이더넷과 LAN 프로토콜

💎 LAN 프로토콜 구조

💍LAN이란 ?

1) 대학교 캠퍼스 정도 범위를 가진 네트워크 시스템
2) 거리에 제한을 둠으로써 비교적 높은 데이터 전송률 제공이 가능해짐
3) 널리 알려져 있는 LAN 프로토콜 : IEEE802.3 CSMA/CD 이더넷 표준,
IEEE 802.4 토큰버스 표준, IEEE 802.5 토큰 링 표준

💍IEEE 802 LAN 표준의 계층 구조

1) 물리계층 : 전기, 기계적인 특성에 대한 표준을 정의
2) 데이터링크계층 : 오류 없이 패킷을 전송하는 기능을 수행하는 계층
-MAC부계층 : 공유미디어에 대한 접근 조정 기능
-LLC부계층 : 공유미디어에 대한 접근 감독 기능

💍LAN 토폴리지

성형 토폴리지

• 각 노드가 중앙 노드에 직접 연결되는 형태
• 한 노드에서 데이터 전송은 중앙 노드로 전송되고, 중앙 노드에서 다시 다른 노드로 전송
• 장점
  1) 설치 비용이 저렴
  2) 하나의 링크가 끊어져도 다른 링크에 영향이 없다. 그렇기 떄문에 안전성 측면에서 유리하다.
  3) 접속하는 링크가 서로 독립적이서 확장이 유리하다.
• 단점
  1) 중앙 노드에 문제 발생시 네트워크 전체에 영향
  2) 버스형이나 링형에 비해 연결에 필요한 링크의 수가 증가
  3) 데이터 양이 증가하면 지연시간이 길어짐

버스형 토폴리지

• 각 노드가 허브와 같은 장치로 구성된 중앙 노드에 직접 연결되는 형태

• 장점
  1) 설치가 간단하고 비용이 저렴
  2) 확장성이 양호, 한 노드의 오류가 다른 노드에 영향을 주지 않아 우수한 안정성
  3) 연결에 필요한 링크 길이 최소화

• 단점
  1) 노드 수가 증가하면 성능이 저하하며, 링크에 문제가 발생하면 네트워크 전체에 영향을 줌
  2) 링크의 길이가 길어지면 신호의 감쇄현상 -> 중계기 사용 필요
  3) 데이터 양이 증가하거나 노드 수가 증가하면, 충돌 현상이 빈번해져서 네트워크의 성능 저하

링형 토폴리지

• 닫힌 원의 형태로 구성되며, 이 때 링크는 한쪽 방향으로만 전송이 가능하도록 설정하는 것이 일반적임
• 패킷은 링을 따라 계속 돌다가 전송 측 노드에서 제거됨
• 장점
  1) 구조가 간단하여 설치와 재구성이 용이함
  2) 성형보다 링크의 길이를 줄일 수 있어 경제적임
  3) 어느 노드에 문제가 발생하면 그 위치 파악이 용이하고, 문제 발생시 신속한 복구 가능
• 단점
  1) 제어 절차가 복잡
  2) 하나의 노드에서의 오류는 링 전체에 영향을 줌

💎 LAN의 특성

처리율

• 단위시간당 링크가 처리할 수 있는 데이터양
• ex) 전송 측의 전송률이 10Mbps 일 때, MAX 프로토콜의 효율을 80퍼라 하면, LAN의 처리율은 8Mbps 이다.

시간지연성

• 하나의 패킷이 전송 측 네트워크 인터페이스로부터 목적지 컴퓨터까지 전송되는 데 걸리는 시간
• 시간지연 4요소
  1) 미디어 접근시간 : 한 노드가 패킷을 전송하기 위해 기다려야 하는 시간
  2) 전송시간 : 전송률에 의해 나누어진 패킷 내의 비트 수와 같음
  ex) 10Mbps에서 한 패킷크기가 500bits일 때, 500/10M=0.05ms
  3) 대기시간 : 네트워크 인터페이스에 먼저 도착한 패킷을 전송하기 위해 걸리는 시간으로, 전송되기 위해 패킷이 기다려야 하는 시간
  4) 전파시간 : 미디어에 따라 신호가 전송되는 데 걸리는 시간으로, 신호 전송로의 길이를 L, 전파속도를 C라고 하면, 전파시간은 L/C(초)로 표현됨

보안성과 신뢰성

• 보안성은 외부로부터 발생되는 사이버 위혐이나 공격으로부터 시스템을 보호하거나, 혹은 데이터의 유출에 대처하는 것과 관련됨

• 신뢰성은 노드나 링크에 이상이 발생했을 경우 동작이 중지되지 않고 계속 유지될 수 있도록 하는 특징

💎 IEEE 802.3 LAN 프로토콜

💍 CSMA 방식

• 한 링크에 여러 노드가 다중접근을 할 때, 충돌을 하지 않게 해주는 방식

• 만일 전송채널이 busy라면, 얼마동안 기다렸다가 다시 전송을 시도

• 데이터를 전송한 후에는 확인 응답인 ACK를 받을 때까지 기다림
  -최대 왕복 전파 지연시간과 수신 스테이션이 ACK를 전송하기 위해 채널에 접근하는 시간이 고려되어야 함

• 충돌 발생 예
  -전파 지연시간 내에 두 개 이상의 스테이션이 동시에 전송을 개시하는 경우, 전송 패킷간의 충돌 발생
  -(발생 이유) 둘 이상의 노드가 동시에 carrier sensing 프로세스를 수행하는 경우, 두 노드 모두 전송채널이 휴지 상태라고 판단해서 프레임을 동시에 전송했기 때문이다.

💍 CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection)

• CSMA/CD 방식 -> LWT 방식 = 말하는 와중에도 carrier를 listen한다.
  -CSMA: 두 데이터 패킷 사이에 충돌이 발생하면 전송지연이 발생하게 되어 처리율이 저하 즉 CD의 차이는 데이터를 전송하는 중에도 충돌감지를 하느냐?의 차이다.

• CSMA/CD
  -데이터를 전송 중, 전송미디어를 검사하여 충돌 탐지 프로세스를 수행
  -충돌을 신속하게 감지, 프레임 전송을 즉시 중단하여 충돌에 의한 전송 지연을 줄임(효율성 향상)

• CSMA 프로토콜에 아래와 같은 규칙을 추가함
  1) 데이터를 전송하는 도중 충돌을 감지하면, 짧은 신호를 보내서 모든 스테이션에 충돌이 일어난 것을 알린다.
  -짧은신호(32비트 크기) : 충돌 신호 또는 재밍 신호을 전송
  2) '이진지수 백오프 기법'에 의해 재전송 시도 : 충돌 신호를 보낸 다음 임의의 시간, 즉 대기시간을 기다린 후에 CSMA를 사용하여 재전송을 시도한다. 결과적으로 충돌을 감지할 때까지만 시간 낭비가 발생한다.
  -대기시간 계산법 : n번 충돌 시, m=min{n,10}으로 결정 후, 0~($2^m-1$) 사이의 값을 랜덤으로 선택(k), k*512비트타임 동안 기다리고 전송, 16번 연속 충돌이면 전송 포기
  -k를 랜덤값으로 선택하는 이유는 재충돌을 막기위함이다.

• 프레임 간 대기시간(IFG) 기법
  1) 어느 하나의 노드가 계속해서 미디어의 사용 권한을 갖고 프레임들을 전송하면, 다른 노드들은 전송의 기회조차 없게 됨 -> 이것을 방지하며 모든 노드들에 공평하게 프레임 전송 기회를 주기 위해 사용하는 기법
  2) 만일 프레임의 전송을 완료한 스테이션이 있다면, 이는 IFG 시간(96비트 시간)후에, 다시 전송을 시도함
  3) CSMA/CD 방식은 재정송 횟수가 증가할수록 선태 범위를 확대함

💍 IEEE 802.3 프레임 구조

1) 프리앰블 : 프레임에 처음에 위하여 동기화를 수행 '10101010' 일련번호 패턴
2) SFD : '10101011'로서 프레임의 시작을 수신 측에 알림
3) DA(목적지 주소)/SA(전송 측 주소) : 48비트로 구성되고, 첫 번째 비트는 개별 주소인지 그룹에 속한 주소인 지를 알려줌 (방송형인 경우 -> 주소 영역의 모든 비트가 1이 됨)
4) 유료부하 : 사용자 데이터로 채워지며, 최댓값은 1500바이트
-3계층에서 내려온 데이터패킷
5) FCS : 오류 검출을 위한 CRC 코드값

💎 고속 이더넷 기술

• 기존의 이더넷의 전송속도를 보다 유연하게 100Mbps로 향상 시킨 것

• 전송속도를 높이기 위해 대역폭을 향상시키는 2가지 방법
  1) 보다 빠른 컴퓨터 시스템을 개발하거나, 보다 향상된 브릿지, 라우터, 또는 스위치를 가진 시스템을 개발하는 방법
  2) 보다 빠르고 효율적인 데이터링크를 설계하는 방안

• 고속이더넷의 경우에는 보다 빠르고 효율적인 데이터링크 계층의 기능을 다시 설계함으로써 고속 이더넷을 구현하는 방법을 사용함.

• 데이터 전송에 3쌍의 라인이 사용됨

• 고속 이더넷 케이블 : 카테고리 3과 5가 존재, 5가 더 높은 전송률을 가짐