1. 이더넷
- 현대 LAN, 유선 LAN 환경에서 가장 대중적으로 사용되는 기술
1) 물리 계층 관련 이더넷 기술(통신 매체)
- 국제 표준으로써의 이더넷
- 이더넷은 IEEE 802.3이라는 이름으로 국제 표준이 됨
- IEEE 802.3 == 이더넷 관련 다양한 표준의 모음 == 이더넷 관련 표준을 만드는 작업 그룹(전문가 단체)
- 수많은 이더넷 표준에 따라 지원되는 네트워크 장비, 통신 매체의 종류, 전송 속도 등이 달라짐
>> 흔히 이더넷 표준에 따라 다음과 같이 표기
(1) 전송 속도
- 숫자만 표기되어 있으면 Mbps 속도
- 숫자 뒤에 G가 붙는 경우 Gbps 속도
(2) 추가 특성
- 통신 매체의 특성을 명시
- 다양한 특성이 명시될 수 있음
(전송 가능한 최대거리 / 물리 계층 인코딩 방식 / 레인(비트 신호를 옮길 수 있는 전송로) 수 등등)
> 가장 중요한 추가 특성
- 통신 매체의 종류
2) 데이터 링크 계층 관련 이더넷 기술(이더넷 프레임 형식)
>> 이더넷 프레임
: 이더넷 네트워크에서 주고받는 프레임
- 캡슐화를 거쳐 송신됨 : 상위 계층 정보 + 헤더 + 트레일러
a. 헤더 - 프리앰블, 수신지 MAC 주소, 송신지 MAC 주소, 타입/길이
b. 페이로드 - 데이터
c. 트레일러 - FCS
(1) 프리앰블
: 이더넷 프레임의 시작을 알리는 8바이트(64비트) 크기의 정보
- 첫 7바이트는 10101010 값을 가지고, 마지막 바이트는 10101011 값을 가짐(정해져 있음)
- 송수신지 간의 동기화를 위해 사용되는 정보(실질적인 정보를 담고 있지 않다)
(2) 수신지 MAC 주소와 송신지 MAC 주소
- '물리적 주소'라고도 불림
- 일반적으로 고유하고, 일반적으로 변경되지 않는 주소
- MAC 주소는 네트워크 인터페이스마다 부여되는 6바이트(48비트) 길이의 주소
- LAN 내의 송수신지 특정
- 일반적으로 NIC 장치가 네트워크 인터페이스 역할을 담당
- 한 컴퓨터에 MAC 주소도 여러개 있을 수 있음
(3) 타입/길이
- 타입 혹은 길이를 명시
- 필드에 명시된 크기가 1500 이하일 경우 : 이 필드는 프레임의 크기(길이)!
- 필드에 명시된 크기가 1536 이상일 경우 : 이 필드는 타입!
* 타입이란?
: 이더타입이라고도 함
- 어떤 정보를 캡슐화했는지를 나타내는 정보
- 대표적으로 상위계층에서 사용된 프로토콜이 명시
(4) 데이터
- 페이로드. 상위 계층에서 전달받거나 전달해야 할 내용
- 최대 크기 : 1500 바이트
- 최소 크기 : 46바이트(46바이트보다 작다면 크기 맞추기 용 데이터 '패딩'이 채워짐. 보통 0으로 채워짐)
(5) FCS
: 오류 검출용 정보 - FCS는 수신한 이더넷 프레임에 오류가 있는지 확인하기 위한 필드
(+) 이더넷 이외의 기술 == 토큰 링
- 호스트들이 링 형태로 연결
- 호스트끼리 돌아가며 토큰이라는 특별한 정보를 교환
- 네트워크 내 다른 호스트에게 메시지를 송신하려면 반드시 이 토큰을 가지고 있어야 함
2. NIC와 케이블
1) NIC와 케이블이란?
(1) NIC(Network Interface Controller)
: 호스트와 통신 매체를 연결(인터페이스 역할)하고, MAC 주소가 부여되는 네트워크 장비
(네트워크 인터페이스 카드, 네트워크 어댑터, LAN 카드, 이더넷 카드 등 다양한 명칭으로 불림)
- 통신 매체 신호와 컴퓨터가 이해하는 정보 상호 변환
- 호스트가 네트워크를 통해 송수신하는 정보는 NIC를 거치게 됨
- 네트워크 인터페이스 역할을 수행
- NIC는 MAC 주소를 인식
- 자신과는 관련없는 수신지 MAC주소가 명시된 프레임 폐기
- FCS필드를 토대로 오류를 검출해 잘못된 프레임을 폐기
- NIC마다 지원되는 속도가 다름(10Mbps ~ 100Gbps) => 네트워크 속도에 영향을 끼침
(2) 케이블
: NIC에 연결되는 물리 계층의 유선 통신 매체
(ex. 트위스티드 페어 케이블, 광섬유 케이블)
a. 트위스티드 페어 케이블
- 생김새 = 커넥터 + 케이블 본체
- '구리 선'으로 전기 신호를 주고 받는 통신 매체
- 구리선은 노이즈에 민감
- 차폐(shielding) - 구리 선 주변을 감싸 노이즈를 감소 시키는 방식
- 방식 1 : 브레이브 실드(그물 모양 철사) / 방식 2 : 포일 실드(포일)
- 실드에 따른 트위스티드 페어 케이블의 분류
- STP - 브레이브 실드로 감싼 케이블
- FTP - 포일 실드로 노이즈를 감소시킨 케이블
- UTP - 아무것도 감싸지 않은 구리 선만 있는 케이블
- 카테고리에 따른 트위스티드 페어 케이블의 분류
- 카테고리가 높을수록 지원가능 대역폭이 높아지며 송수신 가능한 데이터의 양이 많아지고 더 빠른 전송이 가능해짐
- Cat5, Cat5e, Cat6, Cat7...등이 있으며 숫자가 커질 수록 카테고리가 높은것임
b. 광섬유 케이블
- 생김새 = 커넥터 + 본체
- 커넥터 종류가 다양함
- 빛(광신호)을 이용해 정보를 주고받는 케이블
- 전기신호를 이용하는 케이블에 비해 속도도 빠르고, 먼 거리까지 전송이 가능
- 노이즈로부터 간섭받는 영향도 적으므로 대륙 간 네트워크 연결에도 사용
- 광섬유 케이블 본체 내부는 머리카락과 같은 형태의 광섬유로 구성
- 광섬유 중심에는 코어(core) - 코어는 광섬유에서 실질적으로 빛이 흐르는 부분
- 코어를 둘러싸는 클래드(cladding) - 빛이 코어 안에서만 흐르도록 빛을 가두는 역할
- 광섬유 케이블 종류(코어의 지름에 따라)
- 싱글모드 광섬유 케이블(SMF)
- 멀티모드 광섬유 케이블(MMF)
A. 싱글 모드 광섬유 케이블(SMF)
- 코어의 지름이 8~10 마이크로미터
- 코어의 지름이 작으면 빛의 이동 경로가 하나 이상을 갖기 어려움 : '모드가 하나'
- (장점) 신호 손실이 적기에 장거리 전송에 적합
- (단점) 멀티 모드에 비해 일반적으로 비용이 높음
- 싱글 모드 케이블은 파장이 긴 장파장의 빛을 사용
B. 멀티 모드 광섬유 케이블(MMF)
- 코어의 지름이 50~62.5 마이크로미터
- 빛이 여러 경로로 이동할 수 있음 : 모드가 여러개
- 멀티 모드는 싱글 모드보다 전송 시 신호 손실이 클 수 있기에 (싱글 모드에 비해) 장거리 전송에는 부적합
- 멀티 모드 케이블은 싱글 모드에 비해 단파장의 빛을 사용
> Q. 어떻게 구분하나?
> A. 케이블 색상으로 분류함
> 싱글 모드 광섬유 케이블의 본체는 대부분 노란색과 파란색
> 멀티 모드 광섬유 케이블은 오렌지색과 아쿠아색
! 들어 가기에 앞서 !
> 물리 계층에는 주소 개념이 없다
- 단지 호스트와 통신 매체간의 연결과 통신 매체상의 송수신이 이루어질 뿐
> 데이터 링크 계층에는 주소 개념이 있다
- MAC 주소
- 데이터 링크 계층 이상 장비들은 송수신지 특정 가능, 송수신 정보에 대한 조작 가능
3. 허브(물리계층의 대표 장비)
: 여러대의 호스트를 연결하는 장치
- 리피터 허브 or 이더넷 허브
- '포트' : 커넥터를 연결할 수 있는 연결 지점
1) 허브의 특징
(1) 받은 정보는 모든 포트로 내보냄
- 정보에 대한 어떠한 조작,판단 하지 않음(물리 계층 장비이기 때문)
- 전달받은 신호를 다른 모든 포트로 그대로 다시 내보냄
- (데이터 링크 계층에서 패킷의 MAC 주소를 확인하고 자신과 관련없는 주소는 폐기)
- (단점) 불필요한 트래픽이 많아짐
(2) 반이중 통신
- 반이중 모드 : 마치 1차선 도로처럼 송수신을 번갈아 가면서 하는 통신 방식(ex. 무전기)
- 전이중 모드 : 송수신을 동시에 양방향으로 할 수 있는 통신 방식
- 허브는 반이중 통신
+ 참고) 리피터
- 허브 이외의 물리 계층 대표 장비
- 전기 신호가 감소하거나 왜곡되는 것을 방지하기 위해 전기 신호를 증폭시켜 주는 장비
- 리피터는 물리 계층의 장비이므로 신호에 대한 어떤 판단, 조작을 하지 않음(그저 신호를 증폭시키기만 함)
- 허브는 리피텅의 기능을 포함하는 경우가 많음
2) 허브의 특징이 야기하는 문제 충돌
- 동시에 허브에 신호를 송신하면 충돌(콜리전)이 발생
- 허브에 호스트가 많이 연결되어 있을수록 충돌 발생 가능성이 높음
- '콜리전 도메인' : 충돌이 발생할 수 있는 영역(허브에 연결된 모든 호스트는 같은 콜리전 도메인에 속함)
-> 충돌을 피해야 함 -> 콜리전 도메인은 작아야 한다 => '스위치'의 역할
(1) 피하는 방법 1. CSMA/CD 사용
- 반이중 이더넷 네트워크에서 충돌을 방지하는 대표적인 프로토콜(이더넷을 대표하는 송수신 방법)
a. 캐리어 감지(CS)
- 통신 매체의 현재 사용 가능 여부 검사 : 메세지를 보내기 전 현재 전송중인 것이 있는지를 먼저 확인
b. 다중 접근(MA)
- 복수의 호스트가 부득이 동시에 접근할때 : 충돌 발생
c. 충돌 검출(CD)
- 전송 중단, 충돌 발생을 알리는 잼 신호를 보냄
- 임의의 시간 동안 기다린 뒤에 재전송
(2) 피하는 방법 2. 스위치 사용
- CSMA/CD로 어느정도 완화할 수 있지만 보다 근본적인 해결 방법
=> 전달받은 신호를 수신지 호스트가 연결된 포트로만 내보내고, 전이중 모드로 통신하면 됨
4. 스위치(데이터 링크 계층의 대표 장비)
: 허브와는 달리 특정 MAC 주소를 가진 호스트에만 프레임 전달 가능
- 전이중 모드 통신 지원
- (2계층에서 사용한다하여 L2 스위치)
1) 스위치의 주요 기능
(1) 스위치의 MAC 주소 학습 기능
- 전달받은 신호를 원하는 포트로만 내보냄
- 포트별로 콜리전 도메인이 나누어지기에 충돌 위험이 감소
- 특정 포트와 해당 포트에 연결된 호스트의 MAC 주소와의 관계를 기억
- 원하는 호스트에만 프레임을 전달
- 'MAC 주소 테이블' : 스위치 포트와 연결된 호스트의 MAC 주소간의 연관 관계를 나타내는 정보
-> MAC 주소 학습 : 프레임 내 '송신지 MAC 주소' 필드를 바탕으로 이루어짐
a. 플러딩
: 허브처럼 모든 포트로 프레임 전송
- 호스트 B, C, D 프레임 수신 -> 호스트 B와 D는 프레임 폐기
- 호스트 C는 스위치로 응답 프레임 전송
- '송신지 MAC 주소' 필드로 호스트 C의 MAC 주소 학습, MAC 주소 테이블에 기록
b. 포워딩과 필터링
- 호스트 A가 호스트 C에게 프레임을 전송하면
- 스위치는 호스트 B, D가 연결된 포트로는 내보내지 않도록 '필터링'
- 호스트 C가 연결된 포트로 프레임을 '포워딩'
c. 에이징
- 만약 MAC 주소 테이블에 등록된 포트에서 일정 시간 동안 프레임을 받지 못하면 해당 항목은 삭제
- 일정 시간 동안 '송신지 MAC 주소'가 호스트 A가 보낸 프레임을 1번 포트에서 받지 못하면 이 항목은 삭제
+ 참고) 브리지
: 데이터 링크 계층의 스위치와 유사한 장비
- 네트워크 영역을 구획하여 콜리전 도메인을 나누거나 네트워크를 확장
- 브리지는 앞서 설명한 스위치의 기능들도 제공(MAC 주소를 학습, 포워딩, 필터링)
- 다만 단일 장비로서의 브리지는 스위치에 비해 사용 빈도가 줄어드는 추세(스위치의 기능이 더 다양하고 성능도 우수)
(2) 스위치의 VLAN 기능
- 논리적으로 LAN을 분리하는 가상의 LAN, VLAN 구성 가능
- VLAN : 한대의 스위치로 가상의 LAN을 만드는 방법(불필요한 트래픽(플러딩)으로 인한 성능저하 방지)
- 한대의 물리적 스위치를 여러대의 스위치가 있는 것처럼 논리적인 단위로 LAN을 구획
- VLAN은 사실상 다른 LAN : 서로 다른 네트워크로 간주, 브로드캐스트 도메인 달라짐
2) VLAN의 종류
(1) 포트기반 VLAN
- 스위치의 포트가 VLAN을 결정하는 방식
- 특정 포트에 VLAN을 할당한 뒤, 해당 포트에 호스트를 연결하여 VLAN에 참여
- 호스트 A와 B는 VLAN2를 할당한 포트에 연결되어 있으므로 같은 LAN에 속한 셈
- 호스트 C는 VLAN3에 속해 있으므로 호스트 A, B와는 다른 LAN에 속한 셈
(2) MAC 기반 VLAN
- 사전에 설정된 MAC 주소에 따르 VLAN이 결정
- 송수신하는 프레임 속 MAC 주소가 호스트가 속할 VLAN을 결정하는 방식
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