12. 데이터 링크 계층의 역할과 이더넷

✔ 이더넷(Exthernet)이란?

데이터 링크 계층은 네트워크 장비 간에 신호를 주고받는 규칙을 정하는 계층이다.

이더넷은 랜에서 데이터를 정상적으로 주고받기 위한 규칙이다.

컴퓨터는 여러 대가 동시에 데이터를 보내면 데이터들 간 충돌이 일어날 수 있고,
이더넷은 이런 충돌을 막기 위해 여러 컴퓨터가 동시에 데이터를 전송해도 충돌이 일어나지 않는 규칙으로 CSMA/CD 방식을 사용한다.

CSMA/CD

• CS: '데이터 송신 측 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

* CSMA/CD: Carrier Sense Multiple Access with Collsion Detection(반송파 감지 다중 접속 및 충돌 탐지)의 약어

[그림] 충돌 vs 케이블에 데이터가 흐르고 있는 확인

13. MAX 주소의 구조

✔ MAC 주소란?

MAC 주소는

• 제조할 때 새겨지기 때문에 물리 주소라고도 부른다.
• 전 세계에서 유일한 번호로 할당된다.
• 48비트 숫자로 구성되며 앞쪽 24비트는 랜 카드를 만든 제조사 번호, 뒤쪽 24비트는 제조사가 랜 카드에 붙인 일련번호이다.
  [그림] MAC 주소 규칙

* MAC 주소: Media Access Control Addres(물리 주소)의 약어

각 계층에서 헤더를 붙이는데, 데이터 링크 계층에서는 이더넷 헤더와 트레일러를 붙인다.
이 때, 이더넷 헤더는 목적지의 MAC주소, 출발지의 MAC 주소, 유형으로 구성된다.

[그림] 이더넷 헤더 구조

• 이더넷 유형(Ethernet type)은 이더넷으로 전송되는 상위 계층 프로토콜의 종류를 나타낸다.

  유형 번호	프로토콜
  0800	IPv4
  0806	ARP
  8035	RARP
  814C	SNMP over Ethernet
  86CD	IPv6

트레일러는 FCS(Frame Check Sequence)라고도 하며, 데이터 전송 도중에 오류가 발생하는지 확인하는 용도로 사용한다.

이더넷 헤더와 트레일러가 추가된 데이터를 프레임이라고 한다.

데이터 링크 계층에서 데이터에 이더넷 헤더와 트레일러를 추가하여 프레임을 만들고,
물리 계층에서 이 프레임 비트열을 전기 신호로 변환하여 네트워크를 통해 전송한다.

[그림] 목적지 MAC 주소와 출발지 MAC 주소를 붙여 전송 (캡슐화-역캡슐화)

14. 스위치의 구조

✔ MAC 주소 테이블이란?

스위치(switch)는

• 데이터 링크 계층에서 동작하고 레이어 2 스위치 또는 스위칭 허브 라고도 부른다.
• MAC 주소 테이블이 있다.
• MAC 주소 학습 기능이 있다.
• 데이터를 전송하게 되면 플러딩이 일어나거나 필터링이 일어난다.

MAC 주소 테이블은 스위치의 포트 번호와 해당 포트에 연결되어 있는 컴퓨터의 MAC 주소가 등록되는 데이터베이스이다.

* MAC 주소 테이블(MAC address table): 브리지 테이블(bridge table) 이라고도 함

MAC 주소 학습 기능은 데이터(프레임)가 전송되었을 때 출발지 MAC 주소가 등록되어 있지 않으면 MAC 주소를 포트와 함께 등록하는 것이다.

플러딩(flooding, 홍수)은 목적지 MAC 주소가 MAC 주소 테이블에 등록되어 있지 않을 때, 송신 포트 이외의 포트에 데이터(프레임)를 모두 전송하는 것이다.

MAC 주소 필터링은 MAC 주소가 등록되어 있을 때 목적지 컴퓨터에만 데이터를 전송하는 것이며, 불필요한 데이터를 네트워크에 전송하지 않게 된다.

15. 데이터가 케이블에서 충돌하지 않는 구조

✔ 전이중 통신과 반이중 통신

통신 방식에는 전이중 통신 방식과 반이중 통신 방식이 있다.

전이중 통신 방식은

• 데이터의 송수신을 동시에 통신하는 방식이다.
• 예시로는 컴퓨터 간 직접 랜 케이블로 연결하는 방식, 스위치로 연결하는 방식이 있다

반이중 통신 방식은

• 회선 하나로 송신과 수신을 번갈아가면서 통신하는 방식이다.
• 예시로는 허브로 연결하는 경우가 있다.

✔ 충돌 도메인이란?

충돌 도메인(Collision Domain은 데이터 간 충돌이 발생할 때 그 영향이 미치는 범위를 말한다.

허브의 경우 연결되어 있는 컴퓨터 전체가 하나의 충돌 도메인이 된다.
스위치의 경우 전이중 통신 방식이기 때문에 충돌이 일어나지 않고 충돌 도메인의 범위도 좁다.

충돌 도메인의 범위가 넚을수록 네트워크가 지연되고, 충돌 도메인의 범위를 좁히는 것이 매우 중요하다.

16. 이더넷의 종류와 특징

✔ 이더넷 규격

이더넷은 케이블 종류나 통신 속도에 따라 다양한 규격으로 분류되며, 다음 표는 이더넷의 대표적인 규격이다.

규격 이름	통신 속도	케이블	케이블 최대 길이	표준화 연도
10BASE5	10Mbps	동축케이블	500m	1982년
10BASE2	10Mbps	동축케이블	185m	1988년
10BASE-T	10Mbps	UTP케이블(Cat3이상)	100m	1990년
101BASE-TX	100Mbps	UTP케이블(Cat5이상)	100m	1995년
1000BASE-T	1000Mbps	UTP케이블(Cat5이상)	100m	1999년
10GBASE-T	10Gbps	UTP케이블(Cat6이상)	100m	2006년

[그림] 이더넷 규격 이름의 뜻

* BASE: BASEBAND라는 전송 방식을 나타내며, BASEBAND는 펄스 신호에 의한 디지털 전송 방식이다.

주요 이더넷 규격에는 10BASE5, 10BASE2, 10BASE-T, 100BASE-TX, 1000BASE-T, 10GBASE-T가 있다.

🔎 용어 정리

• 데이터 링크 계층(data link layer): OSI 모델의 2계층으로, 네트워크 기기 간에 데이터를 전송하고 물리 주소를 결정하는 역할
• 이더넷(Ethernet): 컴퓨터 네트워크 기술 중 하나로 전 세계의 사무실이나 가정에서 일반적으로 사용되는 랜에서 가장 많이 활용되는 기술 규격
• 충돌(collision): 데이터를 한 번에 하나만 전솔항 수 있는 채널에 전송 장치 두 개가 같은 시점에 패킷을 보낼 때 일어나는 데이터 충돌
• MAC 주소(Medium Access Control Address): 랜에 사용되는 네트워크 모델인 이더넷의 물리적인 주소로 컴퓨터 네트워크에서 각각의 기기를 구분하기 위해 사용하는 주소
• 스위치(swtich, 스위칭 허브): 랜을 구성할 때 사용하는 단말기 간 스위칭 기능이 있는 통신망 중계 장치로 컴퓨터(호스트)에서 특정한 다른 단말기로 패킷을 보낼 수 있는 기능이 있어 통신 효율이 향상됨
• 전이중 통신 방식(full-duplex communication): 전화 회선과 같이 송신과 수신이 양쪽에서 동시에 이루어지는 양방향 통신으로, 서로 다른 회선이나 주파수를 이용하여 데이터 신호가 충돌되는 상황을 방지함
• ARP(Address Resolution Protocaol, 주소 변환 프로토콜): 네트워크 계층 주소와 데이터 링크 계층 주소 사이의 변환을 담당하는 프로토콜로, IP 주소를 물리 주소인 MAC 주소로 변환하는 데 사용
• ARP 캐시(ARP cache): 가장 최큰 변환한 'IP 대 하드웨어 주소'를 보관하고 있는 RAM의 한 영역
• ARP 요청(ARP request): IP 주소를 대치할 수 있는 물리 주소인 MAC 주소를 찾아내기 위해 보내는 브로드캐스트 패킷 요청
• ARP 응답(ARP reply): ARP 요청에 대한 응답으로 요청한 IP 주소에 대한 물리 주소인 MAC 주소가 실려있음