데이터 링크 계층 : 랜에서 데이터 전송하기 - 1

목표

• 이더넷을 이해한다.
• CSMA/CD 방식을 이해한다.
• MAC 주소를 이해한다.
• 스위치를 이해한다.
• 충돌 도메인을 이해한다.
• 이더넷 표준을 이해한다.

이더넷이란?

컴퓨터 네트워크에서 가장 널리 사용되는 기술 중 하나입니다. 이더넷을 사용하면 컴퓨터나 기타 장치들이 서로 데이터를 주고받을 수 있으며, 이를 통해 인터넷에 연결되어 있는 여러 대의 컴퓨터나 서버, 스마트폰 등이 서로 통신할 수 있습니다. 이더넷은 일반적으로 랜 케이블을 사용하여 구성되며, 다양한 속도와 거리에 맞게 다양한 종류의 케이블과 장비가 있습니다. 이더넷은 매우 안정적이고 빠른 속도로 데이터를 전송할 수 있습니다.

*** 이더넷은 물리적인 기술일까? ***

네, 이더넷은 물리적인 기술입니다. 이더넷은 랜 케이블과 함께 사용되는 다양한 커넥터와 포트, 리피터, 스위치 등의 장비를 통해 구성됩니다. 따라서 이더넷은 물리적인 매체와 장비에 따라 성능이나 속도가 크게 달라질 수 있습니다.

 

CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)

이더넷에서 여러 개의 컴퓨터가 하나의 물리적인 매체(예: 랜 케이블)를 공유할 때 충돌을 방지하기 위한 프로토콜입니다. CSMA/CD는 각 컴퓨터가 데이터를 전송하기 전에 다른 컴퓨터가 데이터를 전송하고 있는지 확인하고, 만약 충돌이 발생한 경우에는 충돌을 감지하고 재전송을 수행합니다. 이를 통해 이더넷에서 데이터 전송 중에 발생할 수 있는 충돌을 방지하고, 데이터 전송의 안정성과 신뢰성을 높이는 역할을 합니다.

(스위치를 사용하면 충돌이 일어나지 않기 때문에 현재는 거의 사용하지 않습니다.)

 

*** 스위치를 사용하면 충돌이 일어나지 않는 이유? ***

스위치는 데이터 패킷이 수신 포트로 전송되어야 할 대상 컴퓨터를 식별하기 위해 패킷의 목적지 MAC 주소를 참조합니다. 이를 통해, 패킷을 전송받을 목적지 컴퓨터의 포트로만 데이터를 전송하므로 네트워크 성능이 향상됩니다. 스위치는 또한 각 포트마다 독립적인 대역폭을 제공하므로, 동시에 여러 대의 컴퓨터가 데이터를 전송할 때 충돌하는 일이 없습니다. 따라서 스위치는 더욱 빠른 전송 속도와 안정성을 제공하며, 단점은 스위치는 허브나 리피터에 비해 가격이 높고, 설치 및 유지보수 비용이 더 많이 듭니다.

 

MAC주소

MAC 주소란, 네트워크 인터페이스 카드(랜 카드, Network Interface Card, NIC)에 할당된 고유 식별 번호입니다. MAC 주소는 하드웨어적인 레벨에서 할당되며, 전 세계적으로 고유한 주소입니다. MAC 주소는 48비트 길이의 16진수 값으로 표현되며, 보통 콜론(:)을 사용하여 6개의 16진수 블록으로 나눠서 표기합니다. MAC 주소는 스위치나 라우터 등에서 패킷을 전송할 때 사용되며, MAC 주소를 기반으로 네트워크 상에서 특정 디바이스를 식별하고 통신할 수 있습니다.

 

이더넷 프레임의 헤더는 총 14바이트로 구성됩니다. 이 중 6바이트는 목적지 MAC 주소, 6바이트는 출발지 MAC 주소, 2바이트는 프로토콜 유형을 나타냅니다.

(프로토콜 유형 2바이트는 16비트이고, (4비트 * 4)가 됩니다.  이 4비트의 표현 범위는 2 ^ 4 = 16 이므로 16진수 4자리 표현이 가능해집니다.)

 

*** 유형 목록 ***

• IPv4: 0x0800
• ARP: 0x0806
• RARP: 0x8035
• AppleTalk: 0x809B
• IPX: 0x8137
• IPv6: 0x86DD

프레임(frame)이란?

이는 일반적으로 송신 측에서 수신 측으로 전송되는 데이터 블록입니다. 프레임은 일반적으로 송신 측에서 헤더, 페이로드 및 트레일러의 조합으로 구성됩니다. 헤더는 주소 및 제어 정보를 제공하고, 페이로드는 전송되는 실제 데이터를 포함하며, 트레일러는 데이터 무결성을 위해 체크섬 또는 CRC 값 등의 오류 검출 정보를 제공합니다. 프레임은 물리적인 미디어를 통해 전송되며, 이더넷과 같은 다양한 프로토콜에서 사용됩니다.

*** FCS(Frame Check Sequence) ***

데이터 프레임의 무결성을 검사하기 위한 기술적인 제어 정보입니다. 이 값(트레일러)은 데이터 프레임에 포함되며, 프레임이 전송되는 동안 오류가 발생하지 않았는지를 확인하기 위해 사용됩니다. 송신자는 데이터 프레임을 보낼 때 FCS 값을 계산하고, 수신자는 데이터 프레임을 받은 후에 FCS 값을 다시 계산하여 송신자가 계산한 FCS 값과 일치하는지 확인합니다. FCS는 일반적으로 CRC(Cyclic Redundancy Check) 기법을 사용하여 계산됩니다.

 

*** 트레일러(Trailer) *** 

 데이터 패킷의 끝에 추가되는 추가적인 데이터이며, 일반적으로 패킷의 무결성 검사를 수행하는 데 사용됩니다. 트레일러는 패킷 길이, 패딩 및 기타 프로토콜 관련 정보를 포함할 수 있습니다.

 

스위치(스위칭 허브)란?

지난 포스팅에서 스위치가 패킷과 목적지가 있어서 충돌도 없고, 단점은 상대적으로 높은 비용이 드는 것으로만 학습했었는데, 자세한 설명이 나와 다시 정리합니다.

스위치는 컴퓨터 네트워크에서 여러 대의 컴퓨터나 네트워크 장비를 연결하여 데이터를 전송하는 장비입니다. 스위칭 허브는 패킷 스위칭 기술을 사용하여 송신 컴퓨터에서 수신 컴퓨터로 데이터를 전송합니다. 이 때, 각각의 컴퓨터나 장비는 고유한 MAC 주소를 가지고 있으며, 스위치는 이 MAC 주소를 기반으로 데이터를 전송합니다. 스위치는 빠른 전송 속도와 안정적인 데이터 전송을 지원하여 대규모 네트워크에서 사용됩니다. 또한, 스위치는 포트가 여러 개 있어 여러 대의 컴퓨터를 연결할 수 있으며, 일부 스위치는 VLAN(Virtual Local Area Network)과 같은 고급 기능을 제공합니다.

*** MAC 주소 테이블(MAC Address Table, bridge table) ***

네트워크 스위치(Switch)에서 사용하는 테이블로, 각 포트에 연결된 장치의 MAC 주소와 해당 포트 번호를 매핑하여 저장합니다. 스위치는 네트워크 상의 데이터 전송을 위해 MAC 주소 테이블을 사용합니다. 데이터 프레임이 도착하면, 스위치는 해당 프레임의 출발지 MAC 주소를 확인하여 MAC 주소 테이블에서 해당 MAC 주소의 위치(포트 번호)를 찾습니다. 그리고 목적지 MAC 주소를 확인하여 해당 MAC 주소가 MAC 주소 테이블에 있는지 확인합니다. 만약 MAC 주소가 MAC 주소 테이블에 있다면, 해당 포트로 프레임을 전송합니다. 만약 MAC 주소가 MAC 주소 테이블에 없다면, 스위치는 모든 포트에 프레임을 전송하며, 이를 브로드캐스팅(Broadcasting)이라고 합니다. MAC 주소 테이블은 스위치가 네트워크에서 효율적으로 데이터를 전송할 수 있도록 도와주며, 스위치의 성능에 직접적인 영향을 미치기도 합니다.

 

*** MAC 주소 학습(MAC Address Learning) ***

네트워크 스위치(Switch)에서 사용되는 프로세스입니다. 스위치는 MAC 주소 학습을 통해 각 포트에 연결된 장치의 MAC 주소를 학습합니다. 스위치가 패킷을 수신하면, 수신 포트와 해당 패킷의 출발지 MAC 주소를 MAC 주소 테이블에 추가합니다. 이를 통해 스위치는 더 이상 해당 장치로 전송할 필요가 없는 패킷을 필터링하여 네트워크 트래픽을 최적화합니다. 만약 스위치가 MAC 주소 테이블에 해당 MAC 주소를 가지고 있는 장치를 모르는 경우, 스위치는 브로드캐스트(Broadcast)를 보내어 모든 포트로 패킷을 전송합니다. 이를 통해 해당 장치를 찾을 수 있습니다. MAC 주소 학습은 스위치의 성능과 네트워크의 전체적인 효율성을 높이는데 중요한 역할을 합니다.

 

*** 플러딩 ***
스위치가 수신 포트 이외의 모든 포트에서 데이터를 송신하는 것 입니다.