Data Link Layer (2) - Local Area Network, Ethernet

* LAN (Local Area Networks)

랜의 링크는 multipoint link이다.

multipoint 링크에서는 MAC 기능이 필요하다.

멀티포인트 링크에서 하나의 단말이 프레임을 송신하면 모든 단말이 프레임을 수신한다.

만약 2개 이상의 단말이 동시에 프레임을 송신하면 프레임에 에러가 발생하게 된다.(충돌)

따라서 동시에 2개 이상의 단말에서 프레임을 송신할 수 없도록 제어하는 기능인 MAC이 필요하다.

 

다양한 종류의 랜이 존재하지만 현재는 이더넷 계열의 랜이 일반적으로 사용되고 있다.

- Ethernet : Xerox에서 개발

- Token ring : IBM에서 개발

- FDDI : ANSI

 

* LAN의 표준화

랜의 표준화는 IEEE 802 위원회에서 주도하고 있다.

랜의 계층은 OSI 모델의 데이터링크까지 정의하고 있다.

랜은 멀티포인트 링크이기에 MAC 기능은 데이터링크 계층의 하부에 위치하고 있다.

 

IEEE 802에서 정의하고 있는 랜은 아래와 같다.

- Ethernet with 802.3

- Fast Ethernet with 802.3u

- Token bus

- Token ring

- Wireless LAN

 

* Ethernet

이더넷 발전과정

이더넷 발전과정.

 

10 Base 5

10 Base 5

 

10 Base T

10 Base T

 

Fast Ethernet

Fast Ethernet

 

* Hub

허브

- shared hub

• multiport repeater
• 10 base 5의 버스가 hub 내부에 들어간 것과 동일한 방식으로 동작
• 모든 포트가 하나의 논리적 버스 공유
• 어느 한순간에 단 하나의 포트만이 프레임 전송 가능

- switching hub(or LAN switch)

• multipoint bridge
• 허브 내부에서 switching fabric과 switching software가 동작
• 여러 개의 포트에서 동시에 프레임 전송 가능

 

* CSMA/CD

이더넷에서 사용하는 MAC으로, 아래와 같이 동작한다.

• Device driver에서 송신할 정보를 랜카드에 전달한다.
• carrier가 존재하는지 확인한다. (carrier sensing)
• carrier가 존재한다는 것은 다른 단말이 프레임을 송신하는 것을 의미한다. 따라서 기다려야 한다.
• carrier가 존재하지 않는 경우 프레임을 송신할 수 있다.
• carrier를 sensing 하는 경우에 2개의 단말에서 모두 carrier가 없다고 판단하고 프레임을 송신하게 되어 충돌이 발생한다.
• 각 단말은 프레임을 송신하면서 충돌이 발생하는지 감시하고, 충돌이 발생하면 jamming 신호를 보내고 송신을 중단하고 binary backup 지연 후에 다시 carrier sense 과정을 수행한다.

 

* Frame Format - DIX 2.0

DIX 2.0은 이더넷 네트워크에서 사용되는 표준 프레임 구조이다.

- Preamble : 프레임의 시작을 알려주는 부분

- Type : demultiplexing 하는데 이용

- FCS : 랜카드에서 프레임을 수신한 후 에러 체킹을 하기 위해 사용

 

랜에서 프레임 수신 방식은 아래와 같다. 

• 랜은 멀티포인트 링크이므로 하나의 단말에서 프레임을 송신하면 모든 단말이 프레임을 수신하게 된다.
• 어느 단말이 이 프레임을 수신해야 하는지 destination address를 통해 알 수 있다.
• 각 랜카드는 프레임을 수신한 후, 목적지 mac주소가 자신의 주소가 아니면 discard 한다.
• 그러나 traffic monitoring software를 사용하는 경우, 랜카드가 promiscuous mode(무차별 수신모드)로 동작하여 모든 프페임을 수신하고, driver를 통해 응용프로그램에 전달한다.

 

* Ethernet Address (MAC 주소)

6바이트로 구성되어 있고, 앞의 3바이트는 랜카드 제조회사 식별자(ID)이다.

맥주소는 특수주소가 존재하며, 브로드캐스트 주소와 멀티캐스트 주소로 구분할 수 있다.

 

멀티캐스트 주소는 특정그룹에게 할당되어 그룹의 모든 member가 프레임을 수신할 수 있도록 한다.

이 주소는 device driver에 의해 설정되며, 멀티캐스트 서비스를 사용하는 응용 프로그램에서 이를 지원하기 위해 사용된다.

 

랜은 멀티포인트 링크이므로 프레임을 송신하면 브로드캐스팅을 하게 된다.

따라서 수신하는 단말의 주소(mac주소)를 지정해야 한다.

 

* Internetworking Devices

- Repeater : signal regeneration 기능

- Bridge : 랜 환경에서 프레임 store/{forwarding, filtering}

- Switch : multiport bridge

- Router : packet routing 기능

- Gateway : protocol conversion 기능

 

* Repeater

물리계층에서 signal을 재생하는 기능을 제공한다.

신호는 거리가 멀어짐에 따라 감쇄되고 잡음이 더해진다.

리피터에서는 감쇄되고 잡음이 포함된 신호를 수신하여 원래의 디지털 신호를 재생하는 기능을 제공한다.

사용되는 전송매체에 따라 리피터를 설치하는 간격이 다르다.

 

리피터는 물리계층 장치이므로 트래픽을 제어할 수 없다.(1계층이니까)

트래픽을 제어하기 위해서는 랜 프레임의 맥주소를 handling 할 수 있어야 한다. 즉, L2 기능을 처리할 수 있어야 한다.

 

* Bridge

- traffic contol 기능

- store/{forwarding, filtering} 기능

• 호스트가 송신한 프레임을 버퍼에 저장(store)
• Bridging software는 수신된 프레임의 목적지 주소를 읽고 outgoing interface로 포워딩할 것인지 discarding 할 것인지 결정한다.

 

* LAN Switch = Multiport Bridge

랜 스위치의 기본적인 기능은 브리지와 같이 프레임을 store/forwarding 하는 기능이다.

→ multiport bridge

 

랜 스위치의 switching scheme는 아래와 같다.

• store/forwarding switching : 전체 프레임을 버퍼에 저장한 후 프레임의 DA(목적지 주소)를 읽고, 스위칭 테이블에 저장된 정보에 따라 해당 포트로 포워딩(전송)
• cut-through switching : 전체 프레임을 기다리지 않고 프레임 앞부분만 수신한 후 버퍼에 저장하지 않고 DA만 읽자마자 바로 전송

 

* Router

- 라우팅에 의한 패킷 전달 기능

- 라우팅 프로토콜을 통해 라우팅 테이블 관리

- 라우터에 의해 상호 연결되는 네트워크는 분리된 네트워크이다.

 

브리지로 연결된 2개의 랜은 하나의 네트워크이다.

하나의 네트워크에서 프레임을 송신하는 경우 상대의 랜카드 주소를 알아야 한다.

 

라우터로 연결된 2개의 랜은 분리된 네트워크이다.

이 경우 상대의 랜카드 주소를 몰라도 된다. 단지 자신의 네트워크에 연결된 라우터 인터페이스의 맥주소를 알면 된다.