CSMA/CA 패킷 충돌을 피하는 무선 통신 기술

CSMA/CA란?

CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)는 무선 네트워크(Wi-Fi) 환경에서 패킷 충돌을 방지하는 네트워크 액세스 제어 방식입니다. 이는 IEEE 802.11 프로토콜에서 널리 사용되며, 네트워크 상에서 여러 장치가 동일한 주파수 채널을 공유할 때 데이터 충돌을 최소화하는 역할을 합니다.

CSMA/CA는 유선 네트워크에서 사용하는 CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)와 다르게, 충돌을 사전에 예방하는 방식을 사용합니다. 이는 무선 통신에서는 충돌을 감지하고 재전송하는 것이 어렵기 때문입니다.

CSMA/CA의 동작 원리

CSMA/CA는 패킷 충돌을 최소화하기 위해 다음과 같은 절차를 수행합니다.

채널 감지 (Carrier Sense)

장치는 데이터를 전송하기 전에 현재 채널이 사용 중인지 확인합니다. 이는 물리 계층(PHY)과 MAC 계층에서 수행됩니다.

물리 계층 감지(Physical Carrier Sensing): 직접 신호를 측정하여 다른 장치의 데이터 전송 여부를 확인합니다.
MAC 계층 감지(Virtual Carrier Sensing): 가상의 네트워크 할당 시간을 설정하여 네트워크 점유 여부를 판단합니다.

백오프 알고리즘 적용

만약 채널이 사용 중이라면, 랜덤한 시간 동안 대기(backoff)한 후 다시 채널을 감지합니다. 이 랜덤한 대기 시간은 Binary Exponential Backoff (BEB) 알고리즘을 기반으로 합니다.

BEB 알고리즘은 충돌 발생 시 대기 시간을 지수적으로 증가시키는 방식으로, 여러 장치가 동시에 전송하려는 경우를 방지합니다.
대기 시간이 끝난 후 다시 채널을 감지하고, 여전히 사용 중이면 다시 랜덤 대기 과정을 반복합니다.

예비 신호 전송 (RTS/CTS)

CSMA/CA는 충돌을 방지하기 위해 RTS/CTS(Request to Send / Clear to Send) 핸드셰이킹 기법을 사용할 수 있습니다.

송신 장치가 RTS(Request to Send) 패킷을 보냄: 이는 특정 데이터를 전송하려 한다는 신호입니다.
수신 장치가 CTS(Clear to Send) 패킷을 응답: 수신 장치는 네트워크가 사용 가능함을 알리고 송신 장치가 데이터를 보낼 수 있도록 승인합니다.
데이터 전송 진행: 송신 장치는 데이터를 보내고, 수신 장치는 이를 받은 후 ACK(확인 응답) 패킷을 보냅니다.

📌 RTS/CTS 기법은 네트워크 부하가 많거나 장애물이 많은 환경에서 특히 유용합니다. 모든 데이터 전송에 RTS/CTS를 사용하면 오버헤드가 증가할 수 있어, 보통 특정 크기 이상의 패킷에만 적용됩니다.

데이터 전송 및 응답 확인 (ACK)

데이터 전송 후 수신 장치는 ACK(응답 패킷)을 보냅니다. 송신 장치는 일정 시간 내에 ACK를 받지 못하면 데이터가 충돌했거나 손실되었다고 판단하고 재전송 절차를 수행합니다.

CSMA/CA와 CSMA/CD의 차이점

CSMA 방식에는 충돌을 다루는 방식에 따라 두 가지 주요 유형이 있습니다:

비교 항목	CSMA/CA (Collision Avoidance)	CSMA/CD (Collision Detection)
주요 사용 환경	무선 네트워크 (Wi-Fi, IEEE 802.11)	유선 이더넷 (IEEE 802.3)
충돌 관리 방식	충돌을 사전에 방지 (Avoidance)	충돌 감지 후 복구 (Detection)
충돌 발생 시 대응	RTS/CTS 및 백오프 알고리즘을 이용해 충돌 예방	충돌 발생 시 즉시 전송 중단 후 재전송
재전송 방식	ACK 패킷을 사용하여 수신 여부 확인 후 필요 시 재전송	충돌 발생 감지 시 일정 시간 후 재전송
적용 계층	MAC 계층에서 충돌 회피 구현	물리 계층에서 충돌 감지 및 처리

❗ CSMA/CA와 CSMA/CD를 혼동하지 마세요!

CSMA/CA는 충돌을 사전에 방지하는 기법이며, 주로 무선 네트워크(Wi-Fi)에서 사용됩니다.

CSMA/CD는 충돌을 감지하고 대응하는 방식이며, 유선 이더넷에서 주로 사용됩니다.

CSMA/CA의 장점과 단점

✅ 장점

✔ 무선 네트워크 환경에서 효과적인 충돌 방지

✔ RTS/CTS 기법을 통한 네트워크 안정성 향상

✔ 백오프 알고리즘을 통한 공정한 채널 접근

❌ 단점

❌ 데이터 전송 전에 추가적인 핸드셰이킹 과정이 필요하므로 오버헤드 발생

❌ 대역폭 사용률이 낮아질 수 있음

❌ CSMA/CD에 비해 구현 복잡도가 높음

결론

CSMA/CA는 Wi-Fi 네트워크의 핵심 기술 중 하나로, 패킷 충돌을 사전에 방지하여 보다 안정적인 데이터 전송을 가능하게 합니다.

이 기법을 잘 이해하면 무선 네트워크의 성능을 최적화하고, 혼잡한 환경에서도 효율적인 데이터 전송을 설계할 수 있습니다. 또한, CSMA/CD와의 차이를 명확히 구분하여 적용할 필요가 있습니다. Wi-Fi 네트워크를 구성하거나 개선할 때 CSMA/CA의 원리를 활용하는 것이 중요합니다.

Zing: 기가급 초고속 근접 무선통신 기술