[모두의 네트워크] 4장. 데이터 링크 계층

데이터 링크 계층의 역할과 이더넷

1. 이더넷이란?

데이터 링크 계층
- 네트워크 장비 간에 신호를 주고받는 규칙을 정하는 계층
- 랜에서 데이터를 정상적으로 주고 받기 위해 필요한 계층
데이터 링크에서 정한 규칙 중 가장 많이 사용되는 규칙이 이더넷(Ethernet)

이더넷이란?
이더넷은 랜에서 적용되는 규칙이다.
또한 허브와 같은 장비에 연결된 컴퓨터와 데이터를 주고 받을 때 사용한다.

허브를 같이 사용하는 랜 환경에선 특정한 컴퓨터 한 대에 데이터를 보내려 해도 다른 모든 컴퓨터에 전기 신호가 전달된다.(더미 허브)

이런 경우를 위해 데이터의 내용을 못 보게 하는 확실한 규칙이 정해져 있다.

규칙에 따라 보내려는 데이터에 목적지 정보를 추가해서 보내고 목적지 이외의 컴퓨터는 데이터를 받더라도 무시하게 되어 있다.

컴퓨터 여러 대가 동시에 데이터를 보낼 때 데이터들이 서로 부딪히는 경우 충돌(collision) 발생

→ 이더넷은 여러 컴퓨터가 동시에 데이터를 전송해도 충돌이 일어나지 않는 구조로 설계

데이터가 동시에 지나가면 충돌할 수 밖에 없음 → 데이터를 보내는 시점을 늦춘다.

CSMA / CD
Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection(반송파 감지 다중 접속 및 충돌 탐지)의 약어
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.

하지만 현재는 효율이 좋지 않다는 이유로 CSMA/CD는 거의 사용하지 않고 스위치(switch)라는 네트워크 장비를 사용한다.

MAC 주소의 구조

1. MAC 주소란?

랜 카드는 비트열(0과 1)을 전기 신호로 변환한다. 이러한 랜 카드에는 MAC 주소라는 번호가 정해져 있다.

제조할 때 새겨지기 때문에 물리 주소라고도 부르는데 전 세계에서 유일한 번호로 할당되어 있다.

MAC 주소
Media Access Control Address(물리 주소)의 약어
중복되지 않도록 규칙이 명확하게 정해져 있음.
48비트의 숫자로 구성되어 있고, 앞쪽 24비트는 랜 카드를 만든 제조사 번호, 뒤쪽 24비트는 제조사가 랜 카드에 붙인 일련번호

MAC 주소를 활용한 통신

OSI 모델이나 TCP/IP 모델을 떠올려 보면 각 계층에서 헤더를 붙였다.

OSI 모델에서는 데이터 링크 계층에 해당하고 TCP/IP 모델에서는 네트워크 계층에 해당하는데,

이 계층에서 이더넷 헤더와 트레일러를 붙인다.

이더넷 헤더는 목적지의 MAC 주소(6바이트), 출발지 MAC 주소(6바이트), 유형(2바이트) 이렇게 총 14 바이트로 구성된다.

유형에는 프로토콜 종류를 식별하는 번호가 들어간다.(유형번호)

트레일러는 FCS(Frame Check Sequence)라고도 하는데, 데이터 전송 도중에 오류가 발생하는지 확인하는 용도로 사용한다.

이처럼 이더넷 헤더와 트레일러가 추가된 데이터를 프레임이라고 한다.

네트워크를 통해 프레임이 전송된다.

MAC 주소를 통한 프레임 전송 과정

그림과 같이 컴퓨터 A에서 컴퓨터 B로 데이터를 전송할 때를 살펴보겠다.

이더넷 헤더에 목적지인 컴퓨터 B의 MAC 주소와 근원지인 컴퓨터 A의 MAC 주소를 정보에 담음.
데이터에 이더넷 헤더와 트레일러를 추가(캡슐화) → 프레임 생성
물리 계층에서 2번 과정을 통해 생성된 프레임 비트열을 전기 신호로 변환
네트워크를 통해 전송

이더넷 헤더에 붙어 있는 목적지 MAC 주소와 자신의 MAC 주소가 다른 경우 데이터 파기
같을 경우 역캡슐화 진행 후 데이터 수신

컴퓨터 A와 컴퓨터 C가 동시에 컴퓨터 B에 데이터를 전송하는 경우 충돌이 발생하는데 이런 충돌을 방지하기 위해 CSMA/CD 방식이 사용

스위치의 구조

스위치는 데이터 링크 계층에서 동작하고 레이어 2 스위치 또는 스위칭 허브라고도 불린다.

장비 외형은 허브와 비슷하지만 허브와 달리 데이터 충돌을 방지할 수 있다.

스위치 내부에는 MAC 주소 테이블(MAC address table)이 존재

MAC 주소 테이블
브리지 테이블(bridge table)이라고도 불림.
스위치의 포트 번호와 해당 포트에 연결되어 있는 컴퓨터의 MAC 주소가 등록되는 데이터베이스이다.

MAC 주소 학습 기능

스위치의 전원을 켠 상태에서는 아직 MAC 주소 테이블에 아무것도 등록되어 있지 않다.

컴퓨터에서 목적지 MAC 주소가 추가된 프레임이라는 데이터가 전송되면 MAC 주소 테이블을 확인하고 출발지 MAC 주소가 등록되어 있지 않으면 MAC 주소를 포트에 함께 등록한다.

스위치도 피할 수 없는 것이 있는데, MAC 주소 테이블에 MAC 주소가 등록되어 있지 않다면 허브와 같이 등록되어 있지 않은 포트 번호에 모두 전송된다는 것이다. 이를 플러딩(Flooding, 홍수)이라 부른다.

컴퓨터 B, C, D의 주소가 등록되어 있지 않아 컴퓨어 B, C, D로 데이터가 전송된다.

만약 MAC 주소 테이블에 컴퓨터 B의 MAC 주소가 등록되어 있고 컴퓨터 B로 데이터를 전송한다고 가정하면 목적지 컴퓨터인 컴퓨터 B로만 전송하게 되는데 이를 MAC 주소 필터링이라 한다. 즉 불필요한 데이터를 네트워크에 전송하지 않게 된다.

데이터가 케이블에서 충돌하지 않는 구조

1. 전이중 통신과 반이중 통신

전이중 통신 방식: 데이터의 송수신을 동시에 통신하는 방식
반이중 통신 방식: 회선 하나로 송신과 수신을 번갈아가면서 통신하는 방식

전이중 통신

아래 그림처럼 컴퓨터 A와 컴퓨터 B를 직접 랜 케이블로 연결한다면 여덟 개(선 네 쌍)을 사용하기 때문에 전이중 통신 방식이 된다.

반이중 통신

반면 허브 내부에는 송수신이 나누어져 있지 않기 때문에 컴퓨터 A와 컴퓨터 B를 허브(더미 허브)로 연결하면 동시에 데이터를 보낼 때 충돌이 발생한다. 이처럼 허브를 사용하면 회선 하나를 송신과 수신이 번갈아가면서 사용하는 반이중 통신 방식을 사용하게 된다.

스위치

스위치는 충돌이 일어나지 않는 구조로 되어 있기 때문에 전이중 통신 방식으로 데이터를 주고 받을 수 있다.

이처럼 허브를 사용하면 충돌로 인한 네트워크 지연이 발생하기에 최근에는 허브 대신 스위치를 이용한다.

2. 충돌 도메인

충돌이 발생할 때 그영향이 미치는 범위.

허브는 연결되어 있는 컴퓨터 전체가 하나의 충돌 도메인이 된다.

반면 스위치는 데이터를 동시에 송수신할 수 있는 전이중 통신 방식이기 때문에 충돌이 일어나지 않고 충돌 도메인의 범위도 좁다.

충돌 도메인의 범위가 넓을수록 네트워크가 지연된다.

네트워크를 지연시키지 않기 위해서 충돌 도메인의 범위를 좁히는 것이 매우 중요하다.

따라서 스위치를 사용하여 통신 효율을 높이는 것이 권장된다.

참고 자료

https://almotjalal.tistory.com/87?category=961085

4. 데이터 링크 계층(랜에서 데이터 전송)

이더넷(Ethernet)이란 무엇인가? 데이터 링크 계층은 네트워크 장비 간에 신호를 주고 받는 규칙을 정하는 계층으로, 랜에서 데이터를 정상적으로 주고받기 위해 필요한 계층이다. 그 규칙들 중 일

almotjalal.tistory.com

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