데이터링크층이란?
OSI 7계층 중 2계층이고, 물리층 바로 위에 있다. 물리층이 비트를 전송하는 역할이라면, 데이터링크층은 인접한 노드 간(Hop-to-Hop) 데이터를 안정적으로 전달하는 역할이다.
핵심 기능은 네 가지다.
- 프레이밍(Framing): 데이터를 프레임 단위로 구분
- 오류 제어(Error Control): 오류 검출 및 재전송
- 흐름 제어(Flow Control): 송수신 속도 조절
- 매체 접근 제어(MAC): 공유 매체에서 충돌 방지
Hop-to-Hop vs End-to-End
- Hop-to-Hop: 바로 옆 노드까지만 전달 (데이터링크층)
- End-to-End: 최종 목적지까지 전달 (전송층)
3.1 링크의 두 가지 유형
점-대-점 링크 (Point-to-Point)
두 노드 간 1:1 전용 연결이다. 전송 대상이 명확하고, PPP나 전용 회선이 이 방식이다.
브로드캐스트 링크 (Broadcast)
여러 노드가 하나의 매체를 공유하는 방식이다. 충돌 가능성이 있어서 MAC 제어가 필요하다. Ethernet, Wi-Fi가 대표적이다.
3.2 데이터링크 제어 (DLC)
데이터링크층은 두 개의 부계층으로 나뉜다.
| 부계층 | 역할 | 핵심 기능 |
|---|---|---|
| DLC (Data Link Control) | 데이터를 정확하게 보내는 것 | 프레이밍, 오류 제어, 흐름 제어 |
| MAC (Media Access Control) | 매체 접근 경쟁 해결 | 충돌 방지, MAC 주소 기반 전달 |
3.2.1 프레이밍 (Framing)
비트 스트림을 프레임 단위로 잘라서 시작과 끝을 표시하는 과정이다. 프레임에는 송신자 MAC, 수신자 MAC, 데이터(payload), 오류 검출 정보(CRC)가 들어간다.
바이트 기반 방식 (Byte Stuffing)
특정 Flag 문자로 프레임 시작/끝을 표시한다. 데이터 안에 Flag와 같은 문자가 있으면 Escape 처리를 한다.
Flag: 0x7E, Escape: 0x5E
원본: 0x12 0x7E 0x34 0x5E
전송: 0x12 0x5E 0x7E 0x34 0x5E 0x5E비트 기반 방식 (Bit Stuffing)
Flag 비트 패턴(01111110)으로 경계를 표시한다. 데이터에서 1이 5개 연속으로 나오면 0을 삽입한다.
원본: 00011111 1110011111 01000
전송: 00011111011100111110010003.2.2 오류 제어 (Error Control)
오류 종류
- 단일 비트 오류: 한 비트만 반전. 드물게 발생.
- 폭주 오류(Burst Error): 연속된 여러 비트 오류. 실제 통신에서 더 흔함.
오류를 검출하려면 데이터에 중복 비트(Redundant bits) 를 추가해서 함께 전송한다.
CRC (Cyclic Redundancy Check) — 가장 강력한 방식
송신: 데이터 ÷ g(x) → 나머지 = CRC → 전송 = 데이터 + CRC
수신: (데이터+CRC) ÷ g(x) → 나머지 = 0이면 정상, ≠ 0이면 오류| 방식 | 검출 능력 | 주요 사용처 |
|---|---|---|
| 패리티 검사 | 단일 비트만 | 메모리 |
| 블록 검사 | 다수 비트 | 과거 통신 |
| CRC | 매우 강력 | Ethernet, ZIP |
| 체크섬 | 중간 | TCP/IP |
해밍 거리 (Hamming Distance)
두 코드워드 간 다른 비트 수다. XOR 연산 후 1의 개수를 세면 된다.
000 ⊕ 011 = 011 → 해밍 거리 = 2
10101 ⊕ 11110 = 01011 → 해밍 거리 = 33.2.3 DLC 프로토콜
HDLC
비트 기반 데이터링크 프로토콜이다. WAN, 라우터 간 링크에서 사용한다.
전송 모드 두 가지.
- NRM: 주국이 제어, 종국은 요청받을 때만 응답. 중앙 집중 구조.
- ABM: 모든 노드 동등하게 통신. 어느 노드든 먼저 전송 가능.
| 프레임 | 역할 |
|---|---|
| I-frame | 실제 데이터 전달, 순서 번호 포함 |
| S-frame | 오류/흐름 제어 (ACK, NAK) |
| U-frame | 연결 설정/해제 |
피기백킹 (Piggybacking): 데이터 프레임에 ACK를 함께 실어 보내서 전송 효율을 높이는 방식이다.
PPP (Point-to-Point Protocol)
바이트 기반 데이터링크 프로토콜이다. 가정용 인터넷 접속, 라우터 간 WAN 연결에서 사용한다. 순서번호/흐름 제어/오류 재전송이 없고 단순 전달에 집중한다.
PPP 연결 단계
Dead → Establish(LCP) → Authenticate(PAP/CHAP) → Network(NCP) → Open → Terminate- LCP: 링크 설정/유지/종료
- PAP: 평문 인증 (보안 취약)
- CHAP: 챌린지-응답 인증 (재전송 공격 방어)
- NCP: IP 주소 할당 등 네트워크 계층 설정
TMI: 특히 JWT 토큰 인증 방식이 PPP의 CHAP처럼 챌린지-응답 기반으로 설계하면 더 안전하다.
3.3 매체 접근 프로토콜 (MAC Protocol)
임의 접근 (Random Access)
중앙 제어 없이 노드가 자율적으로 전송하는 방식이다.
CSMA/CD (Collision Detection) — 유선 Ethernet
채널 감지 → Idle이면 전송 → 전송 중 충돌 감지 → 즉시 중단 → Backoff → 재전송CSMA/CA (Collision Avoidance) — 무선 Wi-Fi
채널 감지 → Idle이면 IFS 대기 후 전송 → ACK로 성공 확인
Busy이면 랜덤 Backoff → 재시도| CSMA/CD | CSMA/CA | |
|---|---|---|
| 환경 | 유선 (Ethernet) | 무선 (Wi-Fi) |
| 방식 | 충돌 감지 후 처리 | 충돌 회피 사전 예방 |
| 충돌 감지 | 가능 | 어려움 |
CSMA 지속 방식
| 방식 | 동작 | 특징 |
|---|---|---|
| 1-persistent | Idle이면 즉시 전송 | 충돌 확률 높음 |
| Nonpersistent | Busy면 랜덤 대기 | 충돌 감소, 지연 증가 |
| p-persistent | 확률 p로 전송 | 충돌과 지연의 절충 |
제어 접근 (Controlled Access)
충돌 없이 전송 권한을 얻은 노드만 전송하는 방식이다.
- 예약(Reservation): 미리 슬롯 예약 후 순서대로 전송
- 폴링(Polling): 주국이 순서대로 종국에게 전송 기회 부여
- 토큰 전달(Token Passing): 토큰 가진 노드만 전송, 다음 노드에 넘김
3.4 링크 계층 주소 지정
IP 주소 vs MAC 주소
| IP 주소 | MAC 주소 | |
|---|---|---|
| 역할 | 최종 목적지 식별 | 인접 노드 식별 |
| 범위 | End-to-End | Hop-to-Hop |
| 변경 | 네트워크 이동 시 변경 | 고정 (48bit) |
| 예시 | 192.168.0.1 | AA:BB:CC:DD:EE:FF |
세 가지 주소 유형
- 유니캐스트: 1:1 통신
- 멀티캐스트: 1:그룹 통신 (IPv4: 01:00:5E:xx:xx:xx)
- 브로드캐스트: 1:전체 통신 (FF:FF:FF:FF:FF:FF)
ARP (Address Resolution Protocol)
IP 주소는 알지만 MAC 주소를 모를 때 MAC 주소를 알아내는 프로토콜이다.
1. ARP Request (브로드캐스트): "192.168.0.5 MAC 주소 가진 사람 누구?"
2. ARP Reply (유니캐스트): "나야! 내 MAC은 AA:BB:CC:DD:EE:FF"
3. ARP Cache 저장: 다음엔 다시 물어보지 않아도 됨
TMI: 터미널에서
arp -a명령어로 현재 ARP 캐시 테이블을 직접 확인할 수 있다. 같은 네트워크 안에서 어떤 IP가 어떤 MAC 주소와 매핑되어 있는지 볼 수 있다.
핵심 요약
- 데이터링크층 = 인접 노드(Hop-to-Hop) 간 안정적 전달 담당
- DLC: 프레이밍, 오류 제어(CRC), 흐름 제어
- MAC: 충돌 방지, 전송 순서 결정
- 오류 검출: 패리티 < 블록 검사 < CRC 순으로 강력
- Random Access: CSMA/CD(유선), CSMA/CA(무선)
- Controlled Access: 폴링, 토큰 전달, 예약
- IP 주소 = End-to-End, MAC 주소 = Hop-to-Hop
- ARP = IP → MAC 주소 변환
참고문헌
Forouzan, B. A. (2013). Data Communications and Networking (6th ed.). McGraw-Hill.
번역: 이재광, 김중규, 이경현, 홍충선. 데이터 통신과 네트워킹 TCP/IP 프로토콜 기반 (개정 6 수정판). 퍼스트북.
