4.1 이더넷 (Ethernet)
이더넷은 IEEE 802.3 기반의 유선 LAN 기술 표준이고, 현재 가장 널리 사용되는 근거리 네트워크 기술이다. 1970년대 Robert Metcalfe와 David Boggs가 개발했고 이후 계속 발전해왔다.
이더넷 세대별 발전
| 세대 | 속도 | 연도 |
|---|---|---|
| 표준 이더넷 | 10 Mbps | 1983 |
| 고속 이더넷 | 100 Mbps | 1995 |
| 기가비트 이더넷 | 1 Gbps | 1998 |
| 10기가비트 이더넷 | 10 Gbps | 2002 |
IEEE 802 표준 구조
데이터링크층을 두 개의 부계층으로 나눈다.
- LLC (Logical Link Control): 상위 계층과 인터페이스, 흐름/오류 제어
- MAC (Media Access Control): CSMA/CD 기반 매체 접근 제어, MAC 주소 기반 프레임 전송
IEEE 프로젝트 802 (https://www.ieee802.org/) 참고
4.1.1 표준 이더넷 (10Mbps)
이더넷 프레임 구조
| 필드 | 크기 | 설명 |
|---|---|---|
| Preamble | 7바이트 | 수신 측 동기화 (0,1 반복 패턴) |
| SFD | 1바이트 | 프레임 시작 알림 (10101011) |
| 목적지 주소 | 6바이트 | 수신자 MAC 주소 |
| 출발지 주소 | 6바이트 | 송신자 MAC 주소 |
| 유형(Type) | 2바이트 | 상위 계층 프로토콜 식별 |
| 데이터 | 46~1500바이트 | 실제 페이로드 |
| CRC | 4바이트 | 오류 검출 (CRC-32) |
- 최소 프레임 크기: 64바이트 (512비트)
- 최대 프레임 크기: 1518바이트
- 비연결형, 비신뢰성 전송 (신뢰성은 상위 계층인 TCP가 담당)
최소 프레임 크기 계산 예제
대역폭 10Mbps, 최대 전파 시간 25.6μs일 때
최소 프레임 전송 시간 = 2 × 25.6μs = 51.2μs
최소 프레임 크기 = 10Mbps × 51.2μs = 512bits = 64bytesMAC 주소 유니캐스트 vs 멀티캐스트 구별
첫 번째 바이트의 마지막 비트(LSB)로 구별한다.
- LSB = 0 → 유니캐스트 (짝수)
- LSB = 1 → 멀티캐스트 (홀수)
- 전체 FF:FF:FF:FF:FF:FF → 브로드캐스트
Manchester Encoding
표준 이더넷(10Mbps)에서 사용하는 인코딩 방식이다. 1비트를 두 구간으로 나눠서 중간에 항상 전압 변화가 생기도록 한다.
- 0: 비트 중간에서 High → Low
- 1: 비트 중간에서 Low → High
4.1.2 고속 이더넷 (100Mbps)
표준 이더넷과 호환성을 유지하면서 속도를 10배 올린 버전이다. MAC 주소 체계, 프레임 구조, CSMA/CD 방식을 그대로 유지했다.
자동 협상 (Auto-negotiation)
10Mbps / 100Mbps 속도와 전이중 / 반이중 모드를 장치 간에 자동으로 협상하는 기능이다.
| 구현 | 매체 | 최대 길이 | 부호화 |
|---|---|---|---|
| 100Base-TX | STP | 100m | 4B/5B + MLT-3 |
| 100Base-FX | 광섬유 | 185m | 4B/5B + NRZ-I |
| 100Base-T4 | UTP | 100m | 8B/6T |
TMI: 지금 우리가 쓰는 인터넷 랜선(Cat5e, Cat6)이 100Base-TX 또는 1000Base-T 기반이다. 서버 개발할 때 NCP에 올린 서버가 기가비트 이더넷으로 연결된 것도 이 맥락이다.
4.1.3 기가비트 이더넷 (1Gbps)
전송 속도를 1Gbps로 올렸고, 이전 이더넷과 완전히 호환된다. 실제 환경에서는 전이중(Full-Duplex) 모드로만 운영하기 때문에 충돌이 발생하지 않아서 CSMA/CD가 사실상 사용되지 않는다.
4D-PAM5
UTP 기반 기가비트 이더넷(1000Base-T)에서 사용하는 인코딩 방식이다.
- 4D: 4쌍의 선을 동시에 사용
- PAM5: 각 선에서 -2, -1, 0, +1, +2 다섯 단계 전압 사용
- 4개 선 × 5단계 = 5⁴ = 625가지 조합 → 한 번에 약 8비트 전송 가능
4.1.4 10기가비트 이더넷 (10Gbps)
IEEE 802.3ae 표준으로, LAN에서 MAN(도시 규모) 영역으로 이더넷을 확장했다. 전이중 모드에서만 동작하고, CSMA/CD를 완전히 사용하지 않는다.
| 구현 | 매체 | 최대 길이 | 부호화 |
|---|---|---|---|
| 10GBase-SR | MMF (다중모드) | ~300m | 64B/66B |
| 10GBase-LR | SMF (단일모드) | ~10km | 64B/66B |
| 10GBase-ER | SMF | ~40km | 64B/66B |
| 10GBase-T | UTP | ~100m | PAM-16 |
4.2 WiFi (IEEE 802.11)
무선 LAN 표준이다. IEEE 802.11이 기술 표준이고, WiFi는 Wi-Fi Alliance가 붙인 인증 브랜드 이름이다.
네트워크 구조
BSS (Basic Service Set)
하나의 AP를 중심으로 구성된 최소 단위 무선 네트워크다.
- Ad hoc BSS: AP 없이 단말끼리 직접 통신 (임시 네트워크)
- Infrastructure BSS: AP 중심 구조, 모든 통신이 AP를 통해 이루어짐
ESS (Extended Service Set)
여러 BSS를 유선망(Distribution System)으로 연결한 구조다. BSS 간 이동 시에도 끊김 없이 통신 가능 (로밍).
MAC 접근 방식
DCF (Distributed Coordination Function)
WiFi의 기본 방식이고, CSMA/CA 기반이다.
채널 감지 → Idle → DIFS 대기 → 랜덤 백오프
→ 전송 → ACK 수신 (없으면 재전송)NAV (Network Allocation Vector)
채널이 앞으로 사용될 시간을 알려주는 가상 캐리어 감지 정보다. 송신 노드가 프레임에 Duration 정보를 포함하면 주변 노드들이 그 시간 동안 전송을 금지한다.
RTS/CTS 메커니즘
Hidden node 문제를 해결하기 위한 방식이다.
송신자 → RTS → 수신자
수신자 → CTS → 모든 주변 노드 (NAV 설정)
송신자 → Data → 수신자
수신자 → ACK → 송신자인터프레임 간격 우선순위
SIFS < PIFS < DIFS 순서로, 값이 작을수록 채널 접근 우선순위가 높다.
IEEE 802.11 프레임 구조
| 필드 | 크기 | 설명 |
|---|---|---|
| FC (Frame Control) | 2바이트 | 프레임 종류, 방향, 암호화 여부 등 |
| Duration/ID | 2바이트 | NAV 설정용 채널 점유 시간 |
| Address 1~4 | 각 6바이트 | 수신자/송신자/BSSID/WDS |
| Sequence Control | 2바이트 | 순서 번호, 단편화 번호 |
| Frame Body | 0~2312바이트 | 실제 데이터 |
| FCS | 4바이트 | CRC 오류 검출 |
802.11 주소 체계 (To DS / From DS)
| To DS | From DS | Address 1 | Address 2 | Address 3 | Address 4 |
|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 목적지 | 출발지 | BSSID | - |
| 0 | 1 | 목적지 | AP | 출발지 | - |
| 1 | 0 | AP | 출발지 | 목적지 | - |
| 1 | 1 | 수신 AP | 송신 AP | 목적지 | 출발지 |
핵심 규칙: Address 1은 항상 현재 수신자(RA), Address 2는 항상 현재 송신자(TA).
물리층 기술 비교
| IEEE | 기술 | 주파수 | 속도 |
|---|---|---|---|
| 802.11 | FHSS/DSSS | 2.4GHz | 1~2Mbps |
| 802.11a | OFDM | 5GHz | 6~54Mbps |
| 802.11b | DSSS | 2.4GHz | 5.5~11Mbps |
| 802.11g | OFDM | 2.4GHz | 22~54Mbps |
| 802.11n | OFDM | 5GHz | 600Mbps |
4.3 블루투스
IEEE 802.15.1 기반의 WPAN(Wireless Personal Area Network)이다. 근거리(10m 내외)에서 저전력 무선 통신을 지원한다.
네트워크 구조
- 피코넷(Piconet): 1개의 Primary + 최대 7개의 Secondary로 구성. Primary가 타이밍과 주파수 호핑 순서를 결정한다.
- 스캐터넷(Scatternet): 여러 피코넷이 연결된 구조. 한 피코넷의 Secondary가 다른 피코넷에서 Primary가 될 수 있다.
블루투스 계층 구조
| 계층 | 역할 |
|---|---|
| Radio Layer | 물리층 유사. 2.4GHz ISM 대역, FHSS 방식 (초당 1600번 도약) |
| Baseband Layer | MAC 계층 유사. 주소 지정, 슬롯 기반 전송, 오류 제어 |
| L2CAP | LLC 부계층 유사. 다중화, 분할/재조립, 그룹 관리 |
블루투스는 TDD-TDMA 방식을 사용한다. 시간을 625μs 슬롯으로 나눠서 Primary는 짝수 슬롯에, Secondary는 홀수 슬롯에 전송한다.
스스로 확인해보기
이 섹션을 읽고 아래 질문들에 바로 대답할 수 있으면 완벽하게 이해한 거다.
[ 이더넷 ]
Q1. 이더넷 최소 프레임 크기가 64바이트인 이유는 무엇인가?
Q2. 표준 이더넷, 기가비트 이더넷, 10기가비트 이더넷에서 각각 CSMA/CD를 사용하는지 안 하는지 설명해보자.
Q3. MAC 주소
4A:30:10:21:10:1A는 유니캐스트인가, 멀티캐스트인가? 어떻게 구별하는가?
Q4. Manchester Encoding에서 0과 1을 각각 어떻게 표현하는가?
[ WiFi ]
Q5. BSS와 ESS의 차이를 설명해보자.
Q6. DCF에서 DIFS, 랜덤 백오프, ACK의 역할을 각각 설명해보자.
Q7. RTS/CTS 메커니즘이 필요한 이유는 무엇인가? (Hidden node 문제)
Q8. SIFS < PIFS < DIFS 순서가 의미하는 것은 무엇인가?
Q9. 802.11 프레임에서 To DS=1, From DS=0일 때 Address 1, 2, 3에 각각 무엇이 들어가는가?
[ 블루투스 ]
Q10. 피코넷에서 Primary와 Secondary의 역할 차이는 무엇인가?
Q11. 스캐터넷이란 무엇인가?
Q12. 블루투스가 FHSS를 사용하는 이유는 무엇인가?
[ 연결 장치 비교 ]
Q13. 허브, 스위치, 라우터를 동작 계층과 사용 주소 기준으로 비교해보자.
Q14. Transparent Switch에서 목적지 MAC 주소를 모를 때 어떻게 동작하는가?
Q15. 스패닝 트리 알고리즘이 필요한 이유는 무엇인가?
Q16. VLAN 태그(IEEE 802.1Q)가 필요한 상황은 언제인가? VID는 몇 비트이고 최대 몇 개의 VLAN을 구분할 수 있는가?
핵심 요약
- 이더넷 발전: 10M → 100M → 1G → 10Gbps, 프레임 구조와 MAC 주소 체계는 동일 유지
- 이더넷 최소 프레임 64바이트, 최대 1518바이트
- 기가비트 이더넷부터 전이중 모드 중심 → CSMA/CD 사실상 미사용
- WiFi = IEEE 802.11, BSS(단일 AP) / ESS(여러 BSS 연결)
- WiFi MAC 기본 방식 = DCF (CSMA/CA)
- NAV = 가상 캐리어 감지, RTS/CTS = Hidden node 문제 해결
- SIFS < PIFS < DIFS (값 작을수록 우선순위 높음)
- 블루투스 = IEEE 802.15.1, Piconet(1:7) + Scatternet 구조, FHSS 초당 1600번 도약
- 허브(Layer 1, 플러딩) → 스위치(Layer 2, MAC) → 라우터(Layer 3, IP)
- VLAN 태그 VID = 12비트 → 최대 4096개 VLAN 구분 가능
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.
