[네트워크] 물리 계층, 데이터 링크 계층

이더넷 (Ethernet)

통신 매체를 통해 신호를 송수신하는 방법, 데이터 링크 계층에서 주고받는 데이터(프레임) 형식 등이 정의된 기술

대부분의 유선 LAN은 이더넷을 기반으로 구현되어 있음

이더넷 표준

국제 표준화된 기술

• 네트워크 장비들이 관련 표준을 준수하여 제작되어서 서로 다른 제조사의 네트워크 장비라도 LAN내의 모든 컴퓨터가 해당 네트워크와 문제없이 호환됨
• 이더넷 표준이 달라지면 통신 매체의 종류와 같이 신호 송수신 방법, 최대 지원 속도 등이 달라짐

최신 이더넷 표준을 준수하는 네트워크 장비는 일반적으로 최대 지원 속도가 빠른 경우가 많음

이더넷 프레임 (Ethernet Frame)

이더넷 기반의 네트워크에서 주고받는 프레임

프레임을 구성하는 5가지: 프리앰블, 송수신지 MAC 주소, 타입/길이, 데이터, FCS

프리앰블 (preamble)

송수신지 동기화를 위해 사용되는 8바이트 크기의 정보

수신지 입장에서는 프리앰블 비트를 통해 이더넷 프레임이 수신되고 있다는 사실을 알아차림

송수신지 MAC 주소

송신지와 수신지를 특정할 수 있는 6바이트 길이의 MAC 주소 명시

12자리 16진수로 구성

MAC 주소: 네트워크 인터페이스마다 부여되는 주소

NIC: 네트워크 인터페이스 담당

네트워크 인터페이스가 여럿이라면 한 호스트가 여러 개의 MAC 주소를 가질 수 있음

타입/길이

MAC주소의 타입/길이 필드에 명시된 크기가 1500이하라면 프레임 크기

1536이상이면 타입을 나타냄

타입은 캡슐화된 상위 계층을 나타내므로 타입을 통해 어떤 상위 계층 프로토콜이 캡슐화되었는지 알 수 있음

데이터

페이로드 명시

페이로드: 상위 계층으로 전달하거나 전달받을 데이터

최대 1500바이트 이하로 제한

1500을 초과하면 여러 패킷으로 나눠 보냄

FCS (Frame Check Sequence)

트레일러

프레임의 오류가 있는지 여부를 확인하기 위한 필드

CRC(Cycle Redundancy Check)라는 오류 검출용 값 명시

전송할 데이터에 대한 CRC값을 계산하여 보내면 수신자는 전달받은 데이터에 대한 CRC값을 계산해서 대조

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유무선 통신 매체

통신 매체는 모든 성능의 기본이 되는 경우가 많음

유선 매체 - 트위스티드 페어 케이블

구리선을 통해 전기적 신호를 주고받는 통신 매체

두 가닥씩 꼬아져 있음

트위스티드 페어 케이블의 성능은 카테고리를 통해 알 수 있다.

구리선을 통해 전기적 신호를 주고받으므로 주변 잡음(노이즈)에 취약하다.

그물 모양의 철사나 포일로 감싸 노이즈를 방지

 

sheilding: 구리선 주변을 보호해 노이즈를 감소시키는 방식

• 브레이드 실드: 그물 모양의 철사로 감싸 노이즈 감소
  • STP: 브레이드 실드로 노이즈를 감소시킨 케이블
• 포일 실드: 포일로 감싸 노이즈 감소
  • FTP: 포일 실드로 노이즈를 감소시킨 케이블
• UTP: 아무것도 감싸지 않아 구리선만 있는 케이블

무선 매체 - 전파와 WiFi

전파: 3kHz ~ 3THz 사이의 진동수를 갖는 전자기파

 

유선 LAN에서 가장 많이 활용하는 기술: 이더넷

무선 LAN에서 가장 많이 활용하는 기술: Wi-Fi

 

와이파이에서 주로 사용되는 주파수 대역:  2.4GHz, 5GHz

별개의 무선 네트워크는 같은 주파수 대역을 사용하더라도 서로의 신호에 간섭하지 않아야 한다.

주파수 대역은 같은 대역을 사용하는 서로 다른 무선 네트워크를 구분하기 위해 채널이라는 하위 주파수 대역으로 세분화하여 무선 통신함

무선 네트워크의 성능 저하를 방지하기 위해 신호가 중첩되지 않는 채널을 사용하는 것이 중요

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네트워크 인터페이스: NIC

Network Interface: 네트워크 상에서 노드와 통신 매체가 연결되는 지점

네트워크 인터페이스마다 물리적 주소인 MAC 주소가 부여

 

NIC: 네트워크 인터페이스 역할

통신 매체의 신호를 호스트가 이해하는 프레임으로 변환하거나 호스트가 이해하는 프레임을 통신 매체의 신호로 변환하는 역할 수행

MAC 주소를 토대로 잘못 전송된 패킷이 없는지 확인

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허브와 스위치

물리 계층과 데이터 링크 계층의 중간 노드

물리 계층의 허브 (리피터 허브)

여러 대의 호스트를 연결하는 장치

포트(port): 허브에서 케이블의 커넥터가 꽂히는 부분. 통신 매체를 연결하는 지점

• 전달받은 모든 신호를 모든 포트로 보냄
  • 허브는 신호를 전달받으면 해당 신호에 대한 어떤 조작이나 판단을 하지 않고, 모든 포트에 단순히 신호를 내보냄
• 반이중 모드로 통신
  • 동시 송수신 불가능한 상태 (어느 한 쪽이 송신할 때 다른 쪽은 송신 불가능)

참고) 전이중 모드: 동시 송수신 가능한 상태

데이터 링크 계층의 스위치

허브의 한계를 보완하기 위한 네트워크 장비

• 전달받은 신호를 목적지 호스트가 연결된 포트로만 내보냄
  • 스위치에 MAC 주소 학습 기능이 있음
  • 프레임 속 MAC주소를 토대로 현재 어떤 포트에 어떤 MAC 주소를 가진 호스트가 연결되어 있는지 파악하고, '포트, 연결된 호스트의 MAC주소'의 대응 관계를 테이블의 형태(MAC 주소 테이블)로 메모리에 저장
• 전이중 모드 지원
  • 콜리전 도메인이 좁음
• VLAN(Virtual LAN): 가상의 LAN
  • 같은 스위치에 연결된 모든 호스트를 하나의 네트워크로 간주하고 싶지 않을 때, 여러 논리적인 네트워크로 나누고 싶을 때 사용