(CS) 네트워크 - 물리 계층과 데이터 링크 계층

이더넷(Ethernet)

• 통신 매체를 통해 신호를 송수힌하는 방법, 데이터 링크 계층에서 주고받는 데이터(프레임) 형식등이 정의된 기술
• 대부분의 유선 LAN은 이더넷을 기반으로 구현되어 있음

 

이더넷 표준

• IEEE 802.3이라는 이름으로 국제 표준화된 기술 → 이더넷과 관련된 다양한 표준들의 모음에 가까움!!
• 새로운 이더넷 표준들은 802.3뒤에 붙은 알파벳으로 버전을 나타냄
  • 오늘날의 유선 LAN 대부분이 이더넷 표준을 따르기 때문에, 대다수의 LAN 장비들이 특정 이더넷 표준을 따름
  • 이더넷 표준이 달라지면 통신 매체 종류, 신호 송수신 방법, 최대 지원속도가 달라질 수 있다.

 

이더넷 프레임

• 이더넷 기반의 네트워크에서 주고받는 프레임
• Ethernet 2 프레임이라고 부름
• 프리앰블, 수신지 MAC 주소등의 정보를 포함하고 있음

이더넷 프레임

 

1. 프리앰블(preamable)

• 송수신지 동기화를 위해 사용되는 8바이트(64비트) 크기의 정보
• 첫 7바이트는 "10101010", 마지막 바이트는 "10101011"이라는 값을 가짐
• 수신자 입장에서는, 이 프리앰블 비트를 통해 현재의 이더넷 프레임이 수신되고 있다는 사실 확인 가능

2. 송수신지 MAC 주소 (MAC address)

• 프레임에서 가장 중요한 정보
• 송신지, 수신지를 특정할 수 있는 6바이트(48비트) 길이의 MAC 주소가 명시됨
• 콜론 ( : )으로 구분된 12자리 16진수로 구성
  • MAC 주소 ex) ab:cd:ab:cd:00:01
• MAC 주소는 물리적 주소라고도 하며, 네트워크 인터페이스마다 하나씩 부여되는 주소
• 네트워크 인터페이스 : 네트워크를 향하는 통로, 연결 매체와의 연결 지점 의미 하며, NIC 장치가 네트워크 인터페이스를 담당함
• NIC가 여러개인 상황 == 네트워크 인터페이스 여러개 == 한 호스트가 여러개의 MAC 주소 가질 수 있음

3. 타입/길이 (type / length)

• MAC 주소의 타입/길이 필드에 명시된 크기
  • 1500 이하 (16진수 기준 05DC) : 프레임의 크기
  • 1536 이상 (16진수 기준 0600) : 타입
• 타입은 캡슐화된 상위 계층의 정보를 의미 → 타입을 통해 어떤 상위 계층 프로토콜이 캡슐화 되었는지 파악 가능
  • ex) IP(IPv4)가 캡슐화된 정보 운반시 타입 : 16진수 0800, ARP 프로토콜이 캡슐화된 정보 운반시 타입 : 16진수 0806

4. 데이터 (data)

• 상위 계층으로 전달하거나 전달 받을 데이터(페이로드)가 명시
• 데이터 필드에 포함될 수 있는 데이터의 최대 크기는 정해져있음!!!
• 일반적으로 1500 바이트 이하로 제한, 이상의 크기는 여러 패킷으로 나뉘어 보내짐
• 1500 : 이더넷 프레임으로 전송 가능한 최대 데이터의 크기 이자, 네트워크 계층 패킷(헤더 + 페이로드)의 최대 크기를 지칭하는데 사용됨 → MTU라고 함

5. FCS (Frame Check Sequence)

• 트레일러로, 프레임의 오류가 있는지의 여부를 확인하기 위한 필드
• CRC(Cyclic Redundancy Check) 라는 오류 검출용 값이 명시
• 송신지에서 전송할 데이터 & 데이터에 대한 CRC → 수신징에서 전달받은 데이터에 대한 CRC 값 계산하여 대조 → 두 값이 같을 경우 프레임에 오류 없다고 판단함

 

유무선 통신 매체

유선 매체 - 트위스티드 페어 케이블(twisted pair cable)

트위스티드 페어 케이블

• 구리선을 통해 전기적으로 신호를 주고받는 통신 매체
• 카테고리(category)를 통해 케이블의 성능 파악이 가능함. 즉, 성능을 구분하는 등급 역할

 

주요 카테고리 종류

• 구리선으로 전기적 신호 교환 → 주변 잡음(noise)에 취약 → 철사, 포일로 감싸서 노이즈 방지
• 차폐(shielding) : 구리선 주변을 보호해 노이즈를 감소시키는 방식
• 철사 : 브레이드 실드(braided shield), 포일 : 포일 실드(foil shield)
• 브레이드 실드로 노이즈 감소 시킨 케이블 → STP(Shielded Twisted Pair) 케이블
• 포일 실드로 노이즈 감소 시킨 케이블 → UTP(Unshielded Twisted Pair) 케이블

실드 세분화

 

 

무선 매체 - 전파와 WiFi

• 전파 : 3kHz ~ 3THz 사이의 진동수를 갖는 전자기파 (2.4GHz, 5GHz는 알아둘 것)
• 와이파이 : IEEE 802.11 표준을 따르는 무선 LAN 기술

WiFi 세대 및 표준 규격

• 같은 주파수 대역을 사용하는 여러 무선 네트워크 존재 가능 → 2.4GHz, 5GHz 대역을 사용하는 무선 네트워크가 여러 개 존재할 수 있음.
• 단, 주파수 대역이 겹치면 신호 간섭 발생 가능 (ex. 2개의 무전기가 같은 주파수 사용시, 소리 섞임) → 채널(channel)이라는 하위 주파수 대역으로 세분화

채널

• 2.4GHz 기준으로 1, 6, 11은 서로 간섭 X → 성능 저하 X
• 2.4GHz 기준으로 1, 2, 3은 서로 간섭 O → 신호 간섭으로 성능 저하 O 

AP 와 SSID

 

 

네트워크 인터페이스 : NIC(Network Interface Controller)

• 네트워크 인터페이스 : 네트워크 상에서, 노드와 통신 매체가 연결되는 지점 
• 노드와 네트워크 사이의 통로
• 네트워크 인터페이스 마다 MAC(물리적 주소)가 부여되며, NIC라는 하드웨어가 네트워크 인터페이스 역할 담당
• NIC : 네트워크 인터페이스 카드, 네트워크 어댑터, LAN 카드, 네트워크 카드 등 다양한 명칭으로 불리는 하드웨어
  • 통신 매체의 신호를 호스트가 이해하는 프레임으로 변환 or 호스트가 이해하는 프레임을 통신 매체의 신호로 변환하는 역할
  • MAC 주소를 토대로 잘못 전송된 패킷이 없는지 확인하는 역할을 하기도 함

동작 방식

• NIC 성능 향상 방법 
  • 1. 고가의 NIC 구비하기
  • 2. 여러 물리적인 NIC를 하나의 고속 NIC처럼 구성 → 티밍(teaming) - (window) or 본딩(bonding) - (Linux)이라고함

 

허브와 스위치

• 물리 계층과 데이터 링크 계층의 중간 노드
• 최근에는 스위치를 많이 사용함
• 허브는 전이중/반이중 통신, 브로드캐스트 통신의 특징이 잘 나타난 네트워크 장비

 

물리 계층의 허브

• 여러 대의 호스트를 연결한는 장치로 리피터 허브(repeater hub)라고 칭함.
• 허브에서 케이블의 커넥터가 꽃히는 부분(통신 매체를 연결하는 지점)을 포트라고함

허브 사진

• 허브의 특징
  • 1. 전달받은 신호를 모든 포트로 내보낸다
  • 2. 반이중 모드로 통신한다

허브 특징 1번.

• 반이중(half duplex) 모드
  • 송신 or 수신을 번갈아 가면서 수행해야 하는 통신 방식 == 동시 송수신이 불가능한 상태(ex. 무전기)
• 전이중(full duplex) 모드
  • 동시 송수신이 가능한 상태 (ex. 전화)
  • 데이터 링크 계층의 네트워크 장비인 스위치는 전이중 모드 지원

충돌 / 충돌 모메인 설명 사진

 

 

데이터 링크 계층의 스위치

• 스위치 : 허브의 한계를 보완하기 위한 네트워크 장비
• 전달받은 신호를 목적지 호스트가 연결된 포트로만 내보냄
  • MAC 주소 학습 기능이 있기 때문에 가능한 것!
• 전이중 모드 지원 → 허브 대비 콜리전 도메인이 좁음

데이터 링크의 스위치 (L2)

• 데이터 링크 계층에서 주고받은 프레임의 형태 (스위치의 주요 기능 1)
  • 프레임 헤더에 MAC 주소 명시!!!
  • 스위치는 데이터 링크 계층에 속한 장비 → MAC 주소 이해 가능
  • 프레임 속 MAC 주소 기반 어떤 포트에 어떤 MAC 주소를 가진 호스트가 연결되어 있는지 파악 → 대응 관계를 테이블의 형태로 메모리에 저장(MAC 주소 테이블)
  • MAC 주소  테이블을 생성하고 참조가능 → 목적지 호스트가 연결된 포트로만 내보낼수 있는것!

MAC 주소 테이블 설명 사진

 

• VLAN(Virtual LAN) (스위치의 주요 기능 2)
  • 같은 스위치에 연결된 모든 호스트를 하나의 네트워크로 간주하고 싶지 않을때, 여러 논리적 네트워크로 나누고 싶을때 사용
  • 호스트 A ~ I 가 있을때, 2개의 논리적인 네트워크(VLAN)으로 나누는 예시임
    • A ~ D , E ~ I 그룹으로 2개씩 나눠짐
    • VLAN1의 브로드캐스트 메시지가, VLAN2에 도달하지 않음!
    • A ~ D , E ~ I 가 서로 통신하려면, 네트워크 계층 이상의 장비 필요!!

VLAN 기능 예시 사진