4장: 데이터 링크 계층: 랜에서 데이터 전송하기

📌 데이터 링크 계층의 역할과 이더넷

• 데이터 링크 계층(data link layer): 네트워크 기간에 데이터를 전송하고 물리 주소를 경정
• 이더넷: 랜에서 데이터를 정상으로 주고받기 위한 규칙
  • 컴퓨터 네트워크 기술 중 하나로 전 세계의 사무실이나 가정에서 일반적으로 사용되는 랜에서 가장 많이 활용되는 기술 규격
• 이너넷은 데이터 충돌을 막기 위한 규칙으로 CSMA/CD 방식을 사용
• *CSMA/CS**
  • CS: 데이터를 보내려고 하는 컴퓨터가 케이블에 신호가 흐르고 있는지 확인하는 규칙.
  • MA: 케이블에 데이터가 흐르고 있지 않으면 데이터를 보내도 된다는 규칙
  • CS: 충돌이 발생하고 있는지 확인하는 규칙
  • 지금은 효율이 좋지 않아서 거의 사용하지 않으며 스위치(switch)라는 네트워크 장비를 사용

📌 MAC 주소의 구조

• 랜 카드에는 MAC 주소라는 번호가 정해져있음.
• MAC 주소
  • 랜에 사용되는 네트워크 모델인 이더넷의 물리적인 주소로, 컴퓨터 네트워크에서 각각의 기기를 구분하기 위해 사용하는 주소
  • 제조할 때 새겨지기 때문에 물리 주소라고도 부름
  • 전 세계에서 유일한 번호로 할당
  • Media Access Control Address(물리 주소)의 약어
• MAC 주소는 48비트 숫자로 구성되어있다. 그중 앞 쪽 24비트는 랜 카드를 만든 제조사 번호고 뒤쪽 24비트는 제조사가 랜 카드에 붙인 일련번호다.
• OSI 모델 - 데이터 링크 계층, TCP/IP 모델 - 네트워크 계층에 해당하는, 이 계층에서 이더넷 헤더와 트레일러를 붙임
  • 이더넷 헤더는 목적지 MAC 주소(6바이트), 출발지 MAC 주소(6바이트), 유형 (2바이트)으로 총 14바이트로 구성
  • 이더넷 유형은 이더넷으로 전송되는 상위 계층 프로토콜의 종류로, 프로토콜을 식별하는 16진수 번호가 들어감.
• 데이터 링크 계층에서 데이터 뒤에 추가하는 것을 트레일러라고 한다.
  • FCS(Frame Check Sequence)라고도 하는데, 데이터 전송 도중 오류가 발생하는지 확인하는 용도
• 프레임: 이더넷 헤더와 트레일러가 추가된 데이터

네트워크에서 이더넷 헤더를 이용한 통신

• 컴퓨터 1에서 컴퓨터 3으로 데이터 전송
• 컴퓨터 1은 이더넷 헤더에 데이터의 목적지인 컴퓨터 3의 MAC 주소(목적지 MAC 주소)와 자신의 MAC 주소(출발지 MAC 주소) 정보를 넣고 데이터를 전송
• 보내는 측의 컴퓨터 1에서 캡슐화 발생
• 데이터 링크 계층에서 데이터에 이더넷 헤더와 트레일러를 추가하여 프레임을 만들고, 물리 계층에서 이 프레임 비트열을 전기 신호로 변환하여 네트워크를 통해 전송
• 허브는 컴퓨터 1이 보낸 데이터를 1 포트로 수신하고 2~5의 포든 포트로 전송
• 데이터는 컴퓨터 2~5에 전송되지만, 컴퓨터 2, 4, 6는 MAC 주소가 자신의 MAC 주소와 다르기 때문에 데이터를 파기
• 반면 컴퓨터 3은 자신의 MAC 주소가 컴퓨터 1이 보낸 데이터의 목적지 MAC 주소와 같으므로 데이터를 수신
• 컴퓨터 3에서는 물리 계층에서 전기신호로 전송된 데이터를 비트열로 변환하고 데이터 링크 계층에서 이더넷 헤더와 트레일러를 분리
• 컴퓨터 1에서만 데이터를 전송했지만 컴퓨터 1과 2가 동시에 컴퓨터 3에 데이터를 전송하는 경우 충돌을 방지하기 위해 CSMA/CD 방식이 사용됨

📌 스위치의 구조

• 스위치는 허브와 달리 데이터 충돌이 발생하지 않음.
• 스위치: 데이터 링크 계층에서 동작하고 레이어 2 스위치 또는 스위칭 허브라고 함
  • 랜을 구성할 때 사용하는 단말기 간 스위칭 기능이 있는 통신망 중계 장치
  • 스위치에는 MAC 주소 테이블이 존재
• MAC 주소 테이블: 스위치의 포트 번호와 그 포트에 연결되어 있는 컴퓨터의 MAC 주소가 등록되는 데이터베이스
  • MAC 주소 학습 기능: 컴퓨터에서 목적지 MAC 주소가 추가된 프레임이라는 데이터가 전송되면 MAC 주소 테이블을 확인하고 출발지 MAC 주소가 등록되어 있지 않으면 MAC 주소를 포트와 함께 등록
• 플러딩: 스위치가 수신 포트 이외의 모든 포트에서 데이터를 송신하는 것
• 필터링: 스위치에서 MAC 주소를 기준으로 목적지를 선택하는 것

📌 데이터가 케이블에서 충돌하지 않는 구조

• 전이중 통신 방식: 데이터의 송신과 수신을 동시에 수행하는 통신 방식
  • 전화 회선과 같이 송신과 수신이 양쪽에서 동시에 이루어지는 양방향 통신
  • 서로 다른 회선이나 주파수를 이용하여 데이터 신호가 충돌되는 상황을 방지
  • 스위칭 허브를 사용하면 랜 카드와 허브 간의 동시 송수신기 가능해짐.
• 반이중 통신 방식: 회선 한 개로 송신과 수신을 번갈아가며 수행하는 통신 방식
• 충돌 도메인: 데이터 충돌이 발생하고 그 충돌 영향이 미치는 범위
• *ARP (Address Resolution Protocol)**
  • 목적지 컴퓨터의 IP 주소를 이용하여 MAC 주소를 찾기 위한 프로토콜
    • 네트워크 계층 주소와 데이터 링크 계층 주소 사이의 변환을 담당하는 프로토콜
    • IP주로를 물리 주소인 MAC 주소로 변환하는 데 사용
  • ARP 캐시: 가장 최근에 변환한 ‘IP 대 하드웨어 주소'를 보관하고 있는 램(RAM)의 한 영역
  • ARP 요청: 출발지 컴퓨터가 목적지 주소를 모르면 MAC 주소를 알아내기 위해 네트워크에 브로드캐스트를 하는 것
    • IP 주소를 대체할 수 있는 물리 주소인 MAC 주소를 찾아내기 위해 보내는 브로드캐스트 패킷 요청
  • ARP 응답: 이 요청에 대해 지정된 IP 주소를 가지고 있지 않은 컴퓨터는 응답하지 않지만, 지정된 IP 주소를 가진 컴퓨터는 MAC 주소를 응답으로 보냄.
  • 이것으로 출발지 컴퓨터는 MAC 주소를 얻고 이더넷 프레임을 만들 수 있음.
  • 출발지 컴퓨터에서는 MAC 주소를 얻은 후에 MAC 주소와 IP 주소의 매핑 정보를 메모리에 보관
    • ARP 테이블: 메모리에 보관된 정보
  • 이후 데이터 통신은 자신의 컴퓨터에 보관된 ARP 테이블을 참고하여 전송
  • IP 주소가 변경되면 해당 MAC 주소도 함께 변경되므로 제대로 통신 불가
  • ARP 테이블에서는 보존 기간을 ARP 캐시로 지정하고, 일정 시간이 지나면 삭제하고 다시 ARP 요청

📌 이더넷의 종류와 특징

• 이더넷은 케이블 종류나 통신 속도에 따라 다양한 규격으로 분류
• 규격 이름 설명
  • 예: 10 BASE-T
  • BASE: BASEBAND라는 전송 방식
  • T: 케이블 종류
  • 규격 이름에서 전송 방식 다음에 숫자가 붙은 게 있고 하이픈이 붙고 바로 뒤에 알파벳이 붙은 것의 차이
    • 하이픈(-) 뒤는 케이블 길이나 케이블 종류
    • 동축 케이블은 케이블의 최대 길이를 100m 단위로 표시
    • UPT 케이블은 케이블 종류를 표시