[CS] 혼공네트 Chapter 2. 물리 계층과 데이터 링크 계층

02-1 이더넷

물리 계층과 데이터 링크 계층은 서로 밀접하게 연관되어 있다. 오늘날의 두 계층은 이더넷이라는 공통된 기술이 사용되기 때문이다.

이더넷 표준

• 이더넷(Ethernet)은 현대 LAN, 특히 유선 LAN 환경에서 가장 대중적으로 사용되는 기술이다.
• 다양한 통신 매체의 규격들과 송수신되는 프레임의 형태, 프레임을 주고받는 방법 등이 정의된 네트워크 기술이다.
• 현재 이더넷은 IEEE(전기전자공학자협회)라는 국제 조직에 의해 IEEE 802.3이라는 이름으로 표준화했다.
  • 서로 다른 컴퓨터가 각기 다른 제조사의 네트워크 장비를 사용하더라도 동일한 형식의 프레임을 주고받고 약속한 듯 통일된 형태로 작동하는 것은 통신 매체를 비롯한 네트워크 장비들이 이더넷 표준을 준수하기 때문이다.
• IEEE 802.3의 다양한 표준들은 802.3u 혹은 802.3ab처럼 숫자 802.3 뒤에 버전을 나타내는 알파벳으로 표현한다.

 

통신 매체 표기 형태

• 보통 이더넷 표준 규격에 따라 구현된 통신 매체를 지칭할 때는 통신 매체의 속도와 특성을 한눈에 파악하기 쉽도록 다음과 같은 형태로 표기한다.

 

1. 전송 속도(data rate)

• 숫자만 표기되어 있으면 Mbps 속도, 숫자 뒤에 G가 붙는 경우 Gbps 속도를 의미.
• 예를 들어 10GBASE-T는 10Gbps 속도를 지원하는 케이블이다.

 

2. BASE

• 베이스밴드(BASEband)의 약자로, 변조 타입(modulation type)을 의미.
• 변조 타입이란 비트 신호로 변환된 데이터를 통신 매체로 전송하는 방법.
• BASE 외에 BROAD로 표기하는 브로드밴드와 PASS로 표기하는 패스밴드도 있다.

 

3. 추가 특성(additional distinction)

• 통신 매체의 특성을 명시.
• 10BASE-2처럼 전송 가능한 최대 거리가 명시되기도 하고, 데이터가 비트 신호로 변환되는 방식을 의미하는 물리 계층 인코딩 방식이 명시되기도 하며, 비트 신호를 옮길 수 있는 전송로 수를 의미하는 레인 수가 명시되기도 한다.

 

통신 매체 종류

• 다음 표는 가장 대중적인 통신 매체의 종류 예시이다.

• 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

• 다음 표는 이더넷 표준과 이를 기반으로 하는 통신 매체 일부 예시이다.

 

이더넷 프레임

• 유선 LAN 환경은 대부분 이더넷을 기반으로 구성되므로 호스트가 데이터 링크 계층에서 주고받는 이더넷 프레임 형식이 정해져 있다.
• 이더넷 프레임은 상위 계층으로부터 받아들인 정보에 헤더와 트레일러를 추가하는 캡슐화 과정을 통해 만들어지고, 수신지 입장에서는 프레임의 헤더와 트레일러를 제거한 뒤 상위 계층으로 올려보내는 역캡술화 과정을 거친다.
• 이더넷 프레임 헤더는 기본적으로 프리앰블, 수신지 MAC 주소, 송신지 MAC 주소, 타입/길이로 구성되고, 페이로드는 데이터, 트레일러는 FCS로 구성된다.

 

프리앰블 preamble

• 이더넷 프레임의 시작을 알리는 8바이트 크기의 정보이다.
• 프리앰블의 첫 7바이트는 10101010 값을 가지고, 마지막 바이트는 10101011 값을 가진다.
• 수신지는 이 프리앰블을 통해 이더넷 프레임이 오고 있음을 알아차린다.
  • 즉, 프리앰블은 송수신지 간의 동기화를 위해 사용되는 정보이다.

 

 

수신지 MAC 주소와 송신지 MAC 주소

• '물리적 주소'라고도 불리는 MAC 주소는 데이터 링크 계층의 핵심으로, 네트워크 인터페이스마다 부여되는 6바이트 길이의 주소로, LAN 내의 수신지와 송신지를 특정할 수 있다.
• 송신지와 수신지를 특정할 수 있도록 일반적으로 고유하고, 변경되지 않는 주소로써 네트워크 인터페이스마다 부여된다.
• 보통 NIC(Network Interface Controller)라는 장치가 네트워크 인터페이스 역할을 담당한다.
  • 한 컴퓨터에 NIC가 여러 개 있다면 MAC 주소도 여러 개 있을 수 있다.

 

타입/길이

• 타입(type) 혹은 길이(length)는 필드에 명시된 크기가 1500(16진수 05DC) 이하일 경우 이 필드는 프레임의 크기(길이)를 나타내는데 사용되고, 1536(16진수 0600) 이상일 경우에는 타입을 나타내는데 사용된다.
• 타입이란 이더넷 프레임이 '어떤 정보를 캡슐화했는지'를 나타내는 정보이며, 이더타입(ethertype)이라고도 부른다.
  • 대표적으로 상위 계층에서 사용된 프로토콜의 이름이 명시된다.

 

데이터

• 데이터는 상위 계층에서 전달받거나 상위 계층으로 전달해야 할 내용이다.
  • 네트워크 계층의 데이터와 헤더를 합친 PDU가 이곳에 포함된다.
• 최대 크기는 1500바이트로, 유의할 점은 반드시 일정 크기(46바이트 이상)여야 한다는 점이다.
• 그 이하의 데이터라면 크기를 맞추기 위해 패딩(padding)이라는 정보가 채워지는데, 46바이트 이상이 될 때까지 0으로 채워진다.

 

FCS

• FCS(Frame Check Sequence)는 수신한 이더넷 프레임에 오류가 있는지 확인하기 위한 필드이다.
• 이 필드에는 CRC(Cyclic Redundancy Check), 즉 순환 중복 검사라고 불리는 오류 검출용 값이 들어간다.
• 송신지는 프리앰블을 제외한 나머지 필드 값들을 바탕으로 CRC 값을 계산한 후, 이 값을 FCS 필드에 명시한다.
• 그리고 수신지는 프레임에서 프리앰블과 FCS 필드를 제외한 나머지 필드 값들을 바탕으로 CRC 값을 계산한 뒤, 이 값을 FCS 필드 값과 비교한다.
  • 이때 비교 값이 일치하지 않으면 프레임에 오류가 있다고 판단하여 해당 프레임을 폐기한다.

 

02-2 NIC와 케이블

NIC(Network Interface Controller)

• NIC는 호스트와 통신 매체를 연결하고, MAC 주소가 부여되는 네트워크 장비이다.
  • 통신 매체에는 전기, 빛 등 다양한 신호가 흐르기 때문에 호스트가 이를 제대로 이해하려면 통신 매체를 통해 전달되는 신호와 컴퓨터가 이해할 수 있는 정보 간에 변환이 이루어져야 한다.
  • 이때 호스트와 유무선 통신 매체를 연결하고 이러한 변환을 담당하는 네트워크 장비가 NIC.
• 케이블은 NIC에 연결되는 물리 계층의 유선 통신 매체이며, 오늘날 유선 네트워크에서 사용하는 대표적인 케이블은 트위스티드 페어 케이블과 광섬유 케이블 두 종류가 있다.

 

NIC의 생김새

• NIC는 인터페이스 카드, 네트워크 어댑터, LAN 카드, 네트워크 카드, 이더넷 카드 등 다양한 명칭으로 불린다.
• '카드'라는 표현이 붙은 이유는 초기 NIC는 다음 그림처럼 확장 카드 형태로 따로 연결하여 사용했기 때문이다.
• 오늘날에는 USB로 연결하는 NIC도 있고, 마더보드(메인보드)에 내장된 NIC도 있다.

 

NIC의 역할

• 호스트가 네트워크를 통해 송수신하는 정보는 NIC를 거치게 되는데, 이처럼 NIC는 네트워크와의 연결점을 담당한다는 점에서
  네트워크 인터페이스 역할을 수행한다.
• NIC는 MAC 주소를 통해 자기 주소는 물론, 수신되는 프레임의 수신지 주소를 인식한다.
• 그래서 어떤 프레임이 자신에게 도달했을 때 자신과는 관련 없는 수신지 MAC 주소가 명시된 프레임이라면 폐기할 수 있고, FCS 필드를 토대로 오류를 검출해 잘못된 프레임을 폐기할 수도 있다.

 

 

트위스티드 페어 케이블(twisted pair cable)

• 구리 선으로 신호를 주고받는 가장 대중적인 통신 매체.
• 케이블 본테와 케이블의 연결부인 커넥터(RJ-45)로 이루어져 있다.

• 구리 선으로 이루어진 상태에서 전기 신호를 주고받다 보면 전자적 간섭이(노이즈) 생길 수 있는 문제가 있다.
  • 그래서 구리 선을 그물 모양의 철사(브레이드 실드) 또는 포일(포일 실드)로 감싸 보호하는데 이를 차폐(shielding)라고 한다.
  • 브레이드 실드로 구리 선을 감싸 노이즈를 감소시키면 STP(Shield Twisted Pair)
  • 포일 실드로 노이즈를 감소시키면 FTP(Foil Twisted Pair)
  • 아무것도 감싸지 않으면 UTP(Unshielded Twisted Pair)
• 카테고리(Category)에 따른 분류
  • Cat이라는 표기로 줄여서 표현하며, 높은 카테고리에 속한 케이블일수록 높은 성능을 보인다.

 

광섬유 케이블(fiber optic cable)

• 빛(광신호)을 이용해 정보를 주고받는 케이블.
• 전기 신호를 이용하는 케이블에 비해 속도도 빠르고, 먼 거리까지 전송이 가능하며, 노이즈로부터 간섭받는 영향도 적기 때문에
  광섬유 케이블은 대륙 간 네트워크 연결에도 사용된다.
• 케이블의 종류에는 LC 커넥터, SC 커넥터, FC 커넥터, ST 커넥터가 있다.
• 머리카락과 같은 광섬유의 중심에는 코어(core)가 있으며 이는 실질적으로 빛이 흐르는 부분이다.
  그리고 코어를 둘러싸는 클래딩(cladding)은 빛이 코어 안에서만 흐르도록 빛을 가두는 역할을 한다.
  코어와 클래딩 간에 빛의 굴절률 차이를 만들어 빛을 코어 내부에 가두는 원리.
• 코어의 지름에 따라 싱글 모드 광섬유 케이블(SMF)과 멀티 모드 광섬유(MMF)로 나뉜다.
  • 싱글 모드는 코어의 지름이 8~10µm으로 50~62.5µm인 멀티 모드보다 작다.
  • 싱글 모드는 빛의 이동 경로가 하나이며, 신호 손실이 적기에 장거리 전송에 적합하지만 멀티 모드보다 비용이 높다.
  • 멀티 모드는 빛이 이동 경로가 여러 개이며, 싱글 모드보다 신호 손실이 클 수 있기에 비교적 근거리를 연결하는 데 주로 사용. 

 

 

02-3 허브

통신 매체를 통해 송수신되는 메시지는 다른 호스트에게 전달되는 과정에서 네트워크 장비를 거칠 수 있다.
대표적인 네트워크 장비로 물리 계층에는 허브가 있고, 데이터 링크 계층에는 스위치가 있다.

주소 개념이 없는 물리 계층

• 물리 계층에서는 단지 호스트와 통신 매체 간의 연결과 통신 매체상의 송수신이 이루어질 뿐이므로 송수신지를 특정할 수 있는 주소는 데이터 링크 계층부터 존재하는 개념이다. 

 

 

허브(Hub)

• 물리 계층의 허브는 여러 대의 호스트를 연결하는 장치이며, 리피터 허브(repeater hub)라고 부르거나, 이더넷 네트워크의 허브는 이더넷 허브(ethernet hub)라고도 부른다.
• 포트(port)에 호스트와 연결된 통신 매체를 연결할 수 있다.

허브의 특징

• 전달받은 신호를 다른 모든 포트로 그대로 다시 내보낸다.
  • 허브는 물리 계층에 속하는 장비이고, 물리 계층에서는 주소 개념이 없기에 허브는 수신지를 특정할 필요가 없다.
  • 따라서 신호를 전달받으면 어떠한 조작이나 판단을 하지 않고 송신지를 제외한 모든 포트에 그저 내보내기만 한다.
  • 허브를 통해 신호를 전달받은 모든 호스트는 데이터 링크 계층에서 패킷의 MAC 주소를 확인하고 자신과 관련 없는 주소는 폐기.

• 반이중 모드(half duplex)로 통신한다.
  • 마치 1차선 도로처럼 송수신을 번갈아가면서 하는 통신 방식. 동시에 송수신이 불가능하다.
  • 반대로 전이중 모드(full duplex)는 2차선 도로처럼 송수신을 동시에 양방향으로 할 수 있는 통신 방식이다.

 

콜리전 도메인(collision domain)

• 한 호스트가 허브에 송신하는 동안 다른 호스트는 송신하고 싶은 것이 있어도 기다려야 한다.
• 만일 동시에 허브에 신호를 송신하면 충돌(collision)이 발생.
  • 허브에 호스트가 많이 연결되어 있을수록 충돌 발생 가능성이 높아진다.
  • 이렇게 충돌이 발생할 수 있는 영역을 콜리전 도메인이라고 하며, 허브에 연결된 모든 호스트는 같은 콜리전 도메인에 속한다.
• 콜리전 도메인으로 인한 충돌 문제를 해결하려면 CSMA/CD 프로토콜을 사용하거나 스위치 장비를 사용해야한다.

 

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

• 허브에서 충돌이 발생하는 근본적인 이유는 반이중 모드로 통신하기 때문이다.
• CSMA/CD는 반이중 이더넷 네트워크에서 충돌을 방지하는 대표적인 프로토콜이다.
• 캐리어 감지(Carrier Sense)는 현재 통신 매체의 사용 가능 여부를 검사하는 것.
• 다중 접근(Multiple Access)는 때때로 캐리어 감지를 하는 데도 복수의 호스트가 네트워크에 접근하려는 상황. 충돌이 발생한다.
• 충돌 검출(Collision Detection)은 충돌을 감지하면 전송이 중단되고, 충돌을 검출한 호스트는 다른 이들에게 충돌이 발생 했음을 알리고자 잼 신호(jam signal)라는 특별한 신호를 보낸다. 그리고 임의의 시간 동안 기다린 뒤에 다시 전송한다.

 

02-4 스위치

CSMA/CD를 통해 충돌 문제를 어느 정도 완화할 수는 있지만, 근본적인 해결 방법은 전달받은 신호를 수신지 호스트가 연결된 포트로만 내보내고, 전이중 모드로 통신하게 되면, 포트별로 콜리전 도메인이 나누어지기에 충돌 위험이 감소한다.
이러한 기능을 지원하는 네트워크 장비가 바로 데이터 링크 계층의 스위치이다.

 

스위치

• 2계층에서 사용한다 하여 L2스위치라고도 부른다.
• 여러 포트에 호스트를 연결할 수 있다는 점에서 허브와 비슷하나, MAC 주소를 학습해 특정 MAC 주소를 가진 호스트에만 프레임을 전달할 수 있고, 전이중 모드의 통신을 지원한다.
• MAC 주소 학습을 위해 포트와 연결된 호스트의 MAC 주소 간의 연관 관계를 메모리에 MAC 주소 테이블에 저장한다.

 

MAC 주소 학습

• 플러딩(flooding): 처음 스위치를 부팅시 MAC 주소와 연결된 포트의 연관 관계를 알지 못하기 때문에 허브처럼 동작한다.
  • 마치 허브처럼 송신지 포트를 제외한 모든 포트로 프레임을 전송하는데 이를 플러딩이라고 한다.
  • 이 때 스위치로 응답 프레임을 전송하는 호스트의 MAC 주소와 연결된 포트를 알아내어 이 정보를 MAC 주소 테이블에 기록.
  • 자신과 관련이 없는 프레임을 전송받은 호스트는 이를 폐기하고 응답 프레임을 전송하지 않는다.  
• 포워딩과 필터링(forwarding & filtering): 프레임이 전송될 포트에 실제로 프레임을 내보내는 것을 포워딩이라 하고,
  전달받은 프레임을 어디로 내보내고 어디로 내보내지 않을지 결정하는 동작을 필터링이라 한다.
• 에이징(aging): 만약 MAC 주소 테이블에 등록된 특정 포트에서 일정 시간 동안 프레임을 전송받지 못했다면 해당 항목이 삭제되는 것

 

VLAN(Virtual LAN)

• 한 대의 스위치로 가상의 LAN을 만드는 방법.
• 스위치에 연결된 호스트 중에서 서로 메시지를 주고받을 일이 적거나 브로드캐스트 메시지를 받을 필요가 없어서 굳이 같은
  네트워크(LAN)에 속할 필요가 없는 호스트를 분리하고자 매번 스위치 장비를 구비하는 것은 낭비이기 때문에 VLAN을 이용.
• 한 대의 물리적 스위치를 여러 대의 스위치가 있는 것처럼 논리적인 단위로 LAN을 구획할 수 있으며, 다른 VLAN에 속한 호스트는
  물리적인 거리와 관계없이 다른 LAN에 있는 것처럼 인식하고, 브로드캐스트 도메인도 달라진다.
• 따라서 다른 VLAN에 속한 호스트와 통신하고자 한다면 데이터 링크 계층의 장비가 아니라 네트워크 계층 이산의 장비가 필요하다.

 

포트 기반 VLAN

• 스위치의 포트가 VLAN을 결정하는 방식.
• 사전에 특정 포트에 VLAN을 할당하고, 해당 포트에 호스트를 연결함으로써 VLAN에 포함시킬 수 있다.
• 한 대의 스위치만으로 포트 기반 VLAN을 나누면 포트 수가 부족해질 수 있다.
  • VLAN 트렁킹(Trunking): 두 대 이상의 VLAN 스위치를 효율적으로 연결하여 확장하는 방법.
  • 스위치 간의 통신을 위한 특별한 포트인 트렁크 포트에 VLAN 스위치를 서로 연결하는 방식.
  • 아래의 그림처럼 포트의 낭비를 최소화하면서, 같은 스위치에 연결되어 있지 않아도 같은 LAN에 속하게 네트워크를 구성.

 

MAC 기반 VLAN

• 사전에 설정된 MAC 주소에 따라 VLAN이 결정.
• 포트가 VLAN을 결정하는 것이 아니라, 송수신하는 프레임 속 MAC 주소가 호스트가 속할 VLAN을 결정하는 방식.
• 호스트 A의 MAC 주소가 VLAN3에 할당되었다면, 어떤 포트에 연결되든 호스트 A는 VLAN3에 속한 호스트로 동작.