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[모두의 네트워크]4장 데이터 링크 계층

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By your_full_name 11 min read

데이터 링크 계층의 역할

  • 네트워크 장비 간 신호를 주고받는 규칙을 정하는 계층
  • 랜에서 데이터를 정상적으로 주고받기 위해 필요한 계층
  • 네트워크 기기 간 데이터를 전송하고 물리 주소를 결정

이더넷(Ethernet)

  • 데이터 링크 계층에서 사용하는 규칙 중 가장 많이 사용되는 규칙
  • 랜에서 사용되는 규칙
  • 허브와 같은 장비에 연결된 컴퓨터와 데이터를 주고받을 때 사용
  • 데이터에 목적지 정보를 추가하면 허브에서 해당 데이터를 모든 컴퓨터에 보내지 않고, 목적지에만 전달한다.

CSMA/CD

  • Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection(반송파 감지 다중 접속 및 충돌 탐지)
  • 이더넷에서 충돌을 막기 위해 데이터 전송 시점을 늦추는 데 사용하는 방법
  • Carrier Sense
    • 데이터를 보내려고 하는 컴퓨터는 케이블에 신호가 흐르고 있는지를 확인
  • Multiple Access
    • 케이블에 데이터가 흐르지 않고 있다면 데이터를 보낼 수 있음
  • Collision Detection
    • 충돌이 발생하는지 확인
  • 현재는 효율이 낮아 사용하지 않고 대신 스위치를 사용해 충돌을 예방한다.

MAC 주소

  • Media Access Control Address(물리 주소)
  • 랜에 사용되는 네트워크 모델인 이더넷의 물리적인 주소
  • 랜 카드에 정해진 번호
    • 제조할 때 새겨지기 때문에 물리 주소라고도 한다.
    • 유일한 번호로 할당된다.
  • 48비트 숫자로 구성
    • 예) 00-23-AE-D9-7A-9A
    • 앞 24비트는 제조사 번호
    • 뒤 24비트는 제조사가 붙인 일련번호

이더넷 헤더

OSI 모델의 데이터 링크 계층, TCP/IP 모델의 네트워크 계층에서는 이더넷 헤더와 트레일러를 부착한다.

  • 이더넷 헤더
    • 목적지의 MAC 주소 6바이트, 출발지의 MAC 주소 6바이트, 이더넷 유형 2바이트로 구성
  • 이너넷 유형(Ethernet type)
    • 이더넷으로 전송되는 상위 계층 프로토콜의 종류
    • 프로토콜 종류를 식별하는 16진수 번호가 들어감
      • 예) 0800은 IPv4, 86DD는 IPv6 등
  • 트레일러
    • FCS(Frame Check Sequence)
    • 데이터 전송 도중 오류가 발생했는지 확인하는 용도로 사용
    • 데이터 링크 계층에서 데이터 뒤에 추가
  • 이더넷 헤더와 트레일러가 추가된 데이터를 프레임이라 한다.

이더넷 헤더를 이용한 통신

허브에 5개의 컴퓨터가 연결된 상황을 가정한다.

  1. 컴퓨터 A는 이더넷 헤더에 데이터 목적지인 컴퓨터 B의 MAC 주소와 자신의 MAC 주소 정보를 넣고 데이터를 전송한다.
  2. 데이터 링크 계층에서 데이터에 이더넷 헤더와 트레일러를 추가해 프레임을 만든다(캡슐화).
  3. 물리 계층에서 프레임을 전기 신호로 변환해 네트워크를 통해 전송한다.
  4. 컴퓨터가 A가 보낸 데이터를 허브가 포트로 수신한다.
  5. 컴퓨터 A의 포트를 제외한 모든 포트로 데이터를 전송한다.
    1. 이때 목적지의 MAC 주소와 자신의 MAC 주소가 다른 컴퓨터들은 데이터를 파기한다.
  6. 컴퓨터 B는 목적지의 MAC 주소와 자신의 MAC 주소가 같기에 데이터를 수신한다.
  7. 컴퓨터 B는 물리 계층에서 전기 신호로 전송된 데이터를 비트열로 변환한다.
  8. 이후 데이터 링크 계층에서 이더넷 헤더와 트레일러를 분리한다(역캡슐화).

만약 이 상황에서 컴퓨터 C도 동시에 컴퓨터 B로 데이터를 전송한다면 CSMA/CD 방식에 의해 컴퓨터 C는 잠시 대기한 뒤 데이터를 전송한다.

스위치

  • 데이터 링크 계층에서 동작
  • 단말기 간 스위칭 기능이 있는 통신망 중계 장치
    • 랜을 구성할 때 사용
    • 레이어 2 스위치 또는 스위칭 허브라고도 불림
  • 컴퓨터에서 특정한 다른 단말기로 패킷을 보낼 수 있는 기능 존재
    • 통신 효율 향상
  • 스위치는 허브와 달리 데이터 충돌이 발생하지 않음
  • 내부에 MAC 주소 테이블이 존재

MAC 주소 테이블

  • 스위치의 포트 번호와 해당 포트에 연결된 컴퓨터의 MAC 주소 저장
  • 브리지 테이블이라고도 한다.
  • 스위치 전원을 켜면 MAC 주소 테이블에 아무 정보도 없음
    • MAC 주소 학습 기능을 통해 정보 저장

MAC 주소 학습 기능

더미 허브에는 없는 기능으로, 다음 과정을 통해 MAC 주소 테이블에 정보를 기록한다.

  1. 컴퓨터에서 목적지 MAC 주소가 추가된 프레임이 전송되면
  2. MAC 주소 테이블을 확인
  3. 출발지 MAC 주소가 없으면 MAC 주소를 포트와 함께 등록

MAC 주소 필터링

  • 목적지 MAC 주소가 등록되어 있다면 목적지에만 프레임을 전송
  • 목적지 MAC 주소가 MAC 주소 테이블에 없다면 나머지 모든 포트에 프레임을 전송하는 플러딩(flooding) 발생

전이중 통신과 반이중 통신

  • 전이중 통신 방식
    • 데이터의 송수신을 동시에 통신하는 방식
    • 서로 다른 회선이나 주파수를 이용
      • 따라서 데이터를 동시에 전송해도 충돌 없음
    • 컴퓨터 간을 직접 랜선으로 연결하는 방식 또는 스위치가 사용하는 방식
    • 랜 카드와 허브 간의 동시 송수신 가능
    • 반이중 통신 방식보다 효율이 높다.
  • 반이중 통신 방식
    • 회선 하나로 송신과 수신을 번갈아 가며 통신하는 방식
    • 데이터를 동시에 전송하면 충돌 발생
    • 허브가 사용하는 방식

충돌 도메인

  • 충돌이 발생할 때 그 영향이 미치는 범위
    • 허브에서 충돌이 발생한 경우 충돌 도메인은 허브와 연결된 컴퓨터 전체
    • 스위치에서 충돌이 발생한 경우 충돌 도메인은 각 컴퓨터
  • 충돌 도메인은 좁을수록 좋다.
    • 충돌 도메인의 범위가 넓을수록 네트워크가 지연되기 때문
    • 따라서 스위치가 허브보다 통신 효율이 높다.

ARP

  • Address Resolution Protocol
  • 네트워크 계층 주소와 데이터 링크 계층 주소 사이의 변환을 담당하는 프로토콜
  • 목적지 컴퓨터의 IP 주소를 이용해 MAC 주소를 찾는 프로토콜
    1. 출발지 컴퓨터가 목적지 주소를 모르는 경우 네트워크에 ARP 요청을 보낸다.
    2. 이 요청에 지정된 IP 주소를 가지고 있는 컴퓨터는 MAC 주소를 ARP 응답으로 보낸다.
    3. 출발지 컴퓨터는 목적지 MAC 주소를 얻어 이더넷 프레임을 만든다.
  • ARP 테이블
    • 출발지 컴퓨터가 MAC 주소를 찾은 뒤 IP 주소와 MAC 주소의 매핑 정보를 보관하는 메모리
    • 이후 데이터 통신 시 ARP 테이블을 참고하여 전송
    • IP 주소는 변경될 수 있으므로 보존 기간을 ARP 캐시로 지정
      • 시간이 지나면 삭제하고 다시 ARP 요청 전송
      • ARP 캐시: 가장 최근에 변환한 IP 대 하드웨어 주소를 보관하고 있는 램의 한 영역

이더넷 규격

  • 통신 속도, 케이블 종류 등에 따라 분류

규격 이름 의미

  • 10BASE-T
    • 10
      • Mbps 단위의 통신 속도
      • 10Mbps라는 뜻
    • BASE
      • BASEBAND 전송 방식
    • T
      • UTP 케이블이기 때문에 케이블 종류를 의미
  • 10BASE5
    • 5
      • 동축 케이블이기 때문에 100미터 단위로 표시한 케이블의 최대 길이를 의미
      • 최대 길이가 500미터
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