<모두의 네트워크> 를 읽고 이어서 정리한 내용이다.
데이터 링크 계층의 역할과 이더넷
OSI 모델 아래에서 두 번째 계층인 데이터 링크 계층은 네트워크 장비 간에 신호를 주고받는 규칙을 정하는 계층으로, 랜에서 데이터를 정상적으로 주고받기 위해 필요한 계층이다.
그 규칙들 중 일반적으로 가장 많이 사용하는 규칙이 이더넷이다.
이더넷은 랜에서 데이터를 정상으로 주고받기 위한 규칙. 허브와 같은 장비에 연결된 컴퓨터와 데이터를 주고받을 때 사용한다. 허브는 들어온 데이터를 그대로 모든 포트에 보내기 때문에 충돌이 일어날 수 있는데, 이더넷은 여러 컴퓨터가 동시에 데이터를 전송해도 충돌이 일어나지 않는 구조로 되어있다. 데이터가 동시에 케이블을 지나가면 충돌할 수 있으므로, 데이터를 보내는 시점을 늦추는 것이다.
이더넷에서 시점을 늦추는 방법을
CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection(반송파 감지 다중 접속 및 충돌 방지) 라고 한다.
- 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.
데이터 링크 계층(data link layer) : 네트워크 기기 간에 데이터를 전송하고 물리 주소를 결정한다.
이더넷(Ethernet) : 컴퓨터 네트워크 기술 중 하나로 전 세계의 사무실이나 가정에서 일반적으로 사용되는 랜에서 가장 많이 활용되는 기술 규격이다.
충돌(collision) : 데이터를 한 번에 하나만 전송할 수 있는 채널에 전송 장치 두 개가 같은 시점에 패킷을 보낼 때 일어나는 데이터 충돌을 말한다.
MAC 주소의 구조
MAC 주소는 48비트 숫자로 구성되어 있다. 그중 앞쪽 24비트는 랜 카드를 만든 제조사 번호, 뒤쪽 24비트는 제조사가 랜 카드에 붙인 일련번호다.
이더넷 헤더는 목적지 MAC주소(6바이트), 출발지 MAC주소(6바이트), 유형(2바이트) 로 총 14바이트로 구성된다.
데이터 링크 계층에서 데이터 뒤에 추가하는 것을 트레일러라고 한다.
허브에 연결된 컴퓨터 1과 3이 있고 1에서 3으로 데이터를 보낼 때
컴퓨터 1은 이더넷 헤더에 목적지 MAC주소와 자신의 MAC주소, 유형(프로토콜 종류를 식별하는 번호) + 데이터 + 트레일러
이렇게 캡슐화하는데,
이처럼 헤더와 트레일러가 추가된 데이터를 프레임이라고 한다.
데이터 링크 계층에서 데이터에 이더넷 헤더와 트레일러를 추가하여 프레임을 만들고, 물리 계층에서 이 프레임 비트열을 전기 신호로 변환하여 네트워크를 통해 전송하게 된다.
이후 컴퓨터 3은 데이터를 수신 후 역캡슐화한다.
물리 계층에서 전기 신호로 전송된 데이터를 비트열로 변환하고 데이터 링크 계층에서 이더넷 헤더와 트레일러를 분리.
1과 2가 동시에 3에 데이터를 전송할 경우 충돌 방지를 위해 CSMA/CD 방식이 사용된다.
MAC 주소(Medium Access Control address) : 랜에 사용되는 네트워크 모델인 이더넷의 물리적인 주소로 컴퓨터 네트워크에서 각각의 기기를 구분하기 위해 사용하는 주소다.
스위치의 구조
스위치는 데이터 링크 계층에서 동작하며 레이어 2 스위치 또는 스위칭 허브 라고도 부른다. 스위치에는 MAC 주소 테이블이 있다.
MAC 주소 테이블은 스위치의 포트 번호와 그 포트에 연결되어 있는 컴퓨터의 MAC 주소가 등록되는 데이터베이스다.
스위치가 수신 포트 이외의 모든 포트에서 데이터를 송신하는 것을 플러딩 이라고 한다.
스위치에서 MAC 주소를 기준으로 출발지를 선택하는 것을 MAC 주소 필터링 이라고 한다.
스위치(switch, 스위칭 허브) : 랜을 구성할 때 사용하는 단말기 간 스위칭 기능이 있는 통신망 중계 장치다. 컴퓨터(호스트)에서 특정한 다른 단말기로 패킷을 보낼 수 있는 기능이 있어 통신 효율이 향상된다.
데이터가 케이블에서 충돌하지 않는 구조
전이중 통신 방식이란 데이터의 송신과 수신을 동시에 수행하는 통신 방식이다.
전이중 통신 방식에서는 충돌이 일어나지 않는다.
반이중 통신 방식은 회선 한 개로 송신과 수신을 번갈아가며 수행하는 통신 방식이다.
허브는 반이중 통신 방식으로 동시에 데이터를 전송하면 충돌이 일어난다.
데이터 충돌이 발생하고 그 충돌 영향이 미치는 범위를 충돌 도메인이라고 한다.
허브는 연결 되어있는 컴퓨터 전체가 하나의 충돌 도메인이 된다.
충돌 도메인의 범위가 넓을수록 네트워크가 지연된다.
전이중 통신 방식(full-duplex communication) : 전화 회선과 같이 송신과 수신이 양쪽에서 동시에 이루어지는 양방향 통신이다. 서로 다른 회선이나 주파수를 이용하여 데이터 신호가 충돌되는 상황을 방지한다. 스위칭 허브를 사용하면 랜 카드와 허브 간의 동시 송수신이 가능해진다.
ARP는 목적지 컴퓨터의 IP주소를 이용하여 MAC 주소를 찾기 위한 프로토콜이다. 이더넷 프레임을 전송하려면 목적지 컴퓨터의 MAC 주소를 지정해야 한다.
출발지 컴퓨터가 목적지 주소를 모르면 MAC 주소를 알아내기 위해 네트워크에 브로드캐스트를 하는데, 이것을 ARP 요청 이라고 한다.
이 요청에 대해 지정된 IP주소를 가지고 있지 않은 컴퓨터는 응답하지 않지만, 지정된 IP주소를 가진 컴퓨터는 MAC 주소를 응답으로 보낸다. 이것을 ARP응답이라고 한다. 이것으로 출발지 컴퓨터는 MAC 주소를 얻고 이더넷 프레임을 만들 수 있다.
출발지 컴퓨터에서는 MAC 주소를 얻은 후에 MAC 주소와 IP 주소의 매핑 정보를 메모리에 보관한다. 이 정보를 ARP 테이블 이라고 한다. 이후 데이터 통신은 자신의 컴퓨터에 보관된 ARP 테이블을 참고하여 전송된다.
하지만 IP주소가 변경되면 해당 MAC 주소도 함께 변경되므로 제대로 통신할 수 없다. 그래서 ARP 테이블에서는 보존 기간을 ARP 캐시로 지정하고 일정 시간이 지나면 삭제하고 다시 ARP 요청을 한다.
ARP(Address Resolution Protocol, 주소 변환 프로토콜) : 네트워크 계층 주소와 데이터 링크 계층 주소 사이의 변환을 담당하는 프로토콜이다. IP주소를 물리 주소인 MAC주소로 변환하는 데 사용한다.
ARP 캐시(APR cache) : 가장 최근에 변환한 'IP 대 하드웨어 주소'를 보관하고 있는 램(RAM)의 한 영역이다.
ARP 요청(ARP request) : IP주소를 대치할 수 있는 물리 주소인 MAC 주소를 찾아내기 위해 보내는 브로드캐스트 패킷 요청이다.
ARP 응답(ARP reply) : ARP 요청(request)에 대한 응답으로 요청한 IP주소에 대한 물리 주소인 MAC 주소가 실려있다.
이더넷의 종류와 특징
이더넷은 케이블 종류나 통신 속도에 따라 다양한 규격으로 분류된다.
규격 이름을 보는 법은,
10BASE-T
가 있다면,
- 10은 Mbps 단위인 통신 속도로 10Mbps라는 뜻.
- BASE는 는 BASEBAND라는 전송방식(펄스 신호에 의한 디지털 전송 방식).
- T는 케이블 종류를 나타낸다.
하이픈(-) 뒤는 케이블 길이나 종류를 나타내지만, 동축 케이블은 케이블의 최대 길이를 100미터 단위로 표시한다. 예를 들어 10BASE5는 케이블의 최대 길이가 500미터 이므로 5로 표시되어 있다.
UTP 케이블은 케이블 종류를 표시하는데, 10BASE-T는 UTP케이블을 뜻하는 것이다.
