02. 물리 계층과 데이터 링크 계층

이더넷

통신 매체를 통해 신호를 송수신하는 방법, 데이터 링크 계층에서 주고받는 데이터(프레임) 형식등이 정의된 기술을 말한다.

현대 대부분의 유선LAN은 이더넷을 기반으로 구현되어 있음

 

이너넷 표준

IEEE 802.3이라는 이름으로 국제 표준화가 된 기술이다.

• 오늘날의 (유선)LAN 대부분이 이너넷 표준을 따르기 때문에 대다수의 LAN 장비들이 특정 이더넷 표준을 따른다.
• 이더넷 표준이 달라지면 통신 매체의 종류를 비롯한 신호 송수신 방법, 나아가 최대 지원 속도도 달라질 수 있음

이더넷 프레임

이더넷 기반의 네트워크에서 주고받는 프레임을 말한다. 프레임이 이더넷 프레임을 지칭한다고 봐도 무방함.

프레임은 프리앰블, 수신지 MAC 주소 등의 정보를 포함하고 있다.

 

1. 프리앰블

송수신지 동기화를 위해 사용되는 8바이트(64비트) 크기의 정보로 첫 7바이트는 10101010이라는 값을 가지고 마지막 바이트는 10101011이라는 값을 가진다.

수신자 입장에서는 프리앰블 비트를 통해 현재의 이더넷 프레임이 수신되고 있다는 사실을 알아차림

 

2. 송수신지 MAC 주소

프레임에서 가장 중요한 정보라고해도 됨. 프레임에는 송신지와 수신지를 특정할 수 있는 6바이트 길이의 MAC 주소가 명시된다. 콜론으로 구분된 12자리 16진수로 구성되어 있다. 

예) ab:cd:ab:cd:00:01

 

• MAC주소: 네트워크 인터페이스마다 하나씩 부여되는 주소다. 
• 네트워크 인터페이스: 네트워크를 향하는 통로, 연결 매체와의 연결 지점을 의미한다. 보통 NIC라는 장치가 네트워크 인터페이스를 담당한다. 네트워크 인터페이스 여럿이라면 한 호스트가 여러개의 MAC 주소를 가질 수 있다.

3. 타입/길이

MAC 주소의 타입/길이 필드에 명시된 크기가 1500(05DC) 이하이면 이 필드는 프레임의 크기를 나타낸다.

1536(0600)이상이면 타입을 나타낸다.

타입은 캡슐화된 상위 계층의 정보를 의미하기 때문에 타입을 통해 어떤 상위 계층 프로토콜이 캡슐화되었는지 알 수 있다.

예) IP가 캡슐화된 정보를 운반한다면 타입에는 16진수 0800이 명시되고 ARP 프로토콜이 캡슐화 된 정보를 운반한다면 타입에는 16진수 0806이 명시된다.

 

4. 데이터

데이터 필드에는 상위 계층으로 전달하거나 전달 받을 데이터가 명시된다. 데이터 필드에 포함될 수 있는 데이터의 최대 크기가 정해져있다.

최대 크기는 1500바이트 이하로 제한되어 있다.

이보다 큰 데이터를 보낼 경우에는 여러 패킷으로 나뉘어 보내진다.

 

1500바이트는 이더넷 프레임으로 전송 가능한 최대 데이터의 크기이자 네트워크 계층 패킷의 최대 크기를 지칭하는 데 사용된다. 이 크기를 MUT라 부름

 

5. FCS 

트레일러다. 프레임의 오류가 있는지의 여부를 확인하기 위한 필드로 CRC라는 오류 검출용 값이 명시된다.

송신지에서 전송할 데이터와 전송할 데이터에 대한 CRC값을 계산하여 보내면 수신지에서는 전달받은 데이터에 대한 CRC 값을 계산해 그 값을 전달 받은 CRC 값과 대조한다. 

두 값이 같을 경우 프레임에 오류가 없다고 판단한다.

 

 

유무선 통신 매체

유선 매체 - 트위스티드 페어 케이블

 

대표적인 유선 매체이다. 구리선을 통해 전기적으로 신호를 주고받는 통신매체로 두 가닥씩 꼬아져있는 구리선 때문에 이런 이름이 붙었다.

성능은 카테고리를 통해 알 수 있다. 카테고리는 트위스티드 페어 케이블의 성능을 구분하는 일종의 등급역할을 한다. 

구리선을 통해 전기적인 신호를 주고받기 때문에 전기 신호에 왜곡을 줄 수 있는 주변 잡음에 취약하다.

이러한 잡음을 노이즈라고함.

그래서 그물 모양의 철사나 포일로 감싸 노이즈를 방지하는 경우가 많다.

차폐: 노이즈를 감소시키는 방식. 차폐에 사용된 그물 모양의 철사와 포일은 각 브레이드 실드, 포일실드라고 한다.

 

STP: 브레이드 실드로 노이즈를 감소시킨 케이블

FTP: 포일 실드로 노이즈를 감소시킨 케이블

UTP: 아무것도 감싸지 않고 구리선만 있는 케이블

 

무선 매체 - 전파와 WiFi

전파: 약 3kHz부터 3THz 사이의 진동수를 갖는 전파기파를 의미

2.4GHz, 5GHz: 두 진동수 모두 3kHz부터 3THz 사이에 속한 진동수로 와이파이를 사용할 때 주로 사용한다.

 

와이파이: 무선 LAN에서 가장 대중적으로 사용되는 기술이다. IEE 802.11이라는 표준을 따른다.

 

전파통신을 주고받을 때 주파수 대역이 겹치면 신호의 간섭이 발생할 수 있다.

예) 특정 지역에서 2개의 무전기가 같은 주파수를 사용할 경우, 다른 무전기 소리가 섞여 들릴 수 있음

따라서 같은 주파수 대역을 사용하더라도 서로의 신호에 간섭하지 않게 해야함.

그래서 주파수 대역은 같은 대역을 사용하는 서로 다른 무선 네트워크를 구분하기 위해 채널이라는 하위 주파수 대역으로 세분화되고 해당 채널 대역에서 무선 통신이 이루어진다.

 

2.4GHz 대역 채널에서 1,6,11 채널의 주파수는 중첩되지 않는다. 이 채널을 사용하는 무선 네트워크는 아무리 많은 무선통신이 이루어지더라도 신호간섭으로 인한 성능저하가 발생하지 않는다.

1,2,3번은 중첩될 여지가 많아 자주 발생하는 신호 간섭으로 인해 성능이 현저히 저하될 수 있음. 

무선 네트워크 성능 저하를 방지하려면 신호가 중첩되지 않는 채널을 사용하는게 중요함.

 

네트워크 인터페이스: NIC

네트워크 상에서 노드와 통신 매체가 되는 연결지점을 네트워크 인터페이스라한다. 

노드와 네트워크 사이의 통로와도 같다. 

 

네트워크 인터페이스마다 물리적 주소라고 불리는 MAC주소가 부여되고 NIC라는 하드웨어가 네트워크 인터페이스의 역할을 담당하는것이 일반적이다.

 

• NIC: 네트워크 인터페이스 카드, 네트워크 어댑터, LAN 카드, 네트워크 카드, 이더넷 카드 등 다양한 명칭으로 불리는 하드웨어다.
  통신 매체의 신호를 호스트가 이해하는 프레임으로 변환하거나 호스트가 이해하는 프레임을 통신 매체의 신호로 변환하는 역할을 수행한다. 때론 MAC 주소를 토대로 잘못된 전송 패킷이 업슨ㄴ지 확인한다.

NIC의 동작은 컴퓨터 구조, 운영체제 입출력방식과 동일하다.

NIC를 작동 시키는 시스템 콜이 호출되면 커널 모드로 전환된 뒤에 송수신이 수행되고 입출력이 완료되면 인터럽트를 통해 CPU에게 작업이 완료되었음을 알리게된다. DMA도 대부분 지원함.

 

앤나 NIC는 여느 입출력장치와 마찬가지로 각각의 성능이 다르다. 지원 속도도 다름. 

 

허브와 스위치

물리계층과 데이터 링크 계층의 중간 노드다. 

허브는 요즘에 잘 안쓰고 허브 대신 스위치를 사용하는 경우가 만흥ㅁ

 

물리 계층의 허브

여러 호스트를 연결하는 장치이다. 리피터 허브라고 부르기도 하고 이너넷 네트워크의 허브는 이더넷 허브라고 부르기도함

 

포트: 허브에서 케이블의 커넥터가 꽂히는 부분, 통신 매체를 연결하는 지점

 

특징

1. 전달 받은 신호를 모든 포트로 보낸다
2. 반이중 모드로 통신한다.

 

첫번째특징

해당 신호에 대한 어떠한 조작이나 판단도 하지않고 모든 포트에 단순하게 신호를 보낸다.

 

• 반이중 모드: 송신 또는 수신을 번갈아 가며 수행해야하는 통신 방식을 의미 한 쪽이 송신할 때 다른 쪽은 송신이 불가능함
• 전이중 통신:  전이중 모드로 송수신는 것
• 전이중 모드: 동시 송수신이 가능한 상태를 의미함. 양방향 송수신이 가능한 상태

데이터 링크 계층의 스위치

허브의 한계를 보완하기 위한 네트워크 장비이다. 허브와 달리 전달받은 신호를 목적지 호스트가 연결된 포트만 보내고 전이중 모드를 지원한다. 콜리전 도메인이 허브에 비해 좁다.

 

스위치에 MAC 주소 학습 기능이 있기 때문에 전달 받은 신호를 원하는 포트에만 보낼 수 있음

 

• MAC주소 테이블:스위치는 프레임 속 MAC 주소를 토대로 현재 어떤 포트에 어떤 MAC 주소를 가진 호스트가 연결 되어 있는지 파악하고 '포트, 연결된 호스트의 MAC주소'의 대응 관계를 테이블 형태로 메모리에 저장한다.

스위치가 전달받은 신호를 목적지 호스트가 연결된 포트로만 보낼 수 있는 이유는 다~~~ MAC 주소 테이블을 생성하고 참조할 수 있기 떄문임.

스위치의 또 다른 대표 기능은 VLAN이다. 가상의 LAN을 뜻한다.

같은 스위치에 연결된 호스트를 하나의 네트워크로 간주하고 싶지 않을 때, 여러 논리적인 네트워크로 나고 싶을 때 사용된다.

 

같은 스위치에 연결된 A ~I를 2개의 논리적인 네트워크(VLAN)로 나누는 경우 호스트 A ~ D와 호스트 E ~ I는 서로 다른 VLAN에 속해 있으므로 서로 다른 네트워크로 간주되며 브로드캐스트 도메인도 겹치지 않아 VLAN1의 브로드캐스트 메시지가 VLAN2에 도달하지 않는다.

호스트 A~D와  E ~ I가 서로 통신을 주고 받으려면 네트워크 계층 이상의 장비가 필요함