[네트워크 개론] 2. 물리 계층과 데이터링크 계층

공부 자료

유튜브 한빛미디어, 네트워크 기초 강의 1~9강

https://youtube.com/playlist?list=PLVsNizTWUw7HfOCgvlfHIDPPo3TE-2iQM&si=QiJwtVA8HO7yLx79

혼자 공부하는 네트워크

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2-0 개발자와 네트워크 인프라

네트워크 참조 모델의 하위 계층을 개발자가 알아야 할까?

예전에는 개발자가 알아야 할 네트워크 지식과 네트워크 엔지니어가 알아야 할 네트워크 지식을 구분했었으나, 오늘날에는 네트워크 인프라를 '코드'로 다루게 되면서 그 경계가 모호해졌다. 또한 개발 과정에서 하위 계층의 지식을 사용하는 경우가 많아졌다. 그러므로 개발자라고 할지라도 물리 계층, 데이터링크 계층과 같은 하위 계층에 대한 이해가 있으면 좋다.

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2-1 이더넷

이더넷

통신 매체의 규격, 송수신되는 프레임의 형태, 프레임을 주고받는 방법 등이 정의된 기술

유선 LAN 환경은 대부분 이더넷을 기반으로 구성된다. 즉, 물리 계층에서 사용되는 케이블은 이더넷 규격을 따르며, 데이터 링크 계층에서 주고받는 프레임 역시 이더넷 프레임의 형식을 따른다.

ex) 허브, 스위치, NIC, 케이블 등 물리 계층 및 데이터 링크 계층의 장비는 이더넷 표준을 따른다

 

물리 계층 관련 이더넷 기술 (통신 매체)

국제 표준으로써의 이더넷

IEEE 802.3에 이더넷 관련 다양한 표준이 있음. 이때 802.3 뒤 버전을 나타내는 알파벳을 붙여 표현함. ex) 802.3u, 802.3ab

이더넷 표준에 따라서, 지원되는 네트워크 장비, 통신 매체의 종류, 전송 속도 등이 달라진다.

 

통신 매체의 표기

통신 매체는 보통 다음과 같이 표기한다.

전송속도BASE-추가특성

ex) 1000BASE-SX, 5GBASE-T

• 전송속도:
  숫자만 표기되어 있으면 Mbps 단위
  숫자 뒤에 G가 붙어 있으면 Gbps 단위
• 추가특성:
  통신 매체의 특성이 명시됨. 다양한 특성(전송 가능 최대 거리, 물리계층 인코딩 방식, 레인 수, 통신 매체의 종류 등등)이 있음
  ex)
  C: 동축 케이블
  T: 트위스티드 페어 케이블
  S: 단파장 광섬유 케이블
  L: 장파장 광섬유 케이블

 

데이터 링크 계층 관련 이더넷 기술 (이더넷 프레임 형식)

프레임

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

프리앰블 8바이트

이더넷 프레임의 시작을 알리는 정보, 동기화를 위해 사용됨

첫 7바이트는 10101010, 마지막 바이트는 10101011.

 

수신지, 송신지 MAC 주소 각 6바이트

물리적 주소라고도 불림

일반적으로 고유하고 일반적으로 변경되지 않는 주소 (가상 머신의 경우 가상머신마다 MAC주소가 부여됨. 즉 하드웨어에 새겨진다고 보기 어렵고 변경도 가능하다)

네트워크 인터페이스마다 부여되는 주소

LAN 내 송수신지 특정

일반적으로 NIC(Network Interface Controller) 장치가 네트워크 인터페이스 역할을 담당

 

타입/길이 2바이트

타입 혹은 길이다

필드에 명시된 크기가 1500 이하인 경우: 이 필드는 프레임의 길이를 의미함

필드에 명시된 크기가 1536 이상인 경우: 이 필드는 타입을 의미함

타입(이더타입)이란?

• 어떤 정보를 캡슐화했는지를 나타내는 정보
• 대표적으로 상위 계층에서 사용된 프로토콜이 명시
• ex) IPv4를 캡슐화한 경우 0800, IPv6를 캡슐화한 경우 86DD, ARP를 캡슐화한 경우 0806

 

데이터

페이로드: 상위 계층에서 전달받거나 전달해야 할 내용

최소 크기: 46바이트

최대 크기: 1500바이트

46바이트보다 작은 페이로드에는 크기 맞추기용 패딩 0이 채워짐

 

FCS(Frame Check Sequence) 4바이트

수신한 이더넷 프레임에 오류가 있는지 확인하기 위한 필드

CRC 비교를 통해 오류를 검출함.

헤더와 페이로드 값을 통해 CRC 값을 계산하여 FCS에 담아 송신하고,

수신지에서 다시 헤더와 페이로드 값으로 CRC값을 계산해서 FCS와 비교해서 오류를 체크한다.

 

이더넷 외의 LAN 구현 기술 - 토큰 링

호스트들이 고리 형태로 연결되어, 호스트끼리 돌아가며 토큰이라는 정보를 교환함.

네트워크 내 다른 호스트에게 메시지를 송신하려면 반드시 이 토큰을 가지고 있어야 함

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2-2 NIC와 케이블

NIC(Network Interface Controller)

• 호스트와 통신 매체를 연결하고, MAC 주소가 부여되는 네트워크 장비.
• 연결 매체와 호스트의 중간 다리 역할을 하는 HW다. 즉, 통신 매체(케이블) 신호와 컴퓨터가 이해하는 정보를 상호 변환한다.
• NIC는 MAC 주소를 인식하여, 자신과 관련 없는 수신지 MAC 주소가 명시된 프레임은 폐기하고, FCS 필드를 토대로 오류를 검출해 잘못된 프레임은 폐기한다.
• NIC는 네트워크의 인터페이스 역할을 하므로 NIC의 속도는 네트워크 속도에 영향을 끼친다. 그러므로 내장 NIC가 있어도 많은 트래픽을 감당해야 하는 환경에서는 고속 NIC를 추가해 사용하기도 한다.
• 케이블은 NIC에 연결되는 물리 계층의 유선 통신 매체다. 주로 트위스티드 페어 케이블, 광섬유 케이블이 연결된다.

 

케이블

• 트위스티드 페어 케이블
  

  

  
  
  
  • 구리 선으로 전기 신호를 주고받음
  • 커넥터 + 케이블 본체로 구성.
  • 커넥터: 주로 RJ-45 사용됨
  • 케이블 본체: 구리 선이 두 가닥씩 꼬아진 형태
  • 실드에 따른 분류
    • 구리 선은 노이즈에 민감하므로, 이를 방지하기 위해 차폐(shielding) 기술이 사용되는데 주로 브레이드 실드(STP)나 포일 실드(FTP)가 사용됨. 아무것도 감싸지 않은 케이블은 UTP.
    • 최근에는 S/FTP와 같이 표현하는데, 이는 "케이블 외부는 브레이드(S) 실드, 각 구리 선 페어는 포일(F) 실드가 적용됨을 의미. SF/FTP는 "케이블 외부는 브레이드(S)와 포일(F) 실드, 각 구리 선 페어는 포일(F) 실드가 적용된 케이블을 의미.
  • 카테고리에 따른 분류
    • ex) UTP Cat5e, Cat8
    • 카테고리가 높을수록 대역폭이 크고 더 빠른 전송이 가능하다.
• 광섬유 케이블
  • 광신호를 이용해 정보를 주고받음
  • 속도가 빠르고 먼 거리까지 전송 가능
  • 노이즈의 영향이 적어 대륙 간 해저 케이블에도 사용됨
  • 커넥터 + 본체로 구성
  • 커넥터: LC, SC, FC, ST 커넥터 등 종류가 다양
  • 본체: 실질적으로 빛이 흐르는 코어와, 빛이 코어 안에서만 흐르도록 빛을 가두는 클래딩으로 구성됨.
  • 코어의 지름에 따라 분류한다.
  • 싱글 모드 광섬유 케이블 (SMF)
    • 코어 지름이 8~10 마이크로미터
    • 이렇게 코어 지름이 작으면 빛의 이동 경로(mode)가 하나(single) 이상이 되기 어려움
    • 장점: 신호 손실이 적어 장거리 전송에 적합
    • 단점: 비용이 높음
    • 장파장 빛 사용
  • 멀티 모드 광섬유 케이블 (MMF)
    • 코어 지름이 50~62.5 마이크로미터
    • 빛이 여러(multi) 경로(mode)로 이동할 수 있음
    • 신호 손실이 클 수 있음
    • 단파장 빛 사용

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2-3 허브

물리 계층의 대표 장비

반이중 통신

충돌 완화를 위한 CSMA/CD 방식

 

물리 계층의 장비 vs 데이터 링크 계층의 장비: 주소 개념

물리 계층에는 주소 개념이 없음

데이터링크 계층에는 주소 개념이 있음: MAC주소

 

허브

여러 대의 호스트를 연결하는 장치

포트: 커넥터를 연결할 수 있는 연결 지점

특징

1. 받은 정보를 모든 포트로 내보냄
   물리 계층의 장비라서 '주소 개념이 없으므로', 정보에 대한 조작이나 판단을 하지 않음
   받은 신호를 모든 포트로 내보내면, 이 신호를 전달받은 데이터 링크 계층에서 패킷의 MAC 주소를 확인하고 처리함
   그러므로 불필요한 트래픽이 발생함
2. 반이중 통신
   송수신을 번갈아 가면서 통신 (like 무전기)
   cf) 전이중 통신: 송수신을 동시에 양방향으로 가능 (like 전화기)
   허브는 반이중 통신 장치이므로 '충돌'이 발생할 수 있음

cf) 리피터

물리 계층의 또 다른 대표 장비로, 전기 신호를 증폭시켜 줌 (신호에 대한 조작이나 판단 X. 그냥 증폭만 함)

 

충돌(collision)

두 대의 호스트가 동시에 허브에 신호를 송신하면 충돌이 발생

허브에 호스트가 많이 연결되어 있을수록 충돌 확률이 높음

충돌이 발생할 수 있는 영역을 콜리전 도메인이라고 함. 이 콜리전 도메인을 줄이기 위한 방법으로는 스위치를 사용하거나 CSMA/CD 프로토콜을 사용하는 방법이 있음

 

CSMA/CD: Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection

1) 캐리어 감지: Carrier Sense

통신 매체의 현재 사용 가능 여부를 검사. 즉, 메시지를 보내기 전 현재 전송 중인 것이 있는지를 확인

2) 다중 접근: Multiple Access

그럼에도 복수의 호스트가 부득이 동시에 네트워크에 접근할 때 충돌이 발생함

3) 충돌 검출: Collision Detection

충돌이 발생하면 전송을 중단, 충돌 발생을 알리는 잼 신호를 보냄

각 호스트는 임의의 시간 동안 대기한 후 재전송

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2-4 스위치

데이터 링크 계층의 대표 장비

전이중 통신

 

허브의 충돌 문제를 해결하는 근본적 방법

• 전달받은 신호를 수신지 호스트가 연결된 포트로만 내보내고, 전이중 모드로 통신하면 됨.
• 이를 위해 주소 개념이 필요

스위치

• 특정 MAC 주소를 가진 호스트에만 프레임 전달 가능
• 전이중모드 통신 지원

2계층에서 사용되는 스위치 L2스위치. 상위 계층의 기능까지 제공하는 L3, L4 스위치도 있다.

 

주요 기능

• MAC주소 학습 기능: 전달받은 신호를 원하는 포트로만 내보내고, 포트별로 콜리전 도메인이 나누어지므로 충돌 위험이 감소
  • MAC Address Table을 통해 특정 포트와 해당 포트에 연결된 호스트의 MAC주소의 관계를 기억
  • 어떻게 MAC 주소 학습이 이루어질까? - 프레임 내 '송신지 MAC 주소'필드를 바탕으로 이루어진다.
    호스트 A가 호스트 C로 프레임을 전송한다 해보자. 최초에 MAC 주소 테이블은 비어 있다.
    스위치가 호스트 A로부터 프레임을 받았다면.. 포트 1번에 A의 MAC 주소를 기록할 수 있다.
  • 1. 플러딩: 우선 허브처럼 모든 포트로 프레임을 전송한다.
    그러면 호스트 B, D는 프레임을 폐기하고, C는 스위치로 응답 프레임을 전송한다. 이때 포트 3번에 C의 MAC 주소를 기록할 수 있다.
  • 이제 다시 A가 C에게 프레임을 전송하면
  • 2. 필터링: 스위치는 B, D가 연결된 포트로는 내보내지 않도록 필터링하고
  • 3. 포워딩: 호스트 C가 연결된 포트로 프레임을 내보낸다.
  • 4. 에이징: 그리고 MAC 주소 테이블에 등록된 포트에서 일정 시간 동안 프레임을 받지 못하면 해당 항목은 삭제한다.
• VLAN 기능: 논리적으로 LAN을 분리하는 가상 LAN 구성이 가능
  • 한 대의 스위치로 가상의 LAN을 만들면 불필요한 트래픽으로 인한 성능 저하를 방지할 수 있다.
  • 스위치에 개발부 호스트 4대, 총무부 호스트 5대가 모두 연결되어 있다고 해보자.
    개발부에서만 이루어지는 정보 교환이 총무부에도 전송이 되므로 불필요한 트래픽이 발생할 것이다.
    이 한 대의 물리적 스위치를, 마치 여러 대의 스위치가 있는 듯이 논리적으로 분리가 가능하다.
  • VLAN은 사실상 다른 LAN이므로 브로드캐스트 도메인이 달라진다.
  • VLAN으로 개발부와 총무부를 나누어 놨다면, 개발부에서 총무부로 정보를 송신하려면 네트워크 간 통신인 3계층 이상의 장비가 필요하다.
  • 종류:
    • 포트 기반 VLAN(정적 VLAN): 포트가 VLAN을 결정하는 방식
    • MAC 기반 VLAN(동적 VLAN): 사전에 설정된 MAC 주소에 따라 VLAN이 결정