network - 유선랜

joepasss 2022. 7. 24. 11:21

작동 방식

근거리 통신망(LAN) 환경에서는 네트워크 자원을 효율적으로 활용하려 데이터링크 계층의 기능을 논리 연결 제어(LLC ; Logical Link Control) 계층과 매체 엑세스 제어 (MAC ; Medium Access Control) 계층으로 나누어 처리한다.

즉, OSI 7계층 모델에서 정의한 데이터링크 계층의 기본 기능은 주로 LLC 계층에서 다루며, 물리적 전송 선로의 특징과 매체 간의 연결 방식에 따른 제어 부분은 MAC 계층에서 처리를 담당한다.

원거리 통신망(WAN)과 달리 근거리 통신망 환경에서는 데이터링크 계층인 계층2의 역할을 LLC 계층과 MAC 계층으로 나누어 담당하도록 구성해 놓았다.

MAC 계층과 LLC 계층의 역할

데이터링크 계층에서 LLC 계층을 통하여 기본적인 기능을 처리하며, MAC 계층에서는 물리적 전송선로의 특징과 매체 간의 연결 방식에 따른 제어 부분을 처리한다.

LLC 계층

근거리 통신망(LAN)에서 LLC 계층은 원거리 통신망(WAN) 환경의 데이터링크 계층과 기능이 거의 유사하다. 그러나 LAN 종류에 따라 MAC 계층의 설계 형태가 영향을 받으므로 LLC 계층도 LAN 특성에 부분적으로 영향을 받을 수 있다. 따라서 이더넷(ethernet)에서 사용하는 LLC와 토큰 링에서 사용하는 LLC는 역할과 기능적인 측면에서 약간 차이가 있을 수 있다.

예를 들어 이더넷의 LLC 계층은 프레임을 전송하는 과정에서 슬라이딩 윈도우 프로토콜을 사용하지만, 토큰 링이나 토큰 버스 구조에서는 송신 단말기가 수신 단말기의 도움 없이 전송 오류를 잡을 수 있어 슬라이딩 윈도우 프로토콜이 불필요하다.

MAC 계층

MAC 계층은 전송 선로의 물리적 특성을 반영하므로 LAN의 종류에 따라 특성이 분류된다. LAN 환경을 위한 MAC 계층은 종류가 다양한데 공유 버스 방식을 지원하는 이더넷과 링 구조를 지원하는 토큰 링 방식이 대표적이다.

컴퓨터 네트워크에서 가장 많이 사용하는 이더넷은 공유 버스를 이용해 단말기들을 연결하는데, 이더넷에서는 데이터를 전송하기 전에 다른 단말기가 데이터를 전송 중인지 전송 선로를 먼저 확인해야 한다. 누군가가 사용 중이라면 정해진 순서에 따라 다음에 다시 시도해야 한다.

토큰 링 방식에서는 토큰이라는 특정 패턴의 데이터가 링을 순환하는데, 이때 데이터를 전송하려먼 먼저 토큰을 확보해야 한다. 확보한 토큰은 데이터 전송을 완료한 즉시 링에 반환해야 한다. 토큰 링 방식에서는 각각의 단말기에 우선순위를 부여할 수도 있다.

프레임 형식

이더넷에서의 프레임 형식은 IEEE 802.3에서 제정한 1-persistent CSMA/CD 방식의 LAN 환경에 관해 규정한 표준안을 사용하며, 공유 버스로 연결한 단말기 간의 데이터 전송에 관한 사항을 다룬다.

이더넷은 원래 IEEE 802.3 표준안을 실제로 구현한 제품으로 네트워크가 가장 일반화된 방식이다. 상위계층인 LLC에서 내려온 프레임을 상대 단말기에 전송하려면 MAC 계층에서 정의된 프레임 구조에 맞게 재구성해야 한다 (MAC 프레임). 이더넷 프로토콜에서는 이더넷 프레임이라 하며, MAC 프레임은 LLC 계층에서 보낸 모든 정보를 전송 데이터로 취급하게 되며 데이터의 앞에는 헤더를, 뒤에는 트레일러가 위치한다.

필드의 크기 단위는 바이트이며, 송신자 주소와 수신자 주소 필드는 2바이트 또는 6바이트 중 선택할 수 있고, 데이터와 패드(pad) 필드는 가변 길이를 지원한다. 데이터 필드 왼쪽에 위치한 필드는 헤더에 속하고 오른쪽은 트레일러에 속한다.

종류	설명
Preamble (프리앰블)	7바이트 크기로, 수신 단말기가 송신 단말기의 클록과 동기를 맞출 수 있도록 시간 여유를 제공하는 것이 목적이다. 각 바이트는 10101010 비트 패턴을 포함한다.
Start delimiter (시작 구분자)	프레임의 시작 위치를 나타낸다. preamble 필드와 구분해 값이 10101011이다.
source addr / dest addr 송신 단말기 주소 / 수신 단말기 주소	MAC 계층에서는 단말기를 구분하는 고유의 MAC 주소를 사용한다. 주소 값은 일반적으로 LAN 카드에 내장하여 제공한다. 두 필드는 전송되는 프레임의 송신 단말기와 수신 단말기 주소를 표현한다. 수신 단말기 주소는 최상위 비트가 1이면 그룹 주소를 의미하고, 0이면 일반 주소이다. 그룹 주소에는 특정 그룹에 속한 단말기에 프레임을 전송하는 멀티 캐스팅과 네트워크에 연결된 모든 단말기에 전송하는 브로드캐스팅이 있다. 브로드캐스팅에서는 주소부의 모든 비트가 1이다. 송신 단말기 주소에서 최상위 비트는 0으로 지정되며 현재 구현되어 사용하는 이더넷 프로토콜은 모두 6바이트 주소를 지원한다
length (길이)	Data 필드에 포함된 가변 길이의 정송 데이터 크기를 나타내며, 최댓값은 1500이다
pad (패드)	불필요한 부분을 공백으로 채우는 것을 의미한다.
Checksum (체크섬)	데이터 전송 과정에서 데이터 변형 오류의 발생 여부를 수신 단말기가 확인할 수 있도록 송신 단말기가 값을 기록해준다.

LLC 프레임과의 관계

OSI 7계층 모델에서는 데이터 전송 시 최상위 계층인 응용계층에서 시작해 물리계층까지 내려오는 과정에서 각 계층의 프로토콜이 정의한 헤더 정보를 계속 추가한다.

네트워크 계층에서 전송할 데이터는 LLC 계층으로 내려오면서 LLC 헤더 정보를 추가해 LLC 프레임이 된다. LLC 프레임은 다시 MAC 계층으로 내려오는데 이 과정에서 MAC 헤더와 MAC 트레일러 정보를 추가한다. 이 때 LLC 계층에서 보낸 LLC 헤더와 데이터는 MAC 계층에서 데이터로 취급되기 때문에 MAC 프레임의 데이터 필드에 기록된다. 이후 MAC 계층에서는 MAC 프레임을 물리계층을 사용하여 수신 단말기에 전송한다.

속도에 따른 분류

LAN의 개요

네트워크는 속도에 따라 Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet 등으로 분류할 수 있다.

특징 \ 종류	Ethernet	Fast Ethernet	Gigabit Ethernet
전송속도	10Mbps	100Mbps	1Gbps
매체 접근제어	CSMA/CD
통신 반경	2.5km	200m	20 ~ 100m
토폴로지	버스형, 성형	성형
케이블	동축 케이블, UTP, 광섬유	UTP, 광섬유	UTP-cat 5, 광섬유
표준	802.3	802.3u 100BASE-FX 100BASE-TX	100BASE-X(802.3z) 100BASE-SX 100BASE-LX 100BASE-T

IEEE 802.3 계열 고속 LAN

100BASE-T 방식은 IEEE 802.3의 매체 접근 방식인 CSMA/CD를 사용하고 100Mbps 전송속도를 지원하며 서로 다른 물리계층을 사용하는 다수의 표준 집합으로 구성된다. 100BASE-T4, 100BASE-TX, 100BASE-FX 등이 있다.

이 프로토콜은 서로 다른 전송매체를 사용할 뿐 아니라, 서로 다른 부호화 방식을 사용한다. 100BASE-T는 1Mbps 또는 100Mbps의 전송속도를 모두 지원할 수 있다.

100BASE-T 방식은 802.3 CSMA/CD 매체 접근 방식을 사용하므로 현재 많이 보급되어 있는 IEEE 802.3 통신망과 쉽게 연동이 가능하나 CSMA/CD의 단점도 그대로 계승한다

고속 LAN에서의 CSMA/CD 방식에 의한 충돌 감지를 제대로 하려면 망 길이를 10Mbps 대역폭에서 허용한 최대 망 길이의 1/10로 축소해야 한다. 즉 100BASE-T는 최대 종단 간 길이가 250m 정도로 제한된다는 단점을 가지고 있다. 100BASE-T4는 4쌍의 Cat 3, Cat4 또는 Cat5 케이블을 사용하며 100Mbps 대역폭을 제공한다. 이러한 음성급 케이블을 지원하는 이유는 기존에 설치된 케아블 자원을 최대한 재활용하는 데 목적이 있다.

그러나 음성급 케이블은 전송 품질에 한계가 있기 때문에 고속 전송을 하기 위해서는 케이블의 길이를 제한해야 한다. 100BASE-T4는 허브와 지국 사이의 길이가 100m 이내이어야 하며 최대 두 개의 리피터를 사용하는 경우 통신망의 최대 길이는 200m 정도로 제한된다.

100BASE-TX	2쌍의 Cat5 케이블 또는 150옴의 차폐 케이블을 사용하여 125MHz 신호를 전이중 방식으로 전송하는 ANSI X3T9.5 TP-PMD/312 버전 2.1을 사용한다. 허브와 지국 사이의 최대 거리는 100미터 이내이며, 두 개의 리피터를 사용하는 경우 통신망의 최대 거리는 200미터로 제한된다
100BASE-FX	두 개의 다중 모드 광섬유를 전송매체로 사용하며 ISO 9314-3에서 정의한 신호 방식을 사용한다. 100BASE-FX는 광섬유를 사용함으로써 허브와 직국 사이의 최대 거리를 300m로 확장할 수 있으며 종단 간 최대 거리는 400m까지 확장할 수 있다.

IEEE 802.12 고속 LAN

고속 LAN용으로 표준화되고 있는 새로운 MAC 방식인 요청 우선순위 접속(DPA) 방식에서는 중계기가 망의 중심 역할을 하고 각각의 지국이 중계기에 연결되는 스타 형상을 가진다. 프레임을 전송할 지국은 중계기에 전송을 요청하게 되고 중계기는 요청 우선순위와 순번(round robin) 방식에 따라 다음에 전송할 지국을 결정한다.

802.12 고속 LAN은 중계기와 각 지국 사이를 연결하는 링크의 전송매체로 UTP(Unshielded Twisted Pair), STP(Shielded Twisted Pair), 광섬유를 사용하고 이를 통해 중계기와 각 지국 사이에 100Mbps의 대역폭을 제공한다. 이러한 다양한 매체를 지원함으로써 802.12 고속 LAN은 이미 설치된 전송 시설을 활용할 수 있게 된다. 이 밖에도 802.3 및 802.5 프레임 구조를 모두 지원하므로 현재 널리 보급되어 있는 저속 LAN과 자연적으로 연동할 수 있다.

IEEE 802.12망은 중계기, 지국, 링크 등의 세 가지 요소로 구성된다. 지국은 PC를 비롯한 각 컴퓨터가 될 수 도 있고 LAN 분석기, 브리지, 라우터 등과 같은 망 장비가 될 수도 있다. IEEE에서 제정한 모든 LAN에서는 각 지국이 망에 돌아다니는 모등 프레임을 받아서 이들 중 자신에게 보낸 프레임만을 받아들이는 방식으로 전송이 수행된다. 그러나 IEEE 802.12 고속 LAN에서는 이와 같은 혼합(promiscuous) 방식 이외에도 개별(privacy) 방식을 허용한다.

개별 방식에서는 지국이 자신의 주소를 중계긱에 미리 보고하여 중계기가 자신을 목적지로 한 패킷만 전송해 주도록 한다. 이 방식을 사용하면 다른 지국들에게 프레임이 전송되지 않으므로 보안이 유지되고 지국의 프레임 처리 오버헤드가 감소하는 장점이 있다. 지국은 필요에 따라 작동 방식을 변경할 수 있다. 단, 중계기, 브리지, 라우터 등은 항상 혼합 방식으로 작동하여야 하며 방송이나 다중 전송되는 프레임은 모두 단자에 전송되도록 해야 한다.

중계기는 다음에 프레임을 전송할 지국을 결정하는 망 작동의 중심 역할을 수행한다.

중계기는 다수의 국부 단자(LP ; Local port)를 갖고 있으며 각 국부 단자는 링크를 통해서 지국에 연결된다. 또 중계기는 연쇄 연결 단자(CP ; Cascade Port) 도 있어 중계기와 중계기를 연결하는데 사용한다.

802.12 고속 LAN에서 링크는 중계기와 중계기 간 또는 중계기와 지국 간의 연결하며 링크의 전송매체로는 UTP, STP, 광섬유 등이 사용된다.

UTP 사용	4쌍의 100짜리 케이블을 사용한다. 각 UTP는 20Mbaud 전송속도를 가지고 있으므로 4쌍의 UTP는 합하여 120Mbaud 전송속도를 지원한다. UTP를 사용하면 링크의 길이를 최대 100m까지 늘릴 수 있다
STP 사용	링크를 2쌍의 150STP 케이블로 구성해야 한다. STP도 120Mbaud 송신 속도를 지원하며 최대 100m까지 늘릴 수 있다.
광섬유 사용	두 개의 다중 모드 광섬유로 링크를 구성해야 한다. 광섬유 링크의 최대 길이는 2000미터로 제한되며 송신속도는 역시 120Mbaud이다. 다수의 중계기를 트리 형상으로 연결하면 대규모의 802.12 고속 LAN을 구축할 수 있다. 이와 같은 망에서 가장 상위에 있는 중계기를 1준위 중계기 또는 근간 중계기라 부르고 그 아래에 있는 중계기들은 2준위 중계기, 3준위 중계기 등으로 부른다.

a) 초기 상태에는 모든 지국이 전송할 데이터가 없으므로 Idle-Up 신호를 중계기에 보내고 중계기도 Idle-Down 신호를 지국에 전송한다

b) 만약 전송할 데이터가 발생하면 지국은 Request-Normal 또는 Request-High 신호를 중계기에 전송한다. A와 C가 동시에 Request Normal을 요청하는 경우에는 요청을 접수한 중계기가 우선순위에 따라 전송을 허용할 지국을 결정한다.

c) 전송할 지국이 결정되면 중계기는 Grant 신호를 보내고, 다른 지국에는 들어오는 Incomming 신호를 보내 곧 데이터가 도착할 것임을 알린다. 들어오는 신호를 받은 지국은 송신기의 작동을 중지하고 데이터를 수신할 준비를 갖춘다.

d) 프레임 수신 / 전송

ARP(Address Resolution Protocol)

네트워크 환경에서 임의의 단말기가 다른 단말기에 데이터를 전송하려먼 수신 단말기의 IP주소는 물론 MAC 주소도 알아야 한다. 수신 단말기의 IP주소는 보통 응용 프로그램 사용자가 프로그램을 실행하는 과정에서 직접 입력하므로, IP주소로부터 수신 단말기 MAC 주소를 얻는 작업이 추가로 요구된다.

MAC(Medium Access Control) 주소

IP 프로토콜 헤더에서 필요한 송신 단말기 IP주소, 수신 단말기 IP주소와 함께 MAC 계층에서도 송신 단말기 MAC주소, 수신 단말기 MAC주소가 필요하다. 송신단말기의 IP주소는 자신의 하드 디스크에 보관되어 있으므로 손쉽게 구할 수 있다. 또한 수신 단말기의 IP주소는 사용자가 접속하고자 하는 단말기의 IP 주소를 지정해주는데 사용자는 일반적으로 도메인 이름을 입력하게 된다. 도메인 이름은 DNS 서비스를 통해 IP주소로 쉽게 변환할 수 있다.

MAC 주소의 경우 송신 단말기 MAC 주소는 자신의 LAN카드에 내장되므로 이 값을 읽으면 된다. 문제는 수신 단말기의 MAC주소이다. 송신 단말기의 내부 정보로는 얻을 수 없기 때문에 수신 단말기의 IP주소를 매개 변수로 하여 ARP 기능을 통해 수신 단말기 MAC 주소를 얻어야 한다.

단말기 A가 단말기 B의 MAC 주소를 얻으려면 ARP Request라는 특수 패킷을 브로드캐스팅 해야 한다. ARP Request 패킷을 네트워크의 모든 단말기가 수신하게 되는데 이 때 관계없는 단말기는 패킷을 무시하고 단말기 B만 IP주소가 자신의 IP주소와 동일함을 인지한다. 따라서 단말기 B는 ARP Reply 패킷을 사용해 자신의 MAC주소를 단말기 A에 회신한다.

데이터를 전송할 때 마다 ARP를 사용하여 패킷을 브로드캐스팅하면 네트워크 트래픽이 증가하므로 ARP를 사용하는 단말기에서는 가장 최근에 얻은 IP주소와 MAC주소 매핑 값을 보관하는 캐시 정보를 이용한다. 또한 송신 단말기가 ARP Request 패킷을 브로드캐스팅하는 과정에서 패킷을 수신한 모든 단말기는 송신 단말기 IP 주소와 MAC 주소 값을 자동으로 얻을 수 있다. 이와 같은 방식으로 ARP 트래픽에 의한 네트워크 부하를 최소화할 수 있다.

RARP (Reverse Address Resolution Protocol)

ARP는 IP주소를 이용해 해당 단말기의 MAC 주소를 제공하는 역할을 한다. RARP는 MAC 주소를 이용해 IP주소를 제공한다.

IP 주소를 얻고자 하는 단말기에서는 MAC 주소를 매개 변수로 하여 패킷을 브로드캐스팅 한다. 보통 네트워크에는 RARP의 기능을 전담으로 수행하는 서버가 하나 이상 존재한다. 따라서 모든 단말기가 RARP 변환 요청을 받아도 해당 정보를 보관하고 있는 RARP 서버만 응답을 수행할 수 있다.