[Network] OSI 모델의 데이터 링크 계층

OSI모델의 2계층인 랜에서 데이터를 전송하는 데이터 링크 계층에 대한 내용을 정리합니다.

 

 

데이터 링크 계층은 데이터 링크 계층은 네트워크 기기 간에 데이터를 전송하고 물리 주소를 결정한다. 네트워크 장비 간 신호를 주고받을 때 규칙이 있는데, 일반적으로 많이 사용되는 규칙이 이더넷(Ethernet)이다.

 

이더넷

이더넷은 랜에서 데이터를 정상적으로 주고받기 위한 적용되는 규칙이다. 허브의 경우, 특정 컴퓨터에만 데이터를 보내도 모든 포트에 전기 신호가 전달된다. 목적지 컴퓨터 외의 컴퓨터는 데이터를 받더라도 무시하도록 설계되어 있다.

 

하지만 모든 포트에 데이터를 전송하면, 컴퓨터 여러 대가 동시에 데이터를 보낼 때 충돌이 발생할 수 있다. 이더넷은 여러 대의 컴퓨터가 동시에 데이터를 전송해도 충돌이 발생하지 않는 구조로 되어 있다. 그 방식으로 데이터 보내는 시점을 늦추는 CSMA/CD을 사용한다.

 

• CS : 데이터를 전송하려고 하는 컴퓨터가 케이블에 신호가 흐르는지를 확인하는 규칙
• MA : 케이블에 흐르는 데이터가 없다면 데이터를 보낼 수 있는 규칙
• CD : 충돌이 발생하고 있는지를 확인하는 규칙

CSMA/CD는 효율이 좋지 않아서 지금은 사용되지 않으며, 대신 스위치(switch)라는 네트워크 장비를 이용한다. 스위치에 대한 설명은 아래(MAC주소 다음)에서 설명할 것이다.

 

MAC 주소

비트열을 전기 신호로 변환하는 랜 카드에는 MAC주소라는 전 세계에서 유일한 번호가 정해져 있다. MAC주소는 48비트로 구성되어 있으며, 앞쪽 24비트는 랜 카드를 만든 제조사 번호이고 뒤쪽 24비트는 랜 카드에 붙인 일련번호이다.

 

MAC주소가 통신에 어떻게 사용되는지 보자.

 

OSI모델에서 데이터 링크 계층과 TCP/IP모델에서 네트워크 계층에서는 데이터에 이더넷 헤더와 트레일러를 붙인다.

이더넷 헤더는 목적지의 MAC주소(6바이트)와 출발지의 MAC주소(6바이트), 유형(2바이트) 총 14바이트로 구성된다.

 

뒤쪽에 붙는 트레일러는 FCS(Frame Check Sequence)라고도 하며, 데이터 전송 중에 오류가 발생하는지 확인하는 용도이다.

 

이처럼 이더넷 헤더와 트레일러가 추가된 데이터를 프레임이라고 한다. 데이터 링크 계층에서 프레임을 만들고 물리 계층에서 프레임 비트열을 전기 신호로 변환하여 네트워크를 통해 전송하는 것이다.

 

• ARP(Address Resolution Protocol, 주소 변환 프로토콜) : 목적지 컴퓨터의 IP주소를 통해 MAC주소를 찾기 위한 프로토콜이다. 
• ARP 요청(ARP request) : 목적지 MAC주소를 모를 때 알아내기 위해 네트워크에 브로드캐스트를 하는 것이다.
• ARP 응답(ARP reply) : ARP요청에 대해 IP주소를 가진 컴퓨터가 MAC주소를 응답으로 보내는 것이다. 이 응답을 통해 MAC주소를 얻고 이더넷 프레임을 만든다.
• ARP 테이블(ARP table) : MAC주소를 얻은 후, MAC주소와 IP주소의 매핑 정보를 메모리에 보관한 것이다.
• ARP 캐시(ARP cache) : ARP 테이블의 보존 기간을 정하여, 그 기간동안 IP주소와 MAC주소의 매핑 정보를 참고할 수 있다. IP주소가 변경되면 MAC주소도 변경되므로 보존 기간이 지나면 삭제하고 다시 ARP요청을 보낸다.

 

스위치(switch)

스위치는 데이터 링크 계층에서 동작하며, 레이어 2스위치 또는 스위칭 허브라고도 부른다. 장비의 외관은 허브와 유사하다.

 

스위치 내부에는 MAC주소 테이블이 있다. MAC주소 테이블은 스위치의 포트 번호와 해당 포트에 연결되어 있는 컴퓨터의 MAC주소가 올라가는 데이터베이스이다.

 

• 컴퓨터에서 목적지 MAC주소가 추가된 프레임이라는 데이터가 전송되면 MAC주소 테이블을 확인하고 출발지 MAC주소가 등록되어 있지 않으면 MAC주소를 포트와 함께 등록한다. 이를 MAC주소 학습 기능이라 한다.
• 목적지 MAC주소는 아직 등록되어 있지 않다면, 모든 포트에 데이터가 전송된다. 이를 플러딩(flooding)이라 한다. 
• 반면 목적지 MAC주소가 등록되어 있다면, 목적지 컴퓨터에만 데이터가 전송된다. 이를 MAC주소 필터링이라 한다. 

 

포트	MAC주소
1	AA-AA-AA-AA-AA-AA
2
3	CC-CC-CC-CC-CC-CC
4
5

 

전이중 통신과 반이중 통신

전이중 통신

데이터의 송수신을 동시에 통신하는 방식이다. 컴퓨터를 직접 랜 케이블로 연결할 때 사용된다.

 

반이중 통신

회선 하나로 송신과 수신을 번갈아가면서 통신하는 방식이다. 따라서 동시에 데이터를 전송하면 충돌이 발생한다. 컴퓨터를 허브를 통해 연결할 때 사용된다.

 

스위치의 경우 충돌이 일어나지 않는 전이중 통신 방식으로도 데이터를 주고 받을 수 있다. 현재는 전송과 수신이 동시에 가능한 스위치를 사용한다.

 

충돌 도메인(collision domain)

충돌 도메인이란 충돌이 발생했을 때 영향이 미치는 범위를 말한다. 허브의 경우, 허브에 연결되어 있는 컴퓨터 전체가 충돌 도메인이 된다. 스위치의 경우, 모든 컴퓨터가 아닌 송수신에 관련있는 컴퓨터만 충돌 도메인이 된다.

 

이더넷 규격

주요 이더넷 규격에는 동축 케이블인 10BASE5, 10BASE2와 UTP케이블인 10BASE-T, 100BASE-TX, 1000BASE-T, 10GBASE-T가 있다.

• 동축 케이블의 경우 10BASE뒤에 숫자가 바로 붙는데, 이 숫자는 케이블의 최대 길이를 100미터 단위로 표시해둔 것이다.
• UTP케이블의 경우 10BASE뒤에 하이픈과 알파벳이 붙는데, 이 알파벳은 UTP케이블이라는 케이블 종류를 표시한 것이다. 길이는 100미터이다.

 

10	BASE	-	T
통신 속도(Mbps)	전송 방식		케이블 종류

 

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이어서 다음 포스팅에서 네트워크 계층에 대한 내용을 다룰 것이다.

 

 

[reference] 

모두의 네트워크