[혼공네트] 2주차_물리 계층과 데이터 링크 계층

이더넷이란

• WAN : 인터넷
• LAN : 이더넷
• 현대 (유선) LAN에서 가장 대중적으로 사용되는 기술
• 물리 계층, 데이터 계층 링크 (네트워크 엑세스 계층) 스펙/프로토콜 정의
  • 물리 계층 : 이더넷으로 통신이 가능한 케이블
  • 데이터 링크 : 이더넷 프레임
• 이더넷은 현재까지도 발전 중인 기술

이더넷 표준

• IEEE 802.3 : 이더넷 국제 표준 규격들의 집합
  • 표준 규격 버전 : 802.3 뒤 알파벳으로 표기 (802.3u, 802.3ab ..etc.)
  • 이더넷 표준 규격이 달라지면 케이블, 전송 속도 등이 달라질 수 있다.

통신 매체 표기 형태

• 이더넷 케이블을 지칭할 때 : 전송속도 BASE-추가특성

  • 전송속도
    • 숫자만 표기되어 있으면 Mbps 속도, G가 붙어있으면 Gbps
      
  • BASE
    • 베이스밴드의 약자, 변조 타입(modulation type)을 의미
    • 변조 타입 : 비트 신호로 변환된 데이터 통신 매체로 전송하는 방법
  • 추가특성
    • 통신 매체의 특성 명시
    • 전송 가능한 최대 거리, 물리 계층 인코딩, 레인 수 명시

통신 매체 종류

추가 특성 표기(통신 매체의 종류)	케이블 종류
C	동축 케이블
T	트위스티드 페어 케이블
S	단파장 광섬유 케이블
L	장파장 광섬유 케이블

케이블 종류	표준 규격에 따른 정송 매체

10BASE-T 케이블 : 10Mbps 속도를 지원하는 트위스티드 페어 케이블
1000BASE-SX 케이블 : 1000Mbps 속도를 지원하는 단파장 광섬유 케이블
1000BASE-LX 케이블 : 1000Mbps 속도를 지원하는 장파장 광섬유 케이블

• x: 물리 계층에서의 인코딩 방식

이더넷 프레임

• 유선 LAN 환경은 대부분 이더넷을 기반으로 구성되므로 호스트가 데이터 링크 계층에서 주고받는 프레임 형식도 정해져 있다.

• 이더넷 네트워크에서 주고받는 데이터 형식인 이더넷 프레임

• 송신자 : 상위 계층으로부터 받아 들인 정보에 헤더와 트레일러를 추가하는 캡슐화 하는 과정

• 수신자 : 프레임의 헤더와 트레일러를 제거하여 상위 계층으로 보내는 역캡슐화 과정
  

  • 프리앰블

    • 수신지로 이더넷 프레임의 시작을 알리는 비트열(8바이트, 64비트), 송수신간의 동기화
    • 첫 7바이트는 10101010, 마지막 1바이트는 10101011(SFD)

  • 목적지/송신지 MAC 주소

    • 물리적 주소(MAC 주소), 네트워크 장치(NIC)마다 할당된 고유한 주소

      • MAC 주소 : 네트워크 인터페이스마다 부여되는 6바이트(48비트) 길이의 주소로, LAN 내의 수신지와 송신지를 특정할 수 있다.

    • 네트워크 세상의 주민등록번호

      같은 네트워크 내에 동일한 MAC 주소를 가진 기기들이 있다면 송신지와 수신지를 특정할 수 없다.
      ⇒ 일반적으로 고유한 MAC 주소
      ⇒ 변경되지않은 주소로써 네트워크 인터페이스마다 부여된다.

      보통 NIC(Network interface controller)라는 장치가 네트워크 인터페이스 역할 담당

      • 한 컴퓨터에 NIC가 여러 개 있다면 MAC 주소도 여러 개 있을 수 있다.

  • 이더 타입/길이

    • 필드에 명시된 크기가 1536 이상일 경우 : 이더타입 (이 프레임이 무엇을 캡슐화 했는지)
    • 필드에 명시된 크기가 1500 이하일 경우 : 프레임크기
      

  • 페이로드(데이터)

    • 상위 계층에서 전달받거나 상위 계층으로 전달해야 할 내용
    • 반드시 일정 크기(46바이트 이상)이어야 한다. 그 이하라면 패딩이라는 정보가 내부에 채워진다.

  • FCS

    • 수신한 이더넷 프레임에 오류가 있는지 확인하기 위한 필드
    • 순환 중복 검사라고 불리는 오류 검출용 값(CRC 값; Cyclic Redundancy Check)이 들어간다.
      1. 송신지는 프리앰블을 제외한 나머지 필드 값들을 바탕으로 CRC 값 계산 후, FCS 필드에 명시
      2. 수신지는 수신한 프레임에서 프리앰블과 FCS 필드를 제외한 나머지 필드 값들을 바탕으로 CRC 값을 계산
      3. 계산 한 CRC 값과 FCS 필드 값과 비교
      4. 일치하지않으면 프레임에 오류 있다고 판단하여 해당 프레임 폐기

NIC (네트워크 인터페이스)

• 호스트와 통신 매체 사이의 인터페이스 역할을 담당하는 네트워크 장비(LAN에 접속하기 위한 하드웨어)
• 호스트가 네트워크를 통해 송수신하는 정보는 NIC를 거침.
  • 통신 매체에 흐르는 신호를 호스트가 이해하는 프레임으로 변환
  • 호스트가 이해하는 프레임을 통신 매체에 흐르는 신호로 변환
• MAC 주소가 부여되는 네트워크 장비
• NIC 마다 지원되는 속도가 다르다.

케이블 : NIC에 연결되는 물리 계층의 유선 통신 매체

• 트위스티드 페어 케이블 , 광섬유 케이블

통신 매체로 열결된 두 호스트가 아무리 빠르게 데이터를 처리할 수 있어도, 통신 매체가 해당 속도를 따라잡지 못하면 효용이 없다.

트위스티드 페어 케이블

• 케이블 본체와 커넥터로 구성
• 구리 선으로 전기신호를 주고받는 유선 통신 매체
• LAN 케이블 중 대표적인 케이블
• 브레이드 실드(그물 모양의 철사, STP 케이블) 혹은 포일 실드(FTP 케이블)로 노이즈로부터 구리선을 보호한다.
  • 아무것도 감싸지 않은 구리 선만 있는 케이블 : UTP 케이블

• U : 실드 없음
• S : 브레이드 없음
• F : 포일 실드
• XX : 케이블 외부를 감사는 실드의 종류 명시, 하나 혹은 두개 가능
• Y : 꼬인 구리 선 쌍을 감싸는 실드의 종류 명시

S/FTP 케이블 : 케이블 외부는 브레이드 실드, 꼬인 각 구리 선 쌍은 포일 실드로 감쌈
F/FTP 케이블 : 케이블 외부와 각 구리 선 쌍을 모두 포일 실드로 감쌈
SF/FTP 케이블 : 케이블 외부는 브레이드 실드와 포일 실드로 감싸고, 각 구리선 쌍은 포일 실드로 감쌈
U/UTP 케이블 : 아무것도 감싸지 않은 케이블

• 카테고리에 따라 분류 가능.
  • Cat으로 줄여 표기
  • 카테고리가 높을 수록 지원 가능한 대역 폭이 높아져, 송수신 데이터 양이 많고, 더 빠른 전송이 가능하다.
    

광섬유 케이블

• 광섬유를 통해 고아신호를 주고받는 유선 통신 매체
• 속도가 빠르고, 먼 거리까지 전송 가능. 노이즈로 부터 간섭받는 영향 적음
• 대륙 간 네트워크에 사용

케이블 종류	표준 규격에 따른 전송 매체

• 케이블 본체와 커넥터로 구성
• 광섬유 중심에는 코어 존재.
• 코어의 지름에 따라 싱글 모드 광섬유 케이블과 멀티 모드 광섬유 케이블로 나뉜다.

싱글 모드 광섬유 케이블

- 코어의 지름이 작아 빛이 이동할 수 있는 경로가 적다. (= 모드가 하나다) - 신호 손실이 적기때문에 장거리 전송에 적합(수십 킬로미터) - 멀티 모드에 비해 비용이 높다

멀티 모드 광섬유 케이블

- 빛이 여러 경로로 이동 가능 (= 모드가 여러 개) - 전송시 신호 손실이 클 수 있기에 장거리 전송에 부적합(수백 미터, 수 킬러미터)

통신 매체를 통해 송수신되는 메시지는 다른 호스트에 전달되는 과정에서 네트워크 장비를 거칠 수 있다.

• 물리계층 : 허브
• 데이터 링크 계층 : 스위치

주소 개념 유무

해당 되는 계층의 네트워크 장비	특징
물리 계층	송수신되는 정보에 어더한 조작(송수신 내용 변경)이나 판단을 하지 않는다.
데이터 링크 계층	• 주소 개념 존재(MAC 주소 포함) • 데이터 링크 계층의 장비나 그 이상의 계층의 장비들은 송수신지를 특정할 수 있고, 주소를 바탕으로 송수신되는 정보에 대한 조작과 판단 가능.

허브 (hub)

• 여러 대의 호스트를 연결할 수 있는 물리 계층의 장비 (리피터 허브, 이더넷 허브 등)
• 호스트를 연결할 수 있는 포트 (port) 존재
• 주소 개념이 없기 때문에 모든 포트로 전달받은 신호를 내보냄
• 반이중 통신 (half-duplex)

  • 데이터를 한 번에 한 방향으로만 전송할 수 있는 통신 방식 (e.g. 무선기)

    전이중 통신(half-duplex)

    • 동시에 양방향으로 전송할 수 있는 통신 방식 (e.g. 전화)

  • 동시에 허브로 데이터를 전송할 경우 충돌(collision)이 발생

콜리전 도메인

• 충돌 발생 가능성이 있는 영역; 반 이중 통신에서 동시에 허브에 신호를 송신하면 충돌이 발생
• 허브에 연결된 호스트 전체가 콜리전 도메인에 속한다.

CSMA/CD : 반이중 이더넷의 충돌을 해결하기 위한 방식

허브에서 충돌이 발생하는 근본적인 이유는 허브가 반이중 모드로 통신하기 때문

Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection

• CS : Carrier Sense
  • 캐리어(반송파) 감지 : 메시지 전송 전 현재 전송 중인 있는지 확인
• MA: Multiple Access,
  • 다중 접근 : 두 개 이상의 호스트가 동시에 네트워크에 접근 (충돌 발생)
• CD : Collision Detection
  • 충돌 감지 : 전송이 중단 되고, 잼 신호 (jam signal)를 보낸 뒤 임의의 시간 동안 대기 후 재전송

허브	스위치
전달 받은 신호를 모든 포트로 내보내고	전달 받은 신호를 목적 포트로만 포트로 내보내고
연결된 모든 호스트가 충돌 도메인에 속해 있으며	목적지 호스트가 연결된 곳만 충돌 도메인에 속해 있으며
반이중 모드로 통신하는	전이중 모드로 통신하는
물리 계층의 장비	데이터 링크 계층의 장비 ⇒ MAC 주소 활용

스위치

• 콜리전 도메인을 포트별로 나누어 주며 전이층 모드 통신을 지원하는 데이터 링크 계층의 장비
• L2 스위치 : 2계층인 데이터링크 계층에서 사용하는 스위치
• MAC 주소학습 : 특정 포트와 해당 포트에 연결된 호스트의 MAC 주소와의 관계를 기억하여 원하는 호스트에만 프레임 전달 가능
• MAC 주소 테이블 : 스위치의 포트와 연결된 호스트의 MAC 주소 연관 관계를 나타내는 정보를 표 형태로 기억

MAC 주소 학습

MAC주소 테이블을 통해 MAC주소를 학습하여 원하는 포트로 패킷을 포워딩하고, 원치 않은 포트로 필터링 할수 있다.

1. 플러딩 : 허브와 같이 모든 포트에 프레임 전송
   1. 송신지들에 도착한 프레임이 송신지에 해당하는 경우에는 스위치로 응답 프레임을 전송하고, 그렇지 않을 경우 해당 호스트에서 프레임 폐기
2. 필터링 : 어떤 포트로 내보낼지 내보내지 않을지 결정
3. 포워딩 : 프레임이 전솔될 포트에 실제로 프레임을 내보내는 것
4. 에이징 : 특정 시간이 지나면 MAC주소 테이블 항목 삭제

브리지

• 네트워크 영역을 구획하여 콜리전 도메인을 나누거나 네트워크를 확장시킨다.
• 스위치 기능 제공(MAC주소 학습, 포워딩, 필터링)

VLAN (Virtual LAN)

• 서로 메시지를 주고받을 일이 적거나 브로드캐스트 메시지 받을 필요가 없어서 같은 네트워크(LAN)에 속할 필요가 없는 호스트인 경우
• 가상의 LAN
• 물리적 위치에 관계 없이 논리적으로 특정 LAN에 속할 수 있다.
• 포트 기반 VLAN (정적기반 VLAN)
  • 스위치의 포트가 VLAN을 결정하는 방식
  • 사전에 특정 포트에 VLAN을 할당하고, 해당 포트 호스트에 연결함으로써 VLAN에 포함시킴
    
  • VALN 트렁킹 :
    • 두 대이상의 VLAN 스위치를 연결하여 확장하는 방법
    • 아직 MAC 주소 학습하지 않은 경우, 확장된 이더넷 프레임(802.1Q 프레임)에서 VLAN태그를 통해 어떤 VLAN에 속하는지 확인할 수 있다.
• MAC 주소 기반 (동적기반 VLAN)
  • 송수신하는 프레임 속 MAC 주소가 호스트가 속할 VLAN을 결정

---

2주차

진도: Chapter 02
기본 숙제(필수): Ch.02(02-1) 확인 문제 2번(p.87), (02-3)확인 문제 4번(p.111) 풀고 설명하기
추가 숙제(선택): 집에 있는 케이블에 표기된 명칭 표기를 바탕으로 케이블 구조 및 전송속도 가늠해 보기

기본 숙제

Ch.02(02-1) 확인 문제 2번(p.87)

ㄱ) 프리앰블
ㄴ) 송신지 MAC주소
ㄷ) FCS

Ch.02(02-3)확인 문제 4번(p.111)

추가 숙제

집에 있는 케이블에 표기된 명칭 표기를 바탕으로 케이블 구조 및 전송속도 가늠해 보기

• NETWORK PATCH CABLE 4RP-ETL 23AWG UTP CAT6 TIA-EIA-568B 2005 112M
  • 트위스티드 페어 케이블
  • UTP : Unshielded Twisted Pair 아무것도 감싸지 않은 구리 선만 있는 케이블
  • CAT6 : 최대 전송 속도 1Gps

---

회고

1주차때 ISO7계층, TCP/IP4계층에 대한 간단한 내용을 학습했지만 네트워크 계층만이 나에게 친근했다.
여러 계층 중에서 물리 계층과 데이터링크 계층이 제일 낯설었는데, 이번 챕터를 읽고 정리하면서 많은 것을 알게 되었다.
기본적으로 자주보았던 랜선이 트위스티드 케이블이었다는 것과 스위치의 개념들과도 말이다.

리액트 라우터의 이전 버전에서 스위치 용어를 사용했던 걸로 기억한다. 페이지를 라우팅 시켜주는 써드파트 라이브러리인 만큼 의미를 위해 그렇게 지정했을 테지만, 여러 라우트 중에서 URL 경로에 맞는 렌더링해주고 싶어하는 페이지 컴포넌트를 해준다는 의미는 이번 챕터에서 배운 MAC 주소를 학습하여 알맞는 송신지에 데이터를 전송하는 것과 일맥상통 해보였다.
아 아니면 어쩌리, 내 프로그래밍 사고는 프론트엔드 기반으로 돌아간다.

기존에는 구매해두었던 패캠 컴공 패키지강의에서 네트워크 파트 강사가 해당 책의 저자여서 강의와 함께 학습하고있었는데, 오히려 무료 유투브 영상이 내용이 좋았다. 이번 챕터는 너무 생소해서 이해하기 어려웠어서 유투브 영상이 너무 감사했던 주였던 거 같다. 물론 다음 강의는 없어서 다시 패캠으로 들어야하지만.