[CS/Computer Science][네트워크/ Network] 물리 계층과 데이터 링크 계층

이번 포스팅부터, 네트워크 참조모델을 구성하는 가장 최하위 계층부터 하나씩 알아보겠습니다. 먼저, 가장 근원적인 지점인 물리 계층과 데이터 링크 계층에 관한 내용입니다.

두 계층은, 오늘날 네트워크 환경에서 기본적으로 공통된 기술(이더넷)로 구현됩니다. 이에 유념하여 읽어보시면 도움이 될 것 같습니다.

1. 이더넷(Ethernet)

• LAN 내의 호스트들이 올바르게 정보를 주고 받을 수 있게 해주는 기술
• 통신 매체를 통한 신호 송수신 방법, 데이터 링크 계층에서 주고 받는 데이터(프레임) 형식 등을 정의한 기술
• 현대 대부분의 유선 LAN은 이더넷 기반 구현
• 이더넷 표준이 달라지면 → 통신 매체 종류 / 신호 송수신 방법 / 최대 지원속도 등이 달라질 수 있음
  
  

이더넷 표준

• 이더넷은 IEEE 802.3의 이름 아래에 다양한 국제 표준화 기술의 모음
• 최근 다양한 네트워크 장비는 특정 이더넷 표준을 대부분 지원함
  • IEEE 802.3
    • 이더넷, 속도 10Mbps
  • IEEE 802.3u
    • 고속 이더넷, 속도 100Mbps
  • IEEE 802.3z / IEEE 802.3ab
    • 기가비트 이더넷, 속도 1000Mbps
  • IEEE 802.3ae
    • 10기가비트 이더넷, 속도 10Gbps
  • IEEE 802.3ba
    • 100기가비트 이더넷, 속도 100Gbps
      
      

이더넷 프레임

• 이더넷 기반의 네트워크에서 주고받는 프레임
• 주로 사용되는 이더넷 프레임: Ethernet II 프레임
• 프레임 → 프리앰블, 수신지 MAC 주소 등 5가지 정보 포함
  1. 프리앰블(preamble)
     • 송수신지 동기화를 위해 사용되는 8바이트(64비트) 크기의 정보
     • 수신지 → 프리앰블을 통해 현재의 이더넷 프레임이 수신되고 있다는 사실을 인지할 수 있음
  2. (송수신지)MAC 주소(MAC address, 물리적 주소)
     • 프레임에서 가장 중요한 정보
     • 송/수신지를 특정할 수 있는 6바이트 길이의 주소
     • 콜론으로 구분된 12자리 16진수로 구성
       • ex) ab:cd:ab:cd:00:01
     • 네트워크 인터페이스마다 하나씩 부여되는 주소
       • 네트워크 인터페이스: 네트워크를 향하는 통로, 연결매체와 연결지점
       • NIC라는 장치가 보통 네트워크 인터페이스를 담당
  3. 타입/길이(type/length)
     • 해당 필드에 명시된 크기가
       • 1500 이하 → 타입/길이 필드는 프레임의 크기를 나타냄
       • 1536 이상 → 타입/길이 필드는 타입(캡슐화된 상위 계층의 정보)을 나타냄
         • ex) IP가 캡술화된 정보를 운반한다면? → 16진수 0800이 타입에 명시
         • ex) ARP프로토콜이 캡슐화된 정보를 운반한다면? → 16진수 0806이 타입에 명시
  4. 데이터
     • 페이로드 명시(상위계층으로 전달할/전달받을 데이터)
       • 단, 포함될 수 있는 데이터의 최대 크기는 정해져 있음
     • 최대크기
       • 일반적으로 1500바이트 이하
         • 1500바이트 → 이더넷 프레임으로 전송 가능한 최대 데이터의 크기 / 네트워크 계층 패킷(헤더+페이로드)의 최대 크기 지칭에 사용
         • 이러한 크기를 MTU라 부르기도
       • 이보다 큰 데이터는 여러 패킷으로 나눠 보냄
  5. FCS(Frame Check Sequence)
     • 트레일러
     • 프레임의 오류가 있는지 여부를 확인하기 위한 필드 → CRC값 명시(오류 검출용 값, Cyclic Redundancy Check)
     • 정보 교환 과정
       • 송신지: 전송할 데이터 + 전송할 데이터에 대한 CRC값 계산하여 송신
       • 수신지: 전달받은 데이터에 대한 CRC 값을 계산하여 송신지로부터 온 CRC 값과 대조 → 두 값이 같을 경우 프레임에 오류가 없다고 판단
         
         

2. (물리 계층)유무선 통신 매체

• 물리 계층과 데이터 링크 계층에는 다양한 네트워크 하드웨어(통신 매체 및 네트워크 장비)가 속해 있음
• 통신 매체는 의외로, 모든 성능의 기본이 되는 경우가 상당히 많음
  
  

유선 매체 - 트위스티드 페어 케이블(Twisted Pair Cable)

• 구리선을 통해 전기적 신호를 주고 받는 통신 매체
• 두 가닥(pair)씩 꼬아져(twisted) 있는 구리선(cable)
• 성능 - 카테고리(Category)를 통해 알 수 있음
  • 카테고리에 따라 대응되는 주요 이더넷 표준이 다름
  • 또한 이더넷 표준에 따른 최대 지원 속도도 달라짐
  • 카테고리를 통해 성능을 구분해줌 → “등급” 역할
• 종류
  • Cat5 - 100Mbps
  • Cat5e - 1Gbps
  • Cat6 - 1Gbps
  • Cat6a - 10Gbps
  • Cat7 - 10Gbps
  • Cat8 - 40Gbps
• 노이즈
  • 구리선을 통해 전기적인 신호를 주고 받는 특성상, 전기 신호에 왜곡을 줄 수 있는 주변 잡음에 취약
  • 방지책
    • 차폐 → 그물 모양의 철사나 포일(foil)로 감싸 방지
      • 철사로 차폐: 브레이드 실드(braided shield)
      • 포일로 차폐: 포일 실드(foil shield)
  • 차폐 케이블
    • STP(Shielded Twisted Pair): 브레이드 실드로 노이즈를 감소시킨 케이블
    • FTP(Foil Twisted Pair): 포일 실드로 노이즈를 감소시킨 케이블
    • UTP(Unshielded Twisted Pair): 아무 것도 감싸지 않고 구리선만 있는 케이블
      
      

무선 매체 - 전파와 WiFi

• 전파
  • 대표적인 무선 매체
  • 3kHz - 3THz 사이의 진동수를 갖는 전자기파
  • 개발자로서 자주 접하게 될 2.4GHz, 5GHz → 와이파이에 주로 사용되는 주파수 (3kHz - 3THz 사이)
• Wi-Fi
  • 무선 LAN에서 가장 대중적으로 활용되는 기술(유선 LAN: 이더넷)
  • 와이파이 세대 - 표준 규격
    • IEEE 802.11 표준을 따르는 무선 LAN 기술
      • 표준 규격에 따라 지원되는 최대 속도 및 주파수 대역이 달라짐
    • 와이파이 뒤에 붙는 숫자로 세대 구분(와이파이 4, 와이파이 5 등)
      • 세대에 따라 지원되는 표준 규격 다름
• 무선 네트워크가 활용하는 대역폭이 겹칠 경우
  • ex) 같은 지역 내에 2.4GHz를 사용하는 무선 네트워크가 여러 개 존재하는 경우 등
  • 신호의 간섭이 발생할 수 있음 → 마치 다른 무전기 소리가 섞여 들릴 수 있는 것처럼
  • 해결책 → 채널이라는 하위 주파수 대역으로 세분화
    • 중첩되지 않는 주파수를 이용한다면, 아무리 많은 통신을 주고 받더라도 성능 저하가 일어나지 않음(아래 그림의 2.4GHz 1,6,11번 채널의 주파수처럼)
    • 각 채널은 번호가 할당되어 있음
    • 일반적으로, 채널은 자동 설정 → 수동 설정도 가능
      
      

3. (데이터 링크 계층)네트워크 인터페이스: NIC

• 네트워크 인터페이스
  • 노드와 통신 매체가 연결되는 지점
  • 마치, 노드와 네트워크 사이의 통로
• NIC(Network Interface Controller)
  • =네트워크 인터페이스 카드, 네트워크 어댑터, LAN 카드, 네트워크 카드, 이더넷 카드 등
  • 일반적으로, 네트워크 인터페이스의 역할을 담당하는 하드웨어
    • 변환 기능: 통신 매체의 신호 ↔ 호스트가 이해하는 프레임
    • 오류 체크: MAC 주소를 토대로, 잘못 전송된 패킷이 없는지 확인
  • 형태
    • 기존: 확장 카드 형태의 장비
    • 근래: USB 연결, 메인보드 내장 등 다양한 형태로 변화
  • 동작 방식
    • 여느 입출력장치와 다르지 않은 과정
    • 대부분의 DMA도 지원
      1. NIC 작동시키는 시스템 콜 호출
      2. 커널 모드 전환 뒤 송수신 수행
      3. 입출력 완료 후 인터럽트를 통해 작업 완료를 CPU에게 알림
         
         
  • NIC의 지원속도는 저마다 다름 → 네트워크 속도에 큰 영향 → 고대역폭을 감당해야 하는 환경에선 내장 NIC 외에 추가로 고속 NIC가 필요함
    
    

4. 허브와 스위치

물리 계층과 데이터 링크 계층의 중간 노드

물리 계층: 허브

• 허브: 물리계층의 네트워크 장비로서, 여러 대의 호스트를 연결하는 장치(=리피터 허브)
• 이더넷 허브(Ethernet hub): 이더넷 네트워크의 허브
  • 포트: 허브에서 케이블의 커넥터가 꽂히는 부분 / 통신 매체를 연결하는 지점
• 허브의 핵심 특징
  1. 전달받은 신호를 모든 포트로 내보냄
     • 허브가 신호를 전달받음 → 해당 신호에 대한 어떠한 조작이나 판단을 하지 않고 모든 포트에 단순 신호 전달
  2. 반이중 모드로 통신
     • 반이중 모드(half-duplex mode): 송/수신 모드를 번갈아 수행해야 하는 통신 방식
       • 한마디로, 송수신을 동시에 할 수 없음
     • 전이중 모드(full duplex mode): 동시 송수신이 가능한 상태
       • 스위치(데이터 링크 계층의 네트워크 장비)는 전이중 모드 지원
• 충돌과 충돌 도메인
  • 허브는 반이중 모드로 통신 → 허브를 향해 동시에 메시지를 보내면, 충돌 문제 발생
  • 충돌 도메인(collision domain): 충돌이 발생할 수 있는 영역
    
    

데이터 링크 계층: 스위치

• 허브의 한계를 보완하기 위한 네트워크 장비 → 허브와 비교하여 충돌 도메인이 좁음
  • 전달받은 신호를 목적지 호스트가 연결된 포트로만 내보냄
  • 전이중 모드 지원
• 대표 기능 1: MAC 주소 학습 기능
  • 목적지 호스트가 연결된 포트로만 내보낼 수 있는 이유
    1. 프레임 헤더에는 MAC 주소 명시
    2. 스위치는 데이터 링크 계층에 속한 장비 → MAC 주소 이해 가능
    3. 스위치는 프레임 속 MAC 주소를 토대로 다음 정보를 MAC 주소 테이블에 저장
       • 현재 어떤 포트에 어떤 MAC 주소를 가진 호스트가 연결 되어있는가
       • “포트-연결된 호스트의 MAC 주소” 대응관계 저장
  • MAC 주소 테이블을 생성하고 참조하여 기능 구현
• 대표 기능2: VLAN(Virtual LAN)
  • 목적: 같은 스위치에 연결된 모든 호스트를 하나의 네트워크가 아닌 여러 논리적인 네트워크로 나누어 사용하고 싶을 때
  • ex) 아래와 같은 그림에서, 호스트 A-D와 호스트 E-I는 서로 다른 VLAN에 속함 → 서로 다른 네트워크로 간주