[네트워크 스터디] 4 데이터 링크 계층 : 네트워크 기기 간 전송과 이더넷(MAC 주소, 프레임, 스위치, 전이중 통신, 반이중 통신)

이더넷이란?

OSI 7계층 모델의 두 번째 계층인 '데이터 링크 계층'의 기술을 활용해 랜에서 데이터를 주고 받을 수 있다. 데이터 링크 계층에서는 네트워크 장비 간에 신호를 주고 받는 규칙을 정하는데, 그 규칙들 중 '이더넷(Ethernet)'이 일반적으로 많이 사용된다.

랜에 적용된 규칙인 이더넷은 허브 같은 장비에 연결된 컴퓨터와 데이터를 주고 받을 때 사용한다.

 

이전 포스트에서 더미 허브는 보내고자 하는 목적지가 아닌 다른 곳에까지 데이터를 보내 '더미 허브'라는 이름이 붙었다고 설명했다. 이런 경우에 더미 허브라는 특성 상 컴퓨터 여러 대가 동시에 데이터를 보내고 받는다면 데이터들이 서로 부딪힐 가능성이 있다. (물론 목적지가 아닌 곳에서는 데이터를 보지 못하도록 하는 확실한 규칙이 있다.) 어쨌든 서로 부딪히는 것을 '충돌(collision)'이라 한다. 다행히 이더넷은 여러 컴퓨터가 동시 다발적으로 데이터를 전송해도 충돌하지 않는 구조이다.

CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) 방식으로 동시에 한 케이블을 지나가는 데이터들이 문제이므로, 데이터를 보내는 시점을 늦추는 방법이다. 데이터가 흐르고 있어 케이블이 사용되고 있으면, 다른 컴퓨터는 대기 상태에 놓인다.

• CS : 현재 데이터를 보내고자 하는 컴퓨터가 케이블에 신호가 흐르고 있는지를 확인한다.
• MA : 케이블에 데이터가 흐르고 있지 않다면 데이터를 보내도 좋다.
• CD : 충돌이 발생하고 있는지를 확인한다.

하지만, CSMA/CD는 초기의 공유 매체 접근 방식이다. 현재는 효율이 보다 나은 스위치(Switch)를 사용하며 고속화를 지향한다. 스위치는 스위칭 허브라고도 하는데, 랜을 구성할 때 사용하는 단말기 간 스위칭 기능이 있는 통신망 중계 장치이다. 호스트(컴퓨터)에서 특정한 다른 단말기로 패킷을 보낼 수 있는 기능 덕에 통신 효율이 높아졌다.

 

케이블 위주 저속의 공유 미디어 -> 포트 위주의 고속의 스위칭 매체 방식으로 전환

전송 매체도 구리선 -> 광케이블 방식으로 소형화

속도도 10 Mbps -> 10기가비트 이상의 고속화

무선 LAN도 CSMA/CA이라는 유사 방식 적용

 

MAC 주소

앞서 살펴본 것처럼, 랜 카드는 0과 1의 비트열 데이터를 전기 신호로 변환해주는 기능을 했다. 이러한 랜 카드는 MAC 주소(Media Access Control Address)라는 실제의 물리 주소를 갖는다. 랜 카드를 제조하는 제조 업자에 의해 새겨져 랜 카드 내 ROM에 영구적으로 기록된다는 의미에서 Burned-in address(BIA)라고도 부른다.

MAC 주소는 48비트로 고정된 세계 유일한 번호로 할당된다. 무선 랜도 유선 랜과 마찬가지로 유일무이의 MAC 주소를 갖는다.

 

IP 주소는 인터넷에서 사용되는 '논리 주소'로 32비트로 표현된다.

MAC 주소의 구조

48비트의 숫자로 구성된 MAC 주소는 중복되지 않도록 명확한 규칙을 갖는다.

OUI(Organizationally Unique Identifier) or vendor Code : LAN 카드 제조회사를 식별할 수 있는 숫자로 구성된다. MAC 주소의 앞자리 24 비트.

Serial Number : 제조사가 랜카드에 붙인 일련의 번호로, 뒷자리의 24 비트를 차지한다.

 

프레임의 구성

OSI 모델 : 데이터 링크 계층에서 헤더를 붙인다.

TCP/IP 모델 : 네트워크 계층에서 헤더를 붙인다.

이 계층에서는 이더넷 헤더와 트레일러를 붙인다.

 

네트워크로 전송되는 '프레임'은 이더넷 헤더와 트레일러가 추가된 데이터이다.

이더넷 헤더의 구성

목적지 MAC 주소(6바이트) | 출발지 MAC 주소(6바이트) | 이더넷 유형(2 바이트)로 총 14바이트를 갖는다.

이더넷 유형은 이더넷으로 전송되는 상위 계층 프로토콜의 종류로, 프로토콜을 식별할 수 있는 16진수 번호가 들어간다. (IPv4, ARP, RARP, SNMP over Ethernet, IPv6..)

 

트레일러(FCS)

FCS(Frame Check Sequence)라고도 한다. 데이터 전송 도중 오류가 발생하는지 확인하기 위함이다. 프레임 끝 부분에 삽입하는 필드이다. 수신 측은 자신이 가진 FCS와 전송된 프레임의 FCS와 비교해 에러 여부를 확인하고, 에러가 발생된 것이 확인되면 해당 프레임을 폐기하고 다시 요청한다

 

프레임의 전송

컴퓨터 1에서 컴퓨터 2로 데이터를 전송한다고 하면, 컴퓨터 1은 이더넷 헤더에 데이터가 도착할 목적지인 컴퓨터 2의 물리 주소인 MAC 주소와 컴퓨터 1의 출발지 MAC 주소, 이더넷 유형을 '캡슐화'해 전송한다.

 

데이터 링크 계층에서 프레임 생성 (이더넷 헤더 + 트레일러를 데이터에 추가) ->

물리 계층에서 프레임 비트열을 전기 신호로 변환 ->

네트워크 통해 전송->

(컴퓨터 2가 아닌 다른 컴퓨터는 도착지 MAC 주소가 다르므로, 데이터가 수신되지 못하고 파기된다.)

송신 받을 컴퓨터 2에서는 물리 계층에서 도착한 전기 신호를 다시 비트열로 변환 ->

데이터 링크 계층에서 역캡슐화(이더넷 헤더 + 트레일러 분리) ->

데이터 수신

 

스위치의 구조

앞서 우리는 스위치를 사용해 데이터의 충돌을 막는다고 이야기했다. 스위치는 스위칭 허브 또는 레이어 2 스위치라고 불리며, 데이터 링크 계층에 속하는 네트워크 기기이다. 허브와 비슷한 모양새를 하고 있다.

 

스위치에는 MAC 주소를 저장하는 데이터 베이스인 MAC 주소 테이블이 존재한다. 맨 처음 깨끗한 스위치 상태에서는 아무 MAC 주소도 등록되어 있지 않지만, 목적지 주소를 가진 프레임이 전송된다면, MAC 주소 테이블이 비어 있음을 확인하고, 출발지 MAC 주소를 포트와 함께 등록한다. (MAC 주소 학습 기능)

 

물론, MAC 주소 테이블에 저장되어 있지 않은 출발지 MAC 주소를 가진 프레임이 전송되었을 때는 정해진 송신 포트를 제외한 나머지에도 데이터가 전송되는데 이를 '데이터(프레임) 플러딩'이라 한다.

MAC 주소 테이블과 대조해 목적지를 제대로 설정하는 것은 'MAC 주소 필터링'이라고 한다.

 

케이블 내 데이터가 충돌하지 않는 구조

전이중 통신 방식

데이터 송수신을 동시에 하는 통신 방식. 동시에 데이터를 전송해도 충돌이 없다. 스위치는 전이중 통신 방식으로, 데이터를 한 케이블에서 얼마나 많이 전송하는지와 무관하게 충돌이 일어나지 않아 통신 효율이 높아진다.

반이중 통신 방식

회선 하나로 송신, 수신을 번갈아가며 한다. 데이터를 동시에 전송하면 충돌이 발생한다. 이런 충돌이 발생하는 범위의 영향은 충돌 도메인이라 한다.