Ch4. 데이터 링크 계층: 랜에서 데이터 전송하기

데이터 링크 계층 Ethernet CSMA/CD MAC 주소 Ethernet Header Trailer Ethernet Type Frame Switch MAC 주소 테이블 Flooding MAC 주소 학습 MAC 주소 필터링 전이중 통신 반이중 통신 충돌 도메인 ARP Ethernet 규격 1000BASE-T

12. 데이터 링크 계층의 역할과 Ethernet

데이터 링크 계층 Ethernet CSMA/CD

데이터 링크 계층

• 네트워크 장비 간에 신호를 주고 받는 규칙을 정하는 계층이다. 네트워크 기기 간에 데이터를 전송하고 물리 주소를 결정한다.
• 신호를 어떤 물리적 장치로 보내고, 보낼 때는 어떤 규칙을 따라야하는지에 대해 정의한다.

Ethernet(이더넷)

• 데이터를 주고 받는 네트워크 규칙 중 하나로, LAN에서 가장 많이 사용되는 규칙
• 데이터 링크 계층에서 일반적으로 가장 많이 사용한다.
• 기본적으로 hub를 사용할 때, CSMA/CD를 이용해 충돌을 피한다.
  • 여러 컴퓨터가 동시에 송신하면 전기 신호가 충돌할 수 있다.
  • 따라서 CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), 반송파 감지 다중 접속 및 충돌 탐지를 사용해 이를 회피한다.
  • CS: 컴퓨터가 데이터를 보내려고 할 때 케이블에 신호가 흐르고 있는지 확인하는 규칙
  • MA: 데이터가(전기 신호가) 흐르고 있지 않다면 데이터를 보내도 좋다는 규칙
  • CD: 충돌이 발생하고 있는지를 확인하는 규칙
• 다만 CSMA/CD는 효율이 좋지 않아 요즈음에는 거의 사용하지 않고, switch라는 네트워크 장비를 사용

*충돌: 데이터를 한 번에 하나만 보낼 수 있는 채널에서 동시에 같은 시점에 패킷을 보낼 때 일어나는 데이터 충돌

*사실 hub는 모든 포트로 데이터를 전송하지만, 데이터에 목적지 정보를 추가해서 보내 목적지 이외의 컴퓨터는 데이터를 받더라도 무시하게 되어있다. 바로 아래 MAC 주소에서 후술

13. MAC 주소

MAC 주소 Ethernet Header Trailer Ethernet Type Frame

MAC 주소(Media Access Control Address)

LAN 카드에 새겨지는 주소로 전 세계에서 유일한 주소. 물리 주소라고도 한다.

• 중복되지 않도록 규칙이 명확
• 48bits로 이루어진다.

  제조사 번호(24bits)	제조사에서 붙이는 일련 번호(24bits)

Ethernet Header

• OSI 모델의 데이터 링크 계층, TCP/IP 모델의 네트워크 계층에서 ethernet header와 trailer를 붙인다.

  목적지 MAC 주소(6bytes)	출발지 MAC 주소(6bytes)	유형(2bytes)

• 유형(ethernet type)은 ethernet으로 전송되는 상위 계층(OSI 기준 네트워크 계층)의 프로토콜 종류를 나타낸다.

  유형 번호	0800	0806	…
  프로토콜	IPv4	ARP	….

Trailer/FCS(Frame Check Sequence)

• Trailer는 FCS(Frame Check Sequence)라고도 한다.
• 데이터 전송 도중 오류가 생겼는지 확인하는 용도

Frame

• Ethernet header와 trailer가 추가된 데이터 단위
• 데이터 링크 계층에서 Ethernet header, trailer를 붙여 Frame을 만들면(캡슐화), 물리 계층에서 이를 전기신호로 변환하여 전송

허브를 통한 데이터 전송

• 컴퓨터 1에서 데이터에 Ethernet header, trailer를 붙인 후, 전기신호로 변환 및 전송
• 허브를 통해 모든 포트로 전기 신호 전파
• 모든 컴퓨터는 전기 신호를 받아 이진 데이터로 변환. ethernet header와 trailer를 확인해 데이터에 오류가 없는지 확인, 자신의 MAC 주소와 비교(역캡슐화)
• 자신의 주소와 일치하지 않으면 데이터 파기, 그렇지 않으면 수신

14. 스위치의 구조

Switch MAC 주소 테이블 Flooding MAC 주소 학습 MAC 주소 필터링

Switch(스위치)

• 레이어 2 스위치 또는 스위칭 허브라고도 불린다.
• Hub와 같지만, 특정 포트로만 신호를 주는 기능이 있다.

MAC Address Table(MAC 주소 테이블)

• 스위치의 포트 번호와 해당 포트에 연결되어 있는 컴퓨터의 MAC 주소가 등록되는 데이터베이스
• MAC 주소 학습 기능: 해당 테이블은 처음에는 비어있다. 프레임이 전송되면 테이블을 확인하고, 출발지 MAC 주소가 등록되어 있지 않으면 MAC 주소를 포트와 함께 등록한다.
  • 초기에는 송신 대상이 되는 컴퓨터의 MAC 주소가 등록되어있지 않을 것
  • 따라서 일단 모든 포트로 신호를 전송한다. 이를 Flooding이라고 한다.
• MAC 주소 필터링: MAC 주소를 기준으로 목적지를 선택하는 것
  • 등록되어 있는 MAC 주소인 경우, 해당 포트로만 신호 전송

15. 데이터가 케이블에서 충돌하지 않는 구조

전이중 통신 반이중 통신 충돌 도메인 ARP

두가지 방식의 통신 방식이 있다. 논리적 방법과 무관한, 물리적 구현에 의해 결정되는 구조이다.

전이중 통신

데이터의 송수신을 동시에 하는 방식

• 데이터를 동시에 전송해도 충돌 x
• Switch가 이에 해당한다.
• 컴퓨터 두 대를 LAN 케이블로 연결하는 경우. 크로스 케이블 방식을 사용하며, 이는 전이중 통신 방식이다.

반이중 통신

회선 하나로 송신과 수신을 번갈아가면서 하는 방식

• 충돌 발생 가능
• Hub 내부는 송수신이 나누어져있지 않다. 반이중 통신 방식

Collision Domain(충돌 도메인)

• 충돌이 일어날 때, 그 영향이 미치는 범위를 일컫는 말
  • Hub의 경우 연결되어 잇는 컴퓨터 그룹 전체가 하나의 충돌 도메인
  • Switch의 경우 전이중 통신 방식이기에, 충돌이 일어나지 않고, 충돌 도메인도 각각의 컴퓨터로 나뉜다.
• 충돌 도메인의 범위가 넓을 수록 네트워크 지연이 일어날 확률이 높다. 충돌 도메인을 줄이는 것은 중요한 일

ARP(Address Resolution Protocol)

목적지 컴퓨터의 IP 주소를 이용하여 MAC 주소를 찾기 위한 프로토콜

네트워크 계층 주소와 데이터 링크 계층 주소 사이의 변환을 담당하는 프로토콜

• Frame 전송을 위해서는 당연히 목적지 컴퓨터의 MAC 주소 필요
• ARP 요청
  • 출발지 컴퓨터가 이를 모르면, MAC 주소를 알아내기 위해 네트워크에 브로드캐스트한다. 이를 ARP 요청이라고 한다.
• ARP 응답
  • 지정된 IP 주소를 갖는 컴퓨터는 MAC 주소를 응답으로 보낸다. 이를 ARP 응답이라고 한다.
• 출발지 컴퓨터는 이렇게 frame을 만들 수 있다.
• ARP 테이블
  • 이 후 출발지 컴퓨터는 방금 얻은 MAC 주소를 IP 주소와 매핑해 자신의 메모리에 보관한다. 이 정보를 ARP 테이블이라고 한다. 이후 데이터 통신시 ARP 테이블 먼저 참조
• IP 주소는 변경될 수 있다. 따라서 해당 매핑은 영원하지 않다. 그러므로 ARP 테이블에서는 보존 기간을 지정하고, 일정 시간이 지나면 데이터를 삭제, 다시 ARP 요청을 한다.

16. Ethernet의 종류와 특징

Ethernet 규격 1000BASE-T

Ethernet 규격

규격 이름	통신 속도	케이블	케이블 최대 길이	표준화 연도
10BASE5	10Mbps	동축 케이블	500m	1982년
…	…	…	…	…
10GBASE-T	10Gbps	UTP케이블(Cat6a이상)	100m	2006년

10BASE-T

• 10: 통신 속도
  • Mbps 단위의 통신 속도를 의미. 10Mbps(Mega bytes per second)
• BASE: 전송 방식
  • BASEBAND라는 전송 방식을 의미
• T: 케이블
  • UTP 케이블을 의미
  • 숫자의 경우 동축 케이블의 최대 길이
• 최근에는 1000BASET-T, 10GBASE-T가 일반적