4장. 데이터 링크 계층

다음은 <모두의 네트워크>를 읽고 작성한 내용입니다

개요

• 이더넷
• CSMA/CD
• MAC주소
• 스위치
• 충돌 도메인
• 이더넷 표준

lesson 12. 데이터 링크 계층의 역할과 이더넷

• 데이터 링크 계층: 네트워크 장비 간에 신호를 주고받는 규칙을 정하는 계층
  • 랜에서 데이터를 정상적으로 주고받기 위해 필요한 계층
  • 그 규칙중 일반적으로 가장 많이 사용되는 규칙이 이더넷(Ethernet)

    이더넷

    • 랜에서 적용되는 규칙
    • 허브와 같은 장비에 연결된 컴퓨터와 데이터를 주고받을 때 사용

• 허브를 사용하는 랜 환경에서는 특정한 컴퓨터 한대에 데이터를 보내려고 해도 다른 모든 컴퓨터에 전기신호(데이터)가 전달된다.
  • 이를 위해 데이터의 내용을 못보게 하는 확실한 규칙이 정해져있다.
  • 그 규칙에 따라 보내려는 데이터에 목적지 정보를 추가해서 보내고 목적지 이외의 컴퓨터는 데이터를 받더라도 무시하게 되어있다
  • 허브는 들어온 데이터를 그대로 모든 포트에 보내기만 한다 (그래서 더미 허브로 불린다)
    • 컴퓨터 여러대가 동시에 데이터를 보내면 데이터들이 서로 부딪힐 수도 있다(-> "충돌")
    • CSMA/CD: 이더넷에서 충돌이 일어나지 않도록 하기 위해 여러 컴퓨터가 동시에 데이터를 전송해도 충돌이 일어나지 않도록 시점을 늦추는 방법
• CSMA/CD 을 통해 데이터 충돌이 일어나지 않도록 한다
  • CS: "데이터를 보내려고 하는 컴퓨터가 케이블에 신호가 흐르고 있는지 아닌지 확인한다"는 규칙
  • MA: "케이블에 데이터가 흐르고 있지 않다면 데이터를 보내도 좋다"는 규칙
  • CD: "충돌이 발생하고 있는지를 확인한다"는 규칙
• 현재는 효율이 좋지 않다는 이유로 사용하지 않고 스위치를 사용한다.

lesson 13. mac 주소의 구조

• 랜카드
• mac 주소 (Media Access Control Address)
  • 랜카드는 비트열(0과 1)을 전기 신호로 변환한다.
  • 이러한 랜카드에는 맥주소라는 번호가 정해져 있다.
  • 랜에 사용되는 네트워크 모델인 이더넷의 물리적인 주소로 컴퓨터 네트워크에서 각각의 기기를 구분하기 위해 사용하는 주소
  • 제조할 때 새겨지기 때문에 물리주소라고도 부르며, 전세계에서 유일한 번호로 할당 되어있다.
  • 48비트 숫자로 구성되며, 앞 쪽 24비트는 랜카드 제조사 번호, 뒤쪽 24비트는 제조사가 랜카드에 붙인 일련번호이다.
    예. 00-23-AE-D9-7A-9A
• mac주소를 사용한 통신
  • OSI모델, TCP/IP모델에서, 각 계층에서 헤더를 붙인다(OSI: 데이터 링크 계층에서, TCP/IP: 네트워크 계층에 해당) -> 이 계층에서 이더넷 헤더와 트레일러를 붙인다.
  • 프레임: 이더넷과 트레일러가 추가된 데이터 -> 네트워크를 통해 프로엠 전송
  • 이더넷 헤더(14바이트): 목적지의 맥주소(6바이트), 출발지 맥주소(6바이트), 유형(2바이트)
    • 이더넷 유형: 이더넷으로 전송되는 상위 계층 프로토콜의 종류를 식별하는 번호
      
  • 트레일러(FCS; Frame Check Sequence라고도 함)
    : 데이터 전송 도중에 오류가 발생하는지 확인하는 용도
    
    예. 컴1은 이더넷 헤더에 데이터의 목적지인 컴3의 맥주소(목적지 맥주소)와 자신의 맥주소(출발지 맥주소)정보를 넣고 데이터전송
  • 이때, 보내는 측의 컴1에서 캡슐화가 일어난다. 데이터 링크 계층에서 데이터에 이더넷 헤더와 트레일러를 추가하여 프레임을 만들고 -> 물리계층에서 이 프레임 비트열을 전기 신호로 변환 -> 네트워크를 통해 전송
    -> 허브는 컴1이 보낸 데이터를 포트1로 수신하고 2-3의 모든 포트로 전송 -> 데이터는 컴 2-3에 전송되지만, 컴 2는 목적지 맥 주소가 자신의 맥주소와 다르기 때문에 데이터를 파기-> 컴3은 데이터를 수신(역 캡슐화후 데이터 수신) -> 컴3에서는 물리 계층에서 전기신호로 전송된 데이터를 비트열로 변환하고 데이터링크 계층에서 이더넷 헤더와 트레일러를 분리
• 컴1,2에서 동시에 컴3에 데이터를 전송하면 충돌을 방지하기 위해 CSMA/CD방식 사용, 충돌이 감지되면 컴2는 잠시 대시하고 데이터를 다시 전송

lesson 14. 스위치의 구조

• 스위치(레이어 2 스위치, 스위칭 허브): 데이터 링크계층에서 동작
  • 스위치 내부에는 맥주소 테이블(브리지 테이블)이 존재, 맥 주소테이블은 스우ㅟ치 포트 번호와 해당 포트에 연결되어있는 컴퓨터의 맥주소가 등록되는 데이터 베이스
  • 스위치의 전원을 켠 상태에서는 아직 맥 주소 테이블에 아무것도 등록이 안되어있으나,
  • 맥주소 학습기능: 컴퓨터에서 목적지 맥주소가 추가된 프레임이라는 데이터가 전송되면, 맥주소 테이블을 확인하고 출발지 맥주소가 등록되어있지 않으면 맥주소를 포트와 함께 등록
    
  • 컴1에서 컴3에 데이터를 전송한 시점에서는 아직 컴3의 목적지 맥주소가 맥주소테이블에 등록되어있지 않아서 송신포트1이외의 포트인 2-3에 데이터(프레임)가 전송되는데 이러한 데이터(프레임)전송을 플러딩(flooding)이라고 한다.
  • 맥주소 테이블에 목적지 맥주소가 등록되어있다면?
    • 맥주소 필터링: 스위치의 맥주소 테이블에 컴3의 맥주소가 등록되어있다면, 컴2에는 데이터가 전송되지 않고 컴3에만 데이터가 전송됨(맥주소 기준으로 목적지를 선택하는 것으로 불필요한 데이터를 네트워크에 전송하지 않게 된다)

lesson 15. 데이터가 케이블에서 충돌하지 않는 구조

• 전이중 통신: 데이터의 송수신을 동시에 통신하는 방식

  • 컴1과 컴2를 직접 랜케이블로 연결한다면, 8개, 즉 선을 네 쌍 사용

• 반이중 통신: 회선 하나로 송신과 수신을 번갈아가면서 통신하는 방식

  • 반면 허브 내부에는 송수신이 나누어지지 않았기 때문에, 컴1과 컴2를 허브(더미 허브)로 연결하면 동시에 데이터를 보낼 때 충돌이 발생한다.
  • 이처럼 허브를 이용하면 회선 하나를 송신과 수신이 번갈아가면서 사용(허브는 반이중통신방식 사용)
  • 전이중 통신 방식은 데이터를 동시에 전송해도 충돌이 발생하지 않지만, 반이중 통신 방식은 데이터를 동시에 전송하면 충돌이 발생한다
  • 스위치에 연결하는 경우: 충돌이 일어나지 않기 때문에, 전이중 통신방식으로도 데이터를 송수신 가능
  • 이처럼 허브를 사용하면 충돌이 생기면서 네트워크 지연이 발생하기 때문에 최근에는 네트워크로 스위치를 사용하는 것이 표준이다.
    

• 충돌: 데이터를 한번에 하나만 전송할 수 있는 채멀에 전송장치 두개가 같은 시점에 패킷을 보낼 때 일어나는 데이터 충돌

• 충돌 도메인

  • 충돌이 발생할 때 그 영향이 미치는 범위
  • 허브는 연결되어있는 컴퓨터 전체가 하나의 충돌 도메인이 된다 -> 즉, 충돌의 영향이 모든 컴퓨터에 미치게 된다.
  • 스위치는 전이중 통신 방식이기 때문에, 충돌이 일어나지 않고, 충돌 도메인의 범위도 좁다 -> 접속된 모든 컴퓨터에 영향을 미치는 게 아니라, 충돌이 일어난 포트에 연결된 컴 하나만 충돌 도메인에 포함된다.
  • 충돌 도메인이 넓을 수록 당연하게도 네트워크가 지연된다.
  • 스위치의 통신 효율 압승!

ARP(Address Resolution Protocol; 주소변환 프로토콜)

• 네트워크 계층 주소와 데이터링크 계층 구조 사이의 변환을 담당하는 프로토콜
• IP주소를 물리주소인 맥주소로 변환하는 데에 사용한다
• 목적지 컴퓨터 주소를 이용하여 맥주소를 찾기위한 프로토콜
• 이더넷 프레임을 전송하려면 목적지 컴퓨터의 맥주소를 지정해야 한다
• ARP요청: 출발지 컴퓨터가 목적지 주소를 모를 때, 맥주소를 알아내기 위해 네트워크에 브로드캐스트를 하는 것
• ARP 응답: 이 요청에 대해 지정된 ip주소를 가지고 있지 않은 컴퓨터는 응답하지 않지만, 지정된 ip주소를 가진 컴퓨터는 맥주소를 응답으로 보낸다
  • 이를 통해 출발지 컴퓨터는 맥주소를 얻고 이더넷 프레임을 만들 수 있다
• 출발지 컴퓨터에서는 맥주소를 얻은 후에 맥주소와 ip주소의 매핑 정보를 메모리에 보관한다 -> 이 정보를 ARP 테이블라고 한다.
  • 이후의 데이터 통신은 자신의 컴퓨터에 보관된 ARP 테이블을 참고하여 전송된다
  • 그러나 ip주소가 변경되면 해당 맥주소도 함께 변경되므로(???????뭐지? 맥주소는 유일무이, 불변이 아니엇나???) 제대로 통신할 수 없다
    • 그래서 ARP 테이블에서는 보존 기간을 ARP 캐시로 지정하고 일정시간이 지나면 삭제하고 다시 ARP요청을 한다
      • ARP 캐시: 가장 최근에 변환한 IP대 하드웨어 주소를 보관하고 있는 램의 한 영역

    arp -d #ARP 캐시 내용 강제 삭제```

lesson 16. 이더넷의 종류와 특징

• 이더넷 규격
  : 이더넷은 케이블 종류, 통신 속도에 따라 다양한 규격으로 분류된다
  
  • 이더넷 규격 이름의 뜻
    예. 10 BASE - T : 통신속도 10 & BASE 전송방식 사용 & T 케이블
    • 통신 속도:10 Mbps
    • BASE: BASEBAND 라는 전송방식

      BASEBAND: 펄스 신호에 의한 디지털 전송방식

  • 규격 이름을 보면, 전송 방식 다음에 바로 숫자가 붙은게 있고, (-)이 붙고 알파벳이 붙은 게 있는데, 차이가 무엇일까?
    • 동축 케이블과 UTP 케이블을 표시하는 방식이 다르다
      (-)뒤는 케이블 길이나 케이블 종류를 나타내지만, 동축케이블은 케이블의 최대길이를 100미터 단위로 표시한다.
      예. 10BASE5: 케이블 최대길이가 500미터이므로 5로 표시
      UTP 케이블: 케이블종류를 의미
  • 최근 컴퓨터의 랜포트는 100BASE-T가 일반적이다

  이더넷(Ethernet)
  : 가장 대표적인 버스구조 방식의 근거리 통신망(LAN)을 대표하는 기술
  네트워크에 연결되는 거의 대부분의 장비들이 이더넷을 통함.
  이더넷은 네트워크를 구성하는 방식 중 하나의 방법이며, 각 기기의 고유의 주소(맥주소)를 가지고 호스트간의 데이터를 주고 받을 수 있는 방식을 쓴다
  

이미지 출처:
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