3-2) 네트워크 - 네트워크 엑세스 계층

(참고: Fastcampus 강의, 강민철의 인공지능 시대 필수 컴퓨터 공학 지식)

2. 네트워크 엑세스 계층

Contents

1. 이더넷 (Ethernet)
2. 허브와 CSMA/CD
3. 스위치와 VLAN

(1) 이더넷 (Ethernet)

a) 이더넷이란?

컴퓨터끼리 “유선으로” 데이터를 주고받게 해주는 기술

(LAN선(=이더넷 케이블)을 꽂아서 인터넷이 됨)

• 유선 네트워크의 표준
• 하나의 케이블로 여러 기기를 연결
• 데이터를 패킷 단위로 전송

b) WAN vs. LAN

• WAN: via 인터넷
• LAN: via 이더넷
  • 이더넷은 현대 (유선) LAN에서 가장 대중적으로 이용되는 기술임
  • “(1) 물리 계층 + (2) 데이터 링크 계층 (네트워크 엑세스 계층)“의 스펙과 프로토콜을 모두 정의한 유선 네트워크 표준

(참고) 물리 계층 & 데이터 링크 계층

1. 물리 계층 (Physical Layer)
   • 전기 신호, 케이블, 커넥터 같은 물리적 전송 수단을 다룸
   • 이더넷에서는 UTP 케이블, RJ-45 포트, 전송 속도(예: 100Mbps, 1Gbps) 등이 포함됨
   • 요약: 이더넷 신호를 보내는 케이블
2. 데이터 링크 계층 (Data Link Layer)
   • 프레임 단위로 데이터 전송
   • MAC 주소, 에러 검사 (CRC), 충돌 처리 (CSMA/CD) 등을 다룸
   • 이 계층에서 이더넷 프로토콜이 동작함
   • 요약: 이더넷만의 데이터 포맷(프레임)

c) IEEE 802.3

IEEE 802.3 = 이더넷 국제 표준

이더넷 표준 규격 버전:

• 802.3 뒤의 알파벳으로 표기함
• e.g., 802.3u, 802.3ab, ..

“이더넷 표준 규격”이 달라지면, “케이블 전송 속도”도 달라진다!

이더넷 케이블 지칭: 전송속도 BASE-추가특성

(이더넷 케이블의 속도/특을 나타내는 표준 표현)

• 10BASE-T
• 25GBASE-LR
• 5GBASE-T

구성 요소	의미
10, 5G, 25G	전송 속도 (10Mbps, 5Gbps, 25Gbps)
BASE	베이스밴드 방식 (Ethernet 전용)
-T, -LR 등	전송 매체 또는 거리 특성

• 속도 → 몇 Mbps or Gbps인지
• BASE → 이더넷 방식임을 나타냄
• -T, -SR, -LR → 케이블 종류 또는 도달 거리

d) 이더넷 프레임

이더넷 네트워크에서 주고받는 “데이터 형식”

이더넷 프레임 구성 요소

항목	설명
프리앰블 (Preamble)	데이터 전송 전에 수신 측이 동기화할 수 있도록 만드는 비트 패턴 - 이너뎃 프레임의 시작/끝을 알리는 비트열 - 첫 7바이트는 10101010 - 마지막 1바이트는 10101011 (SFD)
목적지/송신지 MAC 주소	데이터가 도착해야 할/보낸 장치의 하드웨어 주소 - 네트워크 상의 주민등록 번호 - 물리적 주소, 네트워크 장치 (NIC)마다 할당된 고유한 주소
이더타입 / 길이	페이로드가 어떤 프로토콜인지 (IP 등), 또는 데이터 길이 - 1536 이상: 이더타입 (이 프레임이 무엇을 캡슐화 했는지) - 1500 이하: 프레임 크기
페이로드 (Payload)	실제 전송하고 싶은 데이터 내용 (예: IP 패킷)
FCS (Frame Check Sequence)	오류 검출용. 데이터가 손상됐는지 확인하는 체크섬

NIC (네트워크 인터페이스)

• 컴퓨터를 네트워크에 연결해주는 하드웨어
• 인터넷을 쓰려면, 컴퓨터 안에서 ‘네트워크선’을 꽂는 곳이 있어야 함
  • 유선: 랜선 꽂는 포트
  • 무선: 와이파이 기능을 가진 칩
• 네트워크를 타고 많은 데이터(프레임)가 오는데, NIC는 “이게 나한테 온 건지” 판단해서 맞으면 받아들이고, 아니면 버림
  • 내 MAC 주소 맞음: OS에 전달
  • 내 MAC 주소 아님: 폐기

(2) 허브와 CSMA/CD

a) 허브 (hub)

허브 = 호스트를 연결할 수 있는 포트 (port)

• “물리 계층”의 장비이다

  $\rightarrow$ 따라서, MAC 주소를 사용하지 않는다 ($\because$ MAC 주소는 “데이터 링크” 계층 개념)

• 주소 식별 X $\rightarrow$ 연결되어있는 “모든” 포트로 정보를 내보냄

b) 반이중 통신 (half-duplex)

반이중 vs. 전이중

• 반이중 통신 (half-duplex): 송/수신이 “한번에 하나만”
  • e.g., 허브, 무전기
• 전이중 통신 (full-duplex): 송/수신이 “동시에”
  • e.g., 전화

허브는 “반이중 통신”을 하므로..

$\rightarrow$ 동시에 허브로 데이터를 전송할 경우, “충돌 (collision) 발생”

충돌 도메인

• 충돌이 발생할 수 있는 범위

c) CSMA/CD

“반이중 이더넷”의 충돌을 해결하기 위해!

• CS (Carrier Sense)
  • 캐리어 (반송파) 감지: 메세지 전송 중, “현재 전송 중인 메세지가 있는지” 확인
• MA (Multiple Access)
  • 다중 접근: 2개 이상의 호스트가 동시에 네트워크에 접근 (충돌 발생)
• CD (Collision Detection)
  • 충돌 감지: 잼 신호 (jam signal)를 보낸 뒤, 임의의 시간 동안 대기 후에 재전송

d) 허브 요약

1. 전달 받은 신호를 “모든 포트”로 내보냄
2. 연결된 모든 호스트가 충돌 도메인
3. “반이중 모드”로 통신

e) 스위치의 등장

허브의 한계점을 잘 알겠어… 그렇다면…

• (1) 전달받은 신호를 “목적지 포트로만” 내보내고,
• (2) “전이중 모드”로 통신하는 “데이터 링크 계층”의 네트워크 장비는 없을까?

$\rightarrow$ 스위치 (Switch)

(3) 스위치

a) 허브 vs. 스위치

항목	허브 (Hub)	스위치 (Switch)
동작 방식	수신 데이터를 모든 포트에 전송	수신 데이터를 목적지 포트에만 전송
주소 인식 여부	MAC 주소 인식 못함	MAC 주소 테이블로 목적지 인식
효율성	낮음 (불필요한 트래픽 많음)	높음 (필요한 포트에만 전달)
충돌 가능성	높음 (같은 네트워크 내 충돌 발생 가능)	낮음 (각 포트별로 독립된 전송 가능)
계층	물리 계층 (Layer 1)	데이터 링크 계층 (Layer 2)
보안	낮음 (모든 포트에 정보 노출)	높음 (선택된 포트에만 전송)

• 허브는 “받은 거 다 뿌림”
• 스위치는 “어디로 보낼지 알고 거기로만 보냄”

b) 스위치의 MAC 주소 학습 기능

“포트에 연결된 호스트”와 “MAC 주소”의 관계를 기억하는 스위치 기능

• with MAC 주소 테이블!

$\rightarrow$ “보내는 주소를 기억해서 다음엔 정확히 그쪽으로만 보내는 똑똑한 장치”

Q) MAC 주소 테이블의 학습 과정?

1. 플러딩 (Flooding)

• 처음엔 MAC 주소 테이블이 비어 있음.
• 목적지 MAC 주소를 모르면, 모든 포트로 데이터를 전송함 (브로드캐스트처럼).

2. 포워딩과 필터링 (Forwarding & Filtering)

• 어떤 포트에서 어떤 MAC 주소가 들어오는지 기억함 → 테이블에 등록.
  • (포워딩) 이후 그 MAC 주소로 보내야 할 데이터가 오면, 해당 포트로만 전송
  • (필터링) 목적지 MAC이 같은 포트에 있으면 → 전송 안 함

3. 에이징 (Aging)

• MAC 주소 테이블은 영구적이지 않음.
• 일정 시간 동안 활동이 없으면, 해당 MAC 주소는 테이블에서 제거됨 → 최신 상태 유지.

c) VLAN (Virtual LAN)

(물리적 네트워크와 무관하게) 논리적으로 그룹을 나누는 기술

$\rightarrow$ 즉, 같은 스위치에 연결돼 있어도, 다른 VLAN이면 서로 통신 불가능

• 장점: 보안 향상, 트래픽 분리, 효율적인 관리 가능

d) VLAN의 종류

• (1) 포트 기반 VLAN (정적 VLAN)
• (2) MAC 주소 기반 VLAN (동적 VLAN)

포트 기반

MAC 주소 기반