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(Network - 2) 물리 계층, 데이터 링크 계층

이더넷, NIC, 허브, 스위치에 대해

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들어가기에 앞서 물리 계층(Physical Layer)과 데이터 링크 계층(Data Link Layer)에 대해 다시 한번 살펴보자.

  • 물리 계층 (Physical Layer)
    • 역할: 데이터 전송의 물리적 매체를 다룬다. 1과 0으로 표현되는 물리적인 비트 신호를 주고 받는 계층이다.
    • 기능: 비트 단위(1과 0 표현되는)의 데이터 전송, 물리적 연결 설정 및 유지
    • 예: 케이블, 허브, 네트워크 인터페이스 카드(NIC)
    • 주소의 개념이 없다
    • 물리 계층의 네트워크 장비는 송수신 정보에 대한 어떠한 변경이나 판단을 하지 않는다
  • 데이터 링크 계층 (Data Link Layer)
    • 역할: 물리 계층을 통해 비트가 전송될 때 발생할 수 있는 오류를 탐지하고 수정한다. 쉽게 말해서 네트워크 내 장치 간에 정보를 올바르게 주고받기 위한 계층이다.
    • 기능: 프레임 생성, MAC 주소를 통한 통신(송수신지 특정), 오류 검출 및 수정
    • 예: 이더넷, 스위치
    • 주소의 개념이 존재한다
    • 데이터 링크 계층의 네트워크 장비들은 송수신지를 특정할 수 있고, 주소를 바탕으로 송수신되는 정보에 대한 조작과 판단이 가능하다


TCP/IP에서는 이 두 계층을 묶어서 네트워크 인터페이스 계층(Network Interface; Access Layer)이라고 한다.


1. 이더넷(Ethernet)

이더넷이란

이더넷(Ethernet)은 네트워크의 물리 계층과 데이터 링크 계층에서 주로 사용되는 기술로, 유선 네트워크(특히 LAN 환경)에서 데이터 전송을 위한 표준을 제공한다. 이더넷은 프레임을 통해 데이터를 전송하며, 네트워크 장치 간의 신호 전송 방식을 정의한다.

예를 들어보겠다. 두 대의 컴퓨터가 있다고 가정해보자. 이 컴퓨터끼리 정보를 주고받기 위해서는 데이터를 물리적으로 전송하기 위한 케이블(통신 매체)이 있어야 한다. 케이블을 통해 정보를 송수신하기 위한 프로토콜도 정해져있어야 한다.

이더넷은 이런 통신 매체의 규격, 프레임의 형태, 프레임을 주고 받는 프로토콜을 정의한 네트워크 기술에 대한 표준을 제공한다.


ethernethttps://www.javatpoint.com/what-is-ethernet : remade by seungki1011


이더넷 표준

이더넷 표준은 네트워크에서 데이터를 어떻게 전송할지에 대한 규칙과 지침을 정의한 것으로, 다양한 네트워크 장치 간의 상호 운용성을 보장한다. IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)에서 개발한 IEEE 802.3 시리즈 표준이 대표적이며, 이 표준은 이더넷의 물리 계층과 데이터 링크 계층에서의 동작을 정의한다.

쉽게 말해서 허브, 스위치, NIC, 케이블, 등의 물리 계층과 데이터 링크 계층의 네트워크 장비들은 특정 이더넷 표준을 이해하고 따른다고 보면 된다.


이더넷 표준화 그룹 : https://www.ieee802.org/3/


통신 매체 명명 규칙(Ethernet Nomenclature)

이더넷은 유선 네트워크(LAN 환경)에서 데이터를 전송하기 위한 표준을 제공하기 때문에, 통신 매체는 보통 케이블이다.

이더넷 표준에 의한 통신 매체의 표기 형태는 다음과 같다.


cable통신 매체의 표기

  • 전송 속도(Transmission Rate)
    • 숫자만 표기 : Mbps
    • 숫자뒤에 G 표기 : Gbps
    • 예시
      • 100BASE-T : 100Mbps
      • 100GBASE-T : 100Gbps
  • BASE
    • 전송 방식이 베이스밴드(Baseband)라는 의미
    • LAN 환경에서는 대부분 베이스밴드를 사용한다
    • BROAD로 표기하는 브로드밴드도 있지만 크게 신경쓰지 않아도 좋다
  • 추가 특성
    • 전송 매체 유형(Media Type)
      • C(동축 케이블)
      • T(트위스티스 페어 케이블)
      • S(단파장 광섬유 케이블)
      • L(장파장 광섬유 케이블)
      • ETC
    • 전송 가능 최대 거리(Maximum Distance)
      • LR(Long Reach) : 장거리 전송, 싱글모드 광섬유 최대 10km
      • ER(Extended Reach) : 확장된 거리 정송, 싱글모드 광섬유 최대 40km
      • ZR(Ultra-Long Reach) : 초장거리 전송, 싱글모드 광섬유 최대 80km
      • ETC
    • 물리 계층의 인코딩 방식
      • 물리 계층의 인코딩 방식을 나타내기도 한다
      • 예) 100BASE-TX에서 X는 4B/5B 인코딩 방식을 의미
    • 전송로(Lane)의 수
      • 비트 신호를 옮길 수 있는 전송로의 수를 나타내기도 한다
      • 예) 100GBASE-LR4에서 4는 전송로의 수


추가 특성을 나타내는 방식이 제각각 제멋대로 처럼 느껴질 수 있다. 이는 각 표준이 저의될 당시의 기술적 한계와 요구사항, 다양한 사용 시나리오가 계속 변해왔기 때문이다.

이더넷은 지금도 발전하고 있다. 규격별로 지원하는 속도도 점차 빨라지고 있다. 지금도 새로운 이더넷 표준들이 만들어지고 있다. 통신 매체의 표기 형식에 너무 매몰될 필요 없다. 개발자의 입장에서는 대략적으로 파악하기만 해도 괜찮다.


이더넷 프레임(Ethernet Frame)

이더넷 프레임(Ethernet frame)은 이더넷 네트워크에서 데이터를 전달하는 기본 단위이다. 이더넷 프레임은 상위 계층으로 부터 받아들인 데이터에 헤더와 트레일러를 추가하는 캡슐화 과정을 통해 만들어진다. 수신의 입장에서는 프레임의 헤더와 프레일러를 제거하고 상위 계층으로 보내는 역캡슐화 과정을 거친다. 프레임은 다양한 필드로 구성되며, 각 필드는 특정한 목적을 가지고 있다.


eframeEthernet Frame

  • 프리앰블(Preamble)
    • 길이: 7바이트 (56비트)
    • 네트워크 디바이스가 수신을 준비하도록 신호를 보내는 역할
    • 7바이트 동안 10101010 패턴이 반복된다
    • 수신 장치는 해당 패턴을 감지하고 동기화한다
  • SFD(Start Frame Delimiter)
    • 길이: 1바이트 (8비트)
    • 프리앰블의 끝에 위치하며, 프레임의 시작을 알린다
    • 10101011 패턴을 가진다
    • 수신 장치는 이 패턴을 감지하고 프레임이 시작됨을 인식한다
  • 목적지 MAC 주소(Desitination MAC Address)
    • 길이: 6바이트 (48비트)
    • 프레임이 전달될 목적지의 MAC 주소를 나타낸다
  • 출발지 MAC 주소(Source MAC Address)
    • 길이: 6바이트 (48비트)
    • 프레임을 보낸 출발지 디바이스의 MAC 주소를 나타낸다
  • 타입/길이(Type/Length)
    • 길이: 2바이트 (16비트)
    • 전송되는 데이터의 프로토콜 타입(IPv4, IPv6) 또는 데이터 필드의 길이를 나타낸다
    • 1500이하면 데이터 필드의 길이, 1536 이상의 값이면 상위 계층 프로토콜 타입을 나타낸다
    • 0x0800 : IPv4
    • 0x86DD : IPv6
    • 0x0806 : ARP
  • 데이터(Data)
    • 길이: 46~1500바이트
    • 상위 계층에서 전달받거나 상위 계층으로 전달할 내용. 보통 네트워크 계층의 데이터와 헤더를 합친것이 포함된다.
    • 실제 전송되는 페이로드(Payload)를 포함한다
    • 반드시 46바이트 이상이어야 한다. 만약 46바이트 이하면 크기를 맞추기 위해서 패딩(0)이 채워진다.
  • FCS(Frame Check Sequence)
    • 길이: 4바이트 (32비트)
    • 오류 검출을 위해서 사용한다
    • 송신 장치는 프레임의 모든 필드를 사용해서 CRC(Cyclic Redundancy Check)를 계산하고, 해당 결과를 FCS에 추가한다
    • 수신 장치는 프레임을 수신해서 동일한 방식으로 CRC를 계산하여 FCS와 비교해서 데이터의 무결성을 체크한다
    • 만약 비교값이 일치하지 않으면 오류가 있다고 판단하고 해당 프레임을 폐기한다


MAC 주소

네트워크 인터페이스마다 부여되는 6바이트(48비트) 길이의 주소. MAC을 통해서 LAN 내의 수신지와 송신지를 특정할 수 있다. MAC은 보통은 고유하고 변경되지 않는 주소로 인터페이스에 부여된다. NIC(Network Interface Controller)라는 장치가 네트워크 인터페이스 역할을 한다. 하나의 컴퓨터에 NIC가 여러개 있다면 여러개의 MAC 주소도 가능하다.

MAC은 반드시 고유하고 변경되지 않는 것은 아니다. 그러나 동일 네트워크 내에서 동작하는 기기의 MAC 주소가 같은 확률은 낮다.


2. 물리 계층(Physical Layer)

NIC(Network Interface Controller)

네트워크 인터페이스 카드(Network Interface Card, NIC)는 컴퓨터와 네트워크 간의 연결을 가능하게 하는 하드웨어 장치다. NIC는 네트워크 상의 다른 컴퓨터 및 장치들과 데이터를 주고받을 수 있도록 도와주며, 컴퓨터가 네트워크에 접속할 수 있도록 하는 중요한 역할을 한다. NIC는 이더넷 카드, 네트워크 어댑터 또는 랜 카드(LAN Card)라고도 불린다.

NIC는 기본적으로 호스트(컴퓨터)와 통신 매체(케이블)을 연결하고 MAC 주소가 부여된다.


nichttps://community.fs.com/article/nic-card-guide-for-beginners-functions-types-and-selection-tips.html


NIC의 주요 구성 요소를 살펴보자.

  • 컨트롤러(Controller)
    • NIC의 핵심 부품으로, 데이터 처리를 담당한다
    • 데이터의 송수신, 오류 검출 및 수정, 데이터 패킷의 분해 및 재조립 등을 수행한다
  • 메모리(Memory)
    • NIC는 데이터를 임시로 저장하기 위한 메모리를 포함한다
    • 송수신 버퍼와 같이 데이터가 네트워크로 전송되거나 컴퓨터로 전달되기 전에 저장되는 공간을 제공한다
  • MAC 주소(MAC Address)
    • NIC는 고유의 MAC 주소를 가지고 있다
    • 이 주소는 네트워크 상에서 장치를 식별하는 데 사용된다
    • MAC 주소는 제조 과정에서 할당되며, 48비트로 구성된다
  • 트랜시버(Transceiver)
    • 트랜시버는 전기 신호와 디지털 데이터 간의 변환을 담당한다
    • 트랜시버는 데이터를 전송할 때 디지털 데이터를 전기 신호로 변환하고, 데이터를 수신할 때 전기 신호를 디지털 데이터로 변환한다
  • 인터페이스 포트(Interface Port)
    • NIC는 네트워크 케이블을 연결하기 위한 포트를 제공한다
    • 이더넷 카드의 경우 RJ-45 포트를 사용한다
  • 드라이버(Driver)
    • 드라이버는 운영 체제와 NIC 간의 통신을 가능하게 하는 소프트웨어이다
    • 드라이버는 NIC의 하드웨어 기능을 제어하고, 네트워크 통신을 관리한다


허브(Hub)

허브 소개

허브는 네트워크의 기본적인 연결 장치로, 데이터를 단순히 전달하고 모든 포트로 방송한다. 보통 작은 네트워크에서 사용될 수 있다. 그러나 오늘날은 허브가 가지는 한계 때문에 현대 네트워크에서는 스위치(Switch)와 라우터(Router)와 같은 더 고급 장치들로 대체되는 추세이다.


hub2Hub


이제부터 허브의 동작을 살펴보고, 허브의 단점인 충돌(collision)과 단점을 해결하기 위한 프로토콜인 CSMA/CD에 대해 알아보자.


반이중 모드(Half Duplex)

물리 계층에서는 주소의 개념이 없기 때문에 허브는 수신지를 특정할 수 없다. 이 말은 허브는 신호를 전달받으면 데이터를 송신지를 제외한 모든 포트에서 내보내기만 한다. 허브를 통해 해당 신호를 전달받은 호스트는 데이터 링크 계층에서 패킷의 MAC 주소를 확인하고 자신과 관련이 없는 주소는 폐기한다.


허브는 패시브 허브(Passive Hub) vs 액티브 허브(Active Hub)로 나눌 수 있다

  • 패시브 허브
    • 데이터를 단순히 전송만 하며, 신호를 증폭하거나 재생하지 않는다
  • 액티브 허브
    • 리피터(repeater)라는 장치가 내장되어 수신한 신호를 증폭하거나 재생하여 더 먼 거리로 데이터를 전송할 수 있다
    • 허브는 대부분 리피터가 내장된 액티브 허브이다


허브는 기본적으로 반이중 모드(Half Duplex Mode)로 동작한다. 반이중 모드는 데이터가 한 번에 한 방향으로만 전송될 수 있는 모드이다. 예를 들어 A 장치가 B 장치로 데이터를 보내는 동안에는 B 장치가 데이터를 보낼 수 없다.


halfduplex반이중 모드(Half Duplex Mode)


이런 반이중 모드의 단점은 한 호스트가 허브에 송신하는 동안 다른 호스트는 송신을 하고 싶어도 대기를 해야한다. 더 큰 문제는 호스트가 동시에 허브에 송신하는 경우이다. 이 경우 신호가 충돌이 난다고 해서 충돌(Collision)이 발생했다고 한다.

콜리전이 발생할 수 있는 영역을 콜리전 도메인(Collision Domain)이라고 한다. 위의 그림에서는 하나의 허브에 연결된 모든 호스트가 같은 콜리전 도메인 안에 속한다고 보면 된다. 이런 콜리전 도메인이 크면 클수록 콜리전 발생 가능성이 높아진다. (콜리전 도메인이 크다는 것은 그만큼 하나의 허브에 여러개의 호스트가 연결되었다는 뜻이다.)

이런 문제는 해결하기 위한 해결법 중 하나는 CSMA/CD 프로토콜을 사용하는 것이다.


전이중 모드(Full Duplex Mode)

데이터가 동시에 양방향으로 전송될 수 있는 모드이다. 예를 들어, A 장치가 B 장치로 데이터를 보내면서 동시에 B 장치로부터 데이터를 받을 수 있다.

전이중 모드는 충돌이 발생하지 않으므로, 반이중 모드보다 네트워크 효율성이 좋다. 허브는 전이중 모드를 지원하지 않는다.


CSMA/CD

CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)는 이더넷 네트워크에서 데이터 충돌을 방지하고 처리하기 위해 사용되는 프로토콜이다. 이 프로토콜은 네트워크 장치가 데이터를 전송할 때 발생할 수 있는 충돌을 탐지하고 해결하는 방법을 정의한다.

  • CS(Carrier Sense)
    • 데이터를 보내기 전에 현재 네트워크상에서 전송 중인 것이 있는지 확인을 먼저 한다. 쉽게 말해서 현재 통신 매체의 사용 가능 여부를 확인한다.
    • 한국어로 캐리어 감지를 뜻한다
  • MA(Multiple Access)
    • 캐리어 감지를 해도 2개 이상의 호스트가 동시에 네트워크를 사용하려고 시도할 수 있다. 여러대의 호스트가 동시에 네트워크에 접근하는 상황을 다중 접근(Multiple Access)이라고 한다.
    • 이렇게 동시에 접근하는 경우 충돌(Collision)이 발생한다
  • CD(Collision Detection)
    • 충돌이 발생하면 검출한다
    • 충돌을 감지하는 경우 전송이 중단된다
    • 충돌을 감지한 호스트는 다른 호스트들에게 충돌이 발생했음을 알리는 잼 신호(Jam Signal)을 보낸다
  • 백오프 알고리즘(Backoff Algorithm)
    • 충돌 감지 이후 호스트는 임의의 시간을 대기하고 재전송을 시도하는데, 이 임의의 대기시간을 결정하는 것이 백오프 알고리즘이다


csmacdhttps://www.researchgate.net/figure/Flow-diagram-for-the-CSMA-CD_fig3_323511648


스위치(Switch)

스위치 소개

스위치(Switch)는 네트워크 내에서 데이터 프레임(Data Frame)의 전달을 제어하며, 이를 통해 네트워크의 데이터 전달 효율성을 높인다. 2계층인 데이터 링크 계층에서 사용한다고 해서 L2 스위치라고 부르기도 한다.

바로 위에서 CSMA/CD를 통해 허브의 충돌을 해결하는 방법을 알아보았다. 그러나 CSMA/CD 보다 더 근본적인 해결책이 있다. 그것은 바로 전달받은 신호를 수신지 호스트가 연결된 포트로만 내보내고, 전이중(Full Duplex) 모드로 통신하는 것이다.

스위치가 이러한 기능을 지원한다.


MAC 주소 학습

스위치의 MAC 주소 학습은 네트워크 내 장치들의 물리적 위치를 파악하고, 데이터 프레임을 정확하게 전달하기 위해 MAC 주소 테이블을 동적으로 구축하고 업데이트하는 과정이다. 이 과정은 네트워크 성능을 최적화하고, 불필요한 트래픽을 줄이기 위해 매우 중요하다.

MAC 주소 학습을 다시 요약해서 설명하자면.

  • 네트워크 내 장치들의 물리적 위치를 파악한다
    • 특정 포트(Port)와 그 포트에 연결된 호스트의 MAC 주소와의 관계를 기억한다는 뜻이다
  • MAC 주소 테이블을 동적으로 구축하고 업데이트하는 과정
    • 스위치는 MAC 주소 학습을 위해서 포트와 연결된 호스트의 MAC 주소 간 관계를 메모리에 표 형태로 기억한다
    • 이 표를 MAC 주소 테이블(MAC Address Table, CAM)이라고 한다


MAC 주소 학습을 통해서 원하는 주소로 데이터 프레임을 정확하게 전달할 수 있다.


스위치 작동 방식(MAC 주소 학습의 동작 원리)

스위치의 작동 방식을 살펴보자.


switchaniswitch

호스트A에서 호스트C로 프레임을 보내는 상황이라고 가정해보자. (MAC 주소 테이블을 편의상 주소 테이블이라 부르겠다)

  1. 초기에는 포트와 호스트들의 MAC 주소의 연관관계를 알지 못하기 때문에 주소 테이블은 비어있다
  2. MAC 주소 학습을 시작한다
    • 호스트A에서 보낸 프레임에는 송신지 MAC 주소(호스트A의 MAC 주소) 필드가 있다
    • MAC 주소 학습은 해당 필드를 바탕으로 이루어진다
    • 호스트A의 MAC 주소 필드(11:11:11:11:11:11)를 포트 번호(1)에 맞게 주소 테이블에 저장한다
  3. 호스트A에서 호스트C로 보내는 상황이지만 여전히 호스트C의 MAC 주소를 모른다
  4. Flooding이 일어난다
    • 스위치는 마치 허브(Hub)처럼 송신지 포트를 제외한 모든 포트로 프레임을 전송한다
    • 호스트B, C, D는 프레임을 전달 받는다
    • 호스트B와 C는 관련이 없는 프레임을 받았기 때문에 해당 프레임을 폐기한다
  5. 호스트C는 스위치로 응답 프레임(Response Frame)을 전송한다
    • 해당 프레임의 송신지 MAC 주소는 호스트C의 MAC 주소
    • 이를 바탕으로 MAC 주소 학습에 의해 주소 테이블에 기록된다
  6. 이제 호스트A와 호스트C의 주소는 주소 테이블에 전부 기록되었다
    • 스위치에서는 호스트B, D로 가는 프레임은 Filtering한다
    • 호스트C로 프레임을 Forwarding한다
  7. 주소 테이블에는 Aging Timer도 같이 저장되기 때문에, 일정 시간 동안 트래픽이 없으면 타이머가 끝난 항목들은 전부 지워진다


VLAN(Virtual LAN)

스위치의 VLAN(Virtual Local Area Network) 기능은 네트워크 관리와 보안을 향상시키기 위해 물리적 네트워크를 논리적으로 분할하는 기술이다. VLAN을 사용하면 하나의 물리적 네트워크 장비 내에서 여러 개의 독립적인 논리적 네트워크를 생성할 수 있다. 이를 통해 네트워크 관리자는 더 효율적이고 안전한 네트워크 환경을 구축할 수 있다.


스위치에 연결된 호스트 중에서 서로 데이터를 주고받을 일이 적거나 브로드캐스트 메세지를 받을 필요가 없어 굳이 같은 네트워크(LAN)에 속할 필요가 없는 호스트들이 존재할 수 있다. 이들을 분리하고자 새로운 스위치를 구입해서 사용하는 것은 낭비다. 이를 해결하기 위해서 사용할 수 있는 것이 VLAN이다.


VLAN을 사용하면 하나의 물리적 스위치에서 여러 개의 논리적 네트워크를 만들 수 있다. 예를 들어, 한 회사의 네트워크에서 각 부서(인사, 마케팅, IT 등)를 별도의 VLAN으로 분할할 수 있다. 이렇게 하면 각 VLAN은 독립적으로 트래픽을 처리하며, 다른 VLAN의 트래픽과 섞이지 않는다.


vlanVLAN Trunking


VLAN을 구성할 수 있는 몇 가지 방법을 알아보자.

  1. 포트 기반 VLAN(Port Based VLAN)
    • 스위치의 포트에 따라 VLAN을 결정하는 방식이다
    • 예) 포트1~4는 VLAN1, 포트5~7은 VLAN2, 포트8은 VLAN3를 배정해서 사용하는 경우
    • 만약 VLAN1에 호스트를 추가하고 싶은데 포트가 부족하면 추가하지 못하는 문제가 발생할 수 있다
    • 문제를 해결하기 위해서 VLAN 트렁킹(Trunking)을 사용할 수 있다
      • 이 방법을 태그 기반 VLAN(Tag Based VLAN)이라고 부르기도 한다
      • VLAN 트렁킹은 스위치 간의 통신을 위한 특별한 포트인 트렁크 포트(Trunk Port)에 VLAN 스위치를 서로 연결하는 방식이다
      • VLAN 트렁킹을 사용하면 같은 스위치에 존재하지 않아도 같은 VLAN에 속하도록 네트워크를 구성할 수 있다
      • 트렁크 포트로 전달받은 프레임이 어느 VLAN이 속하는지 파악하기 위해서 802.1Q 프레임이라는 것을 사용한다
      • 위의 예시 그림이 VLAN 트렁킹을 사용해 VLAN을 구성한 모습이다
  2. MAC 기반 VLAN(MAC Based VLAN)
    • 사전에 설정된 MAC 주소에 따라 VLAN이 결정된다
    • 포트가 VLAN을 결정하는 것이 아니라, 송수신하는 프레임 속 MAC 주소가 호스트가 속할 VLAN을 결정한다
  3. 프로토콜 기반 VLAN(Protocol Based VLAN)
  4. 서브넷 기반 VLAN(Subnet Based VLAN)


Reference

  1. 강민철: 혼자 공부하는 네트워크
  2. James F. Kurose : 컴퓨터 네트워킹 하향식 접근
  3. 널널한 개발자 : 네트워크 기초 이론

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  5. Icon by Yasashii std
  6. Icon by alfanz
1. 컴퓨터 공학(CS), 네트워크
network ethernet frame hub switch csma/cd vlam mac-address
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