6. 이더넷과 LAN 프로토콜

목차

1. LAN 프로토콜과 그 특성

2. IEEE 802.3 LAN 프로토콜

3. 고속 이더넷 기술

 

6.1 LAN 프로토콜과 그 특성

6.1.1 LAN 프로토콜 구조

LAN(Local Area Network)이란?

- 하나의 빌딩이나 대학 캠퍼스 정도의 범위 내에 있는 personal computer, 서버, 프린터, 라우터, 워크스테이션 등이 상호 연결되어 구성된 네트워크 시스템

 

- 거리에 제한을 둠으로써 비교적 높은 데이터 전송률 제공이 가능해짐

 

- 널리 알려져 있는 LAN 프로토콜에는 이더넷 표준인 IEEE 802.3 CSMA/CD 이외에도, IEEE 802.5 토큰 링 표준, IEEE 802.4 토큰버스 표준 등이 있음

 

IEEE 802 LAN 표준의 계층구조

- 물리PHY 계층 : 전기, 기계적인 특성에 대한 표준을 정의

- 데이터링크 계층 : 오류 없이 패킷을 전송하는 기능을 수행하는 계층

- 데이터링크 계층은 다시 MAC (Media Access Control)

    부계층과 LLC (Logical Link Control) 부계층으로 구분

 

- MAC 부계층 : 공유미디어에 대한 접근의 조정 기능

- LLC 부계층:  공유미디어에 대한 접근 감독 기능

 

6.1.2 LAN 토폴로지

성형 토폴로지

- 각 노드가 허브와 같은 중앙 노드에 직접 연결되는 형태

- 물리적 구조는 성형이지만, 논리적으로는 버스형

    토폴로지와 유사  [그림 6-2]

 

    ➊ 장점

- 각 노드에서의 연결은 하나의 링크와 I/O 포트만을 요구

    하므로 설치비용이 저렴

- 하나의 링크가 끊어져도 이는 다른 링크에 영향을 주지

    않으므로 안정성 측면에서 유리

- 접속하는 링크가 서로 독립적이어서, 노드의 확장성 측면에서 유리함

    ➋ 단점

- 중앙 노드에 문제가 발생하면 네트워크 전체에 영향

- 버스형이나 링형에 비해 연결에 필요한 링크의 수가 증가

- 데이터 양이 증가하면 지연시간이 길어짐

 

버스형 토폴로지

- 각 노드가 허브와 같은 장치로 구성된 중앙 노드에 직접 연결되는 형태

- 물리적 구조는 성형이지만, 논리적으로는 버스형 토폴로지와 유사 [그림 6-3]

    ➊ 장점

- 설치가 간단하고 비용이 저렴

- 확장성이 양호하고, 한 노드의 오류가 다른 노드에

    영향을 주지 않아 우수한 안정성

- 연결에 필요한 링크 길이 최소화

    ➋ 단점

- 노드 수가 증가하면 성능이 저하하며, 링크에 문제가 발생하면 네트워크 전체에 영향

- 링크의 길이가 길어지면 신호의 감쇄현상 -> 중계기 사용 필요

- 데이터양 이 증가하거나 노드 수가 증가하면, 충돌 현상이 빈번해져서 네트워크의 성능 저하

 

링형 토폴로지

- 닫힌 원의 형태로 구성되며, 이때 링크는 한쪽 방향으로만 전송이 가능하도록 설정하는 것이 일반적임  [그림 6-4]

- 패킷은 링을 따라 계속 돌다가 전송 측 노드에서 제거됨

 

    ➊ 장점

- 구조가 간단하여 설치와 재구성이 용이함

- 성형보다 링크의 길이를 줄일 수 있어 경제적임

- 어느 노드에 문제가 발생하면 그 위치 파악이 용이하고,

    문제 발생시 신속한 복구 가능

    ➋ 단점

- 제어 절차가 복잡

- 하나의 노드에서의 오류는 링 전체에 영향을 줌

 

 

 

6.1.3 LAN의 특성

처리율

- 처리율(throughput)이란? 단위시간당 링크가 처리할 수 있는 데이터양을 말함

- (예) 전송 측의 전송률이 10Mbps일 때 MAC 프로토콜의 효율을 80%로 가정하면, LAN의 처리율은 8Mbps가 됨

 

시간지연성

- 하나의 패킷이 전송 측 network interface로부터 목적지 컴퓨터까지 전송되는 데 걸리는 시간

- 시간지연 4 요소

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

전송시간 (transmission time) : 전송률에 의해 나누어진 패킷 내의 비트 수와 같음

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

전파시간 (propagation time) : 미디어에 따라 신호가 전송되는 데 걸리는 시간으로, 신호 전송로의 길이를 L, 전파속도를 C라고 하면, 전파시간은 L/C(초)로 표현됨

 

보안성과 신뢰성

- 보안성 (security) : 외부로부터 발생되는 사이버 위협이나 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

6.2.1 CSMA 방식

- 경쟁(contention)을 기반으로 하는 전송 방식

- 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

- 전파 지연시간 내에 두 개 이상의 스테이션이 동시에 전송을 개시하는 경우, 전송 패킷간의 collision 발생 à  [그림 6-5]

 

- (발생 이유) 둘 이상의 노드가 동시에 carrier sensing 프로세스를 수행하는 경우,  두 노드 모두 전송채널이 휴지 상태라고 판단해서 프레임을 동시에 전송했기 때문

- [그림 6-5] A 스테이션과 Z 스테이션이 동시에 프레임을 전송하였고, 그 결과 충돌이 발생

 

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

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

- CSMA에서 두 데이터 패킷 사이에 충돌이 발생하면 전송지연이 발생하게 되어 처리율이 저하

- CSMA/CD에서는 데이터 전송 중 전송미디어를 검사하여 충돌에 의한 전송 지연을 줄임

- 데이터 전송 중에도 충돌 탐지(collision detection) 프로세스를 수행하여 충돌을 신속하게 감지

- 만일 충돌이 감지되면, 프레임 전송을 즉시 중단시켜 효율성을 향상 à [그림 6-6]

- CSMA 프로토콜에 아래와 같은 규칙 추가

 

 

- 충돌이 발생했다는 것을 다른 모든 노드에게

    알리기 위해 32비트 크기의 임의의 데이터를

    전송 -> 충돌 신호 또는

    재밍 신호(jamming signal)라고 함

 

 

 

충돌이 생겼으니.. 재전송을 해야겠죠?

6.2.3 재전송 스케줄링 기법 - 이진지수 백오프 기법

이진지수 백오프 기법

- 충돌이 n번 연속해서 발생하며, 16번 연속 충돌이 발생하면 전송을 포기한다고 가정

- m 값을 n값과 10 중에서 작은 값으로 선택한 다음,{0, 1, 2, 3, ..., 2m-1 } 에서 하나의 값을 임의의 값이 되도록 선택

- 선택한 값을 k라 하면, (k × 512)비트 타임 동안 기다린 후에 데이터 전송 과정을 다시 시작

- 충돌이 감지되면 재밍 신호를 통해 모든 스테이션에 충돌이 일어난 것을 알림

    -> 각 스테이션은 임의 시간 동안 기다린 후, ‘이진지수 백오프 기법’에 의해 재전송 시도

 

프레임 간 대기시간(IFG)

- 어느 하나의 노드가 계속해서 미디어의 사용 권한을 갖고 프레임들을 전송하면, 다른 노드들은 전송의 기회조차 없게 됨  -> 이것을 방지하며 모든 노드들에 공평하게 프레임 전송 기회를 주기 위해 사용하는 기법 (해당 노드의 전송 독점 방지 )

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

- CSMA/CD 방식은 재전송 횟수가 증가할수록 선택 범위를 확대함

 

6.2.4 IEEE 802.3 프레임 구조

- 프리앰블(Preamble) : 프레임의 처음에 위치하여 각 MAC 장치의 수신회로가 실제 프레임의 내용을 수신하기 전에 비트 동기화를 수행 -> ‘10101010’ (일련번호 패턴)

- SFD(Start of Frame Delimiter) : ‘10101011’로서 프레임의 시작을 수신 측에 알림

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

    (방송형인 경우 -> 주소 영역의 모든 비트가 1이 됨)

- 길이 표시자(length) : 데이터 영역의 바이트 수를 표시

- 유료부하(Payload) : 사용자 데이터로 채워지며, 최댓값은 1500바이트

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

 

6.3 고속 이더넷 기술

6.3.1 고속 이더넷(fast ethernet) 기술

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

 

- 전송속도를 높이기 위해 대역폭을 향상시키는 2가지 방법

    ➊ 보다 빠른 컴퓨터 시스템을 개발하거나, 보다 향상된 브릿지, 라우터, 또는 스위치를 가진 시스템을 개발하는 방법

    ➋ 보다 빠르고 효율적인 데이터링크를 설계하는 방안

 

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

 

6.3.2 프레임의 구성요소

프레임의 형식

- 목적지 주소 영역 : 프레임을 받게 되는 노드의 주소

- 전송 측 주소 영역 : 프레임을 보내는 노드의 주소

- L/TLength/Type 영역 : 데이터가 보내지는 형태

- FCS 영역 : 프레임이 목적지 노드에 정확하게 전송되었는지를 확인해주는 부분

 

‘ MAC 주소’ 또는 ‘노드 주소’

- I/G 비트 : 개별 또는 그룹 주소 표시 영역

 0 → 개별 주소(MAC 주소) / 1 → 그룹 주소(멀티캐스트 주소, 기능 주소)

- U/L 비트 : 범용 또는 지역관리 표시 영역

- OUI : IEEE에서 네트워크 어댑터의 제조업자와 인터페이스 제조업자에게 할당

- OUA : 제조회사가 노드에 지정할 수 있는 주소를 나타내는 숫자

 

6.3.3 동작 원리

각 계층의 동작

- 고속 이더넷의 MAC 부계층은 프레임을 전송하기 전에, 미리 전송미디어상의 신호 상태를 살핌

- 물리 계층(PHY) 에서 캐리어 신호를 감지하면, 전송미디어상에 캐리어 신호가 있다는 것을 MAC 계층으로 알림

- MAC 계층에서는 미디어상의 다음 프레임이 전송되기 전 마지막으로 전송되는 프레임 사이에 해당하는 최소시간 동안만 기다림

- 기존의 이더넷에서와 마찬가지로 이 시간을 IPG (InterPacket Gap)라고 함

 

동작 설명 [그림 6-13]

- ①번 프레임이 전송된 후에 LAN상의 모든 노드는 전송하기 전 IPG 시간을 기다림

- ③번 프레임이 끝난 후 IPG 시간이 지나서야 다른 노드에서 프레임을 보낼 수 있게 됨

- 이러한 규칙은 고속 이더넷 미디어접근 규칙에 대한 CSMA 프로토콜 부분에 해당

- 충돌을 피하기 위해서 간단한 명령 응답 메커니즘(command response mechanism)을 사용

- 패킷은 명령과 응답 부분으로 구분됨 -> 각각의 명령/응답을 필요로 하는 노드에 의해 전송

- 만약 일정시간이 지나도 명령이 전송되지 않으면 -> 원본 명령이 재전송