[데이터통신과 네트워킹] Chapter 06. 이더넷과 LAN 프로토콜

Chapter 06 이더넷과 LAN 프로토콜
 1. LAN 프로토콜과 그 특성
 2. IEEE 802.3 LAN 프로토콜
 3. 고속 이더넷 기술

Chapter 06 이더넷과 LAN 프로토콜
 1. LAN 프로토콜과 그 특성
   LAN 프로토콜인 IEEE 802.3 LAN(이더넷) 프로토콜

  1.1 LAN 프로토콜 구조
   · LAN(Local Area Network)이란?
    하나의 빌딩이나 대학 캠퍼스 정도의 범위 내에 있는 개인용 컴퓨터, 서버, 프린터, 라우터, 워크스테이션 등이 상호연결되어 구성된 네트워크 시스템을 일컫는다.
   · LAN 기술 이더넷(Ethernet)
    IEEE 802.3 표준안으로 승인된 기술

   · LAN 프로토콜
    · IEEE 802.3 CSMA/CD
    · IEEE 802.5 토큰 링(token ring) 표준
    · IEEE 802.4 토큰 버스(token bus) 표준

   · IEEE 802 LAN 표준의 계층구조

    
    · 물리 계층, 데이터링크 계층, 응용 계층 등 3가지 계층만을 갖는 구조로 구성
    · 그래서 보완책으로 데이터 링크 계층의 기능을 강화하여 보다 구체적으로 정의할 필요성에 따라 MAC 부계층과 LLC 부계층으로 나누어 구현

    · 물리 계층: 전기, 기계적인 특성에 대한 표준을 정의
    · 데이터 링크: 오류 없이 패킷을 전송하는 기능을 수행
    · 데이터링크 계층의 부계층
     · MAC(Media Access Control): 공유미디어에 대한 접근의 조정 기능
     · LLC(Logical Link Control): 공유미디어에 대한 접근 감독 기능

  1.2 LAN 토폴로지(topology)
    · 성형 토폴로지
    · 버스형 토폴로지(기본)
    · 링형 토폴로지
    
    ▶ 성형 토폴로지

     · 중앙 노드에 직접 연결되는 형태
     · 어느 한 노드에서의 데이터 전송은 중앙 노드로 전송되고, 중앙 노드에서 다시 다른 모든 링크로 재전송된다.
     · 논리적으로는 버스형 토폴로지와 유사하다.

     · 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 유리

     · 단점
      중앙 노드에 문제가 발생하면 네트워크 전체에 영향
      버스형이나 링형에 비해 연결에 필요한 링크의 수가 증가
      데이터 양이 증가하면 지연시간이 길어짐

    ▶ 버스형 토폴로지

     · 모든 노드가 선형의 링크에 직접 연결되는 형태
     · 링크의 시작과 끝에는 종단장치(terminator)가 부착되어 전송신호의 순환을 방지
     · 링크에 연결된 노드가 전송을 하면 브로드캐스트(방송) 형태가 되어, 연결된 모든 노드들에 의해 수신

     · 장점
      · 설치가 간단, 비용이 저렴
      · 확장성이 양호, 한 노드의 오류가 다른 노드에 영향을 주지 않음(안전성)
      · 연결에 필요한 링크의 길이가 최소화

     · 단점
      · 노드 수가 증가하면 네트워크 성능이 떨어짐
      · 유도선이 아닌 링크에 문제가 발생하면 네트워크 전체에 문제가 생김
      · 링크의 길이가 길어지면 신호의 감쇄현상으로 중계기(repeater)를 사용해야 한다.
      · 둘 이상의 노드가 동시에 신호를 전송하게 되면 충돌 현상이 발생한다. 따라서 데이터양이 많아지거나 노드 수가 증가하면, 충돌 현상이 빈번해져서 네트워크의 성능이 떨어진다.

    ▶ 링형 토폴로지

     · 닫힌 원의 형태로 구성, 이때 링크는 한쪽 방향으로만 전송이 가능하도록 설정
     · 전송 측 및 목적지 주소, 그리고 여러 제어정보가 들어있는 데이터 패킷이 링을 따라 순환하다가 목적지 노드에 도착하면, 해당 노드는 패킷의 데이터 영역의 값을 버퍼(buffer)에 복사해서 처리하게된다.
     · 패킷은 링을 따라 계속 돌다가 전송 측 노드에서 제거된다.

     · 장점
      · 구조가 간단하여 설치와 재구성이 쉽다.
      · 성형보다 링크의 길이를 줄일 수 있어 경제적
      · 링크로 보내진 신호는 순환되어 모든 노드를 거치므로, 어느 노드에 문제가 발생하면 그 위치를 파악하기 쉬움
      · 문제 발생 시 링을 신속하게 복구할 수 있다.

     · 단점
      · 제어 절차가 복잡
      · 한 노드의 오류는 링 전체에 영향을 미친다.

  1.3 LAN의 특성
   · 처리율
   · 시간지연성
   · 보안성과 신뢰성

   ▶ 처리율
    단위시간당 링크가 처리할 수 있는 데이터양
   ▶ 시간지연성
    하나의 패킷이 전송 측 네트워크 인터페이스로부터 목적지 컴퓨터까지 전송되는 데 걸리는 시간
   ▶ 보안성과 신뢰성
    보안성은 외부로부터 발생되는 사이버 위협이나 공격으로부터 시스템을 보호하거나, 혹은 데이터의 유출에 대처하는 것과 관련됨
    신뢰성은 노드나 링크에 이상이 발생했을 경우 동작이 중지되지 않고 계속 유지될 수 있도록 하는 특성

 2. IEEE  802.3 LAN 프로토콜
  이더넷은 MAC(Media Access Control) 프로토콜로 CSMA / CD 방식을 사용한다.

  2.1 CSMA 방식
   · 데이터 전송을 원하는 호스트 컴퓨터(이하 스테이션으로 표현)가 전송채널을 감지(Sensing)하여 사용 가능 여부를 진단
     즉, CSMA방식은 경쟁(contention)을 기반으로 하는 전송 방식

  2.2 CSMA / CD 방식
   · LWT(Listen While Talk)방식
   · CSMA에서 두 데이터 패킷 사이에 충돌이 발생하면, 그 결과 전송지연이 발생하게 되어 처리율이 저하
   · CSMA / CD에서는 데이터 전송 중에 계속해서 전송미디어를 검사함으로써(LWT방식) 충돌에 의한 전송 지연을 줄인다.

   즉, 데이터 전송 중에도 충돌 감지(Collision detection) 프로세스를 수행하여 충돌을 신속하게 감지한다.
   만일 충돌이 감지되면, 프레임 전송을 즉시 중단시켜 효율성을 향상시킨다.

   · 데이터를 전송하는 도중 충돌을 감지하면, 짧은 신호를 보내서 모든 스테이션에 충돌이 일어난 것을 알린다.
   · 짧은 신호란 32비트 크기의 임의의 데이터의 충돌신호(재밍신호)를 뜻한다.
   · 충돌 신호를 보낸 다음 임의의 시간, 즉 대기시간을 기다린 후에 CSMA를 사용하여 재전송을 시도한다.
   · 결과적으로 충돌을 감지할 때까지만 시간 낭비가 발생한다.
   · 충돌이 감지되면 재밍 신호를 통해 모든 스테이션에 충돌이 일어난 것을 알리고, 각 스테이션을 임의 시간 동안 기다린 후에 이진지수 백오프 과정에 의해 재전송을 시도한다.

  2.3 IEEE 802.3 프레임 구조

    · 프리앰블(Preamble)
     프레임의 처음에 위치
     각 MAC 장치의 수신회로가 실제 프레임의 내용을 수신하기 전에 비트 동기화 수행
     '10101010'과 같은 7개의 옥텟(octet)의 일련변호 패턴을 갖는다.
     
     · SFD(Start of Frame Delimiter)
      비트 패턴은 '1010111'로서 프레임의 시작을 수신측에 알린다.

     · DA(Destination MAC Address)목적지 주소, SA(Source MAC Address)전송 측 주소
      48비트로 구성되어 목적지 주소의 첫 번째 비트는 개별 주소인지 그룹에 속한 주소인지 알려줌
      만약 방송형인 경우 주소 영역의 모든 비트가 1이 되도록 한다.

     · 길이 표시자(Length)
      데이터 영역의 바이트 수를 표시
     
     · 유료부하(Payload)
      사용자 데이터로 채워진다. 최대값은 1500바이트
     
     · FCS(Frame Check Sequence)
      오류 검출을 위한 CRC(Cyclic Redundancy Check)코드값이다.

     · IEEE 802.3의 전송라인

 3. 고속 이더넷 기술
  
  3.1 프레임의 구성요소

   · 목적지 주소 영역 : 프레임을 받게 되는 노드의 주소
   · 전송 측 주소 영역 : 프레임을 보내는 노드의 주소
   · L / T (Length / Type): 데이터가 보내지는 형태
   · FCS(Frame Check Sequence)영역 : 프레임이 목적지 노드에 정확하게 전송되었는지를 확인해주는 부분

   

   · 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(Organizationally Unique Identifier)
    IEEE에서 네트워크 어댑터의 제조업자와 인터페이스 제조업자에게 할당해준다.
   · OUA(Organizationally Unique Addreses)
    제조회사가 노드에 지정할 수 있는 주소를 나타내는 숫자

  3.2 프레임 세부사항
   · 동작원리
    
   · 고속 이더넷 리피터
    리피터(repeater)는 거리가 증가함에 따라서 감쇄되는 신호를 재생시키는 장치