<네트워크> 데이터 링크 계층

 

1. 데이터 링크 계층의 역할과 이더넷

* 이더넷

 - 랜에서 데이터를 주고 받으려면 두 번째 계층인 데이터 링크 계층의 기술이 필요하다.

 

 - 데이터 링크 계층은 네트워크 장비 간에 신호를 주고 받는 규칙을 정하는데, 일반적으로 많이 사용되는 규칙이 이더넷이다. 쉽게 말해 이더넷은 네트워크를 구성하는 방식 중 하나의 방법이며, 오늘날 LAN을 대표하는 가장 대중적인 기술이다.

 

 - 앞서 봤었던 허브를 생각해보자. 데이터를 받으면 연결된 모든 컴퓨터에 보내버린다고 했었다. 이런 경우를 대비해서 규칙이 있다. 목적지 정보를 추가해서 보내는 것인데, 이렇게 하면 다른 컴퓨터는 데이터를 받더라도 무시하게 된다.

 

 - 충돌 : 컴퓨터 여러 대가 동시에 데이터를 보내면 데이터들이 서로 부딪히는 것

 

 - 충돌을 피하기 위해 이더넷은 데이터를 보내는 시점을 늦추는 CSMA/CD 방법을 사용한다.

  - CS : 데이터를 보내려는 컴퓨터가 케이블에 신호가 흐르고 있는지 아닌지를 확인하는 규칙

  - MA : 케이블에 데이터가 흐르고 있지 않다면 데이터를 보내도 좋다는 규칙

  - CD : 충돌이 발생하고 있는지 아닌지를 확인한다는 규칙

 

 - 현재에는 CSMA/CD의 효율이 좋지않아서 스위치라는 네트워크 장비로 충돌을 막는다.

 

2. MAC주소의 구조

* MAC주소

 - 랜카드는 MAC주소라는 번호가 정해져 있으며, 전 세계에서 유일한 번호이다.

 

 - 48비트 숫자로 구성되어 있으며 앞과 뒤의 24비트가 다음과 같이 할당되어 있다.

 

  - OSI 모델에서는 데이터 링크 계층, TCP/IP 모델에서는 네트워크 접속 계층에서 데이터에 이더넷 헤더와 트레일러를 붙인다.

 

 - 이더넷 헤더는 목적지의 MAC주소(6바이트), 출발지의 MAC주소(6바이트), 유형(2바이트) 총 14바이트로 구성되어 있다.

 

 - 이더넷 유형(Ethernet type)은 이더넷으로 전송되는 상위 계층 프로토콜의 종류를 나타낸다.

 

유형 번호	프로토콜
0800	IPv4
0806	ARP
8035	RARP
814C	SNMP over Ethernet
86DD	IPv6

 

 - 위는 프로토콜 종류를 식별하는 16진수 번호를 나타내며 이 번호가 유형에 포함되어 데이터에 붙는다.

 

 - 여기서 트레일러는 FCS(Frame Check Sequence)라고도 하며, 데이터 전송 도중에 오류가 발생하는지 확인하는 용도로 사용한다.

 

 - 위와 같이 이더넷 헤더와 트레일러가 추가된 데이터를 프레임이라 한다. 네트워크를 통해 프레임이 전송되는 것이다.

 

 - 위와 같이 캡슐화된 데이터를 보내면 MAC주소가 도착지와 일치하지 않는 컴퓨터들은 데이터를 파기하고, 일치하는 컴퓨터는 데이터를 수신하여 역캡슐화를 진행한다.

 

* ARP

 - Address Resolution Protocol의 약자로, 목적지 컴퓨터의 IP주소를 이용하여 MAC주소를 찾기위한 프로토콜이다.

 

 - ARP요청 : 이더넷 프레임을 전송하려면 목적지의 MAC주소를 지정해야한다. 출발지가 목적지 주소를 모르면 MAC주소를 알아내기 위해 네트워크에 브로드캐스트를 보낸다.

 

 - ARP응답 : 지정된 IP주소를 가진 컴퓨터가 MAC주소를 응답으로 보낸다.

 

 - ARP테이블 : 출발지는 MAC주소와 IP주소의 매핑 정보를 메모리에 보관한다.

 

 - ARP캐시 : RAM의 한 영역으로, 가장 최근에 변환한 주소를 보관한다. IP주소 변경에 대비해서 보존기간을 ARP캐시로 지정하여 일정시간이 지나면 삭제하고 다시 ARP요청을 하게된다.

 

 - ARP요청과 ARP응답 또는 ARP테이블을 참고하여 출발지는 MAC주소를 얻어 이더넷 프레임을 만든다.

 

3. 스위치

* MAC 주소 테이블

 - 스위치는 데이터 링크 계층에서 동작하며, 레이어 2 스위치 또는 스위칭 허브라고도 불린다.

 

 - MAC 주소 테이블 : 스위치 내부에 스위치의 포트 번호와 해당 포트에 연결되어 있는 컴퓨터의 MAC주소가 등록되는 테이블

 

 - MAC 주소 학습 기능 : 스위치의 전원을 켠 상태에서 목적지 MAC주소가 추가된 프레임이 포함된 데이터가 전송되면 MAC주소 테이블을 확인하고 출발지 MAC주소가 등록되어 있지 않으면 MAC주소를 포트와 함께 등록한다.

 

 - 컴퓨터 1, 2, 3에서 1 -> 3 의 전송이 일어난다고 가정하자.

 

 - 3의 MAC 주소는 아직 MAC주소 테이블에 등록되어 있지 않으므로 송신포트 1외의 2와 3에 데이터가 전송되어 버린다. 이를 플러딩(Flooding)이라 한다.

 

 - 만약 3의 MAC주소가 등록되어 있다면 목적지에만 데이터가 전송되는데 이를 MAC주소 필터링이라 한다.

 

4. 데이터 충돌과 구조

* 전이중 통신과 반이중 통신

 - 전이중 통신 : 데이터의 송수신을 동시에 통신하는 방식

 

 - 반이중 통신 : 회선 하나로 송신과 수신을 번갈아 가며 통신

 

 - 반이중 통신 방식은 데이터를 동시에 전송하면 충돌이 발생한다.

 

 - 컴퓨터 간을 직접 랜 케이블(이 때, 크로스 케이블)로 연결하는 방식이 전이중 통신 방식이다.

 

 - 허브 내부에는 송수신이 나누어져 있지 않으므로 컴퓨터 간을 허브로 연결하면 충돌이 발생한다.

 

 - 이처럼 허브는 송신과 수신을 번갈아 사용하는 반이중 통신 방식을 사용한다.

 

 - 스위치는 전이중 통신 방식으로 데이터를 주고 받을 수 있어서 충돌이 일어나지 않는다.

 

 - 최근에는 충돌이 생기면서 네트워크 지연을 발생시키는 허브 대신 스위치를 내트워크로 사용하는 것이 표준이다.

 

* 충돌도메인

 - 충돌도메인 : 충돌이 발생할 때, 그 영향이 미치는 범위

 

 - 허브는 충돌이 일어나면 연결된 모든 컴퓨터가 하나의 충돌 도메인이 된다.

 

 - 스위치는 전이중 통신방식이므로 충돌이 일어나지 않고 충돌 도메인의 범위도 매우 좁다.

 

5. 이더넷 규격

* 이더넷규격

 - 이더넷은 케이블 종류나 통신 속도에 따라 다양한 규격으로 분류된다.

규격 이름	통신 속도	케이블	케이블 최대 길이	표준화 연도
10BASE5	10Mbps	동축케이블	500m	1982년
10BASE2	10Mbps	동축케이블	185m	1988년
10BASE-T	10Mbps	UTP케이블(Cat3이상)	100m	1990년
100BASE-TX	100Mbps	UTP케이블(Cat5이상)	100m	1995년
1000BASE-T	1000Mbps	UTP케이블(Cat5이상)	100m	1999년
10GBASE-T	10Gbps	UTP케이블(Cat6a이상)	100m	2006년

 - BASE앞의 숫자는 통신 속도를 의미하며, 속도 뒤에 붙는 BASE와 같은 문자는 전송방식을 의미한다.

 

 - 동축 케이블은 케이블의 최대길이를 100m단위로 표시한다.

 

 - UTP케이블은 케이블 종류를 표시한다.

 

 - 랜 포트는 1000BASE-T가 일반적이며, 10GBASE-T도 늘고 있다.

 

 

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참고

 

 

하루 5분 IT기초다지기! - LAN과 ETHERNET(1)

 

이더넷이란? (LAN, WAN, Ethernet, CSMA/CD)

 

 

모두의 네트워크