[02] 물리 계층과 데이터

네트워크

[02] 물리 계층과 데이터

BGK97 2024. 5. 29. 12:24

이더넷

현대 유선LAN 환경에서 가장 대중적으로 사용되는 기술
유선 LAN(통신매체 : 케이블)을 통해 송수신 할 때, 통신 매체들의 규격, 프레임 형태, 프레임을 주고받는 방법들을 정의한 네트워크 기술

이더넷 표준

물리 계층에서는 이더넷 규격 케이블, 데이터 링크 계층에서는 이더넷 프레임의 형식을 따름
현재의 이더넷은 국제적으로 IEEE 802.3이라는 이름으로 표준화 되어 있음

통신 매체 표기 형태

이더넷 표준 규격에 따른 통신매체 지칭시, 다음과 같은 형태를 따름

1. 전송 속도

숫자만 표기시 Mbps, G가 붙으면 Gbps로 얼만큼의 속도를 지원하는 케이블인가를 나타냄

2. BASE

베이스 밴드의 약자로, 변조 타입을 의미
- 변조 타입 : 비트 신호로 변환된 데이터를 통신매체로 전송하는 방법
대부분의 디지털 신호를 송수신하는 베이스밴드 방식을 따르기 때문에, 이더넷 통신 매체는 BASE를 일반적으로 사용 하고 있음을 알고있기

3. 추가 특성

통신 매체의 특성 명시
전송 가능 최대거리나, 물리 계층 인코딩 방식 혹은 비트 신호를 옮길수 있는 전송로 수를 의미하는 레인수가 명시됨

통신 매체 종류

표를 보고 외웁시다.

통신 매체 표기형식의 예시

10BASE-T 케이블 - 10Mbps 속도를 지원하는 트위스티드 페어 케이블
1000BASE-SX 케이블 - 1000Mbps속도를 지원하는 단파장 광섬유 케이블
1000BASE-LX 케이블 - 1000Mpbs 속도를 지원하는 장파장 광섬유 케이블

이더넷 프레임

데이터 링크 계층에서 사용되는 표준 규격 프레임
상위 계층으로부터 받아온 정보에 헤더, 트레일러를 추가하는 캡슐화
프레임의 헤더와 트레일러를 제거한 뒤 상위 계층으로 올려보내는 역캡슐화

프레임 헤더와 트레일러

헤더에는 기본적으로 프리앰블, 수신지, 송신지 MAC 주소, 타입과 길이로 구성
페이로드에는 데이터
트레일러는 FCS로 구성

프리앰블

이더넷 프레임의 시작을 알리는 부분, 8바이트
첫 7바이트는 10101010, 마지막 바이트는 10101011으로 수신지가 프리앰블을 인식
송수신자간의 동기화를 위해 사용

수신지 MAC 주소와 송신지 MAC 주소

MAC주소란, 네트워크 인터페이스마다 부여되는 6바이트 길이의 주소
LAN내의 수신지, 송신지를 특정 가능
일반적으로 고유하고, 변경되지 않는 주소로 할당
- 반드시는 아님!
NIC(Network Interface Controller)라는 장치가 네트워크 인터페이스 담당
- 여러개라면? MAC도 여러개일 수 있다!

타입, 길이

필드에 명시된 크기가 1500 이하일 경우, 길이를 나타냄
1536 이상일 경우, 타입을 나타내는 데 사용
- 1501~1535 구간은 유효하지 않은 구간임

타입이란, 어떤 정보를 캡슐화 했는지 나타내는 정보
- 이더 타입이라고도 함
- 상위 계층에서 사용된 프로토콜의 이름이 명시

데이터

상위 계층에서 전달받거나, 상위 계층으로 전달해야하는 내용
네트워크 계층의 데이터와 헤더를 합친 PDU가 이곳에 포함
최대 크기는 1500바이트, 최소 46바이트 이상이여야함
46바이트 보다 작을 시, 패딩이라는 정보가 내부에 채워짐

데이터의 크기가 46바이트 이상이여야 하는 이유

이더넷 프레임의 최소 크기는 64바이트
- 여기서 헤더(14바이트)와 FCS(4바이트)를 제외하면, 46바이트 만큼의 공간이 남음
- 만약 64바이트보다 작은경우,
  - 이더넷은 CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) 오류나 충돌 감지를 하기가 어려워 최소 크기를 보장해야함

FCS(Frame Check Sequence)

수신한 이더넷 프레임에 오류가 있는지 확인하기 위한 필드
CRC(Cyclic Redundancy Check), 순환 중복검사라 불리는 오류 검출용 값이 들어감
- 프리앰블 제외 나머지 값을 바탕으로 CRC 계산 후, FCS에 명시
- 수신지는 수신한 프레임에서 프리앰블, FCS를 제외한 나머지 필드 값을 바탕으로 CRC계산
- FCS필드와 비교 후, 값 불일치시에 오류로 판정

좀더 알아보기 : 토큰링

NIC와 케이블

NIC

호스트와 통신 매체를 연결하고 MAC 주소가 부여되는 네트워크 장비

케이블

NIC에 연결되는 물리 계층의 유선 통신 매체
현재는 크기 Twisted Pair Cable, Optical Fiber Cable를 사용

NIC

호스트와 유무선 통신 매체를 연결하고 이러한 변환을 담당하는 네트워크 장비

NIC의 생김새

네트워크 인터페이스 카드, 네트워크 어댑터, LAN 카드, 네트워크 카드... 이더넷 카드 등 다양하게 불림
카드라고 불리는 이유는 사진처럼 확장 카드 형태로 따로 연결해서 사용해서!!

USB, 마더보드(메인 보드) 내장식 등 여러 형태가 존재

NIC의 역할

통신매체에 흐르는 신호를 호스트가 이해할 수 있는 프레임으로 변환, 혹은 반대로 호스트가 이해하는 프레임을 통신매체에 흐르는 신호로 변환하는 역할
이런 이유로 NIC는 네트워크 인터페이스 역할을 수행한다고도 함.

트위스티드 페어 케이블(Twisted Pair Cable)

구리선으로 전기 신호를 주고받는 통신 매체
가장 대중적인 케이블

트위스티드 페어 케이블의 생김새

케이블 본체와, 커넥터로 구성
커넥터는 컴퓨터나 인터넷 선을 직접연결할 때 꽂는 부분
- RJ-45라고 부름

본체가 구리선이기 때문에, 노이즈에 민감함
- 이것을 방지하기위해 그물모양의 철사나, 포일 등으로 보호함
- 이를 차폐라고 하며 각각을 브레이드 실드, 포일 실드라고 칭함

브레이드 실드를 씌우면 STP, 포일 실드를 씌우면 FTP, 아무것도 안씌우면 UTP

케이블 명칭 표기 예시

XX / YTP
XX 부분에는 외부를 감싸는 실드 명, Y부분에는 내부를 감싸는 실드 명이 표기됨
예시
- S/FTP - 케이블 외부는 브레이드, 내부는 포일
- F/FTP - 케이블 외부와 내부 모드 포일 실드
- SF/FTP - 케이블 외부는 브레이드와 포일 실드를 사용하고, 내부에는 포일실드를 사용

케이블 본체에 직접 명시된 경우가 많다!!!! 확인하자

카테고리에 따른 트위스티드 페어 케이블 분류

카테고리는 트위스티드 페어 케이블 성능의 등급을 구분하는 역할
- 높으면 높을 수록, 성능이 좋음
Cat으로 줄여서 표현
표를 보고 알고만 있자.

광섬유 케이블

광신호를 이용해 정보를 주고받는 케이블
트위스티드 페어 케이블에 비해, 거리도 길고, 속도도 빠름!
대륙 간 네트워크 연결에도 사용

광섬유 케이블의 생김새

트위스티드 페어 케이블에 비해 활용되는 커넥터 종류가 다양함
LC 커넥터, SC커넥터, FC 커넥터, ST커넥터가 있음

광섬유 케이블의 내부는 머리카락과 같은 광섬유 형태인데, 중심에는 코어, 그 외부에는 클래딩이 존재
코어와 클래딩 간의 빛의 굴절률 차이를 이용해 빛을 코어 내부에 가두는 원리
- 코어가 클래딩보다 굴절률이 크기 때문에 가능한 것

싱글 모드 광섬유 케이블

멀티 모드 광섬유 케이블과의 차이점 : 지름
싱글모드의 경우 지름이 8~10uM(마이크로 미터) 정도
지름이 좁기 때문에, 이동경로가 하나 이상을 갖기 어려움, 신호 손실도 적음
- 때문에, 장거리 전송에 적합
- 장파장의 빛을 사용, 규격으로는 1000BASX-LX, 10GBASE-LR이 있음

멀티 모드 광섬유 케이블

지름이 50~62.5uM
빛이 여러 경로로 이동 가능
신호 손실이 클 수 있기 때문에 장거리 전송에는 부적합
비교적 근거리 통신에 사용
단파장의 빛을 사용, 규격으로는 1000BASE-SX, 10GBASE-SR이 있음

허브

물리계층의 대표적인 네트워크 장비
- 데이터 링크 계층에는 스위치가 있음

주소 개념이 없는 물리 계층

물리 계층 네트워크 장비의 경우, 송수신되는 정보에 대한 어떠한 조작, 또는 판단을 하지 않음
- 호스트와 통신 매체간의 연결, 통신 매체상의 송수신만 이루어짐
반면에 데이터 링크에는 MAC주소 등 주소 개념이 존재
- 송수신지를 특정 가능하며, 주소 바탕으로 송수신되는 정보에 대한 조작, 판단 가능

허브

여러 대의 호스트를 연결하는 장치
- 리피터 허브라고 부름, 이더넷 네트워크의 허브는 이더넷 허브라고 부름
허브에는 여러 포트가 존재하며, 각 포트는 호스트와 연결된 통신매체를 연결 가능

허브의 특징

오늘날의 인터넷 환경에서는 잘 사용되지 않음
가장 큰 특징은 두개인데, 네트워크 개념이 내포되어있어 자주 언급

전달받은 신호를 다른 모든 포트로 그대로 다시 내보냄
- 물리 계층의 네트워크 장비이기 때문에, 수신지 특정이 불가
- 따라서 신호를 전달 받게되면 어떠한 조작, 판단 없이 바로 송신지 제외한 모든 포트로 내보냄
반 이중 모드로 통신
- 1차선 도로처럼 송수신을 번갈아 가면서 하는 통신 방식
- 각 매체는 송신을 할 때면 수신받는 매체는 송신이 다 되기 전까지 송신 불가
- 전 이중 모드는 송수신 양방향 가능

리피터

긴 트위스티드 페어 케이블의 경우, 길이가 길어 질 수록 전기 신호가 감소되거나 왜곡되는 경우가 발생
이러한 현상을 방지하기 위해, 전기 신호를 증폭시켜주는데, 이 때 사용되는 장비가 리피터

콜리전 도메인

동시에 허브에 신호를 송신하면, 충돌(콜리전)이 발생
허브에 호스트가 많을 수록, 충돌 발생이 높아지는데, 이렇게 충돌이 발생가능한 영역을 콜리전 도메인이라 함
- 허브에 연결된 모든 호스트는 같은 콜리전 도메인에 속함

작으면 작을수록 충돌의 발생 가능성 적음
이러한 문제를 해결하려면 CSMA/CD 프로토콜을 사용하거나, 스위치 장비를 사용해야 함

CSMA/CD

반이중 이더넷 네트워크에서 충돌을 방지하는 대표적 프로토콜
MAC 방법의 일종이라고도 부름

CS는 캐리어 감지를 의미 ( Carrier Sense )
- 현재 네트워크 상에서 전송중이 있는 것이 있는지 확인
- 사용 여부 검사
MA는 다중 접근을 의미 ( Mutiple Access )
- 복수의 호스트가 네트워크에 접근하려는 상황을 다중접근이라고 함
- 이 때, 충돌이 발생함
CD는 충돌 검출을 의미 ( Collision Detection )
- 충돌 감지시 전송이 중단
- 다른 이들에게 충돌이 발생했음을 알리는 Jam Signal을 보냄
- 임의 시간 대기후, 다시 전송