물리 계층과 데이터 링크 계층

이더넷(Ethernet)

물리 계층과 데이터 링크 계층에서 LAN 내의 호스트들이 올바르게 정보를 주고받을 수 있게 해주는 다양한 기술 중 하나로, 통신 매체를 통해 신호를 송수신하는 방법, 데이터 링크 계층에서 주고받은 데이터(프레임) 형식 등이 정의된 기술

이더넷 표준

이더넷은 IEEE 802.3이라는 이름으로 국제 표준화된 기술이다. 서로 다른 제조사의 네트워크 장비이어도 LAN 내의 모든 컴퓨터가 해당 네트워크 장비와 문제없이 호환되는 이유는 네트워크 장비들이 관련 표준을 준수해 제작되었기 때문이다.

• 오늘날의 (유선)LAN 대부분이 이더넷 표준을 따르기 때문에 대다수의 LAN 장비들이 특정 이더넷 표준을 따른다.
• 이더넷 표준이 달라지면 통신 매체의 종류를 비롯한 신호 송수신 방법과 최대 지원 속도도 달라질 수 있다.

케이블, 허브, 스위치, NIC 등 다양한 네트워크 장비들은 모두 특징 이더넷 표준을 이해하고 따른다고 봐도 무방하다.

이더넷 프레임

이더넷 프레임(Ethernet Frame)은 이더넷 기반의 네트워크에서 주고받는 프레임으로, 오늘날 주로 사용되는 이더넷 프레임은 Ethernet 2 프레임이라고 부른다.

헤더				페이로드	트레일러
프리앰블	수신지 MAC 주소	송신지 MAC 주소	타입/길이	데이터	FCS
8바이트	6바이트	6바이트	2바이트	46~1500바이트	4바이트

 

1. 프리앰블(preamble)
   송수신지 동기화를 위해 사용되는 8바이트(64비트) 크기의 정보로, 프리앰블의 첫 7바이트는 10101010이라는 값을 가지고, 마지막 바이트는 10101011이라는 값을 가짐
   - 수신지 입장에서는 이 프리앰블 비트를 통해 현재의 이더넷 프레임이 수신되고 있다는 사실을 알아차리게 됨
2. 송수신지 MAC 주소(mac address)
   프레임에서 가장 중요한 정보로, 프레임에는 송신지와 수신지를 특정할 수 있는 6바이트(48비트) 길이의 MAC 주소가 명시되며, 콜론(:)으로 구분된 12자리 16진수로 구성되어 있다.
   $$ab:cd:ab:cd:00:01$$
   - 물리적 주소라고 불리는 MAC 주소는 네트워크 인터페이스마다 하나씩 부여되는 주소이다. 네트워크 인터페이스는 네트워크를 향하는 통로, 연결 매체와의 연결 지점을 의미하며, 보통 NIC라는 장치가 네트워크 인터페이스를 담당한다.
   - NIC가 여러 개인 상황처럼 네트워크 인터페이스가 여럿이라면 한 호스트가 여러 개의 MAC 주소를 가질 수 있다.
3. 타입/길이
   MAC 주소의 타입/길이 필드에 명시된 크기가 1500 이하(16진수 05DC)이면 이 필드는 프레임의 크기를 나타내고, 1536 이상(16진수 0600)이면 타입을 나타낸다.
   - 타입은 캡슐화된 상위 계층의 정보를 의미하기 때문에 타입을 통해 어떤 상위 계층 프로토콜이 캡슐화되었는지 알 수 있다. ex) IP가 캡슐화된 정보를 운반한다면 타입에는 16진수 0800이 명시되고, ARP 프로토콜이 캡슐화된 정보를 운반한다면 타입에는 16진수 0806이 명시된다.
4. 데이터
   데이터 필드에는 페이로드인 상위 계층으로 전달하거나 전달받을 데이터가 명시된다.
   - 데이터 필드에 포함될 수 있는 데이터의 최대 크기는 일반적으로 1500바이트 이하로 제한되어 있다. → 1500바이트는 네트워크 계층 패킷(헤더+페이로드)의 최대 크기를 지칭하는 데 사용되며, 이 크기를 MTU라고 부른다.
   - 이보다 큰 데이터를 보낼 경우에는 여러 패킷으로 나뉘어 보내진다.
   ﹡데이터 필드에 명시 가능한 최대 페이로드 크기는 일반적으로 1500바이트지만, 더 큰 데이터를 포함할 수 있는 특별한 프레임을 점보 프레임(jumbo frame)이라고 한다.
5. FCS(Frame Check Sequence)
   프레임의 오류가 있는지의 여부를 확인하기 위한 필드로, CRC(Cyclic Redundancy Check)라는 오류 검출용 값이 명시된다.
   송신지에서 전송할 데이터와 함께 전송할 데이터에 대한 CRC 값을 계산해 보내면 수신지에서는 전달받은 데이터에 대한 CRC 값을 계산해, 그 값을 전달받은 CRC 값과 대조한다. 두 값이 같을 경우 프레임에 오류가 없다고 판단하는 것이다.

---

유무선 통신 매체

통신 매체는 모든 성능의 기본이 되는 경우가 많다. 호스트가 1초에 100GB씩 송신할 수 있다고 하더라도 1초에 1GB씩 송수신 가능한 통신 매체만으로는 1초에 1GB 이상을 송수신할 수 없듯이, 호스트가 아무리 빠르게 데이터를 처리할 수 있어도 그를 뒷받침하는 연결 매체의 성능이 뒷받침되지 않으면 호스트이 빠른 속도는 아무런 효용이 없다.

유선 매체) 트위스티드 페어 케이블(twisted pair cable)

트위스티드 페어 케이블은 구리선을 통해 전기적으로 신호를 주고받는 통신 매체로, 두 가닥(pair)씩 꼬아져 있는(twisted)구리선 때문에 이런 이름이 붙여졌다.

 

트위시티드 페어 케이블의 성능은 카테고리를 통해 알 수 있다. 카테고리에 따라 대응되는 주요 이더넷 표준이 다르고, 표준에 따른 최대 지원 속도도 달라질 수 있다.

오늘날 자주 사용되고 있는 카테고리의 종류는 다음과 같다.

특징	Cat5	Cat5e	Cat6	Cat6a	Cat7	Cat8
전송 속도	100Mbps	1Gbps	1Gbps	10Gbps	10Gbps	40Gbps

 

트위스티드 페어 케이블은 구리선을 통해 전기적인 신호를 주고받기 때문에 전기 신호에 왜곡을 줄 수 있는 주변 잡음에 취약하다. 이러한 잡음을 노이즈(noise)라고 부른다. 그래서 트위스티드 페어 케이블을 그물 모양의 철사나 포일(foil)로 감싸 노이즈를 방지하는 경우가 많다. 구리선 주변을 보호해 노이즈를 감소시키는 방식을 차폐(shieldng)라고 하며, 차폐에 사용되는 그물 모양의 철사나 포일은 각각 브레이드 실드(braided shield)와 포일 실드(foil shield)라고 한다.

• STP(Shielded Twisted Pair) 케이블: 브레이드 실드로 노이즈를 감소시킨 케이블
• FTP(Foil Twisted Pair) 케이블: 포일 실드로 노이즈를 감소시킨 케이블
• UTP(Unshielded Twisted Pair) 케이블: 아무것도 감싸지 않아 구리선만 있는 케이블

실드의 상세한 표기
트위스티드 페어 케이블은 기본적으로 실드의 사용 여부 혹은 사용된 실드의 종류에 따라 STP, FTP, UTP로 나누지만, 최근에는 더 상세하게 실드를 표기한다.
$$[U/S/F]/[U/S/F]TP$$
첫 번째와 두 번째 괄호 안에 U, S, F 명시할 수 있다. 이때 U는 실드 없음, S는 브레이드 실드, F는 포일 실드를 의미한다.
첫 번째 괄호: 케이블의 외부를 감싸는 실드의 종류 명시
두 번째 괄호: 꼬아 놓은 구리선을 감싸는 실드의 종류 명시

ex)
S/FTP 케이블: 브레이드 실드로 케이블 외부 보호하고, 포일 실드로 꼬아 놓은 구리선을 감싼 케이블
F/FTP 케이블: 케이블 외부와 꼬아 놓은 구리선을 모두 포일 실드로 감싼 케이블
SF/FTP 케이블: 케이블 외부는 브레이드 실드와 포일 실드로 감싸고, 각각의 구리선은 포일 실드로 감싼 케이블
U/UTP 케이블: 아무것도 감싸지 않은 케이블

무선 매체) 전파와 WiFi

대표적인 무선 매체로는 전파가 있다. 전파는 약 3kHz부터 3THz 사이의 진동수를 갖는 전자기파를 의미한다. 진동수 2.4GHz와 5GHz는 모두 3kHz부터 3THz 사이에 속한 진동수로, 와이파이를 사용할 때 주로 활용된다.

유선 LAN에서 가장 대중적으로 활용되는 기술이 이더넷이라면, 무선 LAN에서 가장 대중적으로 사용되는 기술은 와이파이이다. 와이파이는 IEEE 802.11이라는 표준을 따르는 무선 LAN 기술이다. 와이파이는 와이파이 4, 와이파이 5와 같이 뒤에 붙는 숫자로 세대를 구분하고, 세대에 따라 지원되는  표준 규격이 다르다. 즉, 세대에 따라 지원 가능한 최대 속도나 주파수도 달라질 수 있다.

 

와이파이에서 주로 사용되는 주파수 대역은 2.4GHz 혹은 5GHz인데, 이때 같은 주파수 대역을 사용하는 여러 무선 네트워크가 존재할 수 있다. 하지만 전파 통신을 주고받을 때 주파수 대역이 겹치면 신호의 간섭이 발생할 수 있다.

따라서 별개의 무선 네트워크는 같은 주파수 대역을 사용하더라도 서로의 신호에 간섭하지 않아야 한다.

그래서 주파수 대역은 같은 대역을 사용하는 서로 다른 무선 네트워크를 구분하기 위해 채널(channel)이라는 하위 주파수 대역으로 세분화되고, 해당 채널 대역에서 무선 통신이 이루어진다.

채널에는 번호가 할당되어 있으며, 일반적으로 채널은 자동 설정되지만, 특정 채널을 사용하도록 수동으로 설정할 수도 있다.

2.4GHz와 5GHz 주파수 대역의 채널

 

그림에서 2.4GHz 대역의 채널을 살펴보면 1, 6, 11번 채널의 주파수는 서로 중첩되지 않기 때문에 1, 6, 11번 채널을 사용하는 무선 네트워크는 아무리 많은 통신이 이루어지더라도 신호 간섭으로 인한 성능 저하가 발생하지 않는다.

반면, 1, 2, 3번 채널을 사용하는 무선 네트워크는 신호가 중첩될 여지가 많아 자주 발생하는 신호 간섭으로 인해 성능이 저하될 수 있다.

무선 네트워크의 성능 저하를 방지하려면 신호가 중첩되지 않는 채널을 사용하는 것이 중요하다.

AP와 SSID
AP(Access Point)는 여러 무선 통신 기기를 연결해 무선 네트워크를 구성하는 장비로, 무선 공유기가 AP 역할을 담당하는 대표적인 네트워크 장비이다.
AP를 중심으로 구성된 무선 네트워크는 서비스 셋(Service Set)이라고 하고, 서비스 셋을 식별하는 정보는 서비스 셋 식별자를 줄여서 SSID(Service Set Identifier)라고 한다.
흔히 와이파이 이름으로 사용되는 정보가 바로 SSID이다.

---

네트워크 인터페이스: NIC(Network Interface controller)

네트워크 인터페이스는 네트워크 상에서 노드와 통신 매체가 연결되는 지점을 의미한다. 네트워크 인터페이스마다 물리적 주소라고 불리는 MAC 주소가 부여되고, NIC라는 하드웨어가 네트워크 인터페이스의 역할을 담당하는 것이 일반적이다. NIC는 네트워크 인터페이스 카드, 네트워크 어댑터, LAN 카드, 네트워크 카드, 이더넷 카드 등 다양한 명칭으로 불리는 하드웨어이다.

통신 매체의 신호를 호스트가 이해하는 프레임으로 변환하거나 호스트가 이해하는 프레임을 통신 매체의 신호로 변환하는 역할 수행하거나, 때로는 MAC 주소를 토대로 잘못 전송된 패킷이 없는지 확인하기도 한다.

 

NIC를 작동시키는 시스템 콜이 호출되면 (커널 모드로 전환된 뒤에)송수신이 수행되고, 입출력이 완료되면 인터럽트를 통해 CPU에게 작업이 완료되었음을 알리게 된다. NIC의 지원 속도가 저마다 다르고, 이는 네트워크의 속도에 큰 영향을 끼친다.

그래서 고대역폭을 감당해야 하는 환경에서는 메인 보드에 내장된 NIC가 있더라도 고가의 고속 NIC를 추가로 구비하기도 한다.

티밍(teaming) 혹은 본딩(bonding): 여러 물리적인 NIC를 마치 하나의 고속 NIC처럼 구성하는 것으로, 티밍은 윈도우 운영체제에서 주로 사용하는 용어이고, 본딩은 리눅스 운영체제에서 주로 사용하는 용어이다.

---

허브와 스위치

허브와 스위치는 물리 계층과 데이터 링크 계층의 중간 노드로, 허브는 오늘날 네트워크에서 잘 사용하지 않는다. 허브 대신 스위치를 사용하는 경우가 많다.

물리 계층의 허브

허브는 물리 계층의 대표적인 네트워크 장비로, 여러 대의 호스트를 연결하는 장치이다. 리피터 허브라고 부르기도 하고, 특히 이더넷 네트워크의 허브는 이더넷 허브라고 부르기도 한다. 허브에서 케이블의 커넥터가 꽂히는 부분, 통신 매체를 연결하는 지점은 포트(port)라고 한다.

[허브 특징]

1. 전달받은 신호를 모든 포트로 내보낸다.
   허브는 신호를 전달받으면 해당 신호에 대한 어떠한 조작이나 판단도 하지 않고, 모든 포트에 단순하게 신호를 보낸다.
2. 반이중 모드로 통신한다.
   - 반이중 모드: 송신 또는 수신을 번갈아 가면서 수행해야 하는 통신 방식으로, 동시 송수신이 불가능한 상태이다.
   - 전이중 모드: 동시 송수신이 가능한 상태로, 양방향 송수신이 가능하다. (데이터 링크 계층의 네트워크 장비인 스위치는 전이중 모드 지원함)

허브는 반이중 모드로 통신하기 때문에 어느 한 호스트가 허브를 향해 정보를 전달하면 다른 호스트는 정보를 전송할 수 없다. 만일 허브를 향해 동시에 메시지를 보내면 충돌(collision)이라는 문제가 발생하며, 충돌이 발생할 수 있는 영역을 콜리전(충돌) 도메인(collision domain)이라고 한다.

허브는 전달받은 신호를 모든 포트로 내보내는 동시에 반이중 모드로 통신하므로 허브에서 충돌이 발생할 수 있는 영역(충돌 도메인)은 '허브에 연결된 모드 호스트'가 된다.

데이터 링크 계층의 스위치

스위치(switch)는 허브의 한계를 보완하기 위한 네트워크 장비로, 허브와 달리 전달받은 신호를 목적지 호스트가 연결된 포트로만 내보내고, 전이중 모드를 지원하므로 허브와 비교해 콜리전 도메인이 좁다.

 

1. MAC 주소 학습 기능

스위치가 전달받은 신호를 원하는 포트에만 내보낼 수 있는 이유는 스위치에 MAC 주소 학습 기능이 있기 때문이다. 데이터 링크 게층에서 주고받는 프레임의 형태에 MAC 주소가 명시되어, 이 주소를 기반으로 현재 어떤 포트에 어떤 MAC 주소를 가진 호스트가 연결되어 있는지 파악하고, '포트, 연결된 호스트의 MAC 주소'의 대응 관계를 테이블의 형태로 메모리에 저장한다. 이 정보를 MAC 주소 테이블이라고 한다.

즉, 스위치가 전달받은 신호를 목적지 호스트가 연결된 포트로만 내보낼 수 있는 이유는 MAC 주소 테이블을 생성하고 참조할 수 있기 때문이다.

MAC 주소 테이블

 

 

2. VLAN(Virtutal LAN)

가상의 LAN으로, 같은 스위치에 연결된 모든 호스트를 하나의 네트워크로 간주하고 싶지 않을 때, 여러 논리적인 네트워크로 나누고 싶을 때 사용한다.

다음과 같이 스위치에 연결된 호스트 A~I를 2개의 논리적인 네트워크(VLAN)로 나누는 경우를 예로 들 수 있다. 호스트 A~D와 호스트 E~I는 서로 다른 VLAN에 속해 있으므로 서로 다른 네트워크로 간주되며, 브로드캐스트 도메인도 겹치지 않아 VLAN1의 브로드캐스트 메시지가 VLAN2에 도달하지 않는다.

VLAN 예시

---

참고 사이트

이것이 취업을 위한 컴퓨터 과학이다 with CS 기술 면접

이것이 취업을 위한 컴퓨터 과학이다 with CS 기술 면접 | 강민철 - 교보문고