2021.08.14~ing

12. 데이터 링크 계층의 역할과 이더넷

데이터 링크 계층 : 네트워크 장비 간에 신호를 주고 받는 규칙을 정하는 계층

  • LAN에서 데이터를 정상적으로 주고 받기 위해 필요한 계층

이더넷(Ethernet) : LAN에서 데이터를 정상적으로 주고받기 위한 규칙

  • 일반적으로 가장 많이 사용되는 규칙
  • 허브와 같은 장비에 연결된 컴퓨터와 데이터를 주고받을 때 사용

허브

  • 약해지거나 파형이 일그러진 전기 신호를 복원
  • 해당 전기 신호를 전달받은 포트를 제외한 나머지 모든 포트에도 전달됨 -> 더미허브
  • 허브를 사용하는 랜 환경에서 특정 컴퓨터 한 대에 데이터를 보내려고 해도 다른 모든 컴퓨터에 전기 신호가 전달됨
    • 보내려는 데이터에 목적지 정보를 추가하면 목적지 이외의 컴퓨터는 데이터를 무시함
    • 컴퓨터 여러 대가 동시에 데이터를 보내면 데이터 충돌(collision) 발생

이더넷

  • 여러 컴퓨터가 동시에 데이터를 전송해도 충돌 일어나지 않는 구조
  • 데이터 충돌을 막기 위해 CSMA/CD 방식을 사용함
    • CS : 데이터를 보내려고 하는 컴퓨터가 케이블에 신호가 흐르고 있는지 확인하는 규칙
    • MA : 케이블에 데이터가 흐르고 있지 않으면 데이터를 보내도 된다는 규칙
    • CD : 충돌이 발생하고 있는지 확인하는 규칙
    • 현재 효율이 좋지 않다는 이유로 사용 안함
      -> 스위치(switch) 네트워크 장비 사용하면 충돌 일어나지 않음

13. MAC 주소의 구조

랜 카드

  • 비트열(0과 1)을 전기 신호로 변환함
  • MAC 주소 번호가 정해져 있음
    • 제조할 때 새겨져서 물리주소라고도 함
    • 전 세계에서 유일한 번호로 할당됨

MAC 주소

  • 00-23-AE-D9-7A-9A -> 48비트 숫자로 구성
    • 앞쪽 24비트는 랜 카드를 만든 제조사 번호
    • 뒤쪽 24비트는 제조사가 랜 카드에 붙인 일련번호
    • 앞의 24비트와 뒤의 24비트 모두 정해진 규칙이 있어 중복되지 않음
  • OSI 모델에서는 데이터 링크 계층, TCP/IP 모델에서는 네트워크 계층에서 이더넷 헤더와 트레일러를 붙임

이더넷 헤더 구조

  • 목적지 MAC주소(6바이트), 출발지 MAC 주소(6바이트), 유형(2바이트)
    -> 총 14바이트로 구성
  • 이더넷 유형(Ethernet type) : 이더넷으로 전송되는 상위 계층 프로토콜의 종류
    • 프로토콜 종류를 식별하는 번호가 들어감

트레일러

  • FCS(Frame Check Sequence)라고도 함
  • 데이터 전송 도중에 오류가 발생하는지 확인하는 용도

프레임

  • 이더넷 헤더와 트레일러가 추가된 데이터
    • 프레임 = 이더넷 헤더 + 데이터 + 트레일러
  • 네트워크를 통해 프레임이 전송됨

이더넷 헤더를 이용한 통신

컴퓨터 1에서 컴퓨터 3으로 데이터 전송과정

  • 컴퓨터 1은 이더넷 헤더에 3의 MAC주소(목적지 MAC 주소)와 자신의 MAC 주소(출발지 MAC 주소) 정보를 넣고 데이터를 전송 -> 캡슐화
    • 데이터 링크 계층에서 이더넷 헤더와 트레일러를 추가하여 프레임을 만듬
    • 물리 계층에서 이 프레임 비트열을 전기 신호로 변환하여 네트워크를 통해 전송

  • 컴퓨터 1이 보낸 데이터를 1번 포트로 수신하고 2~5번 모든 포트로 전송
  • 컴퓨터 2, 4, 5는 목적지 MAC 주소를 체크하고 다르면 데이터를 파기함
  • 컴퓨터 3은 목적지 MAC 주소가 일치하여 데이터를 수신함 -> 역캡슐화
    • 물리 계층에서 전기 신호로 전송된 데이터를 비트열로 변환
    • 데이터 링크 계층은 이너넷 헤더와 트레일러를 분리함

14. 스위치(switch)의 구조

스위치

  • 데이터 링크 계층에서 동작하고 레이어 2 스위치 or 스위칭 허브라고도 함
  • 스위치 내부에 MAC 주소 테이블(MAC address table)이 있음

MAC 주소 테이블

  • 브리지 테이블(bridge table)이라고도 함
  • 스위치의 포트 번호와 해당 포트에 연결되어 있는 컴퓨터의 MAC 주소가 등록되는 데이터베이스

스위치 동작 방식

1. 스위치 전원을 키면 MAC 주소 테이블에는 아무것도 등록되어 있지 않음
2. 컴퓨터에서 목적지 MAC 주소가 추가된 프레임 데이터가 전송되면 MAC 주소 테이블을 확인하고 출발지 MAC 주소가 등록되어 있지 않으면 MAC주소를 포트와 함께 등록함
-> MAC 주소 학습 기능

3. 목적지 MAC 주소가 MAC 주소 테이블에 등록되어 있지 않으면 송신 포트 이외의 모든 포트에 데이터(프레임)이 전송됨 -> 플러딩(flooding)

4. 목적지 MAC 주소가 등록되어 있다면 목적지 컴퓨터에만 데이터 전송됨 -> MAC 주소 필터링

15. 데이터가 케이블에서 충돌하지 않는 구조

통신방식

  • 전이중 통신 방식
    • 데이터의 송수신을 동시에 통신하는 방식
    • 데이터 동시에 전송해도 충돌 발생하지 않음
    • ex) 컴퓨터 간에 직접 랜케이블(크로스 케이블)로 연결하는 방식, 스위치
  • 반이중 통신 방식
    • 회선 하나로 송신과 수신을 번갈아가면서 통신하는 방식
    • 데이터 동시에 전송하면 충돌 발생
    • ex) 허브는 회선 하나를 송신과 수신이 번갈아가면서 사용함

충돌 도메인(collision domain)

  • 충돌이 발생할 때 그 영향이 미치는 범위
  • 허브
    • 연결되어 있는 컴퓨터 전체가 하나의 충돌 도메인
  • 스위치
    • 전이중 통신 방식으로 충돌이 일어나지 않음
    • 연결되어 있는 컴퓨터 전체에 영향을 미치지 않음
  • 충돌 도메인 관점에서 보면 스위치가 허브보다 통신 효율이 좋음

ARP(Address Resolution Protocol)

  • 목적지 컴퓨터의 IP 주소를 이용하여 MAC 주소를 찾기 위한 프로토콜
    • IP 주소를 MAC 주소로 변환하는데 사용 -> 주소 변환 프로토콜
  • 네트워크 계층과 데이터 링크 계층 사이의 변환을 담당하는 프로토콜

ARP 프로토콜 동작 순서

  • 이더넷 프레임을 전송하려면 목적지 컴퓨터의 MAC 주소를 지정해야 함
  • ARP 요청(request)
    • 출발지 컴퓨터가 IP 주소에 대치되는 목적지 MAC 주소를 알아내기 위해 네트워크에 브로드캐스트 패킷 요청
  • ARP 응답(reply)
    • ARP 요청에 대해 지정된 IP 주소를 가진 컴퓨터는 MAC 주소를 응답을 보냄
  • 이것으로 출발지 컴퓨터는 목적지 MAC 주소를 얻고 이더넷 프레임을 만들 수 있음
  • ARP 테이블(table)
    • 출발지 컴퓨터는 목적지 MAC 주소와 IP 주소의 매핑 정보를 메모리에 보관함
    • 이후 데이터 통신은 APR 테이블을 참고하여 전송함
    • IP 주소가 변경되면 해당 MAC 주소도 함께 변경되어 제대로 통신 못함
  • ARP 캐시(cache)
    • 가장 최근에 변환한 IP 주소 - MAC 주소를 보관하고 있는 램(RAM)의 영역
    • 일정 시간이 지나면 ARP 테이블의 정보를 삭제하고 다시 ARP 요청을 함

16. 이더넷의 종류와 특징

  • 이더넷은 케이블 종류와 통신 속도에 따라 다양한 규격으로 분류됨
  • 10 BASE-T -> 통신속도, 전송방식, 케이블
    • 10은 Mbps 단위인 통신속도
    • BASE는 BASEBAND 전송방식
      • BASEBAND : 펄스 신호에 의한 디지털 전송 방식
    • T는 케이블 종류

케이블 종류

  • 동축케이블
    • 전송방식 뒤에 하이픈(-)이 없음
    • 숫자는 케이블의 최대 길이 100미터 단위로 표시함
      • ex) 10BASE5 -> 5는 500미터를 의미함
  • UTP케이블
    • 전송방식 뒤에 하이픈(-)이 있음

reference

모두의 네트워크

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