데이터 링크 계층 : 랜에서 데이터 전송하기

혜얌·2022년 5월 20일

ARP csma/cd mac주소 데이터 링크 계층 랜카드 모두의네트워크 반이중통신 스위치 이더넷 전이중통신 충돌도메인

네트워크

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데이터 링크 계층의 역할과 이더넷

이더넷이란?

데이터 링크 계층는 랜에서 데이터를 주고 받기 위해 필요하다.
데이터 링크 계층은 네트워크 장비 간에 신호를 주고 받는 규칙을 정하는 계층으로 랜에서 데이터를 정상적으로 주고받기 위해 필요한 계층
이 규칙들 중 가장 많이 사용되는 규칙이 이더넷이다.
이더넷은 랜에서 적용되는 규칙이다.
이더넷은 여러 컴퓨터가 동시에 데이터를 전송해도 충돌이 일어나지 않는 구조로 되어있다.
이더넷에서 시점을 늦추는 방법을 CSMA/CD이라고 한다.

CS : 데이터를 보내려고 하는 컴퓨터가 케이블에 신호가 흐르고 있는지 확인하는 규칙
MA : 케이블에 데이터가 흐르고 있지 않다면 데이터를 보내도 된다는 규칙
CD : 충불이 발생하고 있는지를 확인한다는 규칙
하지만 효율이 좋지않다는 이유로 요즘엔 거의 사용하지 않음
최근엔 스위치를 사용해 네트워크 장비의 충돌을 방지한다.

MAC 주소의 구조

MAC 주소란?

랜카드에는 MAC 주소라는 번호가 정해져 있다.
제조할 떄 새겨지기 때문에 물리 주소라고도 부르는데 전 세계에서 유일한 번호로 할당되어 있다.
MAC 주소는 48비트 숫자로 구성되어 있는데 앞쪽 24비트는 랜카드를 만든 제조사 번호도 뒤쪽 24비트는 제조사가 랜 카드에 붙인 일련번호다.

00-23-AE-D9-7A-9A
제조사 번호 일련번호
데이터 링크 계층은 TCP/IP 모델에서는 네트워크 계층에 해당하는데, 이 계층에서 이더넷 헤더와 트레일러를 붙인다.
이더넷 헤더는 목적지의 MAC 주소(6바이트), 출발지 MAC주소(6바이트), 유형(2바이트) 로 구성되어 있다.

유형은 이더넷으로 전송되는 상위 계층 프로토콜의 종류를 나타낸다.
트레일러는 FCS라고도 하는데 데이터 전송 도중에 오류가 발생하는지 확인하는 용도로 사용한다.
이더넷 헤더와 트레일러가 추가된 데이터를 프레임이라고 한다.

스위치의 구조

MAC 주소 테이블이란?

스위치는 데이터 링크 계층에서 동작하고 레이어 2스위치 또는 스위칭 허브라고 불린다.
스위치 내부에는 MAC 주소 테이블이 있다.
MAC 주소 테이블은 스위치의 포트 번호와 해당 포트에 연결되어 있는 컴퓨터의 MAC 주소가 등록되는 데이터베이스다.
MAC 주소 학습 기능

스위치 전원을 켠 상태에서는 아직 MAC 주소 테이블에는 아무것도 등록되어 있지 않다.
컴퓨터에서 목적지 MAC 주소가 추가된 프레임이라는 데이터가 전송되면 MAC 주소 테이블을 확인하고 출발지 MAC 주소가 등록되어 있지 않으면 MAC 주소를 포트와 함께 등록한다.
컴퓨터 MAC 주소 테이블에 등록되어 있지 않아서 데이터(프레임)가 전송되는데 이러한 데이터 전송을 플러딩이라 한다.
MAC 주소를 기준으로 목적지를 선택하는 것을 MAC 주소 필터링이라고 한다.

데이터가 케이블에서 충돌하지 않는 구조

전이중 통신과 반이중 통신

통신방식에는 전이중 통신 방식과 반이중 통신 방식이 있다.
전이중 통신 방식은 데이터의 송수신을 동시에 통신하는 방식
반이중 통신 방식은 회선 하나로 송신과 수신을 번갈아가면서 통신하는 방식
전이중 통신 방식은 데이터를 동시에 전송해도 충돌이 발생하지 않지만, 반이중 통신 방식은 데이터를 동시에 전송하면 충돌이 발생한다.
스위치는 충돌이 일어나지 않는 구조로 되어 있기 때문에 전이중 통신 방식으로도 데이터를 주고 받을 수 있다.
허브를 사용하면 반이중 통신 방식을 사용하지만, 스위치를 사용하면 전이중 통신 방식을 사용하기 때문에 효율이 높아진다.

충돌 도메인이란?

충돌이 발생할 때 그 영향이 미치는 범위를 충돌 도메인이라고 한다.
허브는 모든 컴퓨터에 충돌의 영향이 미친다.
스위치는 데이터를 동시에 송수신 할 수 있는 전이중 통신 방식이기 때문에 충돌이 일어나지 않고 충돌 도메인의 범위도 좁다.

ARP는 목적지 컴퓨터의 IP주소를 이용하여 MAC 주소를 찾기 위한 프로토콜이다. 이더넷 프레임을 전송하려면 목적지 컴퓨터의 MAC 주소를 지정해야 한다. 출발지 컴퓨터가 목적지 주소를 모르면 MAC 주소를 알아내기 위해 네트워크에 브로드캐스트를 하는데 이것을 ARP 요청이라고 한다.
이 요청에 대해 지정된 IP 주소를 가지고 있지 않은 컴퓨터는 응답하지 않지만, 지정된 IP 주소를 가진 컴퓨터는 MAC 주소를 응답으로 보낸다. 이것을 ARP 응답이라고 한다. 이것으로 출발지 컴퓨터는 MAC 주소를 얻고 이더넷 프레임을 만들 수 있다.
출발지 컴퓨터에서는 MAC 주소를 얻은 후에 MAC 주소와 IP 주소의 매핑 정보를 메모리에 보관한다. 이 정도를 ARP 테이블이라고 한다. 이후 데이터 통신은 자신의 컴퓨터에 보관된 ARP 테이블을 참고하여 전송된다.
하지만 IP주소가 변경되면 해당 MAC 주소도 함께 변경되므로 제대로 통신할 수 없다. 그래서 ARP 테이블에서는 보존 기간을 ARP 캐시로 지정하고 일정 시간이 지나면 삭제하고 다시 ARP 요청을 한다.