모두의 네트워크 4장 : 데이터 링크 계층 : 랜에서 데이터 전송하기

 데이터 링크 계층의 역할과 이더넷 

 

• 랜에서 데이터를 주고 받으려면 두번째 계층인 데이터 링크 계층의 기술이 필요하다.
  (랜 - 비교적 가까운 거리에 위치한 장치들을 서로 연결한 네트워크)

• 데이터 링크 계층 : 네트워크 장비 간에 신호를 주고 받는 규칙을 정하는 계층으로, 랜에서 데이터를 정상적으로 주고받기 위해 필요한 계층이다.

• 이더넷 : 랜에서 적용되는 규칙들 중 가장 일반적으로 가장 많이 사용되는 규칙이다. 이더넷은 허브와 같은 장비에 연결된 컴퓨터와 데이터를 주고 받을 때 사용한다.
  (허브 - 랜을 구성할 때 한 사무실이나 가까운 거리에 있는 장비들을 케이블을 사용하여 연결하는 장치로, 전기 신호를 복원시키고, 해당 전기 신호를 전달받은 포트를 제외한 모든 포트에게 전달한다.)

  • 허브는 신호를 전송한 포트를 제외하고 모든 포트에게 전기 신호를 전달하므로, 이런 경우를 위해 데이터를 전송받고자 하는 포트 이외에 다른 포트가 데이터 내용을 못보게 하는 규칙이 정해져 있다.

  • 그 규칙에 따라 한 컴퓨터에서 전송하는 메시지에 목적지 정보를 추가해서 보내고, 목적지 이외의 컴퓨터는 데이터를 받아도 무시한다.

• 허브는 들어온 데이터를 그대로 모든 포트에 보내기만 하므로, 컴퓨터가 여러 대가 동시에 데이터를 보내면 데이터들이 서로 부딪칠 수 있는 데 이를 충돌(collision)이라고 한다.

• CSMA/CD(송파 감지 다중 접속 및 충돌 탐지) : 이더넷에서 여러 컴퓨터가 동시에 데이터를 전송해도 충돌이 일어나지 않도록 데이터를 보내는 시점을 늦추는 방법

  • CS : '데이터를 보내려고 하는 컴퓨터가 케이블에 신호가 흐르고 있는지 아닌지를 확인한다'는 규칙

  • MA : '케이블에 데이터가 흐르고 있지 않다면 데이터를 보내도 좋다'는 규칙

  • CD : '충돌이 발생하고 있는 지를 확인한다'는 규칙

• 지금은 효율이 좋지 않다는 이유로 CSMA/CD는 거의 사용하지 않는다. 대신 스위치라는 네트워크 장비를 사용하면 충돌이 일어나지 않는다.

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 MAC 주소의 구조 

 

• MAC 주소 : 랜 카드는 비트열(0과 1)을 전기 신호로 변환하며, 각 기기마다 MAC 주소라는 번호가 정해진다. 제조할 때 새겨지므로 물리 주소라고 하며, 전 세계에서 유일한 번호로 할당된다. MAC 주소는 48비트 숫자로 구성되어있으며, 그중 앞 쪽 24비트는 랜 카드를 만든 제조사 번호고, 뒤쪽 24비트는 제조사가 랜 카드에 붙인 일련 번호이다.

 00-23-AE      -D9-7A-9A
[제조사 번호][제조사에서 붙인 일련 번호]

• 이더넷 헤더와 트레일러 : OSI 모델에서 데이터 링크 계층에서, TCP/IP 모델에서는 네트워크 계층에서 붙이는 헤더와 트레일러이다. 이더넷 헤더는 목적지의 MAC 주소(6바이트), 출발지 MAC 주소(6바이트), 유형(2바이트) 이렇게 총 14바이트로 구성된다.

• 이더넷 유형(Ethernet type) : 이더넷 헤더에서 2바이트를 차지하는 정보로, 이더넷으로 전송되는 상위 계층 프로토콜의 종류를 나타낸다. 프로토콜에 따라 표현되는 숫자는 다음과 같다.

유형 번호	프로토콜
0800	IPv4
0806	ARP
8035	RARP
814C	SNMP over Ethernet
86DD	IPv6

• FCS(Frame Check Sequence) : 데이터 링크 계층 혹은 네트워크 계층에서 데이터 뒤에 붙는 트레일러로, 데이터 전송 도중에 오류가 발생하는지 확인하는 용도로 사용된다.
• 프레임 : 이더넷 헤더와 트레일러가 추가된 데이터
• 즉 A 컴퓨터(MAC : aa-aa-aa-aa-aa-aa)에서 허브를 통해 B컴퓨터(MAC : bb-bb-bb-bb-bb-bb)로 데이터를 전송할 때
  • A 컴퓨터에서 이더넷 헤더와 트레일러를 추가하는 캡슐화 과정을 통해 프레임을 만들고, 물리 계층에서 이 프레임 비트열을 전기 신호로 바꾼 후, 네트워크를 통해 전송한다.
  • 허브는 이 데이터를 받아 허브에 연결된 모든 포트에 데이터를 전송한다. 그러나 B 컴퓨터를 제외한 다른 포트에서는 목적지의 MAC 주소가 자신의 MAC 주소와 달라 데이터를 파기한다.
  • 반면 B 컴퓨터는 목적지의 MAC 주소와 자신의 MAC 주소가 같음을 확인하고, 헤더와 트레일러를 분리하는 역캡슐화를 통해 데이터를 수신한다. 

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 스위치의 구조 

 

• 스위치(switch) : 데이터 링크 계층에서 동작하고 레이어 2 스위치 또는 스위칭 허브라고도 불린다. 장비 외형은 허브와 비슷하나, 기능하는 것은 완전히 다르다.
  • MAC 주소 테이블(MAC address table) : 스위치의 포트 번호와 해당 포트에 연결된 컴퓨터의 MAC 주소가 등록되는 데이터 베이스이다. 컴퓨터에서 MAC 주소가 추가된 프레임이 전송되면 MAC 주소 테이블을 확인하여, MAC 주소가 등록되어있지않으면 MAC 주소를 포트와 함께 등록한다. 
  • 플러딩(flooding) : 스위치가 데이터를 전송받을 때, 목적지 MAC 주소가 MAC 주소 테이블에 등록되어있지 않을 경우, 데이터를 전송한 포트를 제외한 모든 포트에 데이터를 전송
  • MAC 주소 필터링 : 목적지의 MAC 주소가 MAC 주소 테이블에 등록된 경우, 그 목적지에 연결된 포트로만 데이터를 전송

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 데이터가 케이블에서 충돌하지 않는 구조 

 

• 전이중 통신 방식 : 데이터 송수신을 동시에 하는 방식으로 데이터를 동시에 보내도 충돌이 발생하지 않는다. 스위치가 작동하는 방식이다. 
• 반이중 통신 방식 : 회선 하나로 송신과 수신을 번갈아가며 하는 방식으로 데이터를 동시에 보내면 충돌이 발생한다. 허브가 작동하는 방식이다.
• 전이중 통신 방식은 데이터의 전송과 수신이 동시에 가능하므로 효율도 높다.
• 충돌 도메인(collision domain) : 반이중 통신 방식에서 데이터를 동시에 전송하여 충돌이 발생했을 때, 그 영향이 미치는 범위. 충돌 도메인의 범위가 넓을 수록 네트워크가 지연된다.
  • 허브에서는 허브의 모든 포트에 연결된 컴퓨터들이 충돌 도메인이 된다.
  • 스위치는 전이중 통신 방식이므로 충돌이 일어나지 않고, 충돌 도메인의 범위도 각 포트 별로 나눠져 서로 다른 컴퓨터에 영향을 미치지 못한다.
• ARP(Address Resolution Protocol) : 목적지 컴퓨터의 IP 주소를 이용하여 MAC 주소를 찾기 위한 프로토콜이다.
  • ARP 요청 : 이더넷 프레임을 전송하려면 목적지 컴퓨터의 MAC 주소를 알기 위해 출발지 컴퓨터에서 네트워크에 보내는 브로드 캐스트이다.
  • ARP 응답 : ARP 요청에서 보내는 IP 주소를 갖고 있는 컴퓨터만이 보내는 응답이다. 이 응답으로 출발지 컴퓨터는 목적지 컴퓨터의 MAC 주소를 알아내어 이더넷 프레임을 만든다. 
  • ARP 테이블 : 출발지 컴퓨터에서 목적지의 MAC 주소를 얻은 후에 메모리에 저장하는 MAC 주소와 IP 주소의 매핑 정보로, 이후 데이터 통신은 자신의 컴퓨터에 보관된 ARP 테이블을 참고한다.
  • IP 주소가 바뀌면 MAC 주소도 함께 바뀌므로, 제대로 통신할 수 없으니, ARP 테이블에서는 보존 기간을 ARP 캐시로 지정하고, 일정 시간이 지나면 삭제한다. ARP 캐시의 내용을 확인하거나, 강제로 삭제하는 명령어가 운영체제마다 있다.

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 이더넷 규격 

 

• 이더넷 규격은 케이블의 종류나 통신 속도에 따라 다양한 규격으로 분류된다. 

규격 이름	통신 속도	케이블	케이블 최대 길이	표준화 속도
10BASE5	10Mbps	동축케이블	500m	1982년
10BASE2	10Mbps	동축케이블	185m	1988년
10BASE-T	10Mbps	UTP케이블(Cat3이상)	100m	1990년
100BASE-TX	100Mbps	UTP케이블(Cat5이상)	100m	1995년
100BASE-T	1000Mbps	UTP케이블(Cat5이상)	100m	1999년
10GBASE-T	10Gbps	UTL케이블(Cat6a이상)	100m	2006년

   10     BASE  - T
[통신속도][전송방식][케이블]

• 규격 이름에서 첫번째는 Mbps 단위의 통신속도를 의미하고, BASE는 BASEBAND라는 전송방식을 나타낸다. T는 케이블 종류를 말한다. 케이블 종류를 표시할 때는 동축 케이블과 UTP 케이블의 표현 형식이 다르다.
  • 동축 케이블은 케이블의 최대길이를 100미터 단위로 표시한다.
  • UTP 케이블은 하이픈(-) 뒤에 케이블의 종류를 표시한다.
• 최근 컴퓨터의 랜 포트는 1000BASE-T가 일반적이다(2018년 6월 기준). 점점 10GBASE-T도 많이 사용되고 있다.

BASEBAND란?
숫자 정보를 전기 신호로 변환할 때, 아날로그 신호가 아닌 디지털 신호를 그대로 수신측에 전송하는 방식을 말하며, 장거리 전송보다는 근거리 통신 방식에 적합하다.
출처 : https://m.blog.naver.com/PostView.nhnblogId=jvioonpe&logNo=220227244403&proxyReferer=https:%2F%2Fwww.google.com%2F