데이터 링크 계층의 역할과 이더넷
이더넷
랜에서 데이터를 주고 받으려면 데이터 링크 계층의 기술이 필요하다. 데이터 링크 계층은 네트워크 장비 간에 신호를 주고받는 규칙을 정하는 계층이다. 규칙들 중 일반적으로 가장 많이 사용되는 규칙이 이더넷이다.
이더넷
컴퓨터 네트워크 기술 중 하나로 전 세계의 사무실이나 가정에서 일반적으로 사용되는 랜에서 가장 많이 활용되는 기술 규격
이전의 게시물에서 허브를 통해 연결된 다른 컴퓨터에 데이터를 보내려고 하면 연결된 다른 모든 컴퓨터에도 데이터가 전송이 된다고 했다. 이러한 문제점을 해결하고자 데이터에 목적지 정보를 추가해서 목적지 이외의 컴퓨터는 데이터를 수신 받더라도 무시하게 만드는 규칙이 있다.
그런데 컴퓨터 여러 대가 동시에 데이터를 전송하면 충돌이 일어날 수 있다. 그래서 이더넷은 여러 컴퓨터가 동시에 데이터를 전송해도 충돌하지 않는 구조로 되어 있다. 이것을 CSMA/CD 라고 한다. 충돌이 감지되면 잠시 대기 후 데이터를 다시 전송한다.
- CS : 데이터를 보내려고 하는 컴퓨터가 케이블에 신호가 흐르고 있는지 확인하는 규칙
- MA : 케이블에 데이터가 흐르고 있지 않다면 데이터를 보내도 좋다는 규칙
- CD : 충돌이 발생하고 있는지 확인하는 규칙
그런데 지금은 CSMA/CD는 효율이 좋지 않다는 이유로 거의 사용되지 않고 대신 스위치 라는 네트워크 장비를 사용하여 충돌이 일어나지 않고도 통신을 한다.
MAC 주소의 구조
MAC 주소
랜 카드는 비트열(0과 1) 데이터를 전기 신호로 변환한다고 했다. 이런 랜 카드는 MAC 주소라는 번호가 정해져 있다. 제조할 때 새겨지기 때문에 물리 주소라고도 부르는데 전 세계에서 유일한 번호로 할당되어 있다.
MAC 주소는 48비트(6바이트)로 되어있는데, 앞 24비트(3바이트)는 랜 카드를 만든 제조사 번호이고 뒤 24비트(3바이트)는 제조사가 랜 카드에 붙인 일련번호다. 그래서 전 세계에서 유일한 번호가 된다.
MAC 주소를 어디에 사용할 수 있을까? 데이터 링크 계층에서는 데이터를 보낼 때 데이터의 앞에 이더넷 헤더와 데이터의 뒤에 트레일러를 붙인다. 위에서 말했듯이 이더넷 헤더에 MAC 주소라는 목적지를 명시하여 목적지 이외의 컴퓨터에서는 데이터를 받지 않도록 할 수 있다.
- 이더넷 헤더 : 목적지의 MAC 주소(6바이트), 출발지 MAC 주소(6바이트), 유형(2바이트)로 구성되어 있다.
- 이더넷 트레일러 : FCS라고도 하며 데이터 전송 도중에 오류가 발생했는지 확인하는 용도로 쓰인다.
이렇게 이더넷 헤더와 트레일러가 추가된 데이터를 프레임이라고 한다.
만약에 컴퓨터1에서 프레임을 만들어(데이터 링크 계층) 컴퓨터3으로 허브(물리 계층)로 전송하게 되면 컴퓨터 2~5에도 전송이 되지만 2,4,5 컴퓨터는 이더넷 헤더의 목적지 MAC 주소와 본인의 MAC 주소가 맞지 않아 데이터를 파기한다. 반면 컴퓨터3은 자신의 MAC 주소와 목적지 MAC 주소가 같으므로 전송된 데이터를 비트열로 변환하고 이더넷 헤더와 트레일러를 분리하여 수신(데이터 링크 계층)한다.
스위치의 구조
이번에는 앞서 자주 언급되었던 스위치에 대해 알아보자. 스위치는 허브와 달리 데이터 충돌이 발생하지 않는다. 스위치는 데이터 링크 계층에서 동작하고 스위칭 허브라고도 불린다. 외형은 허브와 비슷하지만 기능은 많이 다르다.
스위치 (스위칭 허브)
랜을 구성할 때 사용하는 단말기 간 스위칭 기능이 있는 통신말 중계 장치.
컴퓨터에서 다른 단말기로 패킷(데이터 단위)을 보낼 수 있는 기능이 있다.
MAC 주소 테이블
스위치 내부에는 MAC 주소 테이블이라는 것이 있는데 스위치의 포트 번호와 해당 포트에 연결되어 있는 컴퓨터의 MAC 주소가 등록되어 있는 데이터베이스이다.
스위치의 전원을 켠 상태에서는 아직 MAC 주소 테이블에 아무것도 등록되어 있지 않다. 하지만 컴퓨터에서 프레임을 전송하게 되면 MAC 주소 테이블을 확인하고 출발지 MAC 주소가 등록되어 있지 않으면 MAC 주소를 포트와 함께 등록한다. 이를 MAC 주소 학습 기능이라고 한다. 따라서 MAC 주소 테이블에 등록되기 위해서는 최소 한 번 이상 프레임을 보내야 한다.
MAC 주소 테이블을 참조해 목적지 컴퓨터에 데이터를 보내는데, 컴퓨터3에서 데이터 전송을 한 적이 없어 컴퓨터3의 MAC 주소가 MAC 주소 테이블에 등록되어 있지 않다면 컴퓨터3만이 아닌 모든 포트에 데이터를 보내게 된다. 이런 데이터 전송을 플러딩(홍수)라고 한다. 만약, 컴퓨터3의 MAC 주소가 MAC 주소 테이블에 등록이 돼 있다면 컴퓨터3에만 데이터가 전송이 된다. 이렇게 MAC 주소를 기준으로 목적지를 선택하는 것은 MAC 주소 필터링이라고 한다.
데이터가 케이블에서 충돌하지 않는 구조
전이중 통신과 반이중 통신
- 전이중 통신 방식 : 데이터의 송수신을 동시에 통신하는 방식. 서로 동시에 데이터를 전송해도 충돌하지 않는다. (크로스 케이블 방식)
- 반이중 통신 방식 : 회선 하나로 송신과 수신을 바꿔서 번갈아가면서 통신하는 방식. 동시에 데이터를 전송하면 충돌이 난다. (다이렉트 케이블 방식)
허브 내부는 송수신이 나누어져 있지 않기 때문에 허브에 연결된 컴퓨터들이 동시에 데이터를 보내면 충돌이 발생한다. 따라서 CSMA/CD 기능이 필요한 것이고, 충돌이 발생하지 않도록 송신과 수신을 번갈아가며 통신하는 반이중 통신 방식을 사용하게 된다.
반면, 스위치는 충돌이 일어나지 않는 구조로 되어있기 때문에 전이중 통신 방식으로 데이터를 주고 받을 수 있다. 따라서 스위치로 네트워크를 구성하는 것이 표준이 됐다. 네트워크 업체 대부분도 허브가 아닌 스위치만 판매하고 있다.
충돌 도메인
허브의 반이중 통신 방식에서는 충돌이 발생할 수 있다. 이 충돌의 영향이 미치는 범위를 충돌 도메인이라고 한다.
허브의 경우 허브에 연결된 모든 컴퓨터가 충돌 도메인이 되고, 스위치의 경우에는 충돌이 발생하지 않고 각 포트가 다른 포트와 격리되어 있도록 설계되어 있어 충돌 범위도 모든 컴퓨터가 아닌 해당 포트만으로 한정된다.
충돌 도메인은 최소화하는 것이 좋다. 충돌 도메인을 최소화하면 네트워크 성능이 향상되고 네트워크 보안이 강화된다.
이더넷의 종류와 특징
이더넷 규격
이더넷은 케이블 종류나 통신 속도에 따라 다양한 규격으로 분류된다.
규격 이름에 대해 설명하자면 앞의 숫자는 통신 속도를 나타낸다. 단위는 Mbps(초당 메가 바이트)이며 10G인 경우 10Gbps라는 뜻이 된다. BASE는 BASEBAND라는 전송 방식을 나타내는 것이고, T는 케이블 종류를 나타낸다. UTP 케이블이라는 뜻이다.
지금은 일반적으로 1000BASE-T와 10GBASE-T가 가장 많이 쓰인다.
