3장. 물리계층: 데이터를 전기 신호로 변환하기

1) 물리 계층의 역할과 랜 카드의 구조

전기 신호란?

• 아날로그 신호: 물결 모양 전기신호. 전화 회선이나 라디오 방송에 사용되는 신호.
• 디지털 신호: 막대 모양 신호.
• 데이터 송신 측 컴퓨터가 잔송하는 0과 1의 비트열 데이터는 전기 신호로 변환되어 네트워크를 통해 수신 측 컴퓨터에 도착한다.
  • 수신 측 컴퓨터에서는 전기 신호를 다시 0과 1의 비트열 데이터로 복원한다.

랜 카드란?

• 컴퓨터는 네트워크를 통해 데이터를 송수신 할 수 있도록 랜카드를 가지고 있다.
  • 0과 1의 정보가 컴퓨터 내부에 있는 랜카드로 전송되고 랜 카드는 0과 1을 전기신호로 변환한다.
• 물리 계층은 컴퓨터와 네트워크 장비를 연결하고 컴퓨터와 네트워크 장비 간에 전송되는 데이터를 전기신호로 변환하는 계층이다.

2) 케이블의 종류와 구조

트위스트 페어 케이블이란?

• 네트워크의 전송 매체: 데이터가 흐르는 물리적인 선로
  1. 유선: 트위스트 페어 케이블, 광케이블
  2. 무선: 라디오파, 마이크로파, 적외선
• 트웨스트 페어 케이블(twisted pair albe)
  • 일반적으로 랜 케이블(LAN cable, 랜 선)이라고 부른다.
  • UTP 케이블 (Unshielded Twist Pair, 비차폐 연선)
    • 구리선 여덟개를 두개씩 코아 만든 네 쌍의 전선으로 실드(shild)로 보호되어있지 않은 케이블.
    • 실드(shild)는 금속 호일이나 금속의 매듭과 같은 것으로 외부에서 발생하는 노이즈(noise)를 막는 역할을 한다.
    • UTP 케이블은 실드로 보호되어 있지않아 노이즈의 영향을 받기 쉽지만, 저렴해 일반적으로 많이 사용된다.
  • STP 케이블 (Shielded Twist Pair, 차폐 연선)
    • 두 개씩 꼬아 만든 선을 실드로 보호한 케이블.
    • UTP 케이블과 달리 노이즈의 영향을 매우 적게 받지만, 가격이 비싸 흔하게 사용되지 않는다.
• 노이즈: 케이블에 전기 신호가 흐를 때 발생한다. 구리 선 두개를 비틀어 꼬아 케이블을 만들어 노이즈를 예방할 수 있다.

• 랜 케이블의 양쪽 끝에 RJ-45라고 부르는 커넥터가 붙어있다.
  • 이 커넥터를 컴퓨터의 랜 포트나 나중에 설명하는 네트워크 기기에 연결한다.
    

다이렉트 케이블과 크로스 케이블이란?

• 랜 케이블의 종류에는 다이렉트 케이블과 크로스 케이블이 있다.
  • 모두 실제로는 1번, 2번, 3번, 6번 구리 선을 사용하고, 나머지 선들은 사용하지 않는다.
• 다이렉트 케이블
  • 구리 선 여덟 개를 같은 순서로 커넥터에 연결한 케이블
  • 컴퓨터와 스위치를 연결할 때 사용한다.
    
• 크로스 케이블
  • 구리 선 여덟 개 중 한쪽 커넥터의 1번과 2번에 연결되는 구리선을 다른 쪽 커넥터의 3번과 6번에 연결한 케이블
  • 컴퓨터간에 직접 랜 케이블로 연결할 때 사용한다.
    • 컴퓨터 간에 직접 데이터를 보낼 때에는 양쪽 컴퓨터 모두 1번과 2번 선을 사용하므로 충돌이 발생할 수 있다.
    • 이를 예방하기 위해 일부러 중간에 전선을 교차시켜 송신 측과 수신 측이 올바르게 연결되도록 한다.
      

3) 리피터와 허브의 구조

리피터란?

• 리피터(repeater)
  • 전기 신호를 정형(일그러진 전기 신호를 복원)하고 증폭하는 기능을 가진 네트워크 중계 장비
  • 통신하는 상대방이 멀리 있을 때 리피터를 사이에 넣는다.
    • 리피터가 멀리있는 상대와도 통신 가능하도록 파형을 정상으로 만드는 기능을 수행한다.
  • 요즘은 다른 네트워크 장비가 리피터 기능을 지원하므로 별도로 사용하지 않는다.

허브란?

• 허브(hub)
  • 포트(실제로 통신하는 통로)를 여러 개 가지고 있다. 리피터 허브라고도 불린다.
    • 리피터는 일대일 통신만 가능한 반면, 허브는 포트를 여러개 가지고 있어 컴퓨터 여러대와도 통신할 수 있다.
  • 전기신호를 정형하고 증폭하는 기능을 수행한다.
    • 컴퓨터에서 보낸 전기 신호가 허브에 도착하는 동안 노이즈의 영향으로 파형이 변경될 때가 있는데, 허브가 파형을 정상으로 되돌리는 기능을 수행한다.
  • 컴퓨터 여러 대를 서로 연결하는 장치이기도 하다. 직접 컴퓨터끼리 연결하지 않아도 통신할 수 있다.
    • 하지만 특정 포트로부터 데이터를 받는 경우, 해당 포트를 제외한 모든 포트로도 받은 데이터를 전송하는 특징이 있다.
      • 이처럼 허브는 스스로 판단하지 않고, 전기신호를 모든 포트로 보내서 더미 허브(dummy hub)라는 이름으로 불리기도 한다.

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4장. 데이터 링크 계층: 랜에서 데이터 전송하기

1) 데이터 링크 계층의 역할과 이더넷

이더넷이란?

• 데이터 링크 계층(Data Link Layer, 2계층)
  • 네트워크 장비 간의 신호를 주고받는 규칙을 정하는 계층
  • 랜에서 데이터를 주고 받으려면 2계층인 데이터 링크 계층의 기술이 필요하다.
    • 일반적으로 가장 많이 사용되는 규칙이 이더넷(Ethernet)이다.
• 이더넷 (Ethernet)
  • 랜에서 적용되는 규칙.
  • 허브와 같은 장비에 연결된 컴퓨터와 데이터를 주고받을 때 사용된다.
    • 허브는 특정 컴퓨터 한 대에 데이터를 전송하려고 해도 모든 컴퓨터에 데이터를 전송하는 특징을 가진다. (dummy hub)
      • 이런 경우를 위해 데이터에 목적지 정보를 추가해 목적지 외의 컴퓨터는 데이터를 받도록 무시하도록 정해져있다. (무시하지 않는 경우는 발생하지 않는다.)
    • 허브는 들어온 데이터를 그대로 모든 포트에 보내기만 한다. 따라서 컴퓨터 여러 대가 동시에 데이터를 보내면 충돌(collision)이 발생할 수 있다.
      • 이더넷은 여러 컴퓨터가 동시에 데이터를 전송해도 충돌이 일어나지 않는 구조로 되어있다.
      • 데이터가 동시에 케이블을 지나가면 반드시 충돌이 발생하므로, 데이터를 보내는 시점을 늦추는데, 이더넷에서 이용하는 이 방법을 CSMA/CD라고 한다.

이더넷은 네트워크에 연결된 각 기기들이 48비트 길이의 고유의 MAC 주소를 가지고 이 주소를 이용해 상호간에 데이터를 주고 받을 수 있도록 만들어졌다. 전송 매체로는 BNC 케이블 또는 UTP, STP 케이블을 사용하며, 각 기기를 상호 연결시키는 데에는 허브, 네트워크 스위치, 리피터 등의 장치를 이용한다.

• CSMA/CD
  • Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (반송파 감지 다중 접속 및 충돌 탐지)의 약어
    • CS: '데이터를 보내려고 하는 컴퓨터가 케이블에 신호가 흐르고 있는지 아닌지를 확인한다.'
    • MA: '케이블에 데이터가 흐르고 있지 않다면 데이터를 보내도 좋다.'
    • CD: '충돌이 발생하고 있는지를 확인한다.'
  • 지금은 효율이 좋지 않아 거의 사용되지 않는다. 대신 스위치(switch)라는 네트워크 장비를 사용한다.

2) MAC 주소의 구조

MAC 주소란?

• MAC 주소 (Media Access Control Address, 물리 주소)
  • 비트열(0과 1)을 전기신호로 변환하는 랜 카드에 MAC 주소가 할당되어있다.
    (LAN한개 당 MAC한개)
  • 전 세계에서 유일한 번호. 중복되지 않도록 규칙으로 명확하게 정해져 있다.
  • 제조할 때 새겨져 물리 주소 라고도 불린다.
  • 48비트 숫자로 구성.
    • 앞쪽 24비트: 랜 카드를 만든 제조사 번호 + 뒤쪽 24비트: 제조사가 붙인 일련 번호.
    • 00-23-AE-D9-7A-9A

MAC 주소를 사용한 통신

• 데이터 링크 계층 (OSI 모델), 네트워크 계층 (TCP/IP 모델)에 해당
• 이 계층에서 이더넷 헤더와 트레일러를 붙인다.
• 이더넷 헤더 (총 14바이트로 구성)
  • 목적지의 MAC 주소 (6바이트)
  • 출발지의 MAC 주소 (6바이트)
  • 이더넷 유형(Ethernet type) (2바이트)
    • 상위 계층 프로토콜의 종류를 식별하는 16진수가 들어간다.
    • 유형 번호를 기억할 필요는 없지만 유형에 프로토콜 종류를 식별하는 번호가 들어간다는 것은 기억해두자.
      
• 트레일러
  • FCS (Frame Check Sequence): 데이터 전송 도중에 오류가 발생하는지 확인하는 용도로 사용한다.

프레임(Frame) 네트워크

• 이더넷 헤더와 트레일러가 추가된 데이터를 프레임이라고 한다.
  • 네트워크를 통해 이렇게 생성된 프레임이 전송되는 것이다.
  • 컴퓨터 간 데이터 통신에는 이처럼 이더넷 헤더에 데이터의 목적지인 컴퓨터의 MAC 주소와 자신의 MAC주소 정보를 넣어 데이터를 전송한다.
• 캡슐화
  • 보내는 컴퓨터의 데이터 링크 계층에서 데이터에 이더넷 헤더와 트레일러를 추가하여 프레임을 만든다.
  • 보내는 컴퓨터의 물리계층에서 이 프레임 비트열을 전기 신호로 변환하여 네트워크를 통해 전송한다.
• 허브가 모든 포트에 데이터를 전송하지만, 자신의 MAC주소와 목적지의 MAC주소가 다른 컴퓨터들은 데이터를 파기한다.
• 역캡슐화
  • 수신 컴퓨터의 물리계층에서 전기 신호로 전송된 데이터를 비트열로 변환한다.
  • 수신 컴퓨터의 데이터 링크 계층에서 이더넷 헤더와 트레일러를 분리한다.
• 만약 2개의 컴퓨터가 동시에 하나의 컴퓨터에 데이터를 전송하는 경우, 충돌을 방지하기 위해 CSMA/CD 방식이 사용된다.
  • 충돌이 감지되는 경우 한대의 컴퓨터가 잠시 대기하고 데이터를 다시 전송한다.

3) 스위치의 구조

MAC 주소 테이블이란?

• 스위치(switch)
  • 데이터 링크 계층에서 동작하고, 레이어 2 스위치(Layer 2 switch) 또는 스위칭 허브라고도 부른다.
  • 내부에 MAC주소 테이블(MAC address table)이 존재한다.
• MAC주소 테이블(MAC address table)
  • 스위치의 포트 번호와 해당 포트에 연결되어 있는 컴퓨터의 MAC 주소가 등록되는 데이터베이스
  • 스위치의 전원을 켠 상태에서는 아직 MAC 주소에 아무것도 등록되어 있지 않다.
  • 프레임(목적지 MAC 주소가 추가된) 데이터가 전송될 때, MAC 주소 테이블에 주소가 등록되어있지 않으면 MAC 주소를 포트와 함께 등록한다.
    • 이를 MAC 주소 학습 기능 이라고 한다.
  • MAC 주소가 아직 등록되어 있지 않은 경우 송신 포트 이외의 모든 포트에 데이터(프레임)가 전송되는데 이러한 데이터(프레임)전송을 플러딩(flooding, 홍수)라고 한다.
• 이처럼 MAC 주소를 기준으로 목적지를 선택하는 것을 MAC 주소 필터링이라고 한다.
  

4) 데이터가 케이블에서 충돌하지 않는 구조

전이중 통신과 반이중 통신

• 전이중 통신 방식: 데이터의 송수신을 동시에 통신하는 방식

  • 데이터를 동시에 전송해도 충돌이 발생하지 않는다.
  • 컴퓨터 1과 2를 랜 케이블로 직접 연결(크로스 케이블)하는 경우에 해댱한다.
  • 스위치도 전이중 통신 방식으로 데이터를 주고받을 수 있다.
    

• 반이중 통신 방식: 회선 하나로 송신과 수신을 번갈아가면서 통신하는 방식

  • 데이터를 동시에 전송하는 경우 충돌이 발생한다.
  • 허브가 해당된다. 허브를 사용하면 충돌이 생기면서 네트워킹 지연이 발생할 수 있다.
    

충돌 도메인이란?

• 허브는 반이중 통신 방식으로 동시에 데이터를 전송하면 충돌이 발생한다. 이때, 발생한 충돌이 영향을 미치는 범위를 충돌 도메인(collision domain)이라고 한다.
  • 허브는 연결되어 있는 컴퓨터 전체가 하나의 충돌 도메인이 된다.
• 스위치는 전이중 통신 방식이기 때문에 충돌이 일어나지 않고, 충돌 도메인 범위도 좁다.
  • 충돌 도메인의 관점에서 보더라도 스위치를 사용하면 통신 효율이 높아진다.

ARP

• 목적지 컴퓨터의 IP주소를 이용하여 MAC 주소를 찾기 위한 프로토콜.
  • 이더넷 프레임을 전송하려면 목적지 컴퓨터의 MAC 주소를 지정해야 한다.
• 출발지 컴픁터가 목적지 주소를 모르면 MAC 주소를 알아내기 위해 네트워크에 브로드캐스트를 하는데 이것을 ARP 요청(reuqet) 이라고 한다.
  • 이 요청에 대해 지정된 IP 주소를 갖고 있지 않은 컴퓨터는 응답하지 않지만, 지정된 IP주소를 가진 컴퓨터는 MAC주소를 응답으로 보낸다. 이것을 ARP 응답(reply)이라고 한다.
  • 이것을 통해 출발지 컴퓨터는 MAC 주소를 얻고 이더넷 프레임을 만들 수 있다.
• ARP 테이블: 출발지 컴퓨터에서 MAC 주소를 얻은 후에 MAC 주소와 IP 주소의 정보를 매핑하여 메모리에 보관하는 것.
  • 이후 데이터 통신은 자신의 컴퓨터에 보관된 ARP 테이블을 참고하여 전송된다.
  • ARP 테이블은 보존 기간을 ARP 캐시로 지정하고 일정 시간이 지나면 삭제하고 다시 ARP 요청을 한다.
    • IP 주소가 변경되면 해당 MAC 주소도 함께 변경되어 제대로 통신할 수 없기 때문이다.
• 윈도우에서 ARP 캐시의 내용을 확인: arp -a
• ARP 캐시 강제 삭제: arp -d

5) 이더넷의 종류의 특징

이더넷 규격

이더넷은 케이블 종류나 통신 속도에 따라 다양한 규격으로 분류된다.

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Reference

• 비트열 네트워크 통신 그림
• UTP vs STP Cable Wiki and Guide
• OSI 7계층 - 물리 계층(2)
• [네트워크] 네트워크 접속 장치(LAN 카드,허브,스위치,라우터)
• 위키:이더넷
• 이더넷 프레임, 이더넷 동작과 CSMA/CD