[Network][5주차] 네트워크 인터페이스 계층

케이·2022년 9월 4일
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'TCP/IP 쉽게 더 쉽게' 라는 책을 중심으로 학습 정리한 포스팅입니다. 잘못된 내용이 있다면 언제든 지적해주시면 감사하겠습니다.🙇🏻‍♀️

네트워크 인터페이스 계층의 역할

→ 다양한 하드웨어를 네트워크에 연결한다.

네트워크 인터페이스 계층은 네트워크 하드웨어(어댑터, LAN 케이블, 광 케이블 등)를 제어하는 부분이다. OSI 참조 모델에서는 프로토콜과 같이 소프트웨어와 관련된 부분을 데이터 링크 계층이라고 하고 하드웨어와 관련된 부분을 물리계층이라고 구분한다.

네트워크 인터페이스 계층의 프로토콜

  • PPP - 전화회선을 사용해서 원격지와 접속
  • 이더넷 - 동축 케이블이나 UTP 케이블을 사용

이 둘 외에도 IP 어드레스 정보를 이용하여 목적지의 MAC 어드레스를 알아내는 ARP같은 프로토콜도 있다.

MAC 주소

네트워크 어댑터(NIC)DPSMS MAC(Media Access Control) 어드레스라고 하는 식별 번호가 부여되어 있다. 제조사가 제조 과정에서 고유한 MAC 번호를 할당 받는다.

https://media.geeksforgeeks.org/wp-content/uploads/mac.jpg

MAC 주소는 유선 LAN의 이더넷이나 무선 LAN 외에도 블루투스와 같은 다양한 데이터 통신에서 활용된다. 네트워크 인터페이스 계층이 보내는 데이터를 프레임(frame)이라고 부르는데 이 프레임 안에 송신지와 수신지의 MAC 주소 정보가 포함된다.

이더넷 프레임

이더넷 프레임의 destination address, source address는 각각의 Mac 주소이다.

https://www.flukenetworks.com/sites/default/files/blog/ethernetbacktobasic01_1.png

IP 주소와 MAC 주소의 차이점

  • MAC 주소는 전송과정 중에 통신 경로상 다음 장비의 주소로 교체된다. (== MAC 주소는 최종 목적지가 아니라 다음 목적지를 가리킨다.)
  • IP 주소는 최종 목적지가 설정되면 전송 과정 중에 변경되지 않는다.

이더넷 (Ethernet)

유선 LAN은 통신 장비끼리 케이블로 연결하게 되는데 이 때 사용하는 규격이 이더넷이다. 통신 속도나 접속 방식에 따라 세부 규격이 존재한다.

자주 쓰이는 이더넷 방식

  • 10BASE-T -- 초당 10메가비트를 지원하는 이더넷으로, 카테고리 3, 혹은 카테고리 5에 해당하는 UTP 케이블 4가닥을 이용해 통신한다. 배선 방식은 많은 수의 단자를 갖고 있는 허브나 스위치를 이용해 별 모양으로 이뤄져 있다.
  • 100BASE-TX -- 초당 100메가비트를 지원하는 이더넷, 카테고리 5의 UTP 케이블 네 가닥을 이용해 통신한다. 10BASE-T와 같은 방법으로 배선한다.
  • 100BASE-FX -- 광케이블을 이용해 초당 100메가비트를 구현하는 이더넷.
  • 1000BASE-T -- 초당 1기가비트를 지원하며 카테고리 5e나 6의 UTP 케이블을 이용한다.
  • 1000BASE-SX -- 멀티모드 광케이블을 이용해 550미터까지의 거리에서 초당 1기가비트를 전송한다.
  • 1000BASE-LX -- 멀티모드 광케이블로는 550미터, 싱글모드 광케이블로는 10킬로미터까지 지원한다.

100BASE-TX와 같이 규격 표기 방법에서 앞에 나오는 숫자는 전송속도를 BASE는 신호 변조 방식을, 마지막의 알파벳은 케이블의 종류를 의미한다.

https://www.flukenetworks.com/sites/default/files/blog/ethernetbacktobasic01_1.png

Preamble - 신호의 시작을 알려주는 기준점. 프리앰블은 길이가 상당히 긴 편이라서 통신 중에 앞부분의 데이터를 잃어버리더라도 1010이 일정 횟수 반복되다 마지막이 1010011로 끝나면 프레임의 시작이라고 인식하게 되어 있다.

네트워크 허브

유선 LAN에서는 네트워크 허브라는 장비에 케이블을 연결해서 네트워크를 구성한다. 일반가정에서 사용하는 인터넷 단말기에는 네트워크 허브 기능이 내장되어 있다.

네트워크 허브에는 리피터 허브, L2 스위치(스위칭 허브), L3 스위치 등이 있다.

참고: 네트워크의 구성 형태를 네트워크 토폴로지라고 부르는데 이더넷은 그 중 스타형에 해당한다.

리피터 허브

L2 스위치가 보급되기 전에 많이 사용된 중계기기. 한 개의 호스트에서 수신한 데이터를 다른 모든 호스트에게 전달하는 방식. 이 경우 여러 대의 호스트가 동시에 통신하게 되면 네트워크상에서 신호가 충돌할 수 있는데 충돌이 발생할 수 있는 범위를 충돌 도메인, 콜리전(Collision) 도메인이라고 불렀다.

이더넷 사양에서는 접속한 호스트 대수가 늘어나는 만큼 통신속도가 떨어져 효율적인 통신을 할 수 없었다.

L2 스위치(스위칭 허브):

오늘날 가장 많이 사용되는 네트워크 중계기기. L2는 OSI 참조 모델의 데이터 링크 계층을 의미하고 TCP/IP 모델에서는 네트워크 인터페이스 계층에 해당.

L2 스위치는 포트에 연결된 각 호스트의 MAC 주소를 기억해 두었다가 통신할 당사자 간에만 데이터를 전달하기 때문에 통신 과정에서 다른 호스트가 보내는 패킷 신호와의 충돌을 피할 수 있다.

L2 스위치를 사용하면 통신 회선이 통신 당사자 간에만 독립적으로 만들어지기 때문에 여러 통신이 동시에 이루어지더라도 패킷 충돌이 발생하지 않는다.

  • 브로드캐스트 도메인(Broadcast Domain): 수신지의 주소가 브로드캐스트 어드레스 일 때 데이터가 전달되는 범위를 의미한다. L2 스위치로 네트워크를 구성했다면 네트워크 전체가 브로드캐스트 도메인이 된다. 호스트 대수가 많아지면 브로드캐스트 통신시 네트워크가 혼잡해질 수 있다.

L3 스위치

OSI 참조 모델 중 네트워크 계층에 해당하고 TCP/IP 모델에서는 인터넷 계층 기능까지 수행할 수 있는 네트워크 장비. L3 스위치의 대표적인 기능으로는 VLAN(Virtual LAN). 이 기능은 LAN을 몇개의 가상 네트워크로 분할해서 통신 효율을 높이기 위해 사용한다. VLAN을 구성하면 브로드캐스트 패킷을 VLAN 내의 호스트 범위로만 제한하여 전달할 수 있다.

무선 LAN

무선 LAN의 정식 규격명은 IEEE 802.11

무선 LAN에서는 다른 통신 장비가 전파를 발신하고 있지 않은 것을 확인한 후 통신을 시작하는 CSMA/CA(Carrie Sense Multiple Access with Collision Avoidance)라는 방식을 사용한다.

무선 LAN에서도 통신할 때 주고받는 데이터를 프레임이라고 부른다.

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/72/802.11_frame.png/622px-802.11_frame.png

무선 LAN의 통신에서 송신지와 수신지 사이를 무선 AP가 중계한다. 프레임에는 송신지와 수신지의 MAC 주소외에도 무선 AP의 MAC 주소 정보도 들어간다.

ARP

이더넷이나 무선 LAN으로 데이터를 보내려면 수신 측의 MAC 어드레스를 알고 있어야 한다. 이 때 ARP(Addess Resolution Protocol)을 사용해서 송신 측 장비는 요청 패킷에 수신 측의 IP 어드레스를 설정한 후 네트워크 전체에 브로드캐스트한다. 이 요청을 받은 호스트 중에서 해당하는 장비는 자신의 MAC 주소를 응답 패킷에 설정하여 응답한다. → 송신지 장비는 수신지 장비의 IP 어드레스 정보를 사용해 MAC 주소도 알 수 있게 된다.

ARP Header

헤더 내의 오퍼레이션 코드가 1인 경우는 요청을 의미하고 2인 경우는 응답을 의미한다.

https://i.imgur.com/pHZ6wlB.png

  • Hardware Type (HTYPE) : 네트워크 유형을 정의하며, Ethernet 환경의 경우 0x0001으로 세팅
  • Protocol Type (PTYPE) : 프로토콜을 정의하며, IP 프로토콜 버전4(IPv4)의 경우 0x0800 세팅
  • Hardware Length (HLEN) : MAC주소의 길이를 정의하며, Ethernet 환경의 경우 6 byte 세팅
  • Protocol Length (PLEN) : 프로토콜의 길이를 정의하며, IPv4의 경우 4 byte 세팅
  • Operation (OPER) : 패킷의 유형이며, ARP 요청(ARP Request)의 경우 1, ARP 응답 (ARP Reply)의 경우 2 세팅
  • Sender Hardware Address (SHA) : 발신자의 MAC 주소 세팅
  • Sender Protocol Address (SPA) : 발신자 IP 주소 세팅
  • Target Hardware Address (THA) : 목적지 MAC 주소, 그러나 ARP Request의 경우 알 수 없음
  • Target Protocol Address (TPA) : 목적지 IP 주소 세팅

Proxy ARP

대리 ARP 혹은 Proxy ARP는 호스트 대신 라우터가 ARP에 대해 응답하는 기능을 말한다.

FTTx와 xDSL

FTTx

FTTH(Fiber to The Home): 일반 가정까지 광 회선이 들어와 인터넷 서비스를 제공하는 방식

광 회선이 어디까지 들어오느냐에 따라 명칭이 조금씩 달라지는데 이를 통틀어서 FTTx라고 부른다.

xDSL

ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line)이나 VDSL(Very High bitrate Digital Subscriber Line)은 금속 케이블을 사용하는 통신회선.

통신 방식이나 속도, 거리에 따라 몇가지 규격으로 구분되는데 일반적으로 이를 통틀어서 xDSL이라고 부른다.

PPP와 PPPoE

PPP(Point to Point Protocol)

원격지에 있는 컴퓨터를 일대일로 연결하기 위한 프로토콜.

실제로 전화회선을 이용하는 다이얼 업 PPP, 이더넷을 사용하는 PPPoE 같은 형태가 있다.

PPP는 접속, 사용자 인증, 통신, 중단과 같은 단계로 통신한다.

https://media.geeksforgeeks.org/wp-content/uploads/20200810233625/TTTTERR.png

PPPoE

이더넷을 사용해 PPP통신을 할 경우 이더넷의 프레임 안에 PPP의 헤더를 넣은 PPPoE(PPP over Ethernet)이라는 프로토콜을 사용한다. 이더넷은 접속, 인증, 종료와 같은 절차가 없기 때문이다.

PPPoE에서는 PPP에 의한 접속 시 디스커버리 스테이지라는 부르는 단계를 거쳐 PPPoE 세션을 생성한다.

참고

https://www.geeksforgeeks.org/introduction-of-mac-address-in-computer-network/
https://ko.wikipedia.org/wiki/이더넷
https://en.wikipedia.org/wiki/802.11_Frame_Types
https://ko.wikipedia.org/wiki/주소결정프로토콜
https://www.geeksforgeeks.org/point-to-point-protocol-ppp-phase-diagram/

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