[네트워크] 이더넷과 LAN 프로토콜

LAN(Local Area Network)이란?

하나의 빌딩이 나 대학 캠퍼스 정도의 범위 내에 있는 PC, 서버, 프린터, 라우터, 워크스테이션 등이 상호 연결되어 구성된 네트워크 시스템

학교 정도의 망을 구성하는 네트워크

 

거리에 제한을 둠으로써 비교적 높은 데이터 전송률 제공이 가능해짐

 

널리 알려져 있는 LAN 프로토콜

IEEE 802.3 CSMA/CD 이더넷 표준, IEEE 802.4 토큰 버스(token bus) 표준, IEEE 802.5 토큰링(token ring) 표준

 

IEEE 802 LAN 표준의 계층구조[그림 6-1]

물리(PHY) 계층(1 계층):전기, 기계적인 특성에 대한 표준을 정의

데이터링크 계층(2 계층): 오류 없이 패킷을 전송하는 기능을 수행하는 계층

 

MAC (Media Access Control) 부계층

- 미디어 접근 제어

- 공유 미디어에 대한 접근 조정기능

LLC (Logical Link Control) 부계층

- 논리 링크 제어

- 공유 미디어에 대한 접근 감독기능

물리 주소를 MAC 주소라고도 한다.

 

 

 

LAN 토폴로지

토폴로지 - 노드들이 연결된 형태를 말한다.

 

 

 

 

성형 토폴로지(대표적인 토폴로지)

각 노드가 중앙노드에 직접 연결되는 형태

한 노드에서 데이터 전송은 중앙노드로 전송되고, 중앙노드에서 다시 다른 노드로 전송

모든 통신 자체가 중앙 노드를 통해서 이루어진다. 중앙노드에서 다른 노드로 전달이 된다.

 

장점

각 노드에서의 연결은 하나의 링크와 I/O 포트만을 요구하므로 설치비용이 저렴

하나의 링크가 끊어져도 이는 다른 링크에 영향을 주지 않으므로 안정성 측면에서 유리

접속하는 링크가 서로 독립적이어서, 노드의 확장성 측면에서 유리함

단점

 

중앙노드에 문제 가발 생하면 네트워크 전체에 영향

버스형이 나 링형에 비해 연결에 필요한 링크의 수가 증가

데이터양이 증가하면 지연시간이 길어짐

 

 

 

버스형 토폴로지

각 노드가 허브와 같은 장치로 구성된 중앙노드에 직접 연결되는 형태

허브 - 1 계층 장치, 허브에 연결되면 물리적으로 스타형처럼 보이지만 동작 자체는 버스형으로 동작된다.

 

장점

설치가 간단하고 비용이 저렴

확장성 이양호하고, 한 노드의 오류가 다른 노드에 영향을 주지 않아 우수한 안정성

연결에 필요한 링크 길이 최소화

 

단점

노드수가 증가하면 성능이 저하하며, 링크에 문제 가발 생하면 네트워크 전체에 영향

링크의 길이가 길어 지면 신호의 감쇄 현상 -> 중계기 사용 필요

링크를 공유하고 있기 때문에 데이터양이 증가하거나 노드수가 증가하면, 충돌 현상이 빈번해져서 네트워크의 성능 저하

 

 

 

링형 토폴로지

닫힌 원의 형태로 구성되며, 이때 링크는 한쪽 방향(시계, 반시계)으로만전송이 가능하도록 설정하는 것이 일반적임

패킷은 링을 따라 계속 돌다가 전송 측 노드에서 제거됨

 

지나가는 프레임의 목적지 주소가 자기가 되면 그 프레임을 카피해서 해당 노드에서 수신하게 된다.

장점

구조가 간단하여 설치와 재구성 이용이 함

성형보다 링크의 길이를 줄일 수 있어 경제적임

어느 노드에 문제 가발 생하면 그 위치 파악 이용이하고, 문제 발생 시신 속 한복구 가능

 

단점

제어 절차 가복 잡

하나의 노드에서의 오류는 링 전체에 영향을 줌

 

 

 

LAN의 특성

처리율(throughput)

단위 시간당 링크가 처리할 수 있는 데이터 양을 말함

(예) 전송 측의 전송률이 10 Mbps 일 때 MAC 프로토콜의 효율을 80% 로가 정하면, LAN의 처리율은 8 Mbps가 됨

 

시간 지연성

하나의 패킷이전송측network interface로부터 목적지 컴퓨터까지 전송되는데 걸리는 시간

여러 가지 시간 지연 요소가 있는데 대표적인 4가지를 봐보자.

전송, 전파시간은 안다. 그 외에도 있다.

 

시간 지연 4 요소

미디어 접근시간(medium access time) : 한 노드가 패킷을 전송하기 위해 기다려야 하는 시간

 

전송시간(transmission time) : 전송률에 의해 나누어진 패킷 내의 비트수(패킷의 길이)와 같음

•예> 10 Mbps에서 한패 킷 크기가 500 bits 일 때, 500/10M=0.05ms

 

대기시간(queuing time) : 네트워크 인터페이스에 먼저 도착한 패킷을 전송하기 위해 걸리는 시간으로, 전송되기 위해 패킷이기다려야하는 시간

오는 순서대로 메모리에 쌓이게 되는데 큐 내에서 기다려야 하는 시간.

 

전파시간(propagation time) : 미디어에 따라 신호가 전송되는데 걸리는 시간으로, 신호 전송로의 길이를 L, 전파속도를 C라고 하면, 전파시간은 L/C(초)로표현됨

 

보안성과 신뢰성

보안성(security) :외부로부터 발생되는 사이버위협이나 공격으로부터 시스템을 보호하거나, 혹은 데이터의 유출에 대처하는 것과 관련됨

신뢰성(reliability) :노드나 링크에 이상이 발생했을 경우 동작이 중지되지 않고 계속 유지될 수 있도록 하는 특성

 

6.2 IEEE 802.3 LAN 프로토콜

이름은 CSMA 방식

많은 노드가 한 링크를 공유할 때 링크를 사용하기 전에 캐리어를 살펴봐라.

해당 링크가 사용 중인지 아닌지를 확인해서 사용하지 않을 때만 사용하라.

 

경쟁(contention)을 기반으로 하는 전송방식

 

만일 전송채널이 busy 상태라면, 얼마 동안 기다렸다가 다시 전송을 시도

데이터를 전송한 후에는 확인 응답인 ACK를 받을 때까지 기다림

최대 왕복 전파 지연시간과 수신 스테이션이 ACK를 전송하기 위해 채널에 접근하는 시간이 고려되어야 함

 

collision(충돌)발 생예

경쟁기반이기 때문에 언재든지 충돌할 수 있다.

 

전파지연시간 내에 두개 이상의 스테이션이 동시에 전송을 개시하는 경우, 전송 패킷 간의 collision발생

(발생 이유)둘 이상의 노드가 동시에 carrier sensing 프로세스를 수행하는 경우,

 

두 노드 모두 전송채널이 전송가능 상태라고 판단해서 프레임을 동시에 전송했기 때문

단점 :데이터를 보내는 와중에도 충돌이 날 수 있다. 링크가 조용하다고 감지한 뒤에 충돌이 나더라도 프레임을 계속 보낸다.

 

 

이것을 보안해서

 

 

CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection) 방식

CSMA/CD 방식 -> LWT (Listen While Talk) 방식

CSMA:두 데이터 패킷 사이에 충돌이 발생하면 전송 지연이 발생하게 되어 처리율이 저하

 

CSMA/CD 방식은 보내는 와중에도 carrier를 llisten 하는 방식

 

CSMA/CD

데이터 전송 중, 전송 미디어를 검사하여 충돌 탐지(collision detection) 프로세스를 수행

충돌을 신속하게 감지, 프레임 전송을 즉시 중단하여 충돌에 의한 전송 지연을 줄임(효율성 향상)

CSMA 프로토콜에 아래와 같은 규칙 추가

짧은 신호(32비트 크기):충돌 신호 또는 재밍 신호(jamming signal)을 전송

대기시간(IFG, InterFrameGap) 계산법: n번 충돌 시, m=min {n,10}으로 결정 후,

 

0~(2m-1) 사이의 값을 랜덤으로 선택(k),

 

k*512비트 타임동안 기다리고 전송, 16번연속 충돌이면 전송포기

 

10보다 작게 충돌하면 충돌 횟수가 n번이 된다. (= n이 10보다 커지지 않는다.)

 

k를 랜덤 값으로 선택하는 이유는 재충돌 막기 위함

k값에 따라서 바로 보내지는 시간이 결정이 된다.

충돌이 일어나면 일어날수록 각 노드들이 대기시간이 같은 확률은 떨어진다.

 

재전송 시도를 '이진 지수 백오프 기법'으로 한다.

 

프레임간 대기시간(IFG) 기법

어느 하나의 노드가 계속 해서 미디어의 사용권한을 갖고 프레임들을 전송하면, 다른 노드들은 전송의 기회조차 없게 됨->이것을 방지하며 모든 노드들에 공평하게 프레임 전송기회를 주기 위해 사용하는 기법

 

만일 프레임의 전송을 완료한 스테이션이 있다면, 이는 IFG 시간(96비트 시간) 후에, 다시 전송을 시도함

CSMA/CD 방식은 재전송 횟수가 증가할수록 선택범위를 확대함

 

 

IEEE 802.3 프레임 구조

이더넷의 프레임은 아주 간단하게 되어 있다.

프리앰블(Preamble) : 프레임의 처음에 위치하 여각 MAC 장치의 수신 회로가 실제 프레임의 내용을 수신하기 전에 비트 동기화를 수행->‘10101010’ (일련번호 패턴)

프레임의 시작

수신 스테이션이 비트 동기화를 수행할 수 있게 준비작업을 수행할 수 있게 도와준다.

 

SFD(Start of Frame Delimiter) : ‘10101011’로서프레임의 시작을 수신 측에 알림

이 이후부터 이더넷 프레임의 시작이 다라는 걸 알려준다.

 

DA(Destination MAC Address :목적지 주소)/ SA (Source MAC Address:전송 측 주소): 48 비트로 구성되고, 첫 번째 비트는 개별 주소인지 그룹에 속한 주소인지를 알려줌

(방송형 인경우-> 주소 영역의 모든 비트가 1이 됨)

 

길이 표시자(length) : 데이터 영역의 바이트수를 표시

이더넷 프레임 자체가 데이터 부분이 가변적이기 때문에

 

유료 부하(Payload) : 사용자 데이터로 채워지며, 최댓값은 1500바이트

3 계층에서 내려온 데이터 패킷 2 계층에서 전달해야 하는 데이터 영역이다.

 

FCS(Frame Check Sequence) : 오류 검출을 위한 CRC (Cyclic Redundancy Check) 코드값

PRE, SFD, CRC는 물리계층에서 추가됨

802.1Q 태그는 VLAN이라는 가상 태그가 붙을 수도 있다. 붙을 수도 있고 안 붙을 수도 있다. 나중에 배운다.

 

 

6.3 고속 이더넷(fast ethernet) 기술

고속 이더넷 기술-> 기존의 이더넷의 전송속도를 보다 유연하게 100 Mbps로 향상한 것

 

이에 대한 연구는 1992년경에 시작되어, 1992년 11월 IEEE 802.3 higher speed study group에서 대역폭을 주제로 연구가 진행됨->1995년에 표준화 완료

 

이후 더 발전시킨 초고속(기가비트) 이더넷이 개발됨

 

전송속도를 높이기 위해 대역폭을 향상하는 2가지 방법

 

➊보다 빠른 컴퓨터 시스템을 개발하거나, 보다 향상된 브리지(예전의 스위칭 장비의 이름), 라우터, 또는 스위치를 가진 시스템을 개발하는 방법

➋보다 빠르고효율적인 데이터링크를 설계하는 방안

 

고속 이더넷의 경우에는 보다 빠르고 효율적인 데이터링크 계층의 기능을 다시 설계함으로써 고속 이더넷을 구현하는 방법을 사용함

데이터 전송에 3쌍의 라인 이사용 됨

 

고속 이더넷 케이블-> [그림 6-9] : 카테고리 5가 더 높은 전송률을 가짐