이더넷 (1) 이더넷과 연결 매체
이더넷
-
현대 LAN, 특히 유선 LAN 환경에서 가장 대중적으로 사용되는 기술이다.
- 물리 계층에서 사용되는 케이블에 따라 이더넷 규격이 다르다.
-
다양한 통신 매체의 규격, 송수신되는 프레임의 형태, 프레임을 주고받는 방법 등이 정의된 기술
- 물리 계층과 데이터 링크 계층이 밀접하게 연관된 이유이다.
& 물리 계층 관련 이더넷 기술(통신 매체)
-
국제 표준으로서의 이더넷
- 이더넷은 IEEE 802.3이라는 이름으로 국제 표준이 됨
- IEEE 802.3 == 이더넷 관련 다양한 표준의 모음이다.
-
전송 속도
- 숫자만 표기된 경우 Mbps 속도
- 숫자 뒤에 G가 붙는 경우 Gbps 속도
ex)
10 → 10Mbps
2.5G → 2.5Gbps
-
추가 특성
- 통신 매체의 특성을 명시
- 다양한 특성이 명시될 수 있음
- 가장 중요한 특성 → 통신 매체의 종류를 알 수 있다.
| 표기 | 케이블 종류 | 설명 및 예시 |
|---|---|---|
| C | 동축 케이블 | 동축 케이블(Coaxial Cable)을 의미합니다. |
| T | 트위스티드 페어 케이블 | 10BASE-T: 10Mbps 속도를 지원하는 꼬임쌍선 케이블입니다. |
| S | 단파장 광섬유 케이블 | 1000BASE-SX: 1000Mbps(1Gbps) 속도를 지원하는 단파장 광섬유입니다. |
| L | 장파장 광섬유 케이블 | 1000BASE-LX: 1000Mbps(1Gbps) 속도를 지원하는 장파장 광섬유입니다. |
이더넷 (2) 이더넷과 연결 매체
이더넷 네트워크에서 주고받는 프레임
-
캡슐화를 거쳐 송신됨: 상위 계층 정보 + 헤더 + 트레일러
- 헤더 - 프리앰블, 수신지 MAC 주소, 송신지 MAC 주소, 타입/길이
- 페이로드 - 데이터
- 트레일러 - FCS
-
역캡슐화를 거쳐 수신됨
- 헤더와 트레일러를 제거한 후 상위 계층으로 올려 보냄
& 프리앰블(Preamble)
- 이더넷 프레임의 시작을 알리는 8바이트(64비트) 크기의 정보
- 첫 7바이트는 10101010 값을 가지고, 마지막 바이트는 101011 값을 가진다.
- 송수신지 간의 동기화를 위해 사용되는 정보이다.
& 수신지 MAC 주소와 송신지 MAC 주소
-
‘물리적 주소’라고도 불린다.
-
일반적으로 고유하고, 일반적으로 변경되지 않는 주소이다.
-
MAC 주소는 네트워크 인터페이스마다 부여되는 6바이트(48비트) 길이의 주소이다.
- LAN 내의 송수신지 특정
- 일반적으로 NIC(Network Interface Controller) 장치가 네트워크 인터페이스 역할을 담당한다.
- 한 컴퓨터에 MAC 주소도 여러 개 있을 수 있다.
& 타입/길이
-
타입 혹은 길이 명시
-
필드에 명시된 크기가 1500(16진수 05DC) 이하일 경우: 이 필드는 프레임의 크기!
-
필드에 명시된 크기가 1536(16진수 0600) 이상일 경우: 이 필드는 타입
-
타입이란?
- 이더타입이라고도 한다.
- 어떤 정보를 캡슐화했는지를 나타내는 정보이다.
- 대표적으로 상위 계층에서 사용된 프로토콜이 명시
| 타입 | 프로토콜 |
|---|---|
| 0800 | IPv4 |
| 86DD | IPv6 |
| 0806 | ARP |
& 데이터
-
페이로드, 상위 계층에서 전달받거나 전달해야 할 내용
-
최대 크기: 1500바이트
-
최소 크기: 46바이트
- 46바이트보다 작다면 크기 맞추기용 데이터인 패딩이 채워진다. 보통 0으로 채워진다.
& FCS(Frame Check Sequence)
- 오류 검출용 정보: FCS는 수신한 이더넷 프레임에 오류가 있는지 검출하기 위한 용도
이더넷 외의 기술은 없나?
- 토큰링
NIC와 케이블
NIC
-
호스트와 통신 매체를 연결하고, MAC 주소가 부여되는 네트워크 장비이다.
-
NIC는 호스트의 ‘귀’와 ‘입’
- NIC는 네트워크 인터페이스 카드, 네트워크 어댑터, LAN 카드, 네트워크 카드, 이더넷 카드 등 다양한 명칭으로 불린다.
케이블은 NIC에 연결되는 물리 계층의 유선 통신 매체이다
- 트위스티드 페어 케이블
- 광섬유 케이블
호스트를 네트워크(LAN)에 연결하는 장비
-
호스트와 유무선 통신 매체를 연결한다.
-
통신 매체의 신호와 컴퓨터가 이해하는 정보를 상호 변환
- 호스트가 네트워크를 통해 송수신하는 정보는 NIC를 거치게 된다.
- 네트워크 인터페이스 역할을 수행한다.
NIC는 MAC 주소를 인식
-
자신과는 관련 없는 수신지 MAC 주소가 명시된 프레임을 폐기한다.
-
FCS 필드를 토대로 오류를 검출해 잘못된 프레임을 폐기한다.
-
NIC마다 지원되는 속도가 다르다는 점에 유의해야 한다.
- NIC의 지원 속도는 10Mbps부터 100Gbps에 이르기까지 NIC마다 다르다.
- 네트워크 속도에 영향을 끼친다.
케이블
& 트위스티드 페어 케이블
-
구리선으로 전기 신호를 주고받는 통신 매체
-
생김새 = 커넥터 + 케이블 본체
- 커넥터: 주로 활용되는 커넥터는 RJ-45
- 케이블 본체: 구리선이 두 가닥씩 꼬인 형태
-
구리선은 노이즈에 민감하다. 그래서 아래 두 방식을 보통 사용
- 차폐(Shielding) - 구리선 주변을 감싸 노이즈를 감소시키는 방식
- 브레이드 실드(Braided Shield) 혹은 포일 실드를 사용
-
실드에 따른 트위스티드 페어 케이블의 분류
-
XX에는 케이블 외부를 감싸는 실드의 종류
-
Y에는 꼬인 구리선 쌍을 감싸는 실드의 종류
-
STP - 브레이드 실드로 감싼 케이블
-
FTP - 포일 실드로 노이즈를 감소시킨 케이블
-
UTP - 아무것도 감싸지 않은 구리선만 있는 케이블
-
U: 실드 없음
-
S: 브레이드 실드
-
F: 포일 실드
- S/FTP 케이블
- F/FTP 케이블
- SF/FTP 케이블
- U/UTP 케이블
-
-
- 카테고리에 따른 트위스티드 페어 케이블의 분류
: 카테고리가 높을수록
→ 지원 가능한 대역폭이 높아진다.
→ 송수신할 수 있는 데이터의 양이 많아진다.
→ 일반적으로 더 빠른 전송이 가능하다.
& 광섬유 케이블
→ 빛을 이용해 정보를 주고받는 케이블
→ 전기 신호를 이용하는 케이블에 비해 속도도 빠르고, 먼 거리까지 전송이 가능하다.
→ 노이즈로부터 간섭받는 영향도 적으므로 대륙 간 네트워크 연결에도 사용한다.
-
생김새 = 커넥터 + 케이블 본체
- 커넥터 종류가 다양하다.
-
광섬유 케이블 본체 내부는 머리카락과 같은 형태의 광섬유로 구성된다.
- 광섬유는 빛을 운반하는 매체이다.
- 광섬유 중심에는 코어(Core) - 코어는 광섬유에서 실질적으로 빛이 흐르는 부분이다.
- 코어를 둘러싸는 클래딩(Cladding) - 빛이 코어 안에서만 흐르도록 빛을 가두는 역할을 한다.
- 코어의 지름에 따른 광섬유
(1) 싱글 모드 광섬유 케이블
- 장거리 전송: 빛의 분산이나 간섭이 적어 수십~수백 km까지 신호를 보낼 수 있습니다.
- 고대역폭: 대용량 데이터를 아주 빠르게 전송하는 데 최적화되어 있습니다.
- 광원: 주로 직진성이 강한 레이저(Laser)를 광원으로 사용합니다.
허브
네트워크 장비
- 물리 계층의 대표 장비 - 허브
- 데이터 링크 계층의 대표 장비 - 스위치
-
물리 계층에는 주소 개념이 없다.
- 단지 호스트와 통신 매체 간의 연결과 매체상의 송수신이 이루어질 뿐이다.
- 물리 계층 장비는 송수신되는 정보에 대한 어떠한 조작이나 판단도 하지 않는다.
-
데이터 링크 계층에는 주소 개념이 있다.
- MAC 주소
- 데이터 링크 계층 이상 장비들은 송수신지 특정이 가능하고, 송수신 정보에 대한 조작이 가능하다.
-
물리 계층의 허브(Hub)
- 여러 대의 호스트를 연결하는 장치
- 리피터 허브 혹은 이더넷 허브
- 포트 - 커넥터를 연결할 수 있는 연결 지점
-
허브의 특징
-
받은 정보는 모든 포트로 내보낸다.
-
정보에 대한 어떠한 조작도 판단도 하지 않음
-
전달받은 신호를 다른 모든 포트로 그대로 다시 내보낸다.
- 데이터 링크 계층에서 패킷의 MAC 주소를 확인하고 자신과 관련 없는 주소는 폐기한다.
-
-
반이중 통신으로 통신한다.
-
(1) 반이중 모드: 마치 1차선 도로처럼 송수신을 번갈아 가면서 하는 통신 방식
(2) 전이중 모드: 송수신을 동시에 양방향으로 할 수 있는 통신 방식
참고) 또 다른 물리 계층의 장비, 리피터
-
허브 이외에 물리 계층의 대표적인 장비이다.
-
전기 신호가 감소하거나 왜곡되는 것을 방지하기 위해 전기 신호를 증폭시켜 주는 장비이다.
- 이것도 물리 계층이므로 그저 신호를 증폭시키기만 한다.
-
허브의 특징이 야기하는 문제, 충돌(Collision)
- 동시에 허브에 신호를 송신하면 충돌이 발생한다.
- 허브에 호스트가 많이 연결되어 있을수록 충돌 발생 가능성이 높다.
-
콜리전 도메인
- 충돌이 발생할 수 있는 영역
- 허브에 연결된 모든 호스트는 같은 콜리전 도메인에 속한다.
콜리전 도메인을 줄이려면?
-
CSMA/CD 사용
-
다른 장비(스위치) 사용
-
CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)
-
반이중 이더넷 네트워크에서 충돌을 방지하는 대표적인 프로토콜
-
캐리어 감지
- 통신 매체의 현재 사용 가능 여부 검사: 메시지를 보내기 전 현재 전송 중인 것이 있는지를 먼저 확인
-
다중 접근
- 복수의 호스트가 부득이 동시에 네트워크에 접근할 때: 충돌 발생
-
충돌 검출
-
전송 중단, 충돌 발생을 알리는 잼 신호 보냄
-
임의의 시간 동안 기다린 뒤에 재전송
-
-
스위치
-
허브의 충돌 문제
- CSMA/CD로 어느 정도 완화할 수 있었지만 근본적인 해결 방법이 있다.
- 전달받은 신호를 수신지 호스트가 연결된 포트로만 내보내고, 전이중 모드로 통신하면 된다.
-
이를 위한 장비가 바로 스위치이다.
-
허브와는 달리 특정 MAC 주소를 가진 호스트에만 프레임 전달이 가능하다.
-
전이중 모드를 지원한다.
- CSMA/CD 프로토콜이 필요 없어 진다.
-
스위치의 주요 기능
-
스위치의 MAC 주소 학습 기능
- 전달받은 신호를 원하는 포트로만 내보낸다.
- 포트별로 콜리전 도메인이 나누어지기에 충돌 위험이 감소한다.
-
스위치의 VLAN 기능
- 논리적으로 LAN을 분리하는 가상의 LAN, VLAN을 구성할 수 있다.
스위치의 MAC 주소 학습 기능
-
특정 포트와 해당 포트에 연결된 호스트의 MAC 주소와의 관계를 기억한다.
-
원하는 호스트에만 프레임을 전달한다.
-
MAC 주소 테이블
- 스위치 포트와 연결된 호스트의 MAC 주소 간의 연관 관계를 나타내는 정보이다.
(1) 프레임 수신: 특정 포트(예: 1번 포트)로 데이터(프레임)가 들어옵니다.
(2) 출발지 주소 확인: 스위치는 들어온 데이터의 '보낸 사람 주소(Source MAC)'를 확인합니다.
(3) 장부 기록(Learning): "아하, 1번 포트에는 AA라는 주소를 가진 컴퓨터가 연결되어 있구나!"라고 장부에 기록합니다.
(4) 목적지 검색: 이제 '받는 사람 주소(Destination MAC)'가 장부에 있는지 확인합니다.
- 있다면? 해당 포트로만 데이터를 보냅니다. (포워딩)
- 없다면? 들어온 포트를 제외한 모든 포트로 데이터를 뿌려 버립니다. (플러딩)
→ 에이징
: 장부에 기록된 정보는 영원하지 않습니다. 일정 시간(기본 300초 등) 동안 통신이 없으면 "이 기기가 연결이 끊겼나 보다"라고 판단하고 장부에서 지워 버립니다. 이를 통해 테이블 공간을 효율적으로 관리합니다.
-
브리지
- 스위치와 유사한 장비로 네트워크 영역을 구획하여 콜리전 도메인을 나누거나 네트워크를 확장해 주는 장비이다.
스위치의 VLAN 기능
→ VLAN - 한 대의 스위치로 가상의 LAN을 만드는 방법이다.
→ 불필요한 트래픽으로 인한 성능 저하를 방지한다.
→ 한 대의 물리적 스위치를 여러 대의 스위치가 있는 것처럼 논리적 단위로 나눌 수 있다.
→ VLAN은 사실상 다른 LAN: 서로 다른 네트워크로 간주하며, 브로드캐스트 도메인이 달라진다.
VLAN 종류
& 포트 기반 VLAN
-
스위치의 포트가 VLAN을 결정하는 방식
-
특정 포트에 VLAN을 할당한 뒤, 해당 포트에 호스트를 연결하여 VLAN에 참여
- 호스트 A와 B는 VLAN2를 할당한 포트에 연결되어 있으므로 같은 LAN에 속한 셈이다.
- 호스트 C는 VLAN3에 속해 있으므로 호스트 A, B와는 다른 LAN에 속한 셈이다.
& MAC 기반 VLAN
- 사전에 설정된 MAC 주소에 따라 VLAN이 결정
- 송수신하는 프레임 속 MAC 주소가 호스트가 속할 VLAN을 결정하는 방식
정리
네트워크는 여러 장치가 그래프 형태로 연결되어 정보를 주고받는 통신망으로, 이더넷 기술을 통해 MAC 주소를 기반으로 데이터를 송수신합니다. 물리 계층의 허브는 신호를 모든 포트로 복제하여 충돌이 잦지만, 데이터 링크 계층의 스위치는 MAC 주소 학습을 통해 필요한 포트로만 데이터를 보내는 전이중 통신을 지원하여 효율을 높입니다. 이러한 LAN들이 ISP의 회선을 타고 IP 주소 기반의 WAN으로 확장되면서 전 세계적인 '네트워크의 네트워크'인 인터넷을 구성하게 됩니다.
