3장 물리 계층 : 데이터를 전기 신호로 변환하기
물리 계층의 역할
물리 계층은 컴퓨터와 네트워크 장비를 연결하고 컴퓨터와 네트워크 장비 간에 전송되는 데이터를 전기 신호로 변환한다. 데이터 송신 측 컴퓨터가 전송하는 비트열 데이터는 전기 신호로 변환되어 수신 측 컴퓨터에 전송되고, 수신 측 컴퓨터는 전기 신호를 비트열 데이터로 복원한다. 랜 카드(내장형 랜 카드 또는 별도의 랜 카드)를 통해 네트워크에서 데이터를 주고받을 수 있다.
- 전기 신호 : 전화 회선이나 라디오 방송에 사용되는 아날로그 신호와 컴퓨터 전송에서 사용되는 0과 1의 유한범위를 가지는 디지털 신호가 있다.
케이블의 종류와 구조
전송 매체는 데이터가 흐르는 선로로 크게 유선과 무선으로 나뉜다.
- 유선: 트위스트 페어 케이블, 광케이블 등
- 무선: 라디오파, 마이크로파, 적외선 등
트위스트 페어 케이블(twisted pair cable)
일반적으로 랜 케이블(LAN Cable)이라고 부른다. 케이블의 종류에 따라 규격과 속도가 다르기 때문에 분류를 확인하고 구매해야 한다. 랜 케이블 양쪽에는 RJ-45 커넥터가 연결되어 있어 컴퓨터의 랜 포트나 네트워키 기기에 연결할 수 있다.
- UTP(Unshielded Twist Pair) 케이블
- 구리 선 여덟개를 두 개씩 꼬아 만든 네 쌍의 전선
- 실드(금속호일이나 금속의 매듭 같은 것으로 노이즈를 막음)로 보호되어 있지 않은 케이블
- 노이즈의 영향을 받기 쉽지만 저렴하여 일반적으로 많이 사용됨
- STP(Shielded Twist Pair) 케이블
- 두 개씩 꼬아 만든 선을 실드로 보호한 케이블
- 노이즈의 영향이 적으나 비싸서 보편적으로 사용하지 않음
랜 케이블은 연결 방식에 따라 다이렉트 케이블과 크로스 케이블로 나뉜다. 두 종류 모두 실제로 1, 2, 3, 6번 구리선을 사용만 사용한다는 공통점이 있다.
- 다이렉트 케이블
- 구리 선 여덟 개를 같은 순서로 커넥터에 연결
- 컴퓨터와 스위치를 연결할 때 사용
- 크로스 케이블
- 구리 선 여덟 개 중 한쪽 커넥터의 1번과 2번에 연결되는 구리 선을 다른 쪽 커넥터의 3번과 6번에 연결한 케이블
- 컴퓨터 간에 직접 랜 케이블로 연결할 때 사용
- 양쪽 컴퓨터에서 서로 데이터를 전송하면 충돌이 나기 때문에 일부러 전선을 교차시켜 송신과 수신 측을 분리
리피터와 허브의 구조
리피터와 허브는 물리 계층에서 동작하며, 전기 신호를 정형(일그러진 전기 신호를 복원)하고 증폭하는 기능을 가진 네트워크 중계 장비다.
리피터(Repeater)는 멀리 있는 상대방과 통신할 수 있도록 파형을 정상으로 만드는 기능을 하지만 요즘은 다른 네트워크 장비가 리피터 기능을 지원하기 때문에 리피터를 사용할 필요가 없다.
허브(Hub)는 포트가 있어 여러 대의 컴퓨터를 연결할 수 있으며, 노이즈의 영향으로 전기신호의 파형이 변경될 때 정상으로 되돌리는 기능도 한다. 하지만 특정 포트로부터 데이터를 받으면 해당 포트를 제외한 나머지 모든 포트로 받은 데이터를 전송하는 특징이 있어 더미 허브라고 불리기도 한다. 대책으로 나온 장가 스위치(Switch)다.
4장 데이터 링크 계층 : 랜에서 데이터 전송하기
데이터 링크 계층의 역할과 이더넷
데이터 링크 계층은 네트워크 장비 간에 신호를 주고받는 규칙을 정하는 계층으로, 일반적으로 가장 많이 사용되는 규칙이 이더넷(Ethernet)이다. 이더넷은 목적지가 아닌 컴퓨터는 데이터를 무시하도록 하는 규칙이 있으며, 여러 컴퓨터가 동시에 데이터를 전송해도 충돌이 일어나지 않는 구조로 되어 있다. 데이터를 보내는 시점을 늦추는 방법으로 가능한데, 이 방법을 CSMA/CD라고 한다.
- CS: 데이터를 보내려고 하는 컴퓨터가 케이블에 신호가 흐르고 있는지 아닌지 확인
- MA: 케이블에 데이터가 흐르고 있지 않다면 데이터를 보내도 좋음
- CD: 충돌이 발생하고 있는지를 확인
지금 이 방법은 효율적이지 않아 거의 사용되지 않고 있으며 스위치를 사용해 충돌을 막을 수 있다.
이더넷은 다양한 규격으로 분류된다.
ex) 1000BASE-T
- 통신 속도: 1000은 Mbps 단위인 통신 속도다.
- 전송 방식: BASE는 BASEBAND라는 전송 방식을 나타낸다.
- 케이블 종류: T는 케이블 종류를 나타낸다. 하이픈 뒤는 케이블 길이나 케이블 종류를 나타내지만, 동축 케이블은 하이픈 없이 케이블의 최대 길이를 100미터 단위로 표시한다.
MAC 주소의 구조
Mac주소(Media Access Control Address, 물리주소)는 랜 카드를 제조할 때 정해진다. 중복되지 않게 명확한 규칙이 있기 때문에 전 세계에서 유일한 번호가 할당된다. 랜 카드를 만든 제조사의 번호 24비트와 제조사가 랜 카드에 붙인 일련번호 24비트로 이루어져 있으며 총 48비트 숫자로 구성된다.
데이터 링크 계층에서 이더넷 헤더와 트레일러를 붙인다.
- 이브넷 헤더는 목적지의 MAC주소 6바이트, 출발지의 MAC주소 6바이트, 유형 2바이트, 총 14바이트로 구성되어 있다. 이더넷 유형은 이더넷으로 전송되는 상위 계층 프로토콜의 종류를 나타내며, 16진수 번호가 들어간다.
- 트레일러는 FCS(Frame Check Sequence)라고도 하는데, 데이터 전송 도중에 오류가 발생하는지 확인하는 용도로 사용된다.
특정 컴퓨터가 이더넷 헤더에 데이터의 목적지인 컴퓨터의 MAC주소와 자신의 MAC주소를 넣고 데이터를 전송하면 보내는 측 컴퓨터에서 캡슐화가 일어나고, 데이터 링크 계층에서 데이터에 이더넷 헤더와 트레일러를 추가하여 프레임(이더넷 헤더와 트레일러가 추가된 데이터)을 만들고, 물리 계층에서 전기신호가 네트워크를 통해 전송된다.
모든 포트로 데이터가 전송되면 목적지 MAC 주소와 같은 컴퓨터만 데이터를 수신하며, 충돌을 막기 위해 CSMA/CD 방식이 사용된다.
스위치의 구조
스위치는 데이터 링크 계층에서 동작하며 '레이어 2 스위치' 또는 '스위칭 허브'라고 불린다. 스위치 내부에는 스위치의 포트 번호와 해당 포트에 연결되어 있는 컴퓨터의 MAC주소가 등록되는 데이터베이스인 MAC주소 테이블이 있다. 컴퓨터에서 MAC주소가 추가된 프레임 데이터가 전송되면 MAC주소 테이블에 등록하는 MAC 주소 학습 기능을 가진 것이 허브와 다른 점이다.
- 플러딩: MAC주소가 MAC 주소 테이블에 등록되어 있지 않아 송신 포트 이외의 포트에도 데이터가 전송되는 것.
- 필터링: MAC주소가 등록되어 있어 목적지 컴퓨터에만 데이터가 전송되는 것. 불필요한 데이터를 네트워크에 전송하지 않는다는 장점이 있음.
데이터가 케이블에서 충돌하지 않는 구조
- 통신방식
- 전이중 통신 방식 : 데이터의 송수신을 동시에 통신하여 데이터를 동시에 전송해도 충돌이 발생하지 않음, 컴퓨터 간을 직접 랜 케이블로 연결하는 방식이 해당
- 반이중 통신 방식 : 회선 하나로 송신과 수신을 번갈아가면서 통신하여 충돌이 발생할 수 있음, 허브에 연결하는 경우가 해당
스위치는 전이중 통신 방식으로 충돌이 일어나지 않으며, 허브를 사용하는 것 보다 효율적이다. 또한 허브는 모든 컴퓨터가 충돌 도메인(충돌이 발생할 때 그 영향이 미치는 범위)이지만 스위치는 충돌 도메인이 좁다는 장점이 있다.
