[모두의 네트워크] 4장 - 데이터 링크 계층: 랜에서 데이터 전송하기

12. 데이터 링크 계층의 역할, 이더넷

※ OSI 모델의 데이터 링크 계층

• 응용 계층
• 전송 계층
• 네트워크 계층
• 데이터 링크 계층
  : 랜(LAN)에서 데이터를 주고받기 위해서는 데이터 링크 계층의 기술이 필요하다.
• 물리 계층

--> 데이터 링크 계층은 네트워크 장비 간에 신호를 주고받는 규칙을 정하는 계층으로, 랜에서 데이터를 정상적으로 주고받기 위해 필요한 계층이다. 그 규칙들 중 일반적으로 가장 많이 사용되는 규칙이 이더넷(Ethernet)이다.
 
▶ 이더넷(Ethernet)
: 허브(hub)와 같은 장비에 연결된 컴퓨터와 데이터를 주고받을 때 사용하는 규칙

• Problem: 허브(hub)를 사용하는 랜 환경에서는 특정한 컴퓨터 한 대에 데이터를 보내려고 해도 다른 모든 컴퓨터에 전기 신호가 전달된다.
  --> Solution: 보내려는 데이터에 목적지 정보를 추가해서 보내고, 목적지 이외의 컴퓨터는 데이터를 받더라도 무시한다.
• Problem: 허브는 들어온 데이터를 그대로 모든 포트에 보내기만 한다(더미 허브;dummy hub) --> 데이터들 간에 충돌(collision)이 발생한다.
  --> Solution: CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)
  - CSMA: 데이터를 보내려고 하는 컴퓨터가 케이블에 신호가 흐르고 있는지 아닌지를 확인하고, 케이블에 데이터가 흐르고 있지 않다면 데이터를 보내도 좋다.
  - CD: 충돌이 발생하고 있는지 확인한다.
  ** Solution 2: 스위치(switch)

 

Lesson 12 정리

• 이더넷(Ethernet)은 랜(LAN)에서 데이터를 정상으로 주고받기 위한 규칙이다.
• 이더넷(Ethernet)은 데이터 충돌을 막기 위한 규칙으로 CSMA/CD 방식을 사용한다.
• CSMA/CD에서 CS는 데이터를 보내려고 하는 컴퓨터가 케이블에 신호가 흐르고 있는지 확인하는 규칙, MA는 케이블에 데이터가 흐르고 있지 않으면 데이터를 보내도 된다는 규칙, CD는 충돌이 발생하고 있는지 확인하는 규칙이다.

 

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13. MAC 주소의 구조

MAC(Media Access Control) 주소

: 랜(LAN) 카드는 비트열(0과 1)을 전기 신호로 변환한다. 랜(LAN) 카드에는 MAC 주소라는 번호가 정해져 있다. 제조할 때 새겨지기 때문에 물리 주소라고도 부르는데, 전 세계에서 유일한 번호로 할당되어 있다.

MAC 주소 규칙

 

MAC 주소를 사용한 통신

: OSI 모델, TCP/IP 모델 -- 각각 데이터 링크 계층, 네트워크 계층에서 이더넷 헤더(Ethernet header)와 트레일러를 붙인다.

• 이더넷 헤더(Ethernet header)

이더넷 헤더 구조

이더넷 헤더 - 유형: 프로토콜을 식별하는 유형 번호(16진수)

• 트레일러 = FCS(Frame Check Sequence)
  : 데이터 전송 도중에 오류가 발생했는지 확인하는 용도

--> 프레임: 이더넷 헤더(Ethernet header)와 FCS(Frame Check Sequence)가 추가된 데이터

• 데이터 링크 계층에서 데이터에 이더넷 헤더(Ethernet header)와 FCS(Frame Check Sequence)를 추가하여 프레임을 만들고, 물리 계층에서 이 프레임 비트열을 전기 신호로 변환하여, 네트워크를 통해 전송한다.

허브에 연결된 컴퓨터의 MAC 주소 --> 목적지 MAC 주소와 자신의 MAC 주소를 붙여 전송한다.

• 허브(hub)는 목적지 MAC 주소와 자신의 MAC 주소가 다르면 데이터를 파기한다. 목적지 MAC 주소와 자신의 MAC 주소가 같으면 데이터를 수신한다(역캡슐화). 물리 계층에서 전기 신호로 전송된 데이터를 비트열로 변환하고, 데이터 링크 계층에서 이더넷 헤더와 트레일러를 분리한다.
• 만약 2개 이상의 컴퓨터에서 동일한 컴퓨터에 데이터를 전송한다면, 이러한 경우에는 충돌(collision)을 방지하기 위해 CSMA/CD 방식이 사용된다. 여기에서는 충돌이 감지되면 송신 컴퓨터 중 하나는 잠시 대기하고 데이터를 다시 전송한다. 이더넷(Ethernet)의 CSMA/CD 규칙이 있기 때문에 데이터 충돌이 일어나지 않는다.

 

Lesson 13 정리

• MAC 주소는 48비트 숫자로 구성되어 있다. 그중 앞쪽 24비트는 랜 카드를 만든 제조사 번호고, 뒤쪽 24비트는 제조사가 랜 카드에 붙인 일련번호다.
• 이더넷 헤더는 목적지 MAC 주소(6바이트), 출발지 MAC 주소(6바이트), 유형(2바이트)으로 총 14바이트로 구성된다.
• 데이터 링크 계층에서 데이터 뒤에 추가하는 것을 FCM(Frame Check Sequence)라고 한다.

 

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14. 스위치의 구조

MAC 주소 테이블

▶ 스위치(switch): 데이터 링크 계층에서 동작하고, 레이어 2 스위치 또는 스위칭 허브라고도 부른다.

• MAC 주소 테이블(MAC address table): 스위치의 포트 번호와 해당 포트에 연결되어 있는 컴퓨터의 MAC 주소가 등록되는 데이터베이스
  --> MAC 주소 학습 기능

MAC 주소 학습 기능 -- 플러딩, MAC 주소 필터링

• 플러딩(floading): 아직 송신 포트의 MAC 주소가 MAC 주소 테이블에 등록되어 있지 않아서, 송신 포트 이외의 포트에 데이터(프레임)가 전송되는 것
• MAC 주소 필터링: MAC 주소 테이블에 목적지 MAC 주소가 등록되어 있을 때, MAC 주소를 기준으로 목적지를 선택하는 것

 

Lesson 14 정리

• 스위치(switch)는 데이터 링크 계층에서 동작하며, 레이어 2 스위치 또는 스위칭 허브라고도 부른다.
• 스위치(switch)에는 MAC 주소 테이블이 있다.
• MAC 주소 테이블은 스위치의 포트 번호와 그 포트에 연결되어 있는 컴퓨터의 MAC 주소가 등록되는 데이터베이스다.
• 스위치(switch)가 수신 포트 이외의 모든 포트에서 데이터를 송신하는 것을 플러딩이라고 한다.
• 스위치에서 MAC 주소를 기준으로 목적지를 선택하는 것을 MAC 주소 필터링이라고 한다.

 

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15. 데이터가 케이블에서 충돌하지 않는 구조

전이중 통신, 반이중 통신

전이중 통신 방식 vs. 반이중 통신 방식

▶ 전이중 통신 방식: 데이터 송수신을 동시에 통신하는 방식

• 데이터를 동시에 전송해도 충돌(collision)이 발생하지 않는다.
• 스위치(switch)

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

• 데이터를 동시에 전송하면 충돌(collision)이 발생한다.
• 허브(hub)

 

충돌 도메인(collision domain)

: 충돌이 발생할 때 그 영향이 미치는 범위

• 전이중 통신 방식: 충돌 도메인(collision domain)이 좁다.
• 반이중 통신 방식: 충돌 도메인(collision domain)이 넓다.

 

ARP(Address Resolution Protection)

: 목적지 컴퓨터의 IP주소를 이용하여 MAC 주소를 찾기 위한 프로토콜

• ARP 요청(ARP request)
  --> 지정된 IP 주소를 가지고 있지 않은 컴퓨터는 응답하지 않지만, 지정된 IP 주소를 가진 컴퓨터는 MAC 주소를 응답으로 보낸다. 이것을 'ARP 응답(ARP reply)'라고 한다. 이것으로 출발지 컴퓨터는 MAC 주소를 얻고, 이더넷 프레임을 만들 수 있다.
• ARP 테이블(ARP table)
  : 출발지 컴퓨터에서는 MAC 주소를 얻은 후에 MAC 주소와 IP 주소의 매핑 정보를 메모리에 보관한다. 이 정보를 'ARP 테이블(ARP table)'이라고 한다. 이후 데이터 통신은 자신의 컴퓨터에 보관된 ARP 테이블을 참고하여 전송된다.

 

Lesson 15 정리

• 전이중 통신 방식이란, 데이터의 송신과 수신을 동시에 수행하는 통신 방식이다.
• 반이중 통신 방식이란, 회선 한 개로 송신과 수신을 번갈아가며 수행하는 통신 방식이다.
• 데이터 충돌이 발생하고 그 충돌 영향이 미치는 범위를 충돌 도메인이라고 한다.

 

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16. 이더넷의 종류와 특징

▶ 이더넷 규격

이더넷 규격

이더넷 규격 이름의 뜻

 

Lesson 16 정리

• 주요 이더넷 규격에는 10BASE5, 10BASE2, 10BASE-T, 100BASE-TX, 1000BASE-T, 10GBASE-T가 있다.