[혼자 공부하는 네트워크] Chapter 2 - 1 이더넷

이더넷이란?

이더넷(Ethernet)은 현대 LAN, 특히 유선 LAN환경에서 가장 대중적으로 사용되는 기술이다.

컴퓨터끼리 정보를 주고받으려면 케이블과 같은 통신 매체가 필요하며, 정보를 송수신하는 방법이 정해져야 한다. 이더넷은 다양한 통신 매체의 규격들과 송수신되는 프레임의 형태, 프레임을 주고받는 방법 등이 정의된 네트워크 기술이다.

오늘날의 유선 LAN 환경이 대부분 이더넷을 기반으로 구성되어있기 때문에 물리 계층과 데이터 링크 계층은 서로 밀접하게 연관되어 있다.

💡 프레임은 데이터 링크 계층에서 사용되는 PDU이다.

이더넷이라는 기술이 세상에 등장한 이후 전기전자공학자협회(IEEE; Institute of Electrical and Electronics Engineers)라는 국제 조직을 통해 IEEE 802.3이라는 이름으로 표준화되었다. IEEE802.3이란 이더넷 관련 다양한 표준들의 모음을 의미한다고 생각해도 좋다.

오늘날 사용되는 허브, 스위치, NIC, 케이블 등 물리 계층과 데이터 링크 계층의 다양한 장비들은 특정 이더넷 표준을 이해하고, 따른다고 봐도 무방하다. 실제로 검색해보면 ‘특정 이더넷 표준을 지원한다’, ‘특정 이더넷 표준과 호환된다’라는 문구를 어렵지 않게 찾아볼 수 있다.

통신 매체 표기 형태

일반적으로 이더넷 표준 규격에 따라 구현된 통신 매체를 지칭할 때는 통신 매체의 속도와 특성을 한눈에 파악하기 쉽도록 특정한 형태로 표기한다.

전송 속도

전송 속도(data rate)를 알아보자.

숫자만 표기되어 있으면 Mbps 속도, 숫자 뒤에 G가 붙어있는 경우 Gbps 속도를 의미한다.

전송 속도	표기 의미
10	10Mbps
100	100Mbps
1000	1000Mbps(1Gbps)
2.5G	2.5Gbps
5G	5Gbps
10G	10Gbps
40G	40Gbps
100G	100Gbps

BASE

BASE는 베이스 밴드(BASEband)의 약자로, 변조 타입(modulation type)을 의미한다. 변조 타입은 비트 신호로 변환된 데이터를 통신 매체로 전송하는 방법을 의미한다.

일반적인 LAN환경에선 대부분 디지털 신호를 송수신하는 BASE방식을 사용한다고 기억해도 좋다.

💡 BASE외에 BROAD로 표기하는 브로드 밴드(BROADband), PASS로 표기하는 패스밴드(PASSband)도 있다.

추가 특성

추가 특성(additional distinction)에는 통신 매체의 특성을 명시한다. 명시되는 특성의 종류로는 전송 가능한 최대 거리, 물리 계층 인코딩 방식, 비트 신호를 옮길 수 있는 전송로 수를 의미하는 레인 수 등 다양하다.

이더넷을 처음 학습 하는 개발자 입장에서는 모든 추가 특성의 종류과 원리를 알아야 하진 않다. 가장 주목해야 하는 추가 정보는 통신 매체의 종류이다.

통신 매체 종류

통신 매체는 C, T, S, L이라는 글자가 있다.

추가 특성 표기(통신 매체의 종류)	케이블 종류
C	동축 케이블
T	트위스티드 페어 케이블
S	단파장 광섬유 케이블
L	장파장 광섬유 케이블

지금까지 배운 통신 매체 표기 형식의 예를 보고 의미를 파악해보자.

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

이더넷 표준과 통신 매체

이더넷 표준과 이를 기반으로 하는 통신 매체 일부 예시이다. 이더넷 표준과 통신 매체의 표기가 항상 일대일로 대응되는 것이 아니라는 점을 유의하자

표준 규격	통신 매체
IEEE 802.3i	10BASE-T
IEEE 802.3u	100BASE-TX
IEEE 802.3ab	1000BASE-T
IEEE 802.3bz	2.5GBASE-T, 5GBASE-T
IEEE 802.3an	10GBASE-T
IEEE 802.3z	1000BASE-SX, 1000BASE-LX
IEEE 802.3ae	10GBASE-SR, 10GBASE-LR

이더넷 프레임

이더넷 프레임(Ethernet frame)은 호스트가 데이터 링크 계층에서 주고받는 프레임 형식. 즉, 이더넷 네트워크에서 주고받는 프레임이다.

이더넷 프레임은 송신자 입장에선 상위 계층의 데이터를 캡슐화하여 만들어진 결과이고, 수신자 입장에선 하위 계층의 데이터를 역캡슐화 하여 만들어진 결과이다.

이더넷 프레임 헤더는 프리엠블, 수신지 MAC 주소, 송신지 MAC 주소, 타입/길이로 구성되고, 페이로드는 FCS로 구성된다.

프리앰블

프리앰블(preamble)은 이더넷 프레임의 시작을 알리는 8바이트 크기의 정보이다. 첫 7바이트는 10101010 값을 가지고, 마지막 바이트는 10101011값을 가진다. 수신지는 프리앰블을 통해 이더넷 프레임이 오고 있음을 알아차린다. 즉, 프리앰블은 송수신지 간의 동기화를 위해 사용되는 정보이다.

수신지 MAC 주소와 송신지 MAC 주소

물리적 주소라고도 불리는 MAC 주소는 6바이트 길이의 주소로, LAN 내의 수신지와 송신지를 특정할 수 있다.

MAC 주소는 동일한 주소를 가지고 있으면 송신지와 수신지를 특정할 수 없기 때문에 일반적으로 고유하고, 변경되지 않는 주소로써 네트워크 인터페이스마다 부여된다. 보통 NIC(Network Interface Controller)라는 장치가 네트워크 인터페이스 역할을 하며, 한 컴퓨터에 NIC가 여러 개 있다면 MAC 주소도 여러 개 있을 수 있다.

💡 MAC 주소는 변경이 가능한 경우도 있으며, 고유하지 않을 수 있다. 다만 동일한 네트워크 내에서 동작하는 기기의 MAC 주소가 같을 확률은 낮다.

타입/길이

타입/길이 필드에는 타입(type) 혹은 길이(length)가 올 수 있다. 필드에 명시된 크기가 1500(0x05DC)이하일 경우 길이를 나타내고, 1536(0x0600)이상일 경우 타입을 나타낸다.

타입은 이더타입(ethertype)을 말하며, ‘어떤 정보를 캡슐화했는지’를 나타내는 정보이다. 대표적으로 상위 계층에서 사용된 프로토콜의 이름이 명시된다.

타입	프로토콜
0800	IPv4
86DD	IPv6
0806	ARP

💡 이더넷 프레임의 타입은 종류가 다양하므로 표의 내용을 외울 필요는 없다.

데이터

송신자 입장에선 상위 계층에서 전달받은 내용이고, 수신자 입장에선 상위 계층으로 전달해야하는 내용이다. 최소 46바이트에서 최대 1500바이트의 크기를 갖는다. 최소 바이트보다 크기가 작은경우 패딩이라는 정보가 채워진다. 보통 46바이트 이상이 될 때까지 0으로 채워진다.

FCS

FCS(Frame Check Sequence)는 수신한 이더넷 프레임에 오류가 있는지 확인하기 위한 필드다. 이 필드에는 CRC(Cyclic Redundancy Check) 즉, 순환 중복 검사라고 불리는 오류 검출용 값이 들어간다.

송신지는 프리앰블을 제외한 나머지 필드 값들을 바탕으로 CRC 값을 계산한 후, 이 값을 FCS필드에 명시한다. 수신지는 동일한 방법으로 CRC값을 계산한 후 FCS필드 값과 비교하여 오류를 검출한다.

토큰 링

이더넷 외에 다른 LAN 기술도 있는데, 대표적으로 토큰링(Token Ring)방식이 있다. 토큰 링 네트워크는 호스트들이 링 형태로 연결된다. 호스트끼리 토큰이라는 정보를 주고받는데, 호스트가 메시지를 송신하려면 토큰을 가지고 있어야한다.

토큰을 가지고 있는 호스트가 정보를 보내고 나면 다음 호스트에게 토큰을 넘긴다. 만약 다음 호스트가 보낼 정보가 없다면 다음 호스트에게 토큰을 넘긴다. 이런식으로 토큰이 링 형태로 연결된 호스트를 통해 전달되는 형태로 정보를 전달한다.