2장. 이더넷과 물리 계층
2.1.1 이더넷의 정의
이더넷(Ethernet)은 OSI 7 계층 모델에서 제 1계층인 물리계층과 제 2계층인 데이터링크 계층에 해당된다. 이더넷(Ethernet)은 Ether 와 Net의 합성어인데 Ether(에테르)란 옛 사람들이 상상한 대기 밖의 정기(精氣), 영기(靈氣)의 의미이거나 빛과 같은 파동을 전달하여 주는 가상의 매체란 의미이고 Net은 네트워크(Network)의 약자이다.
이 이름은 이더넷의 아버지이자 3Com 회사의 창업자인 Bob Metcalfe가 자신이 개발한 컴퓨터 통신 구조 및 통신 방법을 논문에 게재하면서 이러한 것들 전체를 이더넷이라 명명한 후 일반적으로 불리어지게 되었다.
즉, 이더넷(1, 2계층)은 데이터(프레임)를 3계층인 네트워크 계층(Network Layer, 예: IP)으로 전달하는 역할을 한다.
2.1.2 이더넷의 탄생
(1) CSMA/CD
이더넷의 태동은 CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)라는 기술로 집약될 수 있다. 이 기술은 하나의 통신로를 공평하게 공유하는 방법에 대한 최상의 프로토콜이라 할 수 있다. 통신로를 공유한다는 것은 네트워크상의 각 호스트와 호스트 사이에 통신로를 1:1로 연결하지 않고도 하나의 통신로를 공유해서 데이터를 교환한다는 의미다.
이 프로토콜을 간략히 설명하자면, 노드(호스트)에서 전송하고자하는 데이터가 있는 경우에는 선로상에 다른 노드로부터의 신호(carrier)가 공통선로에 올라가 있는지를 먼저 검사한다. 다른 컴퓨터의 신호가 검출되면 자신은 신호가 없을 때까지 대기한 후에 전송한다. 또한, 선로에 자신의 신호를 송출하고 있을 때, 자신이 송출하지 않은 신호가 검출되면 즉시 신호 송출을 멈추고 얼마 정도의 시간 후에 다시 재 전송하는 것이다.
(2) 초기 표준과 매체
이러한 방식은 다음과 같이 선로(전송 매체)에 따른 속도 및 최대 전송 거리를 나타내게 된다. IEEE는 802.3 조항에서 이러한 내용을 참조하여 프로토콜로서 정의하였다.
| 방식 | 전송 매체 | 속도 | 최대 전송 거리(m) |
| 10Base5 | 동축케이블(50Ψ , thick) | 10(Mbps) | 500 |
| 10Base2 | 동축케이블(50Ψ , thin) | 10(Mbps) | 200 |
| 10BaseT | UTP | 10(Mbps) | 100 |
| 1Base5 | UTP | 1(Mbps) | 250 |
여기서 Base는 Baseband의 약자이며 Base 앞에 위치하는 숫자는 전송 속도(단위:Mbps)를, 뒤에 위치하는 숫자는 리피터라는 장치 없이 전송 가능한 최대 거리를 의미를 의미한다(초기에는 뒤에 숫자를 써서 LAN의 형태를 나타내었으나 후에는 전송매체에 따른 분류로서 문자를 이용하여 표현하게 되었다).
2.1.3 기술의 전환
그러나, CSMA/CD 기술은 그 태생적 한계에 기인하여, 데이타의 충돌이 야기되는 점과 반이중방식(Half-Duplexing)의 통신이 가져오는 통신 병목현상이 새로운 기술을 요구하게 된다.
이러한 요구는 데이터 충돌방지 기능과 전이중방식(Full-Duplexing) 기능이 추가된 스위치(Switch)가 개발된 후, 동축케이블 및 개별 선로를 하나의 공통 선로로 만들어 주는 허브(HUB)라는 장치의 사용을 제한함으로써 CSMA/CD 기술은 그 역할이 최소회되고 있다.
- 허브(HUB)
허브는 자신에게 들어오는 전기신호를 증폭해서 공통선로에 올려주는 기능을 한다. 프레임의 MAC주소에 대한 정보를 읽지 않으며 충돌 예측 및 회피 기능이 없다. - 스위치(Switch)
OSI 2계층에서 동작하는 지능형 장비이다. 데이터 프레임의 MAC 주소를 확인, 이 주소에 연결된 스위치의 물리적 포트에 데이터를 전달하는 기능을 가지고 있다. 또한, 동시에 2 개의 데이터 프레임을 2개의 물리 포트로 받아도 서로 다른 목적지(MAC) 주소에 2개의 물리 포트로 전송하므로 충돌이 발생하지 않는다.
(1) 발전된 표준 기술
스위치 기술의 대중화에 따라 전송매체 및 전송기술에 따라서 아래와 같이 발전하게 되었다.
| 방식 | 전송 매체 | 속도 | 최대 전송 거리(m) |
| 100Base-TX | UTP Cat.5 이상 | 100(Mbps) | 100 |
| 1000Base-T | UTP Cat.5e 이상 | 1(Gbps) | 100 |
| 10GBase-T | UTP Cat.6a 이상 | 10(Gbps) | 100 |
| 1000Base-SX/LX | 광케이블 | 1(Gbps) | 250~550 |
| 40/100GBase-SR/LR | 광케이블 | 40/100(Gbps) | ~ 10 km |
2.1.4 이더넷 프레임
(1) 초기 이더넷 프레임
CSMA/CD 프로토콜을 채택한 이더넷 방식의 LAN 구성에 있어서 네트워크 구성 제한 요소는 전송 속도, 전송 매체, 그리고 전송 방법이다. 전송 속도가 증가되는 경우에 있어서 매체는 잡음을 더 많이 증가시키게 된다. 이러한 잡음은 신호분리를 어렵게 만들게 되어 최대 전송 속도를 제한한다.
또한, 전송 방법상 이더넷은 공통 버스 전송로를 가진다. 따라서, 데이터를 전송하려는 단말들간의 공조가 이루어지지 않는다면 잦은 신호간 충돌로 인하여 네트워크의 성능은 크게 저하될 것이다. 또한 이미 충돌된 경우라 할지라도 그 충돌 여부를 빠르게 감지할 수 없다면, 복구에 걸리는 시간이 길어지며, 그 동안 진행되었던 신호 송출이 무효로 돌아가게 된다.
이 문제를 해결하기 위하여 이더넷에서는 프레임의 최소 길이, 그리고 최대 전송 길이를 제한하고 있다. 이러한 것들을 고려하여 만들어진 이더넷 프레임 구조는 다음 표와 같다. (프레임이라고 명명된 이유는 이러한 구조를 항상 지켜야 함을 의미한다.)
| 신호 동기화용 프레임(8 Byte) | Preamble(7Byte) |
| SFD (Start of Frame Delimeter) (1Byte) | |
| Data Link Layer에서의 프레임 최대 크기: 1518Byte(=18Byte + 1500Byte) | DA (Destination Address) (6Byte) |
| SA (Source Address) (6Byte) | |
| Length (2Byte) | |
| Information(46<=1500Byte) | |
| Pad(Preamble과 SFD를 제외한 실제 프레임의 크기를 최소 64바이트(512bit)로 만들어준다.) | |
| FCS (4Byte) |
- Preamble
프레임의 첫 번째 필드로서 0과 1을 반복하는 7바이트를 포함하고, 수신 시스템에게 프레임이 도착하는 것을 알려주며, 입력 타이밍에 수신 시스템이 동기화할 수 있도록 만든다. - SFD(Start of Frame Delimeter)
정상적인 프레임의 시작을 표시(10101011)하는 프레임 동기로, 마지막 두 비트는 11이며 수신자에게 이 다음 필드가 목적지 주소임을 알려준다. - DA(Destination Address)
패킷을 수신하는 목적지의 물리(MAC) 주소 - SA(Source Address)
패킷 송신자의 물리(MAC) 주소 - Length
데이터 꾸러미의 길이 값이 저장된다. - Information
데이터 꾸러미를 의미한다. - Pad
데이터 꾸러미가 너무 작아 프레임의 크기가 64Byte 밑인 경우, NULL(0) 값으로 채워 Preamble과 SFD를 제외한 프레임의 길이를 64Byte로 맞춘다. - FCS(Frame Check Sequence)
DA, SA, Length(or Type), Information과 Pad 값을 이용하여 생성한 CRC 값으로, 데이터의 무결성을 체크하기 위한 필드이다.
정리하자면 이더넷 프레임은 최소 길이는 64Byte 에서 최대 길이 1,518Byte이다. 여기서 프레임의 최대길이를 제한한 이유는 전송 선로상에 하나의 노드에서 송출하는 프레임이 너무 길면 다른 노드가 전송할 시간이 줄어들게 되어 이를 최적화한 값으로 설정했다고 보면 된다.
(2) 최신 이더넷 프레임
VLAN 태그드(Tagged) 이더넷 프레임
전이중방식 통신을 지원하는 새로운 이더넷 표준(Ethernet II / DIX)은 기존 프레임의 구조를 대부분 유지하여 하위 호환성을 확보하였다. DIX는 Digital Equipment, Intel, Xerox 사의 머릿 알파벳을 따왔다. 이더넷 II 프레임 구조라고도 한다.
| 신호 동기화용 프레임(8 Byte) | Preamble(7Byte) |
| SFD (Start of Frame Delimeter) (1Byte) | |
| Data Link Layer에서의 프레임 최대 크기: 1518Byte(=18Byte + 1500Byte) | DA (Destination Address) (6Byte) |
| SA (Source Address) (6Byte) | |
| Type (2Byte) | |
| Information(46<=1500Byte) | |
| Pad(Preamble과 SFD를 제외한 실제 프레임의 크기를 최소 64바이트(512bit)로 만들어준다.) | |
| FCS (4Byte) |
여기서 VLAN 언태그드라는 의미는 VLAN 기술(802.1Q에서 정의됨)이 나오기 전의 이더넷 표준 기술로써, VLAN 필드가 없는 이더넷 프레임을 말한다.
VLAN 언태그드(Untagged) 이더넷 프레임
VLAN 태그라는 것이 추가된 이더넷 프레임을 말한다. SA와 Type 사이에 VLAN을 위한 필드를 가진다. 이 필드에 VLAN 임을 알리는 코드가 들어가서 VLAN 태그가 달린다고 말한다. VLAN 태그가 4바이트 이므로, Informaion의 크기는 42Byte로 줄어듦을 볼 수 있다.
| 신호 동기화용 프레임(8 Byte) | Preamble(7Byte) |
| SFD (Start of Frame Delimeter) (1Byte) | |
| Data Link Layer에서의 프레임 최대 크기: 1522Byte(=22Byte + 1500Byte) | DA (Destination Address) (6Byte) |
| SA (Source Address) (6Byte) | |
| VLAN (4Byte) | |
| Type (2Byte) | |
| Information(42<=1500Byte) | |
| Pad(Preamble과 SFD를 제외한 실제 프레임의 크기를 최소 64바이트(512bit)로 만들어준다.) | |
| FCS (4Byte) |
(3) 가상 랜(VLAN: Virtual LAN)
“1.2 컴퓨터 네트워크의 구분”에서 LAN에 대해 정의하였다. 이제는 이더넷을 배웠으므로 LAN에 대해서 다시 간략히 말하자면, LAN이란 스위치와 호스트가 이더넷 프레임을 이용해서 통신하는 네트워크 단위라고 할 수 있다. 그리고 이러한 하나의 네트워크는 다른 네트워크와 연결될 때 – WAN과 접속 – 라우터를 이용해서 연결된다. 그래서 보통의 LAN은 호스트, 라우터 및 스위치로 구성된다.
그럼 가상 LAN이란것은 무엇일까? 바로 스위치 및 라우터를 가상으로 추가해서 네트워크를 구획, 하나의 LAN을 라우터 및 스위치의 갯수에 따라, 2 개이상의 LAN으로 네트워크를 분리한다는 의미이다.
즉, 물리적인 네트워크 장치의 추가 장착 및 새로운 케이블링 없이, 네트워크를 분리하는 가상화 기술이다. 이에 대한 자세한 내용은 라우터의 동작을 배운 후, “4.4 통합서비스”에서 다루도록 한다.