[네트워크] 혼자 공부하는 네트워크 2주차

서론

바쁘다 바빠 현대사회
거의 주차가 끝나갈 때 쯤에 하는 건 내 성향아닌데
일요일 오후에 다급하게 하지만 차분히 공부하면서 작성하는 혼공네 2주차

혼공학습단 12기 1주차

혼자 공부하는 네트워크

2024.07.08 ~ 2024. 07.04

• 진도: Chapter 01
• 기본 숙제(필수): Ch.02(02-1) 확인 문제 2번(p.87), (02-3)확인 문제 4번(p.111) 풀고 설명하기
• 추가 숙제(선택): 집에 있는 케이블에 표기된 명칭 표기를 바탕으로 케이블 구조 및 전송속도 가늠해 보기

숙제(과제)

기본숙제(필수)

• 기본 숙제(필수): Ch.02(02-1) 확인 문제 2번(p.87), (02-3)확인 문제 4번(p.111) 풀고 설명하기

(02-1) 확인 문제 2번

이더넷 프레임은 프리앰블, 수신지(목적지) MAC 주소, 송신지(발신지) MAC 주소, 타입/길이, 데이터, FCS로 구성된다.

(02-3) 확인문제 4번

CSMA/CD는 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection 약자로, CS, MA, CD 는 CS(Carreier Sense) 캐리어 감지 , MA(Multiple Access) 다중 접근, CD(Collision Detection) 충돌 검출 이다.

추가숙제

• 추가 숙제(선택): 집에 있는 케이블에 표기된 명칭 표기를 바탕으로 케이블 구조 및 전송속도 가늠해 보기

집에 있는 케이블..에 왜.. 명칭이 안써있냐...

정리

02 물리 계층과 데이터 링크 계층

물리 계층과 데이터 링크 계층은 통신이 이루어지는 가장 근원적인 지점
하드웨어가 네트워크를 통해 멤시지를 주고받고 이해하는 방식은 대부분 물리 계층과 데이터 링크 계층에 구현되어 있음

02-1. 이더넷

• 이더넷(Ethernet) : 유선 LAN 환경에서 가장 대중적으로 사용되는 기술
  두 대의 컴퓨터가 있다고 가정해 본다면, 컴퓨터끼리 정보를 주고받기 위해 가장 먼저 케이블 과 같은 통신 매체가 필요
  통신 매체를 통해 정보를 송수신하는 방법이 정해져 있는데, 이더넷은 다양한 통신 매체의 규격들과 송수신되는 프레임의 형태, 프레임을 주고 받는 방법 등이 정의된 네트워크 기술

• 이더넷 표준 : 이더넷은 국제적으로 표준화가 이루어졌고, IEEE 802.3이라는 이름으로 표준화됐음
  IEEE 802.3 이란 이더넷 관련 다양한 표준들의 모음이기도 하고 이더넷 표준화 작업을 위한 IEEE의 전문가 단체, 이더넷 작업 그룹의 이름이기도 함
  이더넷이 지속해서 발전하는 만큼, 새로운 이더넷 표준들도 계속 만들어지고 있고 IEEE 802.3의 다양한 표준들은 802.3u 802.3ab 처럼 802.3 뒤에 버전을 나타내는 알파벳으로 표현함

통신 매체 표기 형태

• 통신 매체의 속도와 특성을 한눈에 파악하기 쉽도록 다음과 같은 형태로 표기함

전송 속도 BASE - 추가 특성

• 전송 속도(data rate) : 숫자만 표기되어 있으면 Mbps 속도, 숫자 뒤에 G가 붙은 경우 Gbps
  예를 들어 10GBASE0T : 100Gbps 속도를 지원하는 케이블

• BASE : BASEband의 약자로 변조 타입(modulation type)을 의미
  변조 타입은 비트 신호로 변환된 데이터를 통신 매체로 전송하는 방법

• 추가 특성(Additional distinction) : 통신 매체의 특성 명시
  전송 가능한 최대 거리, 물리 계층 인코딩 방식, 레인 수

통신 매체 종류

• 추가 특성에 C, T, S, L 이라는 글자가 있는데 동축 케이블(C), 트위스티드 페어 케이블(T), 단파당 빛을 활용하는 광섬유 케이블(S), 장파장 빛을 활용하는 광섬유 케이블(L) 의미

• 통신 매체의 전송 속도와 종류를 중심으로 의미 파악
  - 10BASE-T 케이블 : 10Mbps 속도를 지원하는 트위스티드 페어 케이블
  - 1000BASE-SX 케이블 : 1000Mbps 속도를 지원하는 단파장 광섬유 케이블
  - 1000BASE-LX 케이블 : 1000Mbps 속도를 지원하는 장파장 광섬유 케이블

이더넷 프레임

• 현대 유선 LAN 환경 대부분 이더넷 기반으로 구성되어 호스트가 데이터 링크 계층에서 주고받는 프레임 형식도 정해져 있는데, 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

• 이더넷 프레임 헤더는 프리앰블, 수신지 MAC 주소, 송신지 MAC 주소, 타입/길이로 구성되고, 페이로드는 데이터, 트레일러는 FCS로 구성됨

  a. 프리앰블(preamble) :
  이더넷 프레임의 시작을 알리는 8바이트(64비트) 크기 정보
  송수신지 간의 동기화를 위해 사용되는 정보

  b. 수신지 MAC 주소와 송신지 MAC 주소
  '물리적 주소'라고 불리는 MAC 주소는 데이터 링크 계층의 핵심
  MAC 주소는 네트워크 인터페이스마다 부여되는 6바이트(48비트) 길이의 주소로 LAN 내의 수신지와 송신지를 특정함
  MAC 주소는 일반적으로 고유하고, 일반적으로 변경되지 않는 주소로 네트워크 인터페이스마다 부여됨
  보통 NIC(Network Interface Controller) 장치가 네트워크 인터페이스 역할을 담당함. 즉, 한 컴퓨터에 NIC가 여러 개 있다면 MAC 주소도 여러 개 있을 수 있음

  c. 타입/길이
  타입(type) 혹은 길이(length) 가 올 수 있음.
  타입이란 이더넷 프레임이 '어떤 정보를 캡슐화했는지'를 나타내는 정보
  이더타입(ethertype)이라고 부름

  d. 데이터
  상위 계층에서 전달받거나 상위 계층으로 전달해야 할 내용
  네트워크 계층의 데이터와 헤더를 합친 PDU가 이곳에 포함됨.

  e. FCS
  Frame Check Sequence는 수신한 이더넷 프레임에 오류가 있는지 확인하기 위한 필드. CRC(Cyclic Redundary Check), 즉 순환 중복 검사라고 불리는 오류 검출용 값

02-2. NIC와 케이블

• NIC(Network Interface Controller)는 호스트와 통신 매체를 연결하고, MAC 주소가 부여되는 네트워크 장비
• 케이블은 NIC에 연결되는 물리 계층의 유선 통신 매체
  케이블의 종류를 크게 두 개 나눠보자면 트위스티드 페어 케이블, 광섬유 케이블

NIC

• 통신 매체에는 전기, 빛 등 다양한 신호가 흐를 수 있음
  호스트가 이를 제대로 이해하려면 통신 매체를 통해 전달되는 신호와 컴퓨터가 이해할 수 있는 정보 간에 변환이 이루어져야 함
  이때 호스트가 유무선 통신 매체를 연결하고 이러한 변환을 담당하는 네트워크 장비가 NIC
• NIC를 '호스트를 네트워크(LAN)에 연결하기 위한 하드웨어'
  NIC는 네트워크 인터페이스 카드, 네트워크 어댑터, LAN 카드, 네트워크 카드, 이더넷 카드(이더넷 네트워크의 경우) 등 다양한 명칭으로 불림
  NIC는 통신 매체에 흐르는 신호를 호스트가 이해하는 프레임으로 변환하거나 반대로 호스트가 이해하는 프레임을 통신 매체에 흐르는 신호로 변환함. 이처럼 NIC는 네트워크과의 연결점을 담당한다는 점에서 네트워크 인터페이스 역할을 수행함

트위스티드 페어 케이블

• 통신 매체로 연결된 두 호스트가 아무리 빠르게 데이터를 처리할 수 있어도, 정작 통신 매체가 해당 속도를 따라잡지 못하면 먼저 가장 대중적인 케이블인 트위스티드 페어 케이블
• 트위스티드 페어 케이블(twisted pair cable)은 구리 선으로 전기 신호를 주고받는 통신 매체.
• 트위스티드 페어 케이블은 케이블 본체와 케이블의 연결부인 커넥터로 이루어져 있음

02-3. 허브

• 통신 매체를 통해 송수신되는 메시지는 다른 호스트에게 전달되는 과정에서 네트워크 장비를 거칠 수 있음
  대표적인 네트워크 장비로 물리 계층에는 허브가 있고, 데이터 링크 계층에는 스위치 가 있음

주소 개념이 없는 물리 계층

• 물리 계층에는 주소 개념이 없음
  송수신지를 특정할 수 있는 주소는 데이터 링크 계층부터 존재하는 개념이고 물리 계층에서는 단지 호스트와 통신 매체 간의 연결과 통신 매체상의 송수신이 이루어짐
• 반면 데이터 링크 계층은 주소 개념이 있고, MAC 주소가 여기에 속함
  데이터 링크 계층의 장비나 그 이상의 계층은 송수신지를 특정할 수 있고 주소를 바탕으로 송수신되는 정보에 대한 조작과 판단을 할 수 있음

허브

• 물리 계층의 허브(hub)는 여러 대의 호스트를 연결하는 장치
  리피터 허브라 부르기도 하고, 이더넷 네트워크의 허브는 이더넷 허브라고 불림

• 커넥터를 연결할 수 있는 연결지점은 포트(port) 라고 함

• 허브의 특징은
  [1] 전달받은 신호를 다른 모든 포트로 그대로 다시보냄
  [2] 반이중 모드로 통신함

• 콜리전 도메인 : 허브는 반이중 통신을 지원함. 도시에 허브에 신호를 송신하면 '충돌(콜리전)'이 발생함
  허브에 호스트가 많이 연결되 어 있을 수록 충돌 발생 가능서이 높아지는데, 충돌이 발생할 수 있는 영역을 콜리전 도메인이라고 함

CSMA/CD

• 허브에서 충돌이 발생하는 근본적인 이유는 허브가 반이중 모드로 통신하기 때문임
• CSMA/CD는 반이중 이더넷 네트워크에서 충돌을 방지하는 대표적인 프로토콜. (반이중) 이더넷을 대표하는 송수신 방식
• CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)

[1] CS : Carrier Sense(캐리어 감지)
: CSMA/CD 프로토콜을 사용하는 반이중 이더넷 네트워크에서는 메시지를 보내기 전에 현재 네트워크상에서 전송 중인 것이 있는지 먼저 확인함.
현재 통신 매체의 사용 가능 여부를 검사하는 것을 캐러어 감지라고 함

[2] MA : Multiple Access (다중 접근)
: 캐리어 감지를 하는 데도 두 개 이상의 호스트라 부득이하게 동시에 네트워크를 사용하려 할 때가 있음. 복수의 호스트가 네트워크가 접근하려는 상황을 다중 접근 이라고 함

[3] CD : Collision Detection (충돌 검출)
: 충돌이 발생하면 이를 검출하는데, 충돌 검출을 한다. 충돌을 감지하면 전송이 중단되고 충돌을 검출한 호스트는 다른 이들에게 충돌이 발생했음을 알리고자 잼 신호라는 특별한 신호를 보내고, 임의의 시간을 기다린 뒤에 다시 전송함

• 반이중 이던세 네트워크에서 CSMA/CD 프로토콜을 사용하면 먼저 현재 전송이 가능한 상태인지를 확인하고, 다른 호스트가 전송 중이지 않을 때 메시지를 전송하며, 만일 부득이하게 다수의 호스트가 접근하여 충돌이 발생하면 임의의 시간만큼 대기한 후에 다시 전송함

02-4. 스위치

• 허브는 주소 개념이 없는 물리 계층 장비고, 전달받은 신호를 다른 포트로 내보내기만 한다. 반이중 모드로 통신하므로 허브에 연결된 모든 호스트가 충돌이 발생한 범위, 즉 콜리전 도메인에 속함
  CSMA/CD를 통해 충돌 문제를 어느 정도 완화할 수 있지만 이보다 더 근본적인 해결 방법은 전달받은 신호를 수신지 호스트가 여녈된 포트만 내보내고 전이중 모드로 통신한다. 이러한 기능을 지원하는 네트워크 장비가 바로 데이터 링크 계층의 스위치 이다.

• 스위치가 전달받은 신호를 포트로만 내보낼 수 있는 것은 스위치가 MAC 주소를 학습할 수 있기 때문, 스위치를 이용하면 논리적으로 LAN을 분리하는 가상의 LAN, VLAN을 구성할 수 있음

스위치

• 스위치(switch)는 데이터 링크 계층의 네트워크 장치
  2계층에서 사용한다 하여 L2 스위치라고 부름
• 스위치의 가장 중요한 특징은 특정 포트와 해당 포트에 연결된 호스트의 MAC 주소와의 관계를 기억한다는 점이고, 스위치의 이러한 기능을 MAC 주소 학습 이라고 부름
  스위치는 MAC 주소 학습을 위한 포트와 연결된 호스트의 MAC 주소 간의 연관 관계를 메모리에 표 형태로 기억함. 스위치의 포트와 연결된 호스트의 MAC 주소 연관 관계를 나타내는 정보를 MAC 주소 테이블 이라고 함

MAC 주소 학습

• MAC 주소 테이블은 스위치의 세 가지 기능을 통해 채워지고 유지됨
  플러딩, 포워딩과 필터링, 에이징

[1] 플러딩

• 허브처럼 송신지 포트를 제외한 모든 포트로 프레임을 전송하는 스위치의 동작

[2] 포워딩과 필터링 :
필터링 : 전달받은 프레임을 어디로 내보낼지, 내보내지 않을지 결정하는 스위치의 기능
포워딩 : 프레임이 전송될 포트에 실제로 프레임을 내보내는 것

[3] 에이징 :
MAC 주소 테이블에 등록된 특정 포트에서 일정 시간 동안 프레임을 전송받지 못했다면 해당 항목은 삭제되는 것

VLAN

• 스위치의 또 다른 중요한 기능으로 VLAN은 Virtual LAN의 줄임말로, 한 대의 스위치로 가상의 LAN을 만드는 방법
• 스위치를 이용해도 스위치에 연결된 호스트 중에서 서로 메시지를 주고받을 일이 적거나 브로드캐스트 메시지를 받을 필요가 없어서 굳이 같은 네트워크 (LAN)에 속할 필요가 없는 호스트가 있을 수도 있음
  이때 구성하는 것
• 포트 기반 VLAN : 스위치의 포트가 VLAN을 결정하는 방식. 사전에 특정포트에 VLAN을 할당하고 해당 포트에 호스트를 연결함으로써 VLAN에 포함시킬 수 있음
• MAC 기반 VLAN : 설정된 MAC 주소에 따라 VLAN이 결정되는 MAC VLAN. 송수신하는 프레임 속 MAC 주소가 호스트가 속할 VLAN을 결정하는 방식

마무리

물리 계층이나 데이터 링크 계층을 이렇게 공부해본적이 없어서 매우 생소했지만 개발 편식은 나쁜거니까 이것도 야무지게 먹자