. HDLC는 일반적으로 통신을 통제하는 단말(1차국)과 1차국으로부터 통신 명령을 받는 단말(2차국)으로 나뉘며, 기본적으로 주소부에는 이 2차국의 간이 주소가 기록된다. 일반적으로 이 부분은 8비트이지만, 16비트로 확장된 것도 규격화되어 있다.

제어부에는 프레임의 역할을 지정하는 제어 정보가 기록된다.

송신·수신 순서 번호에는 0~7의 번호가 들어가며, 1프레임 송신·수신할 때마다 1씩 증가한다. 프레임은 어느 정도 묶어서 전송하게 되므로, 수신 시에 순서가 바뀌어도 순서 번호를 기준으로 재정렬할 수 있다.

제어 전용 프레임의 제어 부호는 2비트이므로 4종류가 있으며, 00(0)은 수신 가능, 01(1)은 수신 불가능, 10(2)는 전송에 실패한 프레임 그룹의 재전송 요구, 11(3)은 전송에 실패한 프레임 중 특정 프레임의 재전송 요구를 나타낸다.

비번호제 프레임은 모드 번호1·2의 전환을 통해 다양한 기능을 실현하며, 지령과 반송으로 총 23종류의 기능을 전환할 수 있다.

P/F 플래그는 제어 전용 프레임·비번호제 프레임 중, 반송을 요구하는 경우 또는 그 반송인 경우에만 1이 들어간다. 그 외의 경우에는 모두 0이 된다.

제어부는 8비트가 기본이지만, 주소부와 마찬가지로 16비트인 것도 규격화되어 있다. 또한, 32비트의 제어부를 갖는 규격이 2개, 64비트의 것이 1개 규격화되어 있다.

정보부에는 전송해야 할 데이터가 기록된다. 이 데이터에 관한 규정은 없지만, 일반적으로 전송되는 정보는 8의 배수 비트가 된다. 이는 전화, 텔레타이프의 장거리 디지털 전송 장치가 8비트씩 전송하는 것에 HDLC가 적응한 결과이다. 이로 인해 HDLC는 효율적으로 바이너리 데이터를 송수신할 수 있다.

FCS는 (Frame Check Sequence: 프레임 검사 시퀀스)의 약자로 패리티 체크보다 세련된 방법이며, CRC에 의한 데이터의 오류 검출 및 정정을 수행한다.

ISO/IEC 13239에서는 CRC의 생성 다항식으로 $x^\{16\}\; +\; x^\{12\}\; +\; x^5\; +\; 1$을 사용하는 것이 규정되어 있다. 또한, CRC-32에 의한 CRC 부호의 생성도 규격화되어 있으며, 이쪽에서는 $x^\{32\}\; +\; x^\{26\}\; +\; x^\{23\}\; +\; x^\{22\}\; +\; x^\{16\}\; +\; x^\{12\}\; +\; x^\{11\}\; +\; x^\{10\}\; +\; x^8\; +\; x^7\; +\; x^5\; +\; x^4\; +\; x^2\; +\; x\; +\; 1$을 사용한다.

4. 동작 모드 및 프레임 유형

HDLC는 세 가지 기본 프레임 유형을 사용한다.

• I-프레임 (정보 프레임): 사용자 데이터를 전송하고 흐름 및 오류 제어 정보를 포함할 수 있다.
• S-프레임 (감시 프레임): 흐름 및 오류 제어에 사용되며 정보 필드가 없다.
• U-프레임 (비번호 프레임): 링크 관리 등에 사용되며 일부는 정보 필드를 포함한다.

4. 1. 동작 모드

• 정상 응답 모드 (NRM): 주 스테이션이 보조 스테이션을 폴링하여 전송 권한을 부여하는 불균형 모드이다. 주 스테이션만 데이터 전송을 시작할 수 있으며, 보조 스테이션은 주 스테이션의 명령에 따라서만 데이터를 전송한다.
• 비동기 응답 모드 (ARM): 보조 스테이션이 주 스테이션의 허가 없이 전송할 수 있는 불균형 모드이다. 주 스테이션은 회선 초기화, 오류 복구, 논리적 연결 해제를 담당한다.
• 비동기 균형 모드 (ABM): 두 스테이션이 동등하게 동작하는 균형 모드이다. 어느 스테이션이나 초기화, 감독, 오류 복구, 프레임 전송을 할 수 있으며, 마스터/슬레이브 관계가 없다.

4. 2. 프레임 유형

• '''I-프레임''' (정보 프레임): 네트워크 계층에서 사용자 데이터를 전송하며, 흐름 및 오류 제어 정보를 함께 실을 수 있다.^[2]
• '''S-프레임''' (감시 프레임): 스테이션에 보낼 데이터가 없는 경우 등, 피기배킹(piggybacking)이 불가능하거나 부적절할 때 흐름 및 오류 제어를 위해 사용된다. S-프레임은 정보 필드를 갖지 않는다.^[3]
• '''U-프레임''' (비번호 프레임): 링크 관리 등 다양한 용도로 사용된다. 일부 U-프레임은 유형에 따라 정보 필드를 포함한다.^[4]

5. 링크 구성

HDLC 링크 구성은 다음과 같이 분류할 수 있다.^[1]

• '''불균형(Unbalanced)''': 하나의 주 단말과 하나 이상의 보조 단말로 구성된다.
• '''균형(Balanced)''': 두 개의 동등한 단말로 구성된다.

• '''정상 응답 모드(Normal Response Mode, NRM)''': 주 단말만 데이터 전송을 시작할 수 있는 불균형 구성이다. 보조 단말은 주 단말의 명령에 따라서만 데이터를 전송한다. 주 단말은 각 보조 단말을 폴링하여 데이터를 전송할 기회를 제공한다.
• '''비동기 응답 모드(Asynchronous Response Mode, ARM)''': 보조 단말이 주 단말의 허가 없이 전송할 수 있는 불균형 구성이다. 그러나 회선 초기화, 오류 복구 및 논리적 연결 해제를 담당하는 주 단말이 여전히 존재한다.
• '''비동기 균형 모드(Asynchronous Balanced Mode, ABM)''': 어느 스테이션이나 언제든지 초기화, 감독, 오류 복구 및 프레임을 보낼 수 있는 균형 구성이다. 주/종(master/slave) 관계가 없다. DTE(데이터 단말 장치) 및 DCE(데이터 회선 종단 장치)는 동등하게 처리된다.

6. 한국의 HDLC 활용

HDLC는 인터넷 연결에 사용하는 동기 회선에서 PPP에 사용되는 프레이밍 메커니즘의 기반이 된다. 많은 서버가 WAN을 통해 인터넷에 연결될 때 이 기술을 활용한다.

E-캐리어 (E1) 및 SONET 다중 채널 전화 회선의 제어 채널로 사용되는 HDLC와 유사한 버전도 있다. 시스코 HDLC(Cisco HDLC)는 하위 수준 HDLC 프레이밍 기술을 사용하지만, 표준 HDLC 헤더에 프로토콜 필드를 추가한다.

참조

_[1] 서적
_[2] 웹사이트 X.25 frame types - Martin Baker http://www.euclidean[...]
_[3] 웹사이트 X.25 frame types - Martin Baker http://www.euclidean[...]
_[4] 웹사이트 X.25 frame types - Martin Baker http://www.euclidean[...]