OSI모델의 2계층인 데이터 링크 계층에 대해 공부하기

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🌏 데이터 링크 계층:: 랜에서 데이터 전송하기

🚀 What I Will Learn

• 이더넷(Ethernet)을 이해한다
• CSMA/CD방식을 이해한다
• MAC 주소를 이해한다
• 스위치를 이해한다
• 충돌 도메인을 이해한다
• 이더넷 표준을 이해한다

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LESSON 12. 데이터 링크 계층의 역할과 이더넷

랜에서는 데이터를 주고받는 규칙으로 이더넷을 사용. 그럼 이더넷(Ethernet)이란?

1) 이더넷(Ethernet)이란?

랜에서 데이터를 주고 받으려면, 두 번째 계층인 데이터 링크 계층의 기술이 필요.

데이터 링크 계층: 네트워크 장비 간에 신호를 주고받는 규칙을 정하는 계층.

랜에서 데이터를 정상적으로 주고받기 위해 필요한 계층이다. 그 규칙들 중 가장 많이 사용되는 규칙이 이더넷(Ethernet)

이더넷(Ethernet): 랜에서 적용되는 규칙. 허브와 같은 장비에 연결된 컴퓨터와 데이터를 주고받을 때 사용.

허브: 약해지거나 파형이 뭉그러진 전기 신호를 복원시키고, 해당 전기 신호를 전달받은 포트를 제외한 나머지 포트에 전달하는 역할을 한다.

더미 허브라고도 불리는 이유는, 들어온 데이터를 그대로 모든 포트에 보내기만 하기 때문.

특정 컴퓨터에만 데이터를 보내는데, 관계 없는 다른 컴퓨터들이 그 데이터를 받아 본다면? 😱😱😱😱😱😱😱😱😱😱😱
이런 경우를 대비해서 다른 컴퓨터는 데이터를 못보도록 하는 규칙이 정해져 있다

• 그래서 보내려는 데이터에 목적지 정보를 추가해서 보내고,
• 목적지 이외의 컴퓨터는 데이터를 받아도 무시하게 된다

다만, 컴퓨터 여러 대가 동시에 데이터를 보내면 데이터들이 서로 부딪힐 수 있는데 즉 충돌(collision)이 일어날 수 있는데

이더넷은 여러 컴퓨터가 동시에 데이터를 전송해도 충돌이 일어나지 않는 구조로 되어있다

• 데이터가 동시에 케이블을 지나가면 충돌할 수 밖에 없어서 데이터를 보내는 시점을 늦추게 되는데, 이더넷에서 시점을 늦추는 방법을 CSMA/CD라고 한다

2) CSMA/CD이란?

CSMA/CD: Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection의 약어로 반송파 감지 다중 접속 및 충돌 탐지라는 뜻을 가진다

CSMA/CD에서
CS는 데이터를 보내려고 하는 컴퓨터가 케이블에 신호가 흐르고 있는지 아닌지를 확인한다는 규칙
MA는 케이블에 데이터가 흐르고 있지 않다면 데이터를 보내도 좋다라는 규칙
CD는 충돌이 발생하고 있는지를 확인한다는 규칙

이러한 규칙으로 데이터를 주고받으면 충돌이 일어나지 않는다

하지만 지금은 효율이 좋지 않다는 이유로 CSMA/CD는 거의 사용하지 않고
스위치(switch)라는 네트워크 장비를 사용하여 충돌을 막는다

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LESSON 13. MAC(Media Access Control Address) 주소의 구조

랜 카드를 제조할 때 정해지는 물리적인 주소에 대해 알아보자

1) MAC(Media Access Control Address) 주소란?

랜 카드는 비트열(0과 1)을 전기로 변환하는데, 이런 랜카드에는

• MAC(Media Access Control Address) 주소라는 번호가 정해져 있다.

• 제조할 때 새겨지기 때문에 물리 주소라고도 부르며

• 전 세계에서 유일한 번호로 할당되어 있다

  • 중복되지 않도록 규치깅 명확하게 정해져 있고 48비트 숫자로 구성되어 있다
  • 그 중 앞쪽 24비트는 랜카드를 만드는 제조사 번호
  • 뒤쪽 24비트는 제조사가 랜카드에 붙인 일련번호

  

2) MAC 주소를 사용한 통신

OSI 모델이나 TCP/IP 모델에서는 각 계층에 헤더를 붙인다

• OSI 모델은 데이터 링크 계층에 해당
• TCP/IP 모델에서는 네트워크 계층에 해당

이 계층에서 이더넷 헤더와 트레일러를 붙인다
그리고 이렇게 이더넷 헤더와 트레일러가 추가된 데이터를 프레임이라고 한다

이더넷 헤더는 총 14바이트로 구성되어 있다

• 목적지의 MAC 주소(6바이트)
• 출발지 MAC 주소(6바이트)
• 유형(2바이트)

이더넷 유형(Ethernet type)은 이더넷으로 전송되는 상위 계층 프로토콜의 종류를 나타내는데, 식별하는 16진수 번호가 들어간다

유형 번호	프로토콜
0800	IPv4
0806	ARP
8035	RARP
814C	SNMP over Ethernet
86DD	IPv6

트레일러는 FCS(Frame Check Sequence)라고도 하는데, 데이터 전송 도중에 오류가 발생하는지 확인하는 용도로 사용한다

네트워크를 통해 프레임(이더넷 헤더와 트레일러가 추가된 데이터)이 전송되는데

• 이더넷 헤더에 데이터의 목적지인 컴퓨터 주소(목적지 MAC 주소)와 자신의 주소(출발지 MAC 주소)를 넣고 데이터를 전송 → 이때 캡슐화가 일어난다

📌요악하면!! 💡데이터 링크 계층에서 데이터에 이더넷 헤더와 트레일러를 추가하여 프레임을 만들고, 💡물리 계층에서 이 프레임 비트열을 전기 신호로 변환하여 네트워크를 통해 전송

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LESSON 14. 스위치(switch)의 구조

스위치(switch)는 허브와 달리 데이터 충돌이 발생하지 않는다. 네트워크 구성에서 빠질 수 없는 스위치에 대해 알아보자.

1) MAC(Media Access Control Address) 주소 테이블란?

스위치(switch)는

• 데이터 링크 계층에서 동작하고
• 레이어 2 스위치 또는 스위칭 허브라고도 불린다
• 장비 외형은 허브와 비슷하다

스위치 내부에는

• MAC 주소 테이블(MAC address table) 또는 브리지 테이블 (bridge table)이라는 것이 있고

MAC 주소 테이블은

• 스위치의 포트 번호와 해당 포트에 연결 되어 있는 컴퓨터의 MAC 주소가 등록되는 데이터 베이스다.

스위치의 전원을 켰을때

• MAC 주소 테이블에는 아무것도 등록되어 있지 않고
• 컴퓨터에서 목적지 MAC 주소가 추가된 프레임이 전송되면 MAC 주소 테이블을 확인하고
• 출발지 MAC 주소가 등록되어 있지 않으면 MAC 주소를 포트와 함께 등록한다

이런 기능을 MAC 주소 학습 기능이라고 하고, 더미 허브에는 없는 기능이다.

스위치가 수신 포트 이외의 모든 포트에서 데이터를 송신하는 것을 플러딩(flooding, 홍수)이라고 한다.

스위치에서 MAC 주소를 기준으로 목적지를 선택하는 것을 MAC 주소 필터링이라고 한다.

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LESSON 15. 데이터가 케이블에서 충돌하지 않는 구조

케이블에 데이터가 아무리 많이 전송되어도 데이터가 충돌하지 않는 구조 이해하기

1) 전이중 통신과 반이중 통신

• 전이중 통신 방식은 데이터의 송수신을 동시에 통신하는 방식. 데이터를 동시에 전송해도 충돌이 발생하지 않는다

  • 컴퓨터를 두 대를 랜 케이블을 직접 연결한 경우

• 반이중 통신 방식은 회선 하나로 송신과 수신을 번갈아가면서 통신하는 방식. 데이터를 동시에 전송하면 충돌이 발생한다.

  • 컴퓨터 두 대를 허브에 연결한 경우

• 스위치는 충돌이 일어나지 않는 구조로 되어 있기 때문에 전이중 통신 방식으로도 데이터를 주고 받을 수 있다

  • 컴퓨터 두 대를 스위치에 연결한 경우

  

2) 충돌 도메인(collsion domain)이란?

충돌 도메인(collsion domain): 허브는 반이중 통신 방식으로 동시에 데이터를 전송하면 충돌이 일어나는데, 충돌이 발생할 때 그 영향이 미치는 범위. 충돌 도메인이 넓을수록 네트워크가 지연된다.

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LESSON 16. 이더넷의 종류와 특징

케이블에 데이터가 아무리 많이 전송되어도 데이터가 충돌하지 않는 구조 이해하기

1) 이더넷 규격

다음 표에 이더넷의 대표적인 규격을 정리해뒀다.

규격 이름	통신 속도	케이블	케이블 최대 길이	표준화 연도
10BASE5	10Mbps	동축케이블	500m	1982년
10BASE2	10Mbps	동축케이블	185m	1988년
10BASE-T	10Mbps	UTP케이블(Cat3이상)	100m	1990년
100BASE5-TX	100Mbps	UTP케이블(Cat5이상)	100m	1995년
1000BASE-T	1000Mbps	UTP케이블(Cat5이상)	100m	1999년
10GBASE-T	10Gbps	UTP케이블(Cat6a이상)	100m	2006년

• 10: Mbps 단위인 통신 속도
• BASE: BASEBAND라는 전송 방식
• T: 케이블 종류

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:: 용어 정리💡

• 데이터 링크 계층(data link layer): 네트워크 기기 간에 데이터를 전송하고 물리 주소를 결정한다.

• 이더넷(Ethernet): 컴퓨터 네트워크 기술 중 하나로 전 세계의 사무실이나 가정에서 일반적으로 사용되는 랜에서 가장 많이 활용되는 기술 규격이다.

• 충돌(collision): 데이터를 한 번에 하나만 전송 할 수있는 채널에 전송 장치 두 개가 같은 시점에 패킷을 보낼 때 일어나는 데이터 충돌을 말한다.

• MAC 주소(Medium Access Control address): 랜에 사용되는 네트워크 모델인 이더넷의 물리적인 주소로 컴퓨터 네트워크에서 각각의 기기를 구분하기 위해 사용하는 주소다.

• 스위치(switch, 스위칭 허브): 랜을 구성할 때 사용하는 단말기 간 스위칭 기능이 있는 통신망 중계 장치다. 컴퓨터(호스트)에서 특정한 다른 다른 단말기로 패킷을 보낼 수 있는 기능이 있어 통신 효율이 향상된다.

• 전이중 통신 방식(full-duplex communication): 전화 회선과 같이 송신과 수신이 양쪽에서 동시에 이루어지는 양방향 통신이다. 서로 다른 회선이나 주파수를 이용하여 데이터 신호가 충돌되는 상황을 방지한다. 스위칭 허브를 사용하면 랜 카드와 허브 간의 동시 송수신이 가능해진다.

• ARP(Address Resolution Protocol, 주소 변환 프로토콜): 네트워크 계층 주소와 데이터 링크 계층 주소사이의 변환을 담당하는 프로토콜이다. IP 주소를 물리 주소인 MAC 주소로 변환하는 데 사용한다.

• ARP 캐시(ARP cache): 가장 최근에 변환한 'IP 대 하드웨어 주소'를 보관하고 있는 램(RAM)의 한 영역이다.

• ARP 요청(ARP request): IP 주소를 대치할 수 있는 물리 주소인 MAC 주소를 찾아내기 위해 보내는 브로트캐스트 패킷 요청이다.

• ARP 응답(ARP reply): ARP 요청(request)에 대한 응답으로 요청한 IP 주소에 대한 물리 주소인 MAC 주소가 실려있다.