[네트워크] 4. 이더넷이란? 통신 방식? 전송 제어? Easy with TMI

1.네트워크와 종류(LAN, WAN, 인터넷) 및 ISP란?
2. 월드와이드웹(WWW), 프로토콜(Protocol)이란?
3. OSI 7계층, TCP/IP 모델이란? 개념 및 존재 이유?
4. 이더넷이란? 통신 방식? 전송 제어?

5. 무선 LAN(랜)이란? 통신 방식? 전송 제어?
5. 라우팅이란? 통신 방식?
6. www.naver.com 사이트 접속 시 일어나는 일?

 

이더넷과 무선랜에 대해 알아보기전에 간단하게 네트워크 인터페이스 계층에 대해 짚고 가겠다. 이더넷과 무선랜은 네트워크 인터페이스 계층에서 동작하는 프로토콜이기 때문이다.

 

What is 이더넷?

1. 네트워크 인터페이스층

- 정의: TCP/IP 모델에서 같은 네트워크에 있는 호스트끼리 데이터를 송수신 하는 계층. 인터넷 계층의 IP 패킷을 레이어2 스위치 등 네트워크 인터페이스 층의 기기가 이해할 수 있는 데이터 형식으로 바꿔서 목적지로 전송한다.

 

<그림1. 네트워크 계층 모델>

 

2. 이더넷

- 정의: 네트워크 인터페이스 계층의 프로토콜. 같은 네트워크에 있는 이더넷 인터페이스에서 다른 이더넷 인터페이스로 데이터 송수신을 가능케 하는 통신 방법.

통신 구조 & 방법: 하나의 네트워크는 1개 이상의 L2 스위치로 묶인 호스트들의 집합 혹은 하나의 라우터 or L3 스위치로 묶인 호스트들의 집합으로 구성됩니다. L2 스위치만을 예를 들자면, 그림1과 같이 스위치1, 스위치2(둘다 L2 스위치)와 호스트들로 구성된 집합은 하나의 네트워크입니다. L2 스위치는 데이터를 변형시키지 않고 단순히 전달해주는 데이터 전달 중개자 역할만 합니다. 이때 각 호스트와 스위치는 이더넷 인터페이스라는 통로(=방법)를 이용하여 통신합니다. 앞의 과정을 가능케하는 프로토콜의 집합을 이더넷이라고 합니다.

<그림2. 같은 네트워크 내 통신>

3. 규격

 이더넷에는 다양한 규격이 있습니다. 이는 최대 전송 속도와 이용하는 매체를 기준으로 분류됩니다. 규격 이름은 IEEExxx.x와 1000BASE-T 두가지가 있습니다. 1000BASE-T는 전송속도와 전송 매체를 조합하여 만든 이름입니다. 앞의 숫자는 전송 속도(Mbyte), BASE는 베이스 밴드 방식, T는 UTP 케이블을 사용한다는 뜻입니다.

 

<그림3. 주요 이더넷 규격>

 

4. 이더넷 인터페이스

- 요약: 이더넷 프로토콜로 접속 가능한 포트 혹은 통로입니다. 이더넷은 특정 이더넷 인터페이스를 특정해서 같은 네트워크 내에서 통신합니다. 이때 이더넷 인터페이스를 특정할 수 있게 해주는 식별자로 TCP/IP는 MAC(media access control address)를 사용합니다. MAC 주소에 대해 알아보죠.

 

5. MAC 주소

- 요약: MAC 주소는 media access control address로 이더넷 인터페이스 식별자입니다. 이더넷으로 통신할 때 출발 MAC 주소를 설정하고 도착 MAC 주소를 설정하여 같은 네트워크 내에서 정보를 교환합니다. MAC 주소는 24비트의 제조사 번호, 24비트의 제조사가 부여한 고유번호를 합친 48비트로 구성된 시리얼 넘버입니다. 16진수로 표현되며, MAC 주소는 이더넷 인터페이스에 미리 할당돼있어 기본적으로 변경할 수 없는 주소입니다. 물리 주소 혹은 하드웨어 주소로 불리기도 합니다.

 

<그림4. MAC 주소를 이용한 통신 방법>

 

6. 전송 매체

 일반적으로 이더넷 통신에 사용되는 이더넷 규격들(1000BASE-T, 10GBASE-T)은 RJ-45 이더넷 인터페이스와 UTP 케이블을 사용합니다. RJ-45는 그림 5와 같이 랜 케이블 양쪽에 붙여지는 커넥터입니다. 이를 이용하여 네트워크 기기 혹은 포트에 연결하게 된다. 렌 커넥터 사이에는 UTP 케이블을 사용합니다.

 

<그림5. RJ-45>

 

 UTP 케이블은 Unshield twisted pair 케이블의 약자다. 금속 호일 등으로 shield 돼있지 않은 케이블, 구리선 2개씩 서로 Twisted된 쌍(Pair)이 4개씩 있는 케이블이라는 뜻이다. 구리선으로 통신하면 노이즈가 발생하여 데이터가 변할수 있기 때문에 Twist하여 노이즈를 줄였고, 이에 더해 금속 호일로 shield하면 노이즈가 줄어든다. 하지만 shield하면 금액이 비싸기 때문에 보편적으로 unshield된 케이블을 사용한다. 이제 전송매체를 통해 전송되는 이더넷 데이터 형식을 알아보자.

 

<그림6. UTP 케이블>

 

7. 데이터 형식

 이더넷으로 데이터를 전송하기 위해서는 전송할 데이터에 이더넷 헤더와 FCS를 붙여야합니다. 이때 IP 패킷에 이더넷 헤더를 앞에 붙이고 FCS(frame check sequence)를 뒤에 붙입니다 이렇게 붙이면 이더넷 프레임이 완성됩니다. 이더넷 헤더는 목적지 MAC 주소, 출발지 MAC 주소, 타입 코드로 이뤄져있습니다. 타입 코드는 이더넷으로 운반할 데이터입니다.  1500이하 값이면 이더넷 프레임이 운반할데이터의 크기를 의미하며, 1500보다 큰 값은 IP 패킷을 encapsulate한 프로토콜 방식을 뜻합니다. 예를들어 0x0800은 IP 패킷이 ipv4 형식으로 캡슐화 됐다는 뜻입니다. FCS는 에러 체크를 위한 데이터입니다.

 

<그림7. 이더넷 프레임 구조>

8. 접속 방법(네트워크 토폴로지)

 현대의 네트워크들은 Star 형 토폴로지로 구성됩니다. Star형 토폴로지는 데이터 통신 시 충돌이 일어나지 않는 장점이 있습니다. 과거와 일부 현재 매체들은 Bus 형 토폴로지를 사용합니다. Bus 형 토폴로지는 하나의 전송매체를 다수의 호스트가 공유하는 방식입니다. 이러한 방식에서 서로 다른 호스트들이 데이터 통신을 시도하면 데이터 충돌 현상이 일어나기에 전송 타이밍 제어를 따로 해줘야합니다. 제어 방식을 따로 두는 것도 오버헤드가 있으므로 Bus 형 토폴로지는 현재 점점 Start 형 토폴로지로 바뀌는 추세입니다.

*참고: 토폴로지는 수학에서 도형간의 연결관계에 대해 연구하는 학문 분야입니다. 도형의 꼭지점을 네트워크의 호스트로 비유하면 네트워크 내 호스트간의 소통 방식 또한 토폴로지로 해석될 수 있습니다.

 

 

9. 전송 타이밍 제어

 버스형 토폴로지는 CSMA/CD 방식으로 전송 제어를 했습니다. 버스형 토폴로지는 하나의 전송 매체를 다수의 호스트가 공유하는 방식이기 때문에 통신시 데이터 충돌이 일어날 수 있습니다. 하나의 호스트가 데이터를 보내는 도중 다른 호스트가 통신을 할 수 있기 때문입니다. 이에 데이터간 충돌을 감지하여 다른 호스트가 통신 안할 때 데이터 통신을 할 수 있는 방법이 필요했습니다. 이에 CSMA/CD 방식이 탄생한것이죠.

 

<그림9. 데이터 충돌 현상>

 CSMA/CD는 Carrier Sense Multiple Acces & Collision Detection의 약자입니다. Carrier Sense는 직역시 반송파 검출이며, 현재 전송 매체가 이용중인지 확인하는 방법입니다. 전송 매체가 이용중이지 않다면 데이터를 보냅니다. 이때 충돌이 발생하면 다른 호스트가 먼저 보냈으므로 일정 시간 대기합니다. 대기 후에 전송 메체가 이용중이지 않다면 데이터를 보냅니다. 충돌이 발생하지 않는다면 통신을 진행합니다. 이렇듯 버스형 토폴로지는 데이터 충돌을 회피하는 방식으로 Collision Detection을 이용합니다. 결국 우리가 원했던 하나의 전송 매체를 여러 호스트가 사용하는 Multiple Access를 구현한 것이죠.

* 참고: 반송파란 데이터 통신을 하기 위해 사용하는 높은 주파수의 파동입니다.

 

<그림9. CSMA/CD 방식>

 

12. 이더넷 통신 과정

1. 하나의 호스트가 다른 호스트와 통신을 할 때 이더넷 헤더에 목적지 MAC 주소와, 출발지 MAC 주소를 등록합니다.
2. 이후 이더넷 프레임을 완성시켜 L2 스위치로 데이터를 보냅니다.
3. L2 스위치는 출발지 MAC 주소와 포트 정보를 MAC 주소 테이블에 저장합니다. 또한 MAC 주소 테이블을 참조하여 목적지 MAC 주소가 있는 포트 데이터를 저장하고 있는지 확인합니다. 만약 저장하고 있지 않다면 데이터가 들어온 포트 이외에 다른 포트 모두에 데이터를 전달하는 Flooding을 실행합니다.
4. 플러딩에 의해 데이터를 받은 호스트 중 자신과 MAC 주소와 다르면 호스트는 이를 폐기합니다. 다른 L2 스위치로 데이터가 옮겨갔다고 가정해봅시다. 해당 L2 스위치 또한 3번을 반복합니다.
5. 호스트 중 도착한 프레임의 정보와 자신의 MAC 주소가 같다고 판단 되는 것이 있으면, 해당 호스트는 이를 저장합니다. 

*참조1: 등록되지 않는 MAC 주소의 이더넷 프레임을 Unknown 유니캐스트 프레임이라고 부릅니다.

*참조2: MAC 주소 테이블에 등록된 포트-MAC 주소는 1:N 관계가 될 수 있다.

 

<그림10. 이더넷 네트워크 통신 과정>

 

13. 통신 방식

 현대의 이더넷은 통신의 방향성에 따라 전이중 방식을 사용합니다. 전이중 통신 방식을 구현할 수 있는 가장 간단한 방법은 송신과 수신 매체를 달리하는 방법이며 이는 UTP로 구현할 수 있습니다. UTP는 6.전송매체에서 언급했듯이 4쌍의 꼬아진 구리 전선으로 이루어져 있습니다. 이때 2쌍만이 이용되며, 1쌍씩 송&수신으로 사용됩니다. 통신 방식은 크게 3가지로 나뉩니다.

참고: 이더넷 인터페이스를 전송 매체와 연결할 때 송&수신 위치를 고려해야하는 것 아닌가 의문을 품을 수 있지만, 현재 랜케이블은 포트를 인식하여 송&수신 충돌이 해결되는 방식으로 자동 조절된다.

참고: 초기 이더뎃 인터페이스는 CSMA/CD 방식을 사용했기 때문에 반이중 통신 방식이었다.

• 단방향: 한 방향으로만 데이터 통신이 가능한 방식(ex. TV).
• 전이중: 데이터의 송신과 수신을 한번에 진행(ex. 무전기).
• 반이중: 데이터의 송신과 수신이 번갈아 진행(ex. 컴퓨터). 

<그림11. 네트워크의 전송 방식 종류>