02-물리 계층과 데이터 링크 계층
02-1 이더넷
유선 LAN 구축을 위한 물리 계층과 데이터 링크 계층 관련 개념들을 학습.
물리 계층과 데이터 링크 계층은 서로 밀접하게 연관되어 있다. 두 계층은 이더넷이라는 공통된 기술이 사용되기 때문이다.
- 이더넷은 유선 LAN 환경에서 가장 대중적으로 사용되는 기술
- 두 대의 컴퓨터가 정보를 주고받으려면 케이블과 같은 통신 매체가 필요
- 이더넷은 다양한 통신 매체의 규격들과 송수신되는 프레임의 형태, 프레임을 주고받는 방법 등이 정의된 네트워크 기술
이더넷 표준
- 물리적 연결 - 이더넷 규격 케이블로 연결
- 데이터 형식 - 이더넷 프레임
- IEEE 802.3 표준화 사용으로 서로 다른 제조사의 네트워크 장비라도 동일한 형식의 프레임을 주고받고 약속한 형태로 작동 함.
- 오늘날 네트워크 장비들은 이더넷 표준을 이해하고 따른다고 봐도 무방\
- IEEE 802.3u, 802.3ab 처럼 숫자 뒤에 버전을 나타내는 알파벳으로 표현
통신 매체 표기 형태
전송 속도 BASE - 추가 특성
- 전송속도
- 숫자만 표기, Mbps 속도, 숫자 뒤에 G가 붙는 경우 Gbps 속도 의미
- 10 - 10Mbps, 100 - 100Mbps, 1000 - 1000Mbps(1Gbps), 2.5G - 2.5Gbps ..
- BASE
- 베이스밴드의 약자, 변조 타입을 의미
- 변조 타입이란 비트 신호로 변환된 데이터를 통신 매체로 전송하는 "방법"을 의미
- BASE는 디지털 신호
- BASE 외에 BROAD, PASS 등이 있다.
- 추가특성
- 통신 매체의 특성 명시
- 전송 가능한 최대거리 명시
- 물리 계층 인코딩 방식 명시
- 레인 수 명시(비트 신호를 옮길 수 있는 전송로 수)
- 통신 매체의 특성 명시
통신 매체 종류
- C - 동축 케이블
- T - 트위스티드 페어 케이블
- S - 단파장 광섬유 케이블
- L - 장파장 광섬유 케이블
| 10BASE-T 케이블 | 10Mbps 속도를 지원하는 트위스티드 페어 케이블 |
| 1000BASE-SX 케이블 | 1000Mbps 속도를 지원하는 단파장 광섬유 케이블(X는 인코딩방식) |
| 1000BASE-LX 케이블 | 1000Mbps 속도를 지원하는 장파장 광섬유 케이블(X는 인코딩방식) |
이더넷 프레임
이더넷 네트워크에서 주고받는 프렝인 이더넷 프레임 형식은 정해져 있다. 이더넷 프레임은 상위 계층으로부터 받아들인 정보에 헤더와 트레일러를 추가하는 캡슐화 과정을 통해 만들어 진다. 수신자는 헤더와 트레일러를 제거한 뒤 상위 계층으로 올려보내는 역캡슐화 과정을 거친다.
- 프리앰블
- 이더넷 프레임 시작을 알리는 8바이트 크기의 정보
- 첫 7바이트는 10101010 값, 마지막 바이트는 10101011 값
- 수신자는 프리앰블을 통해 이더넷 프레임을 인식
- 송수신지 간의 동기화를 위해 사용되는 정보
- 수신자, 송신자 MAC 주소
- 네트워크 인터페이스마다 부여되는 6바이트 길이의 주소, 수신지와 송신지를 특정할 수 있음
- getmac /v , ipconfig /all 통해 CMD에서 확인 가능
- 타입/길이
- 타입 혹은 길이가 올 수 있다. 1500이하일 경우 이 필드는 프레임의 크기를 나타내는 데 사용
- 1536 이상일 경우 타입을 나타내는 데 사용
- 타입은 상위 계층의 프로토콜를 나타낸다. 이더타입이라고도 한다.
https://github.com/kangtegong/self-learning-cs2/tree/main/ethertypes
self-learning-cs2/ethertypes at main · kangtegong/self-learning-cs2
『혼자 공부하는 네트워크』 (한빛미디어) 심화자료. Contribute to kangtegong/self-learning-cs2 development by creating an account on GitHub.
github.com
https://www.iana.org/assignments/ieee-802-numbers/ieee-802-numbers.xhtml
IEEE 802 Numbers
1536 0600 1536 3000 XEROX NS IDP ["The Ethernet, A Local Area Network: Data Link Layer and Physical Layer Specification", AA-K759B-TK, Digital Equipment Corporation, Maynard, MA. Also as: "The Ethernet - A Local Area Network", Version 1.0, Digital Equipmen
www.iana.org
- 데이터
- 상위 계층에서 전달받거나 전달해야 할 내용을 의미
- 네트워크 계층 헤더 + PDU가 포함되어 있다.
- 최대 크기는 1500바이트 이고, "반드시" 일정 크기(46바이트)이상 이여야 한다. 그 이하의 데이터라면 크기를 맞추기 위해 "패딩"이라는 정보가 내부에 채워진다(보통 "0")
- FCS
- 수신한 이더넷 프레임에 오류가 있는지 확인하기 위한 필드
- CRC(순한 중복 검사) 오류 검출용 값이 들어 있다.
- 프리엠블을 제외한 나머지 필드 값들을 바탕으로 CRC 값을 계산한 후, FCS 필드에 명시
- 수신지는 수신한 프레임에서 프리엠블과 FCS 필드를 제외한 나머지 필드 값들을 바탕으로CRC 값을 계산한 뒤, FCS 필드 값과 비교
- 일치하지 않으면 해당 프레임을 폐기
토큰 링
이더넷 외에 다른 LAN 기술로, 네트워크에서는 호스트들이 링 형태로 연결되어있다. 호스트끼ㅣ 돌아가며 토큰이라는 특별한 정보를 주고받는다. 네트워크 내 다른 호스트에게 메시지를 송신하려면 이 토큰을 가지고 있어야 한다.
Token ring | Introduction | History | Working | Token ring vs. Ethernet | Remove data packet - Tech Blog
Token ring | Introduction | History | Working | Token ring vs. Ethernet | Remove data packet What is Token ring? Token ring is a communication protocol
msatechnosoft.in
02-2 NIC와 케이블
NIC은 호스트와 통신 매체를 연결하고, MAC 주소가 부여되는 네트워크 장비이다.
케이블은 NIC에 연결되는 물리 계층의 유선 통신 매체이다.
트위스티드 페어 케이블, 광섬유 케이블이 대표적이다.
NIC
통신 매체에는 전기, 빛 등 당야한 신호가 흐를 수 있다. 통신 매체를 통해 전달되는 신호와 컴퓨터가 이해할 수 있는 정보 간에 변환이 필요한데, 이러한 변환을 담당하고 통신 매체와 호스트를 연결해준다.
https://ascentoptics.com/blog/ko/network-interface-card/
네트워크 인터페이스 카드 이해: NIC의 인터페이스 및 기능 탐색
일반적으로 NIC라고 불리는 네트워크 인터페이스 카드는 네트워크에 연결하려는 모든 컴퓨팅 시스템의 중요한 구성 요소입니다. 사이를 연결하는 다리 역할을 합니다.
ascentoptics.com
역할
통신 매체에 흐르는 "신호"를 호스트가 이해하는 "프레임"으로 변환하거나 반대로 호스트가 이해하는 프레임을 통신 매체에 흐르는 신호로 변환해준다. 인터페이스이다.
트위스티드 페어 케이블
구리 선으로 전기 신호를 주고받는 통신 매체이다. LAN 케이블이라고 하면 가장 먼저 떠오를 만큼 대중적인 케이블이다. 케이블 본체와 케이블의 연결부인 "커넥터"로 이루어져 있다.
AS는 Autonomous System 의 약자로 하나의 네트워크 관리자에 의해 관리되는 라우터 집단을 의미합니다. AS번호는 16비트 길이로, 1 ~ 65,536 영역을 가지며 64,510 ~ 65,530 영역은 사설용 (Private Use)로 Private Address 처럼 조직 내에서 임의로 사용 가능합니다
출처: https://mindnet.tistory.com/entry/ASAutonomous-System-Number-사용기관-현황-AS-번호 [Mind Net:티스토리]
구리 선 전자적 간섭이 생겨 노이즈에 민감하다. 그래서 구리 선을 그물 모양의 철사 또는 포일로 감싸 보호나는 경우가 많다. 감싸서 노이즈를 감소시키는 방식을 "차폐'라고 한다. 그물 모양의 철사와 포일을 각각 브레이드 실드, 포일 실드라고 한다.
브레이드 실드로 구리 선을 감싸 노이즈를 감소시킨 트위스티드 페어 케이블은 STP, 포일 실드로 감싸 노이즈를 감소시킨 트위스티드 페어 케이블은 FTP, 아무것도 감싸지 않은 케이블은 UTP라고 한다.
XX/YTP
XX에는 케이블 외부를 감싸는 실드의 종류 명시, 하나 ㅎ고은 두 개일 수 있다. Y에는 꼬인 구리 선 쌍을 감싸는 실드의 종류를 명시한다.
- S/FTP - 외부는 브레이드 실드, 각 구리 선 쌍은 포일 실드
- F/FTP - 외부, 내부 포일 실드
- SF/FTP - 외부는 브레이드 실드와 포일 실드, 각 구리 선 쌍은 포일 시드
- U/UTP - 외부, 내부 아무것도 감싸지 않음
카테고리에 따른 트위스티드 페어 케이블의 분류
카테고리는 케이블 성능의 등급을 구분하는 역할을 하며, 높은 카테고리에 속한 케이블은 높은 성능을 보인다.
Category의 앞 세 글자를 딴 Cat이라는 표기로 줄여서 표현하는 경우가 많다. Cat3, Cat5 등 처럼 표현
광섬유 케이블
이름 그대로 "빛"을 이용해 정보를 주고받는 케이블이다. 전기 신호보다 당연히 빠르며, 먼 거리까지 전송이 가능하다. 노이즈로부터 간섭받는 영향도 적다. 보통 대륙 간 네트워크 연결에 사용된다.
https://www.youtube.com/watch?v=flKX2cI48fw
빛의 특징 중 "굴절"을 활용한다. 내부전반사를 활용하여 광섬유 케이블을 따라 정보를 전달한다.
감쇄 형상이 생기기 때문에 증폭기가 필요하다.
광섬유는 코어, 클래딩, 코팅 3부분으로 구성된다.
- 코오 - 빛이 흐르는 부분
- 클래딩 - 빛이 코어 안에서만 흐르도록 빛을 가두는 역할
- 코팅 - 외부의 충격이나 측압으로부터 보호 역할
코어의 지름에 따라 싱글 모드, 멀티 모드 광섬유 케이블로 나뉜다.
- 싱글 모드
- 코어의 지름이 작으면 빛이 이동할 수 있는 경로가 많지 않다. 그래서 하 이상의 경로를 갖기 어렵기 때문에 모드가 하나라고 표현한다.
- 장거리 연결에 주로 사용
- 보통 장파장 빛 사용
- 케이블 본체 색을 노란색, 파란색을 사용
- 멀티 모드
- 지름이 넓기 때문에 빛이 여러 경로로 이동할 수 있어서 모드가 여러 개라고 표현한다.
- 싱글 모드와 비교해 근거리 연결에 주로 사용
- 보통 단파장 빛 사용
- 케이블 본체 색을 오렌지색, 아쿠아색을 사용
https://brunch.co.kr/@mascott/18
광케이블(Optical Fiber Cable)의 종류
광케이블의 세계로... | ◎ 광케이블(Optical Cable) ▸ 광신호로 변환된 레이저 신호를 멀리까지 전송하기 위해서 광섬유로 만들어진 전송 케이블 ▸ 광케이블은 구리선을 사용하는 통신방식보다
brunch.co.kr
02-3 허브
허브는 물리 계층의 장비이다. 여러 대의 호스트를 연결할 때 사용한다. 허브는 "반이중" 모드 통신을 한다.
| 데이터 링크 계층 | NIC, 스위치 | 전이중 통신, VLAN |
| 물리 계층 | 트위스티드 페어 케이블, 광섬유 케이블, 허브 | 반이중 통신, CSMA/CD |
물리 계층은 주소가 없다. 그러기에 송수신의 정보를 모른다. 그러니 조작과 판단을 할 수 없다. 그래서 허브는 전달받은 신호를 다른 모든 "포트"로 그대로 다시 보낸다. 그래서 송신지를 제외한 모든 스트들에게 신호를 보낸다. 신호를 받은 호스트들은 "데이터 링크 계층"에서 패킷의 MAC 주소를 확인하고 자신과 관련 없는 주소는 폐기한다.
허브는 "반이중 통신"을 한다. 무전기 처럼 한쪽이 신호를 보내면 듣고 있고 끝나면 신호를 보낼 수 있다. 전이중은 "전화"처럼 동시에 받고 보낼 수 있다.
콜리전 도메인
반이중 통신을 하므로 동시에 호스트들이 신호를 보내면 콜리전(충돌)이 발생한다. 호스트가 많이 연결되어 있다면 충돌 발생 가능성이 높다. 이렇게 충돌이 발생할 수 있는 영역을 "콜리전 도메인"이라고 한다. 허브에 연결된 모든 호스트는 "같은 콜리전 도메인"에 속한다.
스위치와 허브의 차이
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https://teacheryoon.tistory.com/18
네트워크(기본) - Switch, Collision, Collision domain
Collision Domain 직역하면 '충돌 도메인'이며 동시에 통신을 시도했을 때, 충돌이 발생하는 영역을 말한다. 예를들어 아래와 같은 collision domain에서 A와 C가 통신중일 때, D와 F는 통신이 불가하다. 즉,
teacheryoon.tistory.com
허브의 콜리전 도메인을 해결하기 위해 CSMA/CD 프로토콜 사용이나 스위치 장비를 사용해야 한다.
CSMA/CD
CSMA/CD는 여러 호스트가 공유하는 통신 매체에 접근할 때 사용 가능한 제어 방식이라는 점에서 매체 접근 제어(MAC, Media Access Control) 방법의 일종이라고 부른다. 이더넷을 대표하는 송수신 방법이다.
CS는 Carrier Sense 캐리어 감지를 의미한다. 메시지를 보내기 전에 현재 네트워크상에서 전송 중인 것이 있는지 먼저 확인한다. 사용 가능 여부를 검사하는 것이 "캐리어 감지"이다.
MA는 Multiple Access 다중 접근을 의미한다. 복수의 호스트가 네트워크에 접근하려는 "상황"을 다중 접근이라 한다.
CD는 Collision Detection, 충돌 검출을 의미한다. 충돌이 발생하면 이를 검출한다. 이를 충돌 검출이라고 하며, 충돌을 감지하면 전송이 중단되고, 충돌을 검출한 호스트는 다른 이들에게 충돌이 발생했음을 알리고자 "잼 신호"라는 특별한 신호를 보낸다. 그리고 임의의 시간 동안 기다린 뒤에 다시 전송한다.
02-4 스위치
스위치는 원하는 호스트에게로만 신호를 보낸다. MAC 주소를 학습할 수 있기 때문이다. 스위치는 데이터 링크 계층의 네트워크 장비이며, L2 스위치라고도 부른다. 허브와 다르게 전이중 통신을 하며 MAC 주소를 가지고 있어 원하는 호스트에게만 신호를 보낸다. 전이중 통신이므로 CSMA/CD 프로토콜을 사용하지 않아 대기 시간이 없다.
특징
- 특정 포트와 해당 포트에 연결된 호스트의 MAC 주소의 관계를 기억하고 있다.(MAC 주소 학습)
- 스위치의 포트와 연결된 호스트의 MAC 주소 연관 관계를 MAC 주소 테이블에 저장하고 있다.
MAC 주소 학습
- 플러딩 - 테이블에 정보가 없을 경우 송신지를 제외한 모든 포트로프레임 전송
- 포워딩 - 프레임이 전송될 포트에 실제로 프레임을 내보내는 것을 의미
- 필터링 - 어디로 프레임을 보내고 보내지않을지 결정하는 기능
- 에이징 - 일정 시간 동안 주소 테이블에 등록된 특정 포트에서 프레임을 전송받지 못하면 해다 항목 삭제하는 기능
VLAN
한 대의 물리적 스위치라 해도 여러 대의 스위치가 있는 것처럼 논리적인 단위로 LAN을 구획할 수 있다.
포트 기반 VLAN
'스위치의 포트가 VLAN을 결정하는 방식'이다. 사전에 특정 포트에 VLAN을 할당하고, 해당 포트에 호스트를 연결함으로써 VLAN에 포함시킬 수 있다.
포트낭비가 심하므로 "트렁크 포트"를 사용하여 스위치를 서로 연결하는 방법이 있다.
MAC 기반 VLAN
송수신하는 프레임 속 MAC 주소가 호스트가 속할 VLAN을 결정하는 방식.
이 외에 서브넷 기반, 프로토콜 기반 VLAN도 있다.
https://forum.huawei.com/enterprise/en/Basic-principles-of-VLAN-technology-2/thread/667247401276162049-667213871523442688
forum.huawei.com
트렁크 포트를 타고 넘어온 프레임으로 스위치가 아직 합습되지 않은 MAC주소가 어떤 VLAN에 속하는지 식별하기 위한 정보가 추가된게 확장된 이더넷 프레임이다. 이더넷 프레임 사이에 32비트 크기의 VLAN 태그라는 정보가 추가되어 있다. 스위치는 이 정보를 보고 해당 프레임의 VLAN을 알 고 프레임을 전송한다.
