[Data Communications] Chapter 9.2 - Ethernet Protocol

이한량·2024년 6월 4일

Data Communications

목록 보기

11/13

1. Ethernet Protocol

Ethernet Protocol : 데이터 링크 계층과 물리 계층에서 사용되는 네트워크 프로토콜의 표준이다. LAN, WAN에서 널리 사용되는 기술로, 데이터 전송을 위한 표준을 정의한다.
IEEE 802 Project : IEEE의 802 프로젝트는 다양한 장비들이 서로 통신할 수 있도록 하는 표준화된 방법을 제공한다. 이는 주로 LAN 기술에 사용된다.
Ethernet Evolution : 이더넷 기술은 발전을 거듭해 각 세대마다 데이터 전송 속도가 향상되어 왔으며, 이에 따라 LAN 기술도 지속적으로 발전되었다. 현재 Ethernet LAN은 가장 널리 사용되는 LAN 기술 중 하나이다.

1-1. Standard Ethernet

Standard Ethernet : 데이터 전송 속도가 10Mbps인 최초의 이더넷 기술이다. 모든 이더넷 네트워크의 시초이며, 표준이다. 해당 기술의 주요 특징은 다음과 같다.
Standard Ethernet Frame
Minimum Ethernet Frame Size
- 충돌을 감지하기 위해선 전송 시작부터 충돌 신호가 도착할 때까지의 시간이 충분해야한다.
- 프레임 전송 시작부터 충돌 감지 신호 수신까지의 최대 시간은 케이블 끝 단 간의 왕복 시간이다.
- 이는 충돌 감지를 위해 프레임이 최소한 2배 전파 지연 시간 동안 전송될만한 비트를 가져야 함을 의미한다.
- 802.3 CSMA/CD Bus LAN의 표준 전송 속도는 10Mbps이다.
- 신호의 전파 속도는 $v \leq 2 * 10^8 m/s$ 이다.
- Standard Ethernet 환경에서 500m마다 Repeater가 설치되어 있고, 양 끝단의 길이가 2.5km인 상황을 가정해보자.
- 신호가 500m 이동하는 데 걸리는 최대 시간은 $2.8\mu sec$ 이다. $(\mu = 10^{-6})$
- 2.5km, 4개의 리피터를 이동해야하기 때문에, $2.8\mu sec * 5 = 14\mu sec$
  $4repeaters = 3\mu sec * 4 = 12\mu sec$
- 따라서 신호가 왕복하는데 걸리는 총 시간은
  $(14 + 12) * 2 = 52\mu sec$ 이다.
- 스탠다드 이더넷에서 데이터 전송 속도는 $10Mbps = 10*10^6bps$ 이다. 따라서 1bit를 전송하는 데 걸리는 시간은 $0.1\mu sec$ 이다.
- 스탠다드 이더넷 환경에서 $64byte(512bits)$ 프레임을 전송하는데 걸리는 시간은 $51.2\mu sec (0.1\mu sec * 512)$ 이다.
- 즉, 충돌이 감지되고 충돌 신호(Jamming Signal)가 정상적으로 도달하기도 전에 송신자가 통신을 완료하는 상황을 방지하기 위해서 프레임을 전송하는 시간이 전파 지연 시간의 2배이상이 돼야 한다. 따라서 필요한 최소 프레임 크기는 64byte이다.
- 프레임 크기가 너무 크다면, 특정 호스트의 링크 독점 문제가 생길 수 있기 때문에 적절한 사이즈로 조절해야 한다. 따라서 Max 프레임 사이즈 (1518byte)가 지정되어 있는 것이다.
$64byte \leq frameSize \leq 1518byte$
Ethernet Addressing : 이더넷 네트워크의 각 장치 (PC, 워크 스테이션, 프린터 등)은 고유한 네트워크 인터페이스 카드(NIC)를 갖고 있다. NIC는 장치 내부에 장착되어 각 장치마다 고유한 Address를 부여한다.
Implement Standard Ethernet : 이더넷 LAN은 크게 Bus형 토폴로지와 Star link형 토폴로지 두 가지 방식으로 구현할 수 있다.
Access Method : 표준 이더넷 프로토콜은 브로드캐스트 네트워크에 환경에 주로 사용되었다. 이는 모든 장치가 링크에 접근할 수 있다는 의미이기에, 표준 이더넷 프로토콜은 CSMA/CD(1-persistent) 방식을 사용하여 Access Control을 하게 되었다.
Networks with bridge : 브릿지는 네트워크를 나눠주는 역할을 한다. 두 네트워크를 브릿지로 이어주기 때문에 추가적인 장치와 비용이 들어가지만, 다음과 같은 장점이 있다.
- Without bridging : 위와 같은 상황에서 링크가 Idle 상태가 된다면, 한 호스트는 나머지 11명의 호스트와 경쟁 상태가 된다. 이는 당연히 링크를 사용할 수 있는 확률이 떨어진다는 의미이다.
- With bridging : 위와 같은 상황에서 링크가 Idle 상태가 된다면, 한 호스트는 나머지 5명의 호스트와 경쟁 상태가 된다. 이는 브릿지가 없을 때보다 링크를 사용할 수 있는 확률이 높다는 의미이다.
- 브릿지로 도메인을 잘게 나눌수록 링크 사용 확률은 높아진다.

1-2. Fast Ethernet

Switched Ethernet : 표준 이더넷 프로토콜 이후로 발전된 모든 이더넷 프로토콜은 Switched Ethernet 시스템으로 구성된다.
Full-Duplex Switched Ethernet : 기존 Switched Ethernet 시스템에서 양방향 통신이 가능하도록 발전한 스위칭 이더넷 시스템이다.
Fast Ethernet : 표준 이더넷 프로토콜에서 전송 속도를 10배(100Mbps) 향상시킨 이더넷 프로토콜이다. 이 프로토콜은 표준 이더넷 프로토콜과 호환성을 유지하도록 설계되었기 때문에, MAC 하위 계층을 그대로 유지할 수 있었다. 다만, 속도가 빨라짐에 따라 프레임 크기, 충돌 감지 및 백오프 알고리즘 등은 개선될 수 있었다.

1-3. Gigabit Ethernet

Gigabit Ethernet : 1000Mbps (1Gbps)까지 속도를 끌어올린 이더넷 프로토콜. 이는 IEEE 802.3z 표준으로 정의되었으며, 표준 이더넷 프로토콜의 기본 구조와 특성(Address Length, Frame format, frame length와 같은 것들)을 유지하며 속도를 높이는 것을 목표로 설계되었다.