[혼자 공부하는 네트워크] 2. 물리 계층과 데이터링크 계층

[개발자와 네트워크 인프라]

네트워크 인프라를 '코드'로 다루는 시대가 되었고, 개발에서 사용하는 사례가 많아지고 있기 때문에 물리 계층/데이터링크 계층/네트워크 계층도 중요하다.

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이더넷(Ethernet)

현대 LAN, 특히 유선 LAN 환경에서 가장 대중적으로 사용되는 기술로, 다양한 통신 매체의 규격, 송수신되는 프레임의 형태, 프레임을 주고받는 방법 등이 정의된 기술 → 물리 계층과 데이터 링크 계층이 밀접하게 연관된 이유

 

유선 LAN 환경은 대부분 이더넷을 기반으로 구성된다 = 물리 계층에서 사용되는 케이블은 이더넷 규격을 따른다 = 데이터 링크 계층에서 주고받는 프레임은 이더넷 프레임의 형식을 따른다

• 이더넷은 IEEE 802.3이라는 이름으로 국제 표준이 됨
  • 오늘날에도 이더넷은 발전 중이며, 새로운 표준들이 생기는 중임
  • 이더넷 관련 표준: 802.3 뒤 버전을 나타내는 알파벳으로 표현 ex: 802.3u, 802.3ab 등
  • 이더넷 표준에 따라 지원되는 네트워크 장비, 통신 매체의 종류, 전송 속도 등이 달라짐IEEE 802.3은 이더넷 관련 다양한 표준의 모음
• 물리 계층과 데이터 링크 계층의 장비 모두 특정 이더넷 표준을 이해하고 따른다고 봐도 무방함

이더넷과 통신 매체(물리 계층 관련 이더넷 기술)

이더넷 표준에 따라 통신 매체의 종류, 속도가 달라진다. 

이더넷과 관련한 통신 매체 = 전송 속도BASE-추가 특성 ex) 1000BASE-SX, 5GBASE-T, 100GBASE-LR4 등

통신 매체를 통해 케이블의 성능과 종류 파악하는데 용이함

 

1) 전송 속도

• 숫자만 표기되어 있으면 Mbps 속도
• 숫자 뒤에 G가 붙는 경우 Gbps 속도
• ex) 100Base-T 케이블: 100Mbps 속도 지원, 10GBASE-T 케이블: 10Gbps 속도 지원

전송 속도 표기	의미
10	10Mbps
100	100Mbps
1000	1000Mbps(1Gbps)
2.5G	2.5Gbps
5G	5Gbps
10G	10Gbps
40G	40Gbps
100G	100Gbps

 

2) BASE

• BASE는 베이스밴드(BASEband)의 약자로, 변조 타입(modulation type)을 의미함
• 변조 타입: 비트 신호로 변환된 데이터를 통신 매체로 전송하는 방법

3) 추가 특성

• 통신 매체의 특성 명시
• 다양한 특성이 명시될 수 있음
  • 전송 가능한 최대 거리 ex) 10BASE-2, 10BASE-5
  • 물리 계층 인코딩 방식: 데이터가 비트 신호로 변환되는 방식
  • 레인 수: 비트 신호를 옮길 수 있는 전송로의 수
  • 통신 매체의 종류(가장 중요한 특성)

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

 

ex) 

• 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

고속 이더넷 & 기가비트 이더넷

• 고속 이더넷(Fast Ethernet): 100Mbps 가량의 속도를 지원하는 표준
• 기가비트 이더넷(Gigabit Ethernet): 1Gbps 가량의 속도를 내는 이더넷 표준
• 10기가비트 이더넷(10 Gigabit Ethernet): 10Gbps 가량의 속도를 내는 이더넷 표준

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이더넷 프레임 형식(데이터 링크 계층 관련 이더넷 기술)

이더넷 프레임: 이더넷 네트워크에서 주고받는 프레임

• 캡슐화를 거쳐 송신됨: 상위 계층 정보 + 헤더 + 트레일러
  • 헤더: 프리앰블, 수신지 MAC 주소, 송신지 MAC 주소, 타입/길이
  • 페이로드: 데이터
  • 트레일러: FCS
• 역캡슐화를 거쳐 수신됨
  • 헤더, 트레일러 제거 후 상위 계층으로 보냄

이더넷 프레임 형태(출처: https://www.youtube.com/watch?v=c_4x5M_GwD8)

1) 프리앰블(preamble)

프리앰블은 '이제부터 이더넷 전송 시작한다'와 같이 이더넷 프레임이 오고있다는 것을 알리는 정보로, 동기화를 위해 사용됨

• 이더넷 프레임의 시작을 알리는 8바이트(64비트) 크기의 정보로 이루어져 있음
• 첫 7바이트는 10101010 값을 가지고, 마지막 바이트는 10101011 값을 가짐
• 송수신지 간의 동기화를 위해 사용되는 정보
• 수신지 입장에서 프리앰블이라는 정해져있는 비트를 받게 되면, 이더넷 프레임이 온다는 것을 파악하고 수신 준비함

프리앰블(출처: https://www.youtube.com/watch?v=c_4x5M_GwD8)

 

2) 수신지 MAC 주소, 송신지 MAC 주소

물리적 주소라고 불리며, 일반적으로 고유하고 일반적으로 변경되지 않은 주소

﹡ 고유하지 않고, 변경되는 경우도 있긴함. 근데 이런 상황 거의 없음

• MAC 주소는 네트워크 인터페이스마다 부여되는 6바이트(48비트) 길이의 주소
  • 네트워크 인터페이스: 네트워크로 나가기 위한 관문으로, 호스트가 유무선 혹은 가상의 통신 매체와 연결되는 지점
  • LAN 내의 송수신지 특정
  • 일반적으로 NIC(Network Interface Controller) 장치가 네트워크 인터페이스 역할을 담당
  • 한 컴퓨터에 MAC 주소도 여러 개 있을 수 있음
  • MAC 주소는 보통 16진수로 표현되어 있음
• 컴퓨터의 MAC 주소 확인
  • 윈도우) 명령 프롬프트(CMD) 열고 getmac /v 혹은 ipconfig /all
  • 맥OS 나 리눅스) 터미널 열고 ifconfig

3) 타입/길이

타입(type) 혹은 길이(length) 명시

• 필드에 명시된 크기가 1500(16진수 05DC) 이하일 경우: 이 필드는 프레임의 크기(길이)
• 필드에 명시된 크기가 1536(16진수 0600) 이상일 경우: 이 필드는 타입
• 타입이란?
  • 이더 타입(ethertype)이라고도 함
  • 어떤 정보를 캡슐화했는지 나타내는 정보
  • 대표적으로 상위 계층에서 사용된 프로토콜 명시 ex) 0800: IPv4, 86DD: IPv6, 0806: ARP

4) 데이터

페이로드, 상위 계층에서 전달받거나 전달해야 할 내용

• 최대 크기: 1500바이트
• 최소 크기: 46바이트
  • 46바이트보다 작다면 크기 맞추기용 데이터인 패딩(padding)이 채워짐(보통 0으로 채워짐)

5) FCS(Frame Check Sequence)

오류 검출용 정보로, 수신한 이더넷 프레임에 오류가 있는지 확인하기 위한 필드

• CRC(Cyclic Redundancy Check)라는 오류 검출용 값이 명시됨
• 송신지가 프레임을 보낼 때 '수신지 MAC 주소+송신지 MAC 주소+타입/길이+데이터' 필드를 바탕으로 CRC 값 계산에서 FCS 필드에 명시 후 전송
• 수신지에서 '수신지 MAC 주소+송신지 MAC 주소+타입/길이+데이터' 필드의 CRC 값을 다시 계산한 후, FCS 필드에 명시되어 있는 CRC 값과 비교해 오류 검출
  • 값 동일 → 오류 X
  • 값 상이 → 오류 O

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이더넷 외의 기술인 '토큰 링(token ring)'

토큰 링 네트워크에서는 호스트들이 링(고리) 형태로 연결되어 있으며, 호스트끼리 돌아가며 토큰(token)이라는 특별한 정보 교환

• 네트워크 내 다른 호스트에게 메시지를 전송하려면 반드시 이 토큰을 가지고 있어야 함

토큰 링(출처: https://www.youtube.com/watch?v=c_4x5M_GwD8)

• 현재 D가 B에게 메시지를 전송하고 싶지만, 첫 번째 그림에서 토큰을 A가 가지고 있기 때문에 메시지를 보낼 수 없음
• A가 송수신 끝낸 후, 송수신할 게 없으면 다음 호스트인 B로 넘김

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NIC와 케이블

NIC(Network Interface Controller)

호스트와 유무선 통신 매체를 연결하고, MAC 주소가 부여되는 네트워크 장비

• 케이블은 NIC에 연결되는 물리 계층의 유선 통신 매체 → 트위스티드 페어 케이블, 광섬유 케이블

케이블(출처: https://www.youtube.com/watch?v=c_4x5M_GwD8)

• NIC는 네트워크 인터페이스 카드, 네트워크 어댑터, LAN 카드, 네트워크 카드, 이더넷 카드(이더넷 네트워크의 경우) 등 다양한 명칭으로 불림
• NIC는 마더보드에 내장되어 있거나, USB로 연결할 수 있음
• 통신 매체 신호와 컴퓨터가 이해하는 정보 상호 변환
  • 호스트가 네트워크를 통해 송수신하는 정보는 NIC를 거치게 됨
  • 네트워크 인터페이스 역할을 수행
• NIC는 MAC 주소를 인식
  • 자신과는 관련 없는 수신지 MAC 주소가 명시된 프레임을 폐기할 수 있음
  • FCS 필드를 토대로 오류를 검출해 잘못된 프레임을 폐기할 수 있음
• NIC마다 지원되는 속도가 다름
  • 네트워크 속도에 영향을 미침
  • 내장된 NIC가 있어도 높은 대역폭에서 많은 트래픽을 감당해야 하는 환경에서는 고속 NIC를 추가하기도 함

케이블

1) 트위스티드 페어 케이블(twisted pair cable)

• 구리 선으로 전기 신호를 주고받는 통신 매체
• 생김새 = 커넥터 + 케이블 본체
  • 커넥터(connector): 주로 활용되는 커넥터는 RJ-45
  • 케이블 본체: 구리 선이 두 가닥(pair)씩 꼬아진(twisted) 형태

트위스티드 페어 케이블(출처: https://www.youtube.com/watch?v=c_4x5M_GwD8)

• 구리 선은 노이즈에 민감함
  • 차폐(shielding): 구리 선 주변을 감싸 노이즈를 감소시키는 방식
  • 브레이드 실드(braided shield) 혹은 포일 실드(foil shield)
    • 차폐에 사용된 그물 모양의 철사와 포일

브레이드와 포일(출처: https://www.youtube.com/watch?v=c_4x5M_GwD8)

• 실드에 따른 트위스티드 페어 케이블의 분류
  • STP(Shielded Twisted Pair): 브레이드 실드로 감싼 케이블
  • FTP(Foil Twisted Pair): 포일 실드로 노이즈를 감소시킨 케이블
  • UTP(Unshielded Twisted Pari): 아무것도 감싸지 않은 구리 선만 있는 케이블
  • XX/YTP 형태로 명시하기도 함
    • XX: 케이블 외부를 감싸는 실드의 종류(하나 혹은 두 개)
    • Y: 꼬인 구리 선 쌍을 감싸는 실드의 종류
    • U(실드 없음), S(브레이드 실드), F(포일 실드)
    • ex) S/FTP 케이블: (케이블 외부) 브레이드 실드 (꼬인 각 구리 선 쌍) 포일 실드
    • F/FTP 케이블: (케이블 외부) 포일 실드 (꼬인 각 구리 선 쌍) 포일 실드
    • SF/FTP 케이블: (케이블 외부) 브레이드 실드와 포일 실드 (각 구리 선 쌍) 포일 실드
    • U/UTP 케이블: 아무것도 감싸지 않은 케이블
• 카테고리에 따른 트위스티드 페어 케이블의 분류
  • 카테고리가 높을수록, 지원 가능한 대역폭이 높아지고, 송수신 할 수 있는 데이터의 양이 많아짐. 일반적으로 더 빠른 전송이 가능함

2) 광섬유 케이블

• 빛(광신호)을 이용해 정보를 주고받는 케이블
• 전기 신호를 이용하는 케이블에 비해 속도도 빠르고, 먼 거리까지 전송이 가능
• 노이즈로부터 간섭받는 영향도 적으므로 대륙 간 네트워크 연결에도 사용함
• 생김새 = 커넥터 + 본체
  • 커넥터 종류가 다양함(LC 커넥터, SC 커넥터, FC 커넥터, ST 커넥터)

광섬유 케이블 커넥터(출처: https://www.youtube.com/watch?v=c_4x5M_GwD8)

• 광섬유 케이블 본체 내부는 머리카락과 같은 형태의 광섬유로 구성
  • 광섬유는 빛을 운반하는 매체
  • 광섬유 중심에는 코어(core)가 존재함. 코어는 광섬유에서 실질적으로 빛이 흐르는 부분
  • 코어를 둘러싸는 클래딩(cladding)이 존재함. 빛이 코어 안에서만 흐르도록 빛을 가두는 역할
  • 광섬유 케이블 종류(코어의 지름에 따라 나뉨)
    • 싱글 모드 광섬유 케이블(SMF, Single Mode Fiber)
      • 코어의 지름이 8~10 마이크로미터
      • 코어의 지름이 작으면 빛의 이동 경로가 하나 이상을 갖기 어려움: 모드가 하나
      • 장점: 신호 손실이 적기에 장거리 전송에 적합
      • 단점: 멀티 모드에 비해 일반적으로 비용이 높음
      • 싱글 모드 케이블은 파장이 긴 장파장의 빛을 사용
      • 싱글 모드 광섬유 케이블의 본체는 대부분 노란색과 파란색임
    • 멀티 모드 광섬유 케이블(MMF, Multi Mode Fiber)
      • 코어의 지름이 50~62.5 마이크로미터로 싱글 모드보다 큼
      • 빛이 여러 경로로 이동할 수 있음: 모드가 여러 개
      • 멀티 모드는 싱글 모드보다 전송 시 신호 손실이 클 수 있기에 싱글 모드에 비해 장거리 전송에는 부적합
      • 멀티 모드 케이블은 싱글 모드에 비해 단파장의 빛을 사용
      • 멀티 모드 광섬유 케이블의 본체는 대부분 오렌지색과 아쿠아색임

광섬유(출처: https://www.youtube.com/watch?v=c_4x5M_GwD8)

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물리 계층과 데이터 링크 계층의 장비

물리 계층의 대표 장비: 허브(오늘날 네트워크에서 거의 사용하지 않음) → 반이중 통신, CSMA/CD 방식으로 충돌 완화

데이터 링크 계층의 대표 장비: 스위치 → 전이중 통신, VLAN 기능

물리 계층 vs 데이터 링크 계층

물리 계층에는 주소 개념이 없음

• 단지 호스트와 통신 매체 간의 연결과 통신 매체상의 송수신이 이루어질 뿐
• 물리 계층 장비는 송수신되는 정보에 대한 어떠한 조작(송수신 내용 변경)이나 판단을 하지 않음

반면 데이터링크 계층에는 주소 개념이 있음

• MAC 주소
• 데이터 링크 계층 이상 장비들은 송수신지 특정 가능, 송수신 정보에 대한 조작 가능

허브(Hub)

여러 대의 호스트를 연결하는 장치

• 리피터 허브(repeater hub) 혹은 이더넷 허브(Ethernet hub)
• 포트(port): 커넥터를 연결할 수 있는 연결 지점

허브(출처: https://www.youtube.com/watch?v=c_4x5M_GwD8)

• 받은 정보는 모든 포트로 내보냄 → 주소 개념이 없기 때문
  • 정보에 대한 어떠한 조작도 판단도 하지 않음
  • 전달받은 신호를 다른 모든 포트로 그대로 다시 내보냄
  • 데이터 링크 계층에서 패킷의 MAC 주소를 확인하고 자신과 관련 없는 주소는 폐기
  • 불필요한 트래픽이 많아질 수 있음
• 반이중 통신
  • 반이중(half duplex) 모드: 마치 1차선 도로처럼 송수신을 번갈아 가면서 하는 통신 방식(양방향이지만 동시에 통신 불가능)
  • 전이중(full duplex) 모드: 송수신을 동시에 양방향으로 할 수 있는 통신 방식(양방향+둘 다 동시에 통신 가능)
• 충돌(collision) 문제
  • 동시에 허브에 신호를 송신하면 충돌(콜리전)이 발생함
  • 허브에 호스트가 많이 연결되어 있을수록 충돌 발생 가능성이 높음
  • 콜리전 도메인(collision domain): 충돌이 발생할 수 있는 영역
    • 허브에 연결된 모든 호스트는 같은 콜리전 도메인에 속함
  • 충돌을 피하기 위해서는 콜리전 도메인은 작아야 함
  • 충돌을 해결하는 방법: CSMA/CD 사용 혹은 다른 장비(스위치) 사용
    ﹡ 스위치는 콜리전 도메인이 하나의 호스트로 제한되어 충돌 발생 가능성이 거의 없음

허브의 콜리전 도메인(출처: https://www.youtube.com/watch?v=c_4x5M_GwD8)

• CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) 방식: 반이중 이더넷 네트워크에서 충돌을 방지하는 대표적인 프로토콜
  1. 캐리어 감지: 통신 매체의 현재 사용 가능 여부 검사 → 메시지를 보내기 전 현재 전송 중인 것이 있는지 먼저 확인
  2. 다중 접근: 복수의 호스트가 부득이하게 동시에 네트워크에 접근할 때 충돌 발생
  3. 충돌 검출: 전송 중단 후 충돌 발생을 알리는 잼 신호(jam signal)을 보냄. 임의의 시간 동안 기다린 뒤에 재전송함

리피터(repeater)

• 허브 이외에 물리 계층의 대표적인 장비
• 전기 신호가 감소하거나 왜곡되는 것을 방지하기 위해 전기 신호를 증폭시켜 주는 장비
• 물리 계층의 장비이므로 신호에 대한 어떠한 판단이나 조작을 하지 않음
• 허브는 리피터의 기능을 포함하는 경우가 많음

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스위치(switch)

• 허브의 충돌 문제
  • CSMA/CD로 어느 정도 완화할 수 있었지만, 이것보다 근본적인 해결 방법이 있음
  • 전달받은 신호를 수신지 호스트가 연결된 포트로만 내보내고, 전이중 모드로 통신하면 됨
  • 이를 위한 장비가 바로 스위치
• 허브와는 달리 특정 MAC 주소를 가진 호스트에만 프레임 전달 가능
• 전이중 모드 통신 지원(CSMA/CD 프로토콜이 필요하지 않음)
• 상위 계층도 포괄하는 경우도 있음 ex) L3 스위치, L4 스위치

스위치(출처: https://www.youtube.com/watch?v=c_4x5M_GwD8)

• MAC 주소 학습 기능 존재
  • 전달받은 신호를 원하는 포트로만 내보냄
  • 포트별로 콜리전 도메인이 나누어지기에 충돌 위험이 감소
• VLAN 기능
  • 논리적으로 LAN을 분리하는 가상의 LAN, VLAN 구성 가능

스위치 특징 1) MAC 주소 학습 기능(MAC address learning)

특정 포트와 해당 포트에 연결된 호스트의 MAC 주소와의 관계를 기억하여 원하는 호스트에만 프레임을 전달함

MAC 주소 학습(출처: https://www.youtube.com/watch?v=c_4x5M_GwD8)

• MAC 주소 테이블 사용함
  • MAC 주소 테이블: 스위치 포트와 연결된 호스트의 MAC 주소 간의 연관 관계를 나타내는 정보

[MAC 주소 학습이 이루어지는 과정과 MAC 주소 테이블이 관리되는 과정]

① 플러딩, ② 포워딩과 필터링, ③ 에이징

 

ex) 호스트 A가 호스트 C로 프레임을 전송하는 상황 가정 

 

 

호스트 A는 1번 포트로 메시지 전송하고,

스위치는 메시지를 3번 포트로 내보내야 함

 

이때, MAC 주소 학습 전이므로 스위치는 호스트 A, B, C, D의 MAC 주소와 연결된 포트의 연관 관계를 모름

 

 

 

 

 

MAC 주소 학습은 프레임 내의 '송신지 MAC 주소' 필드를 바탕으로 이루어짐.

즉, 송신지 MAC 주소인 A의 MAC 주소를 MAC 주소 테이블에 저장함

(아직은 호스트 C가 연결된 포트는 모름)

 

 

 

플러딩(flooding): 허브처럼 모든 포트로 프레임 전송

플러딩으로 호스트 B, C, D로 프레임을 전송함.

• 호스트 B와 D는 수신한 프레임의 목적지 MAC 주소를 보고 해당 프레임 폐기함
• 호스트 C는 목적지 MAC 주소가 본인임을 확인하고, 스위치로 응답 프레임을 전송

 

 

 

호스트 C가 스위치로 보낸 응답 프레임에서,

스위치는 '송신지 MAC 주소' 필드를 통해 호스트 C의 MAC 주소 학습하고, MAC 주소 테이블에 기록함

 

 

 

 

호스트 A와 호스트 C는 더 이상 다른 호스트를 거치지 않고 프레임을 주고 받을 수 있음

 

호스트 A가 호스트 C에게 프레임을 전송하면, 스위치는 호스트 B, D가 연결된 포트로는 내보내지 않도록 필터링(filtering)하고,

호스트 C가 연결된 포트로 프레임을 포워딩(forwarding)함

 

 

에이징(aging): 만약 MAC 주소 테이블에 등록된 포트에서 일정 시간 동안 프레임을 받지 못한다면 해당 항목은 삭제

 

스위치 특징 2) VLAN 기능

VLAN(Virtual LAN): 한 대의 스위치로 가상의 LAN을 만드는 방법

• 불필요한 트래픽(허브, 스위치의 플러딩)으로 인한 성능 저하 방지

VLAN(출처: https://www.youtube.com/watch?v=c_4x5M_GwD8)

• 한 대의 물리적 스위치를 여러 대의 스위치가 있는 것처럼 논리적인 단위로 LAN 구획
• VLAN은 사실상 다른 LAN으로 간주함 → 서로 다른 네트워크로 간주, 브로드캐스트 도메인이 달라짐

[VLAN 종류]

① 포트 기반 VLAN

스위치의 포트가 VLAN을 결정하는 방식

• 특정 포트에 VLAN을 할당한 뒤, 해당 포트에 호스트를 연결해 VLAN에 참여
  • 호스트 A와 B는 VLAN2를 할당한 포트에 연결되어 있으므로 같은 LAN에 속한 셈$
  • 호스트 C는 VLAN3에 속해 있으므로 호스트 A, B와는 다른 LAN에 속한 셈

포트 기반 VLAN(출처: https://www.youtube.com/watch?v=c_4x5M_GwD8)

 

② MAC 기반 VLAN

사전에 설정된 MAC 주소에 따라 VLAN을 결정하는 방식

• 송수신하는 프레임 속 MAC 주소가 호스트가 속할 VLAN을 결정하는 방식

 

브리지(bridge)

데이터 링크 계층의 스위치와 유사한 장비로, 네트워크 영역을 구획하여 콜리전 도메인을 나누거나 네트워크를 확장하는 기능

• 브리지는 스위치의 기능들도 제공함(MAC 주소 학습, 포워딩, 플러딩)

브리지(출처: https://www.youtube.com/watch?v=c_4x5M_GwD8)

• 다만 단일 장비로서의 브리지는 스위치에 비해 사용 빈도가 줄어드는 추세
• 일반적으로 스위치의 기능이 더 다양하고 성능이 우수함