이더넷
물리 계층과 데이터 링크 계층은 이더넷이라는 공통된 기술이 사용된다.
이더넷은 현대 LAN, 특히 유선 LAN 환경에서 가장 대중적으로 사용되는 기술이다.
이더넷은 다양한 통신 매체의 규격들과 송수신되는 프레임의 형태, 프레임을 주고받는 방법 등이 정의된 네트워크 기술이다.
이더넷 표준
현대 유선 LAN환경은 대부분 이더넷을 기반으로 구성된다.
이더넷 관련 기술은 IEEE 802.3이라는 이름으로 표준화 되었다.
이더넷 프레임
호스트가 데이터 링크 계층에서 주고받는 프레임의 형식은 이더넷 프레임으로 정해져 있다.
이더넷 프레임은 상위 계층으로부터 받아들인 정보에 헤더와 트레일러를 추가하는 캡슐화 과정을 통해 만들어진다.
수신지 입장에서는 프레임의 헤더와 트레일러를 제거한 뒤 상위 계층으로 올려보내는 역캡슐화 과정을 거친다.
이더넷 프레임 헤더는 기본족으로 프리앰블, 수신지 MAC주소, 송신지 MAC주소, 타입/길이로 구성되고, 페이로드는 데이터, 트레일러는 FCS로 구성된다.
프리앰블
프리앰블은 이더넷 프레임의 시작을 알리는 8바이트 크기의 정보이다.
첫 7바이트는 10101010 값을 가지고, 마지막 바이트는 10101011값을 가진다.
수신지는 프리앰블을 통해 이더넷 프레임이 오고 있음을 알 수 있다.
수신지 MAC주소와 송신지 MAC주소
MAC주소는 네트워크 인터페이스마다 부여되는 6바이트 길이의 주소로, LAN내의 수신지와 송신지를 특정할 수 있다.
MAC주소는 일반적으로 고유하고, 변경되지 않는 주소로써 네트워크 인터페이스마다 부여된다.
보통 NIC(Network Interface Controller)라는 장치가 네트워크 인터페이스 역할을 담당하며, 한 컴퓨터에 NIC가 여러 개 있다면 MAC주소도 여러 개 있을 수 있다.
타입/길이
타입/길이 필드에는 타입 혹은 길이가 올 수 있다.
필드에 명시된 크기가 1500이하일 경우 길이를 나타내고, 1536이상일 경우에는 타입을 나타낸다.
데이터
데이터는 상위 계층에서 전달받거나 상위 계층으로 전달해야 할 내용을 의미한다.
네트워크 계층의 데이터와 헤더를 합친 PDU가 포함된다.
최대 크기는 1500바이트, 최소 크기는 46바이트이며, 만약 46바이트 이하의 데이터의 경우 패딩이라는 0으로 이루어진 정보가 채워진다.
FCS
FCS(Frame Check Sequence)는 수신한 이더넷 프레임에 오류가 있는지 확인하기 위한 필드이다.
CRC(Cyclic Redundancy Check), 순환 중복 검사라고 불리는 오류 검출용 값이 들어간다.
송신지는 프리앰블을 제외한 나머지 필드 값들을 바탕으로 CRC값을 계산 후 해당 값을 FCS에 명시한다.
수신지는 수신한 프레임에서 프리앰블과 FCS필드를 제외한 나머지 필드 값을 바탕으로 CRC값을 계산한 뒤 FCS필드와 비교한다.
두 값이 일치하지 않을 경우 프레임에 오류가 있다고 판단하여 해당 프레임을 폐기한다.
NIC와 케이블
NIC(Network Interface Controller)는 호스트와 통신 매체를 연결하고, MAC주소가 부여되는 네트워크 장비이다.
케이블은 NIC에 연결되는 물리 계층의 유선 통신 매체를 의미한다.
오늘날 유선 케이블은 크게 트위스티드 페어 케이블과 광섬유 케이블로 구분된다.
NIC
통신 매체에는 다양한 신호가 흐를 수 있고, 호스트가 이를 제대로 이해하기 위해서는 해당 신호를 컴퓨터가 이해할 수 있는 정보로 변환해야한다.
이때 호스트와 유무선 통신 매체를 연결하고 변환을 담당하는 네트워크 장비를 NIC라고 한다.
NIC의 역할
NIC는 통신 매체에 흐르는 신호를 호스트가 이해하는 프레임으로 변환하거나 반대로 호스트가 이해하는 프레임을 통신 매체에 흐르는 신호로 변환한다.
NIC는 MAC주소를 통해 자기 주소와 수신되는 프레임의 수신지 주소를 인식하여 자신과 관련 없는 수신지 MAC주소를 가진 프레임은 폐기할 수 있고, FCS필드를 토대로 오류를 검출해 잘못된 프레임을 폐기할수도 있다.
트위스티드 페어 케이블
구리 선으로 전기 신호를 주고받는 통신 매체를 의미한다.
트위스티드 페어 케이블은 케이블 본체와 케이블의 연결부인 커넥터로 이루어져 있다.
케이블 본체 내부는 구리 선이 두 가닥씩 꼬아져 있다.
본체가 구리 선으로 이루어진 상태에서 전기 신호를 주고받다 보면 구리 선에 전자적 간섭이 생길 수 있는데, 이것을 노이즈라고 부른다.
이러한 노이즈를 감소시키는 방식을 shielding이라 하고, 해당 작업에 사용되는 그물모양 철사와 포일을 각각 브레이드 실드 혹은 포일 실드라고 한다.
실드에 따른 트위스티드 페어 케이블의 분류
브레이드 실드로 구리선을 감싸 노이즈를 감소시킨 것을 STP(Shielded Twisted Pair)케이블, 포일 실드로 노이즈를 감소시킨 것을 FTP(Foil Twisted Pair)케이블 이라고 한다.
아무것도 감싸지 않은 케이블은 UTP(Unshielded Twisted Pair)라고 한다.
케이블 명칭 표기는 XX/YTP와 같이 명시하며, X와 Y에는 U,S,F가 들어간다.
XX는 케이블 외부를 감싸는 실드의 종류, Y에는 꼬인 구리 선 쌍을 감싸는 실드의 종류가 명시된다.(S/FTP, F/FTP, SF/FTP, U/UTP 등..)
카테고리에 따른 트위스티드 페어 케이블의 분류
카테고리에 따라서도 분류할 수 있는데, 카테고리는 해당 케이블 성능의 등급을 구분하는 역할을 하며 높은 카테고리에 속한 케이블일수록 높은 성능을 보인다.
광섬유 케이블
광섬유 케이블은 빛을 이용해 정보를 주고받는 케이블이다.
빛을 이용하기에 전기 신호를 이용하는 케이블에 비해 속도도 빠르고, 먼 거리까지 전송이 가능하다.
광섬유 케이블도 케이블 본체와 커넥터로 이루어져 있지만, 광섬유 케이블은 커넥터의 종류가 다양하다.
대표적으로 LC, SC, FC, ST 커넥터가 존재한다.
광섬유 케이블 본체 내부는 빛을 운반하는 광섬유로 구성되어 있다.
광섬유의 중심에는 실질적으로 빛이 흐르는 코어와 코어를 둘러싸 빛이 코어에서만 흐르도록 가두는 클래딩이 존재한다.
광섬유 케이블은 코어의 지름에 따라 싱글 모드 광섬유 케이블과 멀티 모드 광섬유 케이블로 나뉜다.
싱글 모드 광섬유 케이블
싱글 모드 광섬유 케이블은 코어의 지름이 8~10μm정도로 구성되어 있다.
코어의 지름이 작기 때문에 빛이 이동하는 경로가 하나 이상을 갖기 어렵고 이때문에 싱글 모드 광섬유 케이블로 표현한다.
싱글 모드 케이블은 신호 손실이 적기에 장거리 전송에 적합하지만 멀티 모드에 비해 비용이 높다.
멀티 모드 광섬유 케이블
멀티 모드 광섬유 케이블은 코어의 지름이 50~62.5μm정도로 구성되어 있다.
따라서 빛이 여러 경로로 이동할 수 있고 이때문에 멀티 모드 광섬유 케이블로 표현한다.
멀티 모드 케이블은 싱글 모드 케이블보다 전송 시 신호 손실이 클 수 있기 때문에 장거리 전송에는 부적합하다.
허브
통신 매체를 통해 송수신 되는 메시지는 네트워크 장비를 거칠 수 있는데, 대표적인 네트워크 장비로 물리 계층에는 허브, 데이터 링크 계층에는 스위치가 있다.
주소 개념이 없는 물리 계층
물리 계층에는 주소 개념이 없기 때문에 메시지의 송수진지를 특정할 수 없다.
물리 계층에서는 호스트와 통신 매체 간의 연결과 송수신만이 이루어 지기 때문에 정보에 대한 어떠한 조작이나 판단을 할 수 없다.
허브
허브는 여러 대의 호스트를 연결하는 장치로 리피터 허브 또는 이더넷 허브라고도 부른다.
허브는 포트를 통해 호스트와 연결된 통신 메체를 연결할 수 있다.
허브의 특징
- 전달받은 신호를 다른 모든 포트로 그대로 내보낸다
허브는 물리 계층에 속한 장비이고, 물리 계층에서는 주소 개념이 없기 때문에 허브는 수신지를 특정할 수 없다.
따라서 허브는 받은 신호를 모든 포트로 내보낸 뒤, 데이터 링크 계층에서 패킷의 MAC주소를 확인 후 관련 없는 주소는 폐기한다. - 반이중 모드로 통신한다.
반이중 모드란 송수신을 번갈아 하면서 하는 통신 방식이다.
리피터
허브 이외의 물리 계층의 대표적 장비로 리피터가 존재하는데, 해당 장비는 전기 신호가 감소하거나 왜곡되는 것을 방지하기 위해 전기 신호를 증폭시켜주는 장비이다.
허브는 리피터의 기능을 포함하는 경우가 많다.
콜리전 도메인
허브는 반이중 통신을 지원하기 때문에 동시에 허브에 신호를 송신할 경우 충돌(콜리전)이 발생한다.
이렇게 충돌이 발생할 수 있는 영역을 콜리전 도메인이라 하며, 허브에 연결된 모든 호스트는 같은 콜리전 도메인에 속한다.
CSMA/CD
허브에서 충돌이 발생하는 이유는 허브가 반이중 모드로 통신하기 때문이다.
이러한 문제를 해결하기 위한 프로토콜이 CSMA/CD이다.
CSMA/CD는 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection의 약자로, 다음과 같은 의미를 갖는다.
- CS는 캐리어 감지를 의미
메시지를 보내기 전에 현재 네트워크상에서 전송 중이 것이 있는지를 먼저 확인하는데, 이를 캐리어 감지라고 한다. - MA는 다중 접근을 의미
캐리어 감지를 하는 데도 두 개 이상의 호스트가 동시에 네트워크를 사용할때가 있는데, 이러한 상황을 다중 접근이라 하며 이때 충돌이 발생한다. - CD는 충돌 검출을 의미
충돌이 발생하면 이를 검출하게 되는데, 충돌을 감지하면 전송이 중단되고 충돌을 검출한 호스트는 다른 호스트에게 잼 신호를 보낸다.
그리고 임의의 시간 동안 기다린 뒤 다시 전송한다.
정리하면 CSMA/CD프로토콜을 사용하면 다음과 같이 진행된다.
1. 전송 가능한 상태인지 확인
2. 다른 호스트가 전송 중이지 않은 경우 메시지 전송
3. 만일 충돌이 발생할 경우 임의의 시간만큼 대기한 후 다시 전송
스위치
허브는 물리 계층의 장비이며 반이중 모드로 통신하기 때문에 허브에 연결된 모든 호스트는 콜리전 도메인에 속하게 된다.
이러한 것을 해결하는 근본적인 방법은 전달받은 신호를 수신지 호스트에만 보내고, 전이중 모드로 통신을 하면 되는데 이러한 기능을 하는 네트워크 장비를 스위치 라고 한다.
스위치
스위치는 데이터 링크 계층의 네트워크 장비로, 2계층에서 사용한다 하여 L2 스위치라고도 부른다.
스위치는 허브와 유사하게 여러 포트에 호스트를 연결할 수 있는데, 허브와 달리 MAC주소를 학습해 특정 MAC주소를 가진 호스트에만 프레임을 전달할 수 있고, 전이중 모드의 통신을 지원한다.
스위치의 특징
스위치는 특정 포트와 해당 포트에 연결된 호스트의 MAC주소와의 관계를 기억할 수 있어 이를 통해 원하는 호스트에만 프레임을 전달할 수 있다.
이러한 기능을 MAC주소 학습이라 부른다.
또한 MAC주소 학습을 위해 포트와 연결된 호스트의 MAC주소 간의 연관 관계를 메모리에 표형태로 기억하는데, 이를 MAC주소 테이블이라고 부른다.
MAC주소 학습
스위치의 MAC주소 테이블은 다음과 같이 진행된다.
1. 스위치는 처음에 연결된 포트의 주소를 알 수 없지만, 스위치가 특정 포트에서 프레임을 수신하면 해당 프레임 내의 송신지 MAC주소를 바탕으로 해당 포트의 MAC주소를 테이블에 저장한다.
2. 스위치는 마치 허브처럼 송신지 포트를 제외한 모든 포트로 프레임을 전송한다. 이러한 동작을 플러딩 이라 한다.
이때 수신지 호스트와 상관 없는 호스트는 프레임을 폐기하지만 관련 있는 호스트는 응답 프레임을 전송하는데 이때 해당 응답 프레임의 송신지 MAC주소를 바탕으로 해당 포트의 MAC주소를 테이블에 저장한다.
이렇게 만들어진 MAC주소 테이블을 바탕으로 전달 받은 프레임을 어디로 보내고 보내지 않을지 결정하는 기능을 필터링이라고 하며, 프레임이 전송될 포트에 실제로 프레임을 내보내는 것을 포워딩이라고 한다.
또한 MAC주소 테이블에 등록된 특정 포트에서 일정 시간동안 프레임을 전송받지 못했다면 해당 항목은 삭제되며 이를 에이징이라 부른다.
VLAN
스위치의 중요한 기능으로 가상의 LAN을 만드는 VLAN이 존재한다.
스위치에 연결된 호스트 중에서도 서로 메시지를 주고받을 일이 적거나 브로드캐스트 메시지를 받을 필요가 없어 굳이 같은 LAN에 속할 필요가 없는 호스트가 있을 경우 새로운 스위치 장비를 연결하는 대신 VLAN을 통해 LAN을 나눠줄 수 있다.
포트 기반 VLAN
VLAN을 구성하기 위한 방법중 하나로 사전에 특정 포트에 VLAN을 할당하고, 해당 포트에 호스트를 연결함으로써 VLAN에 포함시킬 수 있다.
MAC기반 VLAN
사전에 설정된 MAC주소에 따라 VLAN이 결정되는 MAC기반 VLAN도 존재한다.
이는 포트가 VLAN을 결정하는 것이 아니라 송수신하는 프레임 속 MAC주소가 호스트가 속할 VLAN을 결정하는 방식이다.
