[네트워크] 물리 계층과 데이터 링크 계층

이더넷

• 이더넷은 다양한 통신 매체의 규격들과 송수신되는 프레임의 형태, 프레임을 주고받는 방법 등이 정의된 네트워크 기술
• 물리 계층과 데이터 링크 계층은 서로 밀접하게 연관되어 있음. 왜냐? 두 계층은 '이더넷'이라는 공통된 기술을 사용하기 때문

이더넷 표준

• 오늘날의 유선 LAN 환경은 대부분 이더넷을 기반
  • 물리 계층에서는 이더넷 규격 케이블을 사용
  • 데이터 링크 계층에서 주고받는 프레임은 이더넷 프레임의 형식
• IEEE 802.3 == 이더넷 관련 표준들의 모음
  • 이더넷 표준에 따라 지원되는 네트워크 장비, 통신 매체, 전송 속도등이 달라짐

통신 매체 표기 형태

전송속도BASE-추가특성

• 위와 같은 형태로 통신 매체를 표기

통신 매체 종류

• C : 동축 케이블
• T : 트위스트 페어 케이블
• S : 단파장 광섬유 케이블
• L : 장파장 광섬유 케이블
• ex) 10BASE-T 케이블 -> 10Mbps 속도를 지원하는 트위스티드 페어 케이블

이더넷 프레임

• 데이터 링크 계층의 '이더넷 프레임'

• 이더넷 네트워크에서 주고받는 프레임인 '이더넷 프레임 Ethernet frame' 형식은 정해져 있음

• 이더넷 프레임은 상위 계층으로부터 받아들인 정보에 헤더와 트레일러를 추가하는 캡슐화 과정을 통해 만들어짐

• 수신지 입장에서는 프레임의 헤더와 트레일러를 제거한 뒤 상위 계층으로 올려보내는 역캡슐화 과정을 거침
  
  출처)https://nice-engineer.tistory.com/entry/%EB%84%A4%ED%8A%B8%EC%9B%8C%ED%82%B9-ethernet-%ED%94%84%EB%A0%88%EC%9E%84

• 프리앰블 Preamble

  • 이더넷 프레임의 시작을 알리는 정보
  • 프리앰블을 통해 이더넷 프레임이 오고 있음을 확인
  • 프리앰블은 송수신지 간의 동기화를 위해 사용되는 정보

• MAC 주소

  • '물리적 주소'라고도 불리는 MAC 주소는 데이터 링크 계층의 핵심
  • MAC 주소는 일반적으로 고유하고, 일반적으로 변경되지 않는 주소로써 네트워크 인터페이스마다 부여됨
  • 보통 NIC Network Interface Controller라는 장치가 네트워크 인터페이스 역할을 담당
  • MAC 주소는 불변하다, 고유하다라는 오해가 있지만, 그렇지 않다.

• 타입/길이

  • 타입이란 이더넷 프레임이 어떤 정보를 캡슐화했는지를 나타내는 정보
    • 대표적으로 상위 계층에서 사용된 프로토콜의 이름이 명시
  • 길이는 말 그대로 프레임의 크기(길이)를 나타냄

• 데이터

  • 상위 계층에서 전달받거나 상위 계층으로 전달해야 할 내용

• FCS

  • 수신한 이더넷 프레임에 오류가 있는지 확인하기 위한 필드
  • 송수신지의 CRC 값(이더넷 프레임의 프리앰블을 제외한 나머지 필드 값들을 바탕으로 한 값)을 비교하여 오류를 검출

NIC와 케이블

NIC Network Interface Controller는 호스트와 통신 매체를 연결하고, MAC 주소가 부여되는 네트워크 장비이다. 케이블은 NIC에 연결되는 물리 계층의 유선 통신 매체이다.

NIC

• 호스트와 유무선 통신 매체를 연결하고, 통신 매체를 통해 전달되는 신호와 컴퓨터가 이해할 수 있는 정보 간에 변환이 이루어지는 장비가 바로 NIC

NIC의 역할

• NIC는 통신 매체에 흐르는 신호를 호스트가 이해하는 프레임으로 변환하거나 그 반대의 경우로 변환하는 역할
• 네트워크와 호스트의 연결점을 담당한다는 점에서 "네트워크 인터페이스"역할을 수행
• MAC 주소를 통해 자기 주소는 물론, 수신되는 프레임의 수신지 주소를 인식
  • 관련없는 수신지의 MAC 주소가 명시된 프레임은 폐기하고, FCS를 토대로 잘못된 프레임도 폐기

트위스티드 페어 케이블

• 구리 선으로 전기 신호를 주고받는 통신 매체, LAN 케이블이라고 하면 떠오르는 케이블
• 구리 선이기 때문에 전자적 간섭이 생길 수 있고, 이를 '노이즈'라고 부름
• '노이즈'를 해결하기 위해 브레이드 실드, 포일 실드를 사용
  • 실드에 따라 트위스티드 페어 케이블을 분류
• '카테고리'에 따라서도 트위스티드 페어 케이블을 분류
  • 높은 카테고리에 속한 케이블일수록 높은 성능을 보임
  • Cat3, Cat5...

광섬유 케이블

• 빛(광신호)을 이용해 정보를 주고받는 케이블
• 코어와 클래딩 간에 빛의 굴절률 차이를 만들어 빛을 코어 내부에 가둠
• 코어의 지름에 따라 '싱글 모드 광섬유 케이블', '멀티 모드 광섬유 케이블'로 나눔

허브

'물리 계층'에서 여러 대의 호스트를 연결하는 허브

주소 개념이 없는 물리 계층

• '물리 계층'에는 주소라는 개념이 없음
  • '물리 계층'에서는 단지 호스트와 통신 매체 간의 연결과 통신 매체 상의 송수신이 일어날 뿐
  • 그렇기에 '물리 계층'의 네트워크 장비에서는 송수신되는 정보에 대한 조작이나 판단을 하지 않음
• 송수신지를 특정할 수 있는 주소는 '데이터 링크 계층'부터 존재하는 개념
  • 대표적인 MAC 주소 개념
  • '데이터 링크 계층'의 장비나 그 이상 계층의 장비들은 송수신지를 특정할 수 있고, 주소를 바탕으로 송수신되는 정보에 대한 조작과 판단이 가능

허브 - '물리 계층'의 네트워크 장비

• 여러 대의 호스트를 연결하는 장치

허브의 특징

• 첫째, 전달받은 신호를 다른 모든 포트로 그대로 보낸다.
  • 신호를 전달받으면 어떠한 조작이나 판단없이 송신지를 제외한 모든 포트에 그저 정보를 보냄
• 둘째, 반이중 모드로 통신한다.
  • 반이중 모드? 마치 1차선 도로처럼 송수신을 번갈아 가면서 하는 통신 방식
  • 즉, 동시에 송수신이 불가능
  • 반대로 전이중 모드는 송수신을 동시에 양방향으로 할 수 있는 통신 방식

콜리전 도메인

• 허브는 반이중 모드 통신을 지원하기 때문에, 한 호스트가 허브에 송신하는 동안 다른 호스트는 송신하고 싶어도 기다려야 함
• 만일 동시에 허브에 신호를 송신하면 '충돌' 발생
• 허브에 호스트가 많이 연결되어 있을수록 충돌 발생 가능성 UP
• 충돌이 발생할 수 있는 영역을 '콜리전 도메인'이라고 함
  • 허브에 연결된 모든 호스트는 같은 '콜리전 도메인'에 속함

CSMA/CD

• 허브에서 충돌이 발생하는 근본적인 이유는 '반이중 모드 통신' 때문
• 이러한 충돌 문제를 해결하기 위한 프로토콜이 'CSMA/CD'
  • 이더넷 네트워크에서 충돌을 방지하는 대표적인 프로토콜
  • (반이중) 이더넷을 대표하는 송수신 방법
• Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection의 약자
  • CS : Carrier Sense 캐리어 감지를 의미
    • 메시지를 보내기 전에 현재 네트워크 상에 전송 중인 것이 있는지 확인
    • 통신 매체의 사용 여뷰를 검사하는 것
  • MA : Multiple Access 다중 접근을 의미
    • 캐리어 감지를 해도 부득이하게 동시에 네트워크를 사용할 수 있음. 이런 상황을 '다중 접근'이라고 함
  • CD : Collision Detection 충돌 검출을 의미
    • 충돌이 발생하면 이를 알리고, 임의의 시간 동안 기다린 뒤에 다시 전송

스위치

CSMA/CD 프로토콜로 어느정도 충돌을 완화할 수 있지만, 애초에 전달받은 신호를 수신지 호스트가 연결된 포트로만 내보내고, 전이중 모드로 통신하면 된다. 이러한 기능을 지원하는 네트워크 장비가 바로 '데이터 링크 계층'의 네트워크 장비 스위치이다.

스위치 - '데이터 링크 계층'의 네트워크 장비

• 허브와 달리 MAC 주소를 학습해 특정 MAC 주소를 가진 호스트에만 프레임을 전달할 수 있고, 전이중 모드 통신을 지원
• CSMA/CD 프로토콜의 대기 시간이 없어지니 성능상으로도 이점이 있음

스위치의 특징

• 특정 포트와 해당 포트와 연결된 호스트의 MAC 주소의 관계를 기억하는 'MAC 주소 학습'
  • 스위치의 포트와 연결된 호스트의 MAC 주소 연관관계 정보를 'MAC 주소 테이블'이라는 표에 담고 이를 메모리에 저장

MAC 주소 학습

• 플러딩, 포워딩과 필터링, 에이징이라는 스위치의 기능을 통해 MAC 주소학습이 가능
• 플러딩 Flooding
  • 스위치는 처음에 어떠한 정보도 가지고 있지 않음
  • 스위치의 MAC 주소 학습은 프레임 내의 '송신지 MAC 주소' 필드를 바탕으로 이루어짐
  • 처음 호스트에게서 프레임을 수신하면, '송신지 MAC 주소'를 바탕으로 해당 호스트와 연결된 포트를 'MAC 주소 테이블'에 저장
  • 하지만 여전히 수신지 호스트가 어느 포트에 연결되어 있는지 확인할 수 없음
  • 이 상황에서 마치 허브처럼 송신지 포트를 제외한 모든 포트로 프레임을 전송
  • 이러한 동작을 '플러딩 flooding'이라고 함
  • 관련없는 호스트는 관련없는 프레임을 받았음으로 폐기
• 필터링과 포워딩
  • 전달받은 프레임을 어디로 보내고 보내지 않을지 결정하는 스위치의 기능을 '필터링'이라고 함
  • 그리고 전송될 포트에 실제로 프레임을 보내는 것을 '포워딩 forwarding'이라고 함
• 에이징 aging
  • 만약 MAC 주소 테이블에 등록된 특정 포트에서 일정 시간 동안 프레임을 전송받지 못했다면 해당 항목은 삭제됨
  • 이를 '에이징'이라고 함

VLAN

출처) https://info.support.huawei.com/info-finder/encyclopedia/en/VLAN.html

• Virtual LAN의 줄임말로, 한 대의 스위치로 가상의 VLAN을 만드는 스위치의 중요한 기능
• VLAN을 구성하면 한 대의 물리적 스위치라 해도 여러 대의 스위치가 있는 것처럼 논리적인 단위로 LAN을 구획할 수 있음
• 서로 다른 VLAN에 속한 호스트 간에 통신이 필요하다면 '네트워크 계층' 이상의 장비가 필요
• 브로드캐스트 도메인도 달라짐
• VLAN에는 '포트 기반 VLAN', 'MAC 기반 VLAN'이 있음

포트 기반 VLAN

• 스위치의 포트가 VLAN을 결정하는 방식
• 사전에 특정 포트에 VLAN을 할당하고, 해당 포트에 호스트를 연결함으로써 VLAN에 포함시킬 수 있음
• 사실 한 대의 스위치만으로 포트 기반 VLAN을 나누면 포트 수가 부족해질 수 있다는 문제가 생김
  
  출처) https://community.fs.com/article/switch-stacking-vs-trunking-vs-uplink-which-is-best-to-connect-switches.html
• 이럴 때 사용하는 방법이 'VLAN 트렁킹 trunking'
  • 두 대 이상의 VLAN 스위치를 효율적으로 연결하여 확장하는 방법
  • 스위치 간의 통신을 위한 특별한 포트인 '트렁크 포트'에 VLAN 스위치를 서로 연결하는 방식

MAC 기반 VLAN

• 포트가 VLAN을 결정하는 것이 아니라 송수신하는 프레임 속 'MAC 주소'가 호스트가 속할 VLAN을 결정하는 방식