3. 물리계층과 데이터 링크 계층

NIC(Network Interface Controller)와 케이블

A 1990s  Ethernet  network interface card that connects to the motherboard via the now-obsolete  ISA bus .

 NIC는 LAN card 라고도 불린다. 호스트와 통신 매체를 연결하며, NIC에는 MAC주소가 부여된다.

케이블은 흔히 Twisted cable 과 광섬유 케이블로 나뉜다.

 

 초기 NIC는 Expansion Card(확장 카드)로 컴퓨터에 설치됐다. 통신 매체에 흐르는 신호를 호스트가 이해하는 프레임으로 변환 하거나 프레임을 통신 매체에 흐르는 신호로 변환한다. NIC는 MAC 주소를 통해 자기 주소는 물론, 수신되는 프레임의 수신지 주소를 인식한다. 어떤 프레임이 자신에게 도달했을 때 자신과 관련없는 수신지 MAC 주소라면 해당 프레임을 폐기할 수도 있다. 또는 FCS 필드를 토대로 오류를 검출하여 프레임을 폐기할 수도 있다.

 

Hub

4-port  10BASE-T  Ethernet hub with selectable  MDI-X/MDI  port

 물리계층에 허브는 과거 간단한 네트워크 환경에서 주로 사용됐다. 요즘은 스위치(Switch)가 역할을 대신해주고 있다.

여러대의 호스트를 연결하는 허브는 반이중 으로 통신을 한다. 반이중 통신이란 '양방향 통신이 가능하지만, 동시에 한 방향으로만 데이터를 주고받을 수 있는 통신 방식'을 의미한다.

 

 물리계층에는 주소라는 개념이 없다. 송수신지를 특정할 수 있는 주소는 데이터 링크 계층부터 존재하는 개념이다. MAC 주소가 바로 주소개념이다. Hub는 여러대의 Host를 연결하는 장치다. Repeater Hub, Ethernet Hub 라고 부르기도 한다. Connector를 연결하는 Port가 존재한다. Hub는 전달받은 모든 신호를 다른 모든 포트로 내보낸다. 반이중 모드를 사용하며, 송수신을 번갈아 진행한다. 무전기의 통신법과 유사하다. 따라서 허브에 연결된 모든 호스트는 충돌 가능한 콜리전 도메인(Collision Domain)에 속한다.

 각 호스트 들이 동시에 Hub로 신호를 보낼때 발생하는 충돌을 예방하기 위해 CSMA/CD 를 사용했다.

CSMA(Carrier Sense Multiple Acess with Collision Detection)은 아래와 같이 동작한다.

• 메세지를 보내기 전 현재 네트워크 상에 전송중인 것이 있는지 확인. 캐리어 감지(carrier sense)
  이때, 복수의 호스트가 네트워크에 접근하려는 상황을 다중 접근이라 한다.
• 충돌을 감지하면 전송이 중단되고 충돌을 검출한 호스트는 다른 호스트들에게 잼신호(Jam Signal)을 보낸다.
  그리고 임의의 시간을 기다린 뒤 다시 전송한다.

 

Switch

Avaya   ERS 2550T-PWR , a 50-port  Ethernet  switch

스위치의 여러 포트에 호스트를 연결하는 점이 허브와 유사하다. 다만 MAC 주소를 학습해 호스트를 식별하고 프레임을 전달한다. 스위치는 전이중 통신을 한다.

 

스위치는 프레임 내 '송신지 MAC 주소' 필드를 바탕으로 학습하며, 가상의 호스트 A, B, C가 있을 때 다음 세가지 작업을 통해 MAC 주소를 학습하고 관리한다.

1. 플러딩(Flooding)
2. 포워딩(Forwarding)과 필터링(Filtering)
3. 에이징(Aging)

 스위치가 처음 A호스트로 부터 프레임을 수신하면, 프레임 내에 '송신지 MAC 주소'를 이용해 A의 MAC 주소와 연결된 포트를 맵핑(mapping)한다. 다음 모든 포트로 프레임을 전송한다. 이 동작을 플러딩이라 한다. A -> C, B와 D는 전송받은 프레임을 폐기한다. 한편 C는 응답 프레임을 전송한다. 이 프레임을 통해 C의 MAC 주소를 맵핑한다. 전달 받은 프레임을 어디로 보낼지 결정하는 것을 filtering 이라 한다. 그리고 실제로 프레임을 내보내는 것을 forwarding 이라 한다. 일정 시간동안 프레임을 전송 받지 못하여 삭제하게 되는것을 aging 이라 한다.

 

VLAN(Virtual LAN): 가상의 local network area

스위치는 기기 한대로 여러개의 가상 LAN을 만들 수 있다.

예를 들어 위 이미지 처럼 'VLAN-10' 을 개발부서가 사용하게 하고 'VLAN-20'은 총무부서가 사용하게 할 수 있다.

이 두 부서간의 통신을 위해서는 네트워크 이상의 장비가 있어야 한다. VLAN은 포트기반 또는 MAC 기반 으로 구성할 수 있다.