비트 지향 HDLC(High-Level Data Link Control)

비트 지향 HDLC(High-Level Data Link Control)는 데이터 링크 계층에서 사용하는 통신 프로토콜로, 비트 단위로 데이터를 처리하는 방식입니다. HDLC는 국제 표준으로 채택된 프로토콜이며, 패킷을 전송하는 다양한 네트워크 환경에서 사용됩니다. 데이터 프레임을 효율적으로 관리하며 오류 제어와 흐름 제어 기능을 포함하고 있어 신뢰성 있는 데이터 전송을 보장합니다.

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HDLC의 개요

HDLC는 IBM이 개발한 SDLC(Synchronous Data Link Control) 프로토콜을 기반으로 한 국제 표준 프로토콜입니다. 이 프로토콜은 데이터를 프레임 단위로 구성하여 전송하며, 데이터의 시작과 끝을 구분하기 위해 특정 비트 패턴을 사용합니다. 또한 송수신 간의 동기화를 유지하고, 오류가 발생했을 때 이를 감지하고 복구하는 기능을 포함하고 있습니다.

HDLC 프레임 구조

HDLC 프레임은 여러 개의 필드로 구성되며, 각각의 필드는 특정한 역할을 담당합니다.

플래그 필드(Flag Field)

HDLC 프레임은 01111110이라는 특정한 8비트 값으로 시작하고 끝납니다. 이 플래그 필드는 프레임의 시작과 끝을 명확히 구분하는 역할을 합니다. 데이터 전송 중 01111110과 같은 패턴이 포함될 경우, 비트 스터핑 기법을 이용하여 원치 않는 플래그로 인식되지 않도록 합니다.

주소 필드(Address Field)

주소 필드는 송신자와 수신자의 주소 정보를 포함합니다. 단일 지점 간 연결에서는 하나의 주소만 필요할 수도 있지만, 다중 지점 네트워크에서는 특정 장치를 식별하기 위해 필수적인 요소입니다. 일반적으로 8비트 또는 16비트로 구성됩니다.

제어 필드(Control Field)

제어 필드는 프레임의 유형을 정의하고, 흐름 제어 및 오류 제어 정보를 포함합니다. 이 필드는 프레임 유형에 따라 구조가 다르며, 일반적으로 8비트로 구성됩니다. 정보 프레임(I-Frame)에서는 송수신 순서 번호가 포함되며, 감독 프레임(S-Frame)과 비번호 프레임(U-Frame)에서는 제어 신호가 포함됩니다.

정보 필드(Information Field)

정보 필드는 실제 데이터를 포함하는 부분으로, I-Frame에서 사용됩니다. S-Frame과 U-Frame에서는 존재하지 않을 수 있습니다. 정보 필드의 크기는 네트워크 설정과 MTU(Maximum Transmission Unit)에 따라 달라집니다.

FCS 필드(Frame Check Sequence Field)

FCS 필드는 오류 검출을 위한 필드로, CRC(Cyclic Redundancy Check) 방식이 사용됩니다. 일반적으로 16비트 또는 32비트로 구성되며, 수신 측에서 오류 여부를 검사하는 데 활용됩니다. FCS 필드는 프레임이 올바르게 전송되었는지 확인하는 중요한 역할을 합니다.

HDLC의 비트 지향적 특징

HDLC의 비트 지향적 특성은 데이터 전송의 유연성과 효율성을 높이는 중요한 요소입니다. 이를 구체적으로 살펴보겠습니다.

플래그(Flag) 기반 프레임 구분

HDLC는 01111110(0x7E) 패턴을 사용하여 프레임의 시작과 끝을 구분합니다. 이 플래그 패턴은 HDLC의 모든 프레임에서 동일하게 사용되며, 데이터 내에서도 동일한 패턴이 등장할 가능성이 있으므로 비트 스터핑(Bit Stuffing) 기법을 활용하여 문제를 해결합니다.

2비트 스터핑(Bit Stuffing)

HDLC의 비트 지향적 특징 중 핵심 요소는 비트 스터핑입니다. 데이터 프레임을 전송할 때, 만약 011111과 같은 연속된 1이 다섯 개 등장하면, 자동으로 0을 추가하여 0111110으로 변환합니다. 이를 통해 수신 측에서는 플래그(01111110)와 실제 데이터 간의 구분이 명확해집니다. 수신 측에서는 이 추가된 0을 제거하여 원래 데이터를 복원합니다.

데이터 투명성(Data Transparency)

비트 지향 방식은 특정 문자를 기반으로 하지 않기 때문에 모든 유형의 데이터(텍스트, 바이너리, 이미지 등)를 문제없이 전송할 수 있습니다. 반면, ASCII와 같은 문자 지향 프로토콜에서는 특정 제어 문자(예: ETX, STX 등)를 회피하는 추가적인 방법이 필요하지만, HDLC는 비트 단위로 데이터를 처리하기 때문에 별도의 제약 없이 데이터를 송수신할 수 있습니다.

CRC 기반 오류 검출

HDLC는 신뢰성을 확보하기 위해 순환 중복 검사(CRC, Cyclic Redundancy Check)를 사용합니다. 프레임 끝에 FCS(Frame Check Sequence)를 추가하여 데이터가 전송 중 손상되었는지 검사합니다. CRC는 비트 단위로 계산되며, 비트 지향적인 HDLC의 특징을 더욱 강화합니다.

HDLC의 동작 모드

HDLC의 동작 모드는 네트워크 구조와 데이터 흐름에 따라 구분됩니다. 대표적인 동작 모드는 다음과 같습니다.

정규 응답 모드(Normal Response Mode, NRM)

NRM은 마스터-슬레이브(Master-Slave) 방식의 통신을 지원하는 모드입니다.

특징

NRM에서는 주국(Primary Station)이 데이터 전송을 제어하며, 종속국(Secondary Station)은 주국으로부터 명령을 받기 전까지 데이터를 전송할 수 없습니다. 종속국은 오직 응답(Response)만 가능하며, 주국이 폴링(Polling)하거나 특정 명령을 내려야만 데이터 전송을 수행할 수 있습니다.

사용 사례

NRM은 일반적으로 단방향 또는 반이중(half-duplex) 방식이 필요한 환경에서 사용됩니다. 대표적으로 메인프레임과 터미널 간의 통신, 전용선 기반 네트워크에서 활용됩니다. IBM의 SDLC(Synchronous Data Link Control) 프로토콜이 NRM을 기반으로 설계되었습니다.

비동기 균형 모드(Asynchronous Balanced Mode, ABM)

ABM은 대등한(peer-to-peer) 노드 간의 양방향(full-duplex) 통신이 가능한 방식입니다.

특징

이 모드에서는 모든 스테이션(국)이 대등한 입장에서 데이터를 송수신할 수 있습니다. 즉, 특정한 주국(Primary Station)과 종속국(Secondary Station)의 구분이 없습니다. 따라서 각 노드는 독립적으로 데이터를 전송할 수 있으며, 상대방의 허가 없이도 데이터 통신이 가능합니다.

사용 사례

ABM은 점대점(Point-to-Point) 통신 환경에서 주로 사용됩니다. 예를 들어, 라우터 간의 연결이나 고속 데이터 통신 네트워크에서 활용됩니다.

비동기 응답 모드(Asynchronous Response Mode, ARM)

ARM은 NRM과 ABM의 혼합형으로 볼 수 있는 동작 모드입니다.

특징

ARM에서는 종속국(Secondary Station)이 주국(Primary Station)의 명령 없이도 데이터를 전송할 수 있습니다. 하지만 기본적으로 주국이 네트워크를 제어하는 구조는 유지됩니다. 즉, NRM과 달리 종속국이 보다 자율적으로 데이터를 전송할 수 있지만, 여전히 전체 네트워크의 제어권은 주국이 가지고 있습니다.

사용 사례

ARM은 상대적으로 덜 사용되는 모드이지만, 임베디드 시스템이나 특수한 데이터 통신 환경에서 활용될 수 있습니다.

HDLC 동작 모드 비교

동작 모드	마스터-슬레이브 방식	대등한 통신	응답 없이 전송 가능	사용 사례
NRM	O (Primary-Control)	X	X	전용선, 메인프레임-터미널
ABM	X	O	O	라우터 간 연결, 고속 데이터 통신
ARM	O (하지만 종속국이 전송 가능)	X	O	임베디드 시스템, 특수 네트워크

사용 사례

철도 신호 및 관제 시스템
열차 제어 및 신호 시스템에서 HDLC가 활용되어, 열차 간 거리 유지 및 실시간 모니터링이 가능합니다.
항공 교통 관리 시스템
공항의 관제 시스템과 항공기 간의 데이터 교환을 HDLC 기반 네트워크가 지원합니다. 이를 통해 항공기 위치 정보, 기상 정보, 비행 계획 등이 정확하게 전달됩니다.

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