[TCP/IP가 보이는 그림책] 6. 데이터 링크 계층과 물리 계층

데이터 링크 계층의 역할

네트워크 계층 아래에 위치하는 데이터 링크 계층의 역할을 소개합니다.

네트워크 간의 차이를 흡수한다.

기기끼리 연결하는 데에는 몇 가지 방법이 있으며, 동일한 방법으로 연결된 한 덩어리의 기기를 데이터 링크라고 합니다. 데이터 링크 간의 차이를 흡수하고, 네트워크 계층보다 위에 있는 계층이 그 차이를 의식하지 않고 작동할 수 있도록 하는 것이 데이터 링크 계층의 역할입니다.

네트워크 계층과 물리 계층의 중개자

데이터 링크 계층에서는 데이터에 헤더를 붙인 것을 프레임이라고 합니다.

데이터 링크 계층의 프로토콜

데이터 링크 안에서 데이터를 어떻게 주고받을지를 결정하는 것이 데이터 링크 계층의 프로토콜입니다. 데이터 링크 내에서 기기를 식별할 필요가 있을 때는 MAX 주소를 사용합니다.

 

데이터 링크 계층과 물리 계층

신호를 전달하는 것을 총칭해서 통신 매체라고 합니다. 물리 계층은 통신 매체 그 자체를 가리킵니다.

물리 계층

데이터 링크 안에서 신호가 흐르고 있는 부분을 물리 계층이라고 합니다. 여기서 비트열과 신호의 변환이 일어나는데, 그 방법은 기기가 갖고 있는 성질에 의존하기 때문에 정해진 프로토콜이 없습니다.

물리 계층은 다른 계층과 성질이 다르기 때문에 데이터 링크 계층의 일부로 생각허간 TCP/IP 계층에는 포함시키지 않는 경우도 있습니다.

데이터 링크를 구성 하는 요소

데이터 링크는 다음과 같은 요소로 구성되어 있습니다.

 

노드

데이터 링크 상에 있는 기기를 말하며, 컴퓨터나 라우터 등을 가리킵니다

통신 매체

노드 간을 연결하는 케이블 등을 말합니다. 케이블 양끝에는 노드에 접속하기 위한 단자가 붙어 있습니다.

노드와 통신 매체를 연결하는 기기

비트열과 신호를 변환하는 것으로, 네트워크 인터페이스 카드나 모뎀 등이 있습니다.

 

네트워크로 가는 현관

모든 데이터는 NIC라는 기기를 통해서 컴퓨터를 출입합니다. IP 주소와는 별도로 NIC에도 고유의 번호가 할당되어 있습니다.

비트열을 신호로 변환하기

컴퓨터에서 네트워크로 가는 현관문이 되는 것이 네트워크 인터페이스 카드(NIC)라는 기기입니다.

MAC 주소

NIC에는 MAC 주소라는 고유한 번호가 할당되어 있으며, 데이터 링크 계층에서는 이 번호를 사용하여 기기를 정합니다. 네트워크를 지나갈 때는 IP 주소가, 데이터 링크 계층 안으로 들어간 후에는 MAC 주소가 사용되는 것입니다. MAC 주소는 48자리 비트열을 8비트씩 ':' 또는 '-'으로 구분해서 16진수로 나타냅니다.

 

MAC 주소를 조사

'수신인의 IP 주소는 알지만 MAC 주소는 몰라' 이런 경우를 위해 ARP가 있습니다.

브로드캐스트 MAC 주소

같은 데이터 링크 내에 있는 모든 기기에게 보낼 수 있는 MAC 주소를 브로드캐스트 MAC 주소라고 합니다. 브로드캐스트 MAC 주소는 모든 비트에 1이 들어가 있는 'ff:ff:ff:ff:ff:ff'입니다.

수신인의 MAC 주소를 조사

데이터 링크 내에서는 MAC 주소를 사용하여 기기르 특정하기 때문에, IP 주소만으로는 수신인에게 전달할 수가 없습니다. IP 주소를 가지고 상대의 MAC 주소를 조사할 때는 ARP 프로토콜을 사용합니다.

• MAC 주소를 알고싶은 컴퓨터의 IP 주소를 ARP 패킷에 적고, 브로드캐스트 MAC 주소 앞으로 보냅니다.
• 자식의 IP 주소가 아닌 경우에는 파기하고, 일치하면 MAC 주소를 적은 ARP 패킷을 보냅니다.

 

네트워크의 연결 방법

컴퓨터의 기본적인 연결 방법을 소개합니다. 연결된 기기 하나 하나를 노드라고 합니다.

버스형

축이 되는 케이블에서 선을 빼서 그 끝에 노드를 연결합니다.

링형

이웃하는 양쪽 노드를 연결하여 링 모양으로 연결합니다. 링 내에서 노드의 고장이나 케이블의 절단 등이 한 군데라도 일어나면 전체가 통신할 수 없게 됩니다.

스타형

하나의 노드(일반적으로는 허브)를 사이에 두고 다른 노드를 연결합니다. 네트워크를 집중 관리할 수는 있지만, 중심이 되는 노드가 고장나면 전체에 영향을 미칩니다.

망형

모든 노드를 일대일로 연결합니다. 일부 케이블이나 노드가 고장나도 그곳을 피해서 통신을 계속할 수 있습니다.

 

이더넷

현재 유선 LAN에서 일반적으로 사용되는 규격이 이더넷입니다.

이더넷의 구조

초기 이더넷에서는 통신 환경에 따른 제약에서 CSMA/CD 방식으로 불리는 반이중 통신으로 프레임을 주고받았습니다.

• 반이중 통신 : 양방향 통신에서 한 쪽씩 번갈아서 전송하는 방식을 반이중 통신이라고 합니다.
• 리피터 허브 : 모든 노드에 헤더를 보내기 때문에, 어떤 노드의 통신 중에 다른 노드는 통신할 수 없습니다.
• 동축 케이블 : 신호선이 한 가닥이라 송신과 수신을 동시에 할 수 없습니다.

한 쪽에서만 전송할 수 있는 이 방식으로는 데이터 충돌이 발생하는 경우가 있습니다.

 

현재는 스위칭 허브나 트위스트 페어 케이블, 광섬유 케이블 등이 보급되어, 전이중 통신으로 데이터를 주고받습니다.

• 전이중 통신 : 양방향으로 동시에 데이터를 송수신할 수 있는 통신 방식입니다.
• 스위칭 허브 : MAC 주소를 바탕으로 목적지 노드에만 데이터를 보내므로 다른 노드끼리 통신할 수 있습니다.
• 트위스트 페어 케이블 : 신호선이 복수이므로 송신과 수신을 동시에 할 수 있습니다.

 

토큰 링

프레임이 충돌하지 않도록 권리를 얻은 컴퓨터만 송신할 수 있는 데이터 링크입니다.

토큰 링의 구조

네트워크 상을 흐르고 있는 토큰이라는 프레임을 사용하여 통신합니다. 토큰을 취득한 컴퓨터밖에 송신할 수 없으므로, 프레임 충돌이 발생하지 않습니다. 이런 통신 방법을 토큰 패싱 방식이라고 합니다.

 

기타 데이터 링크

광섬유 케이블을 사용하는 FDDI나 케이블을 사용하지 않고 전파나 적외선으로 연결하는 데이터 링크를 소개합니다.

FDDI

FDDI는 광섬유 케이블을 사용한 토큰 패싱 방식의 데이터 링크입니다. 이중 링을 만들고, 보통 사용하는 링이 끊어져도 긴급 사용링으로 통신을 계속할 수 있게 되었습니다.

무선 랜

무선 랜은 전파나 적외선을 이용해 데이터를 송수신하는 통신 방법입니다. 현재 보급된 무선 LAN의 표준규격을 IEEE 802.11이라고 하고, 주파수 대역과 통신 속도에 따라 몇 가지 규격을 나눌 수 있습니다.

 

PPP와 PPPoE

PPP는 사용자 인증 기능이 추가된 프로토콜입니다. PPP를 이더넷 상에서도 사용할 수 있도록 확장한 것이 PPPoE입니다.

PPP

PPP는 두 지점 간에 일대일 통신을 수행하는 프로토콜입니다. 다음과 같은 절차를 밟아서 통신을 확립합니다.

1. 통신을 하지 않을 때는 상대에게 통신 요청을 보냅니다.
2. 접속할 자격을 가지고 있는 사용자인지 아닌지를 확인합니다.
3. 통신 조건에 대해 상담합니다.
4. 통신을 시작합니다.

PPPoE

이더넷 상에 있는 두 대의 컴퓨터 간에 인증을 수행할 수 있도록 한 것이 PPPoE입니다. PPPoE는 주로 xDSL이나 CATV 회선, 광회선을 사용하여 액세스 서버를 경유하여 인터넷에 접속할 때 사용합니다.

1. PPPoE로 통신 상대와 연결합니다.
2. PPP를 사용하고, 사용자 인증 등을 수행합니다.
3. 통신을 시작합니다.

 

데이터 링크상의 기기(1)

데이터 링크 계층 및 물리 계층에서 통신을 보조하는 기기를 소개합니다.

리피터

신호는 통신 매체나 주위 환경, 통신 거리 등의 영향을 받아서 신호가 약해지는 경우가 있습니다. 약해지는 정도가 심해지면 0인지 1인지를 판단할 수 없게 됩니다.

그래서 네트워크상에 신호를 보정하는 기기를 설치하고 신호의 일그러짐을 방지합니다. 이 기기를 리피터라고 합니다. 현재는 허브가 리피터의 역할을 합니다.

브리지

신호의 보정에 덧붙여 서로 다른 두 개의 데이터 링크를 연결하는 기능을 가진 기기를 브리지라고 합니다. 수신처의 MAC 주소를 보고 흘러온 것과 다른 데이터 링크 앞으로 온 것이면 보내고, 같은 데이터 링크 앞으로 온 것이면 파기합니다.

 

데이터 링크상의 기기(2)

데이터 링크 계층 및 물리 계층에서의 통신을 보조하는 기기를 소개합니다.

허브

네트워크 상에서 케이블을 분기하기 위한 기기를 허브라고 합니다. 하나의 신호를 여러 개의 케이블로 보내기 위해 신호를 증폭할 필요가 있다는 점에서 리피터의 역할도 갖고 있습니다.

신호의 보정, 증폭 기능을 갖고 있지 않는 패시브 허브라는 기기도 있습니다.

스위칭 허브

목적지의 MAC 주소를 보고 여러 개의 접속처 중에서 특정 노드에만 신호를 보내는 기능을 갖고 있는 허브를 스위칭 허브라고 합니다. 목적지를 확인하고 갈 곳을 배당하기 때문에 일반 허브보다 통과에 시간이 걸립니다.