[혼공네] 02-1. 이더넷(Ethernet)

02-1. 이더넷(Ethernet)

1. 이더넷이란?

Ethernet은

현대 LAN, 특히 유선 LAN에서 가장 대중적으로 사용되는 네트워크 기술

이다.

이더넷은 단순히 케이블 이름이 아니다.

다양한

• 통신 매체의 규격
• 데이터 프레임의 형태
• 프레임을 주고받는 방법

등을 정의하는 네트워크 기술이다.

따라서

물리 계층과 데이터 링크 계층이 이더넷 기술을 통해 밀접하게 연결되어 있다.

라고 이해한다.

 

2. 이더넷 표준

이더넷 관련 기술은 IEEE에서 표준화했다.

IEEE:

Institute of Electrical and Electronics Engineers

이더넷 관련 표준은 대표적으로

IEEE 802.3

이다.

 

이더넷의 발전

필기에서는 이더넷의 장점으로

과거 10Mbps 수준에서 100Mbps, 1Gbps, 10Gbps, 그 이상의 속도로 발전했지만 하위 호환성이 좋아 기본적인 구조를 이어가기 때문에 기존 기술과 장비를 활용할 수 있어 비용 측면에서 유리하다.

는 점을 강조했다.

또한 이더넷 기술이 널리 사용되면서 관련 기술자와 생태계가 크게 형성되었다.

 

3. 이더넷 표준 이름 읽는 법

예:

• 100BASE-T
• 10GBASE-T
• 1000BASE-SX
• 1000BASE-LX

 

전송 속도(Data Rate)

숫자 부분은 전송 속도를 나타낸다. 숫자를 속도로 이해할 수 있으면 된다.

예:

• 100BASE-T → 약 100Mbps
• 10GBASE-T → 약 10Gbps
• 1000BASE-T → 1000Mbps = 1Gbps

 

BASE

BASE는 Baseband를 의미한다.

즉, 변조 타입을 나타내며 비트로 표현된 데이터를 통신 매체를 통해 전송하는 방식을 나타낸다.

 

4. 이더넷 표준 예시

10BASE-T

• 10Mbps
• 트위스티드 페어 케이블

100BASE-TX

• 약 100Mbps
• Fast Ethernet

 

5. MAC 주소

MAC 주소는 데이터 링크 계층에서 매우 중요한 주소다.

물리적 주소라고 부르기도 한다.

특징:

• 6바이트
• 48비트
• 네트워크 인터페이스마다 부여
• LAN 내에서 송신지와 수신지를 식별하는 데 사용

일반적으로 고유하며 쉽게 바뀌지 않도록 설계된다.

 

NIC와 MAC 주소의 관계

NIC(Network Interface Controller)는 네트워크 인터페이스의 역할을 담당한다.

따라서

NIC마다 MAC 주소가 있다고 생각하는 것이 좋다.

한 컴퓨터에 NIC가 여러 개 있다면 MAC 주소도 여러 개 있을 수 있다.

제조사에서 MAC주소가 랜카드에 세겨넣어져서 나온다.

서버의 경우 고장 대비나 여러 네트워크 연결을 위해 NIC를 여러 개 구성할 수 있으며 4~8개 정도를 두는 경우가 있다.

 

6. MAC 주소 확인 방법

Windows

명령 프롬프트에서

getmac /v 또는 ipconfig /all을 사용할 수 있다.

ipconfig /all에서는 물리적 주소(Physical Address) 항목을 볼 수 있다.

Linux/macOS

ifconfig 또는 ip addr show 을 사용할 수 있다.

 

MAC 주소 구성

MAC 주소 앞부분의 OUI가 제조사 식별에 사용되고, 뒷부분이 해당 네트워크 인터페이스를 구별하는 고유한 값이다.

또한 우회 프로그램을 통해 MAC 주소를 변경하는 것도 가능하다.

 

7. 토큰 링과 이더넷 비교

토큰 링은

• 호스트를 링 형태로 연결
• 토큰을 순서대로 전달
• 토큰을 가진 호스트만 송신 가능

이라는 방식이다.

반면 현대 LAN에서는 이더넷이 주류다.

 

02-2. NIC와 케이블

 

1. NIC

NIC(Network Interface Controller)는

호스트와 통신 매체를 연결하고 MAC 주소가 부여되는 네트워크 장비

다.

다른 이름으로

• 네트워크 인터페이스 카드
• 네트워크 어댑터
• LAN 카드
• 네트워크 카드
• Ethernet 카드

등으로 부를 수 있다.

네트워크 인터페이스란 네트워크에 연결되고 통신할 수 있도록 해주는 접점이다.

즉, 인터페이스 = 연결 지점이다.

 

2. NIC가 하는 일

NIC는

컴퓨터가 이해하는 정보와 통신 매체를 흐르는 신호 사이를 변환

한다.

즉,

• 호스트 → 신호
• 신호 → 호스트가 이해하는 프레임

으로 변환해 준다.

 

3. 호스트가 네트워크에 참여하려면 NIC가 필요하다

NIC는

호스트를 네트워크(LAN)에 연결하기 위한 하드웨어

다.

따라서 컴퓨터가 네트워크에 참여하려면 네트워크 인터페이스가 필요하다.

NIC는 다양한 형태가 있다.

• 마더보드에 내장된 NIC
• USB로 연결하는 NIC
• 별도의 확장 카드 형태

등이 있다.

 

4. NIC의 MAC 주소 확인과 프레임 처리

NIC는 자기 자신의 MAC 주소뿐 아니라 수신되는 프레임의 수신지 MAC 주소도 확인할 수 있다.

자신과 관련 없는 MAC 주소가 명시되어 있다면 해당 프레임을 폐기할 수 있다.

또한 FCS를 확인해 오류가 있는 프레임도 폐기할 수 있다.

즉, NIC는 단순히 케이블만 연결하는 것이 아니라 실제 네트워크 인터페이스로서 송수신에 관여한다.

 

5. NIC의 지원 속도

NIC마다 지원할 수 있는 속도가 다르다.

약 10Mbps부터 100Gbps까지 다양한 NIC가 존재

NIC의 성능은 실제 네트워크 속도에 직접적인 영향을 준다.

예를 들어

• 통신 회선은 매우 빠른데
• NIC가 그 속도를 지원하지 못하면

전체 성능이 제한될 수 있다.

혹은 랜선 문제일 수 있다.

그래서 높은 대역폭과 많은 트래픽을 처리해야 하는 서버에서는 고속 NIC가 추가로 사용되기도 한다.

 

6. 케이블

NIC에 연결되는 물리 계층의 유선 통신 매체가 케이블이다.

• 트위스티드 페어 케이블
• 광섬유 케이블
• 동축 케이블

 

7. 트위스티드 페어 케이블

Twisted Pair Cable은

구리선을 이용해 전기 신호를 전달하는 케이블

이다.

구리선이 두 가닥씩 꼬여 있다.

구성:

• 케이블 본체
• 커넥터

일반적으로 Ethernet에서는

RJ-45

커넥터가 많이 사용된다.

RJ-11 → 6핀을 사용하며 구식이고 속도가 100MB까지 가능하다.

 

8. 왜 선을 꼬아 놓는가?

구리선을 통해 전기 신호가 전달되기 때문에 **노이즈(전자기적 간섭)**의 영향을 받을 수 있다.

그래서 꼬아서 만들고 필요한 경우 별도의 차폐를 추가해 노이즈를 줄인다.

 

9. 차폐(Shielding)

구리선 주변을 감싸서 노이즈를 줄이는 방식이다.

대표적인 차폐 재료:

• 브레이드 실드(Braided Shield)
• 포일 실드(Foil Shield)

 

10. 트위스티드 페어 케이블 종류

UTP

Unshielded Twisted Pair

아무런 추가 차폐 없이 꼬인 구리선만 있는 케이블이다.

필기에서

일반적으로 많이 사용하는 케이블

FTP

Foil Twisted Pair

포일 실드로 노이즈를 감소시킨 케이블

STP

Shielded Twisted Pair

브레이드 실드로 감싼 케이블

 

11. S/FTP, F/FTP, SF/FTP, U/UTP

케이블 표기를 무조건 외우기보다

어떤 부분을 어떤 실드로 감쌌는지 읽는 법

을 이해하는 것이 중요하다.

기본 문자:

• U = 실드 없음
• F = Foil
• S = Braided Shield

예:

U/UTP

케이블 외부에도 실드가 없고 각 페어에도 실드가 없다.

S/FTP

케이블 외부에는 브레이드 실드, 각 꼬인 페어는 포일 실드

F/FTP

케이블 외부와 각 페어 모두 포일 실드

SF/FTP

외부에 브레이드+포일 실드, 내부 각 페어에는 포일 실드

즉,

표기를 보고 외부 실드와 내부 페어 실드를 해석할 수 있으면 된다.

 

12. 카테고리(Category)

트위스티드 페어 케이블은 카테고리로도 구분한다.

대체로

카테고리가 높을수록 더 높은 대역폭과 속도를 지원

한다.

• Cat 5 / 5e → 가정용
• Cat 6 / 6a → 회사용

가정에서도 Cat 6/6a를 사용할 수 있고 회사에서도 다양한 등급의 케이블이 사용된다.

 

13. 인터넷 속도가 기대보다 낮다면?

예를 들어 인터넷 상품은 1Gbps인데 실제로는 100Mbps 정도만 나온다면 원인 중 하나로

• NIC가 1Gbps를 지원하지 않는 경우
• 구형 케이블을 사용하는 경우

등을 생각할 수 있다.

 

14. 다이렉트 케이블과 크로스 케이블

다이렉트 케이블

양쪽 커넥터에서 선 배열이 같은 방식

크로스 케이블

양쪽 커넥터에서 선 배열이 다른 방식

과거에는 장비의 역할에 따라 적절한 케이블을 구분해서 사용했다.

 

예를 들어

• 서로 다른 종류의 장비
• 같은 종류의 장비

에 따라 다이렉트/크로스 구분이 필요했다.

• 스위치와 허브는 계층이 다름 → 다이렉트
• 스위치와 스위치(같은 계층, 둘다 읽기만 해서 다른 것으로 해야 함) → 크로스

하지만 현대 장비에서는 Auto MDI 기능을 지원하는 경우가 많아서 다이렉트와 크로스를 크게 신경 쓰지 않아도 된다.

 

15. 광섬유 케이블

광섬유 케이블은

빛(광신호)을 이용해 데이터를 전달하는 케이블

이다.

구리선과 비교하면

• 높은 전송 속도
• 긴 거리
• 전자기적 노이즈(간섭) 영향이 적음

이라는 장점이 있다.

그래서 해저에 깔려서 대륙 간 네트워크 연결이나 대규모 통신망에도 활용된다.

유지보수가 힘들다. 구리선처럼 일부를 잘라서 고치는 것이 아니다. 해당 라인을 다 드러내고 다이아몬드 커팅을 한다.

커넥터 종류가 여러개 있다.

 

16. 동축 케이블

오래된

• TV
• 전화선 계열
• 인터넷선

등에서 사용되었다.

BNC 커넥터를 사용한다.

구리 기반이므로 광섬유에 비해 전자기적 간섭의 영향을 받을 수 있다.

 

02-3. 허브(Hub)

이제 물리 계층 장비인 허브를 알아본다.

핵심은

왜 허브를 지금은 잘 사용하지 않는가?

이다.

 

1. 허브는 몇 계층 장비인가?

허브 = 물리 계층(1계층) 장비

대표적으로

Repeater Hub

라고도 부른다.

여러 대의 호스트를 연결하는 장비다.

 

2. 물리 계층에는 주소 개념이 없다

매우 중요한 개념이다.

물리 계층에서는

주소를 보고 판단하지 않는다.

단순히

• 신호를 전달하고
• 신호를 송수신하고
• 연결을 유지하는

역할을 한다.

반면 데이터 링크 계층부터는 MAC 주소와 같은 주소 개념이 등장한다.

 

3. 허브의 역할

허브는 여러 호스트를 연결한다.

예를 들어 하나의 허브에 A, B, C, D가 연결되어 있다고 하자.

A가 신호를 보내면 허브는

들어온 포트를 제외한 다른 모든 포트로 신호를 그대로 전달

한다.

즉,

허브는 누구에게 보내야 하는지 판단하지 않는다.

왜냐하면 물리 계층 장비이기 때문이다.

 

4. 그러면 실제 수신자는 어떻게 결정되는가?

허브는 모두에게 신호를 보내고,

프레임을 받은 각 호스트가 데이터 링크 계층에서 MAC 주소를 확인한다.

자신에게 온 것이 아니라면 폐기한다.

즉,

허브: 일단 모두에게 전달

NIC/데이터 링크 계층: 내가 받을 데이터인지 확인

이라고 생각하면 된다.

 

5. 허브의 포트

포트(port)는 케이블이나 커넥터를 연결하는 지점이다.

예를 들어

• 4포트 허브
• 8포트
• 16포트

등이 있을 수 있다.

 

6. 허브는 왜 성능이 나쁜가?

모든 데이터를 모든 포트로 전달하기 때문이다.

예를 들어 A가 B에게 보내는 데이터도

• B
• C
• D

모두에게 전달되고,

C와 D는 자신과 관련 없는 데이터를 버리게 된다.

따라서

불필요한 트래픽이 많아지고 네트워크 성능이 저하된다.

네트워크 장비와 호스트가 이러한 처리 과정에서 메모리 등의 자원을 사용한다.

 

7. 반이중(Half Duplex)

허브는 일반적으로 반이중 모드로 통신한다.

반이중

1차선 도로처럼

송신과 수신을 번갈아 수행

한다.

양방향 통신이나 동시에 양쪽 방향으로 통신하지 못한다.

예:

• 무전기, 와이파이

가 대표적인 직관적 예시다.

 

8. 전이중(Full Duplex)

전이중은

송신과 수신을 동시에 수행

할 수 있는 방식이다.

예를 들어 양방향의 차선이 따로 있는 도로처럼 생각하면 된다.

 

9. 콜리전(Collision)

허브에서 중요한 문제다.

A와 B가 동시에 데이터를 보내면 신호가 충돌할 수 있다.

이것이

콜리전(Collision)

이다.

 

10. 콜리전 도메인

충돌이 발생할 수 있는 영역

을 콜리전 도메인이라고 한다.

허브에 연결된 모든 호스트는 같은 콜리전 도메인에 속한다.

따라서 허브에 연결된 호스트 수가 많아질수록 충돌 가능성도 커진다.

 

콜리전 도메인은 작을수록 좋다

콜리전 도메인이 너무 크면

• 충돌 증가
• 대기 증가
• 성능 저하

가 발생할 수 있다.

따라서 충돌 문제를 해결하기 위해

• CSMA/CD를 사용하거나
• 스위치를 사용

한다.

 

11. CSMA/CD

CSMA/CD는 유선 통신에서

반이중 이더넷 네트워크에서 충돌 문제를 처리하기 위한 대표적인 프로토콜

이다.

Full Duplex 환경에서는 충돌 자체가 없도록 설계되기 때문에 CSMA/CD가 필요하지 않다.

허브와 마찬가지로 현재는 잘 사용하지 않는다.

 

12. CSMA/CD 이름 해석

CS — Carrier Sense

캐리어 감지

데이터를 보내기 전에

“현재 네트워크에서 누가 전송하고 있나?”

를 확인한다.

즉, 현재 통신 매체가 사용 가능한지 먼저 검사한다.

 

MA — Multiple Access

다중 접근

캐리어 감지를 하는 데도 두 개 이상의 호스트가 부득이하게 동시에 네트워크를 사용하려 할 때

복수의 호스트가 네트워크에 접근하려는 상황

이때 충돌이 발생할 수 있다.

 

CD — Collision Detection

충돌 검출

충돌이 발생하면 이를 검출한다.

충돌을 감지(검출)한 호스트는

1. 전송을 중단하고
2. 다른 호스트에게 충돌이 발생했음을 알리기 위해
3. 잼신호(Jam Signal)를 보내고
4. 일정한 시간이 아니라 임의의 시간 동안 기다린 후
5. 다시 전송한다.

이러한 작업이 필요한 이유는 허브는 주소를 모르기 때문이다.

 

13. CSMA/CA

CSMA/CA는 무선 네트워크에서 대표적으로 사용되는 충돌 회피 방식이다.

충돌이 발생한 뒤 감지하기보다, 애초에 충돌을 피하려고 하는 방식

무선 환경에서는 송신하면서 동시에 충돌을 정확히 감지하기가 유선 환경보다 어렵기 때문에 충돌 회피가 중요하다.

 

14. 리피터(Repeater)

리피터는 대표적인 물리 계층 장비다.

역할은 아주 단순하다.

약해지거나 왜곡된 신호를 다시 증폭/재생하여 전달

한다.

먼 거리를 이동한 전기 신호는 점점 약해질 수 있다.

리피터는 이를 보완한다.

중요한 점은

리피터는 데이터의 의미를 해석하지 않는다.

즉,

• MAC 주소를 분석하지 않고
• 어떤 장치로 보내야 할지 판단하지 않으며

그저 신호 자체를 다시 전달한다.

허브는 이러한 리피터 기능을 포함하는 경우가 많다.