[혼자 공부하는 네트워크] 1~2장. 컴퓨터 네트워크 시작하기. 물리 계층과 데이터 링크 계층.

이 글은 「혼자 공부하는 네트워크」 책 내용을 정리한 내용입니다.

저작권 문제시 삭제하겠습니다.

 

---

 

1. 컴퓨터 네트워크란?

여러 개의 장치가 마치 그물처럼 서로 연결되어 정보를 주고받을 수 있는 통신망.

 

네트워크의 네트워크 = 인터넷

여러 장치들이 네트워크를 통해 서로 연결되면 주변 장치뿐만 아니라 네트워크와 연결된 지구 반대편의 장치와도 정보를 주고받을 수 있다. 이 기술이 바로 인터넷.

 

 

2. 네트워크의 구성요소

노드, 간선, 메세지

 

1) 노드: 정보를 주고받을 수 있는 장치. ex) 서버, 클라이언트, 네트워크 장비 등.

2) 간선: 정보를 주고받을 수 있는 유무선의 통신 매체(유선/무선)

3) 메세지: 통신 매체로 연결된 노드가 주고받는 정보. ex) 웹 페이지, 파일, 메일 등

 

[노드의 예]

*호스트

: 네트워크의 가장자리에 위치한 노드. 네트워크를 통해 흐르는 정보를 최초로 생성&송신&수신함.

ex) 서버 컴퓨터, 개인 데스크톱, 노트북, 스마트폰, 시계, 자동차, 냉장고, TV 등

 

1) 서버: 어떤 서비스를 제공하는 호스트

2) 클라이언트: 서버에게 어떤 서비스를 요청하고 서버의 응답을 제공받는 호스트

3) 네트워크 장비: 호스트 간 주고받을 정보가 중간에 거치는 노드. ex) 이더넷 허브, 스위치, 라우터, 공유기 등

 

 

3. 범위에 따른 네트워크 분류

1) LAN(Local Area Network): 가까운 지역을 연결한 근거리 통신망. ex) 학교, 가정, 기업 등

2) WAN(Wide Area Network): 먼 지역을 연결하는 광역 통신망. ex) 네트워크의 네트워크를 나타내는 인터넷 등.

WAN 은 ISP(Internet Service Provider) 라는 인터넷 서비스 업체가 구축하고 관리함. ex) KT, LGU+, SKBroadband.

 

그 외 WAN > MAN > CAN > LAN 등의 네트워크가 있음

 

 

4. 메시지 교환 방식에 따른 네트워크 분류

1) 회선 교환 방식

메시지 전송로인 '회선'을 설정하고 회선으로 메시지를 주고받는 방식. ex) 전화망

회선 교환 네트워크 장비로 '회선 스위치'가 있다. 

 

2) 패킷 교환 방식

메시지를 패킷이라는 작은 단위로 쪼개어 전송하는 방식. 끊임없이 메시지가 흐르기에 회선의 이용 효율이 높다.

최적의 경로를 결정하거나 패킷의 송수신지를 식별하는 '패킷 스위치'가 있다. ex) 라우터, 스위치.

 

*네트워크 패킷에 들어가는 정보

페이로드: 패킷을 통해 전송하고자 하는 데이터

헤더: 주소. ex) IP주소, MAC 주소

트레일러

 

 

5. 주소와 송수신지 유형에 따른 전송 방식

송수신지를 특정할 수 있는 주소가 있다면 송수신지 유형에 따라 다양한 방식으로 메시지를 보낼 수 있게 된다.

 

1) 유니캐스트(unicast): 하나의 수신지에 메시지를 전송하는 방식. 1대1.

2) 브로드캐스트(broadcast): 자신을 제외한 네트워크 상의 모든 호스트에게 전송하는 방식. 1대다

3) 멀티캐스트(multicast): 네트워크 내의 동일 그룹에 속한 호스트에게만 전송하는 방식

4) 애니캐스트(anicast): 네트워크 내의 동일 그룹에 속한 호스트 중 가장 가까운 호스트에게 전송하는 방식

 

 

6. 네트워크 배경 지식

현대 인터넷은 호스트 간 패킷을 교환하는 방식으로 대부분 '패킷 교환 방식'을 사용한다.

정보를 올바르게 교환하기 위해서는 합의된 의사솥통 방식이 있어야 한다.

 

1) 프로토콜: 노드 간에 정보를 올바르게 주고받기 위해 합의된 규칙이나 방법. 서로 다르 통신 장치들이 정보를 주고받으려면 프로토콜이 통해야 한다.

 

- IP: 패킷을 수신지까지 전달하기 위해 사용되는 프로토콜

- ARP: 192.168.1.1과 같은 형태의 'IP주소'를 A1:B2:C3:D4:E5:F6과 같은 형태의 'MAC주소'로 대응하기 위해 사용되는 프로토콜.

- HTTPS: HTTP에 비해 보안상 더 안전한 프로토콜

- TCP: UDP에 비해 일반적으로 느리지만 신뢰성이 높은 프로토콜. TCP에는 신뢰성 높은 전송을 수행하기 위한 정보로 구성되어 있고 헤더에도 더 많은 정보가 포함되어 있다.

 

2) 네트워크 참조 모델(네트워크 계층 모델)

네트워크 참조 모델로 네트워크 구성/설계가 용이하고 네트워크 문제 진단/해결이 용이하다.

ex) OSI 모델, TCP/IP 모델

 

 

7. OSI 모델

응용 계층

표현 계층

세션 계층

전송 계층

네트워크 계층

데이터 링크 계층

물리 계층

1) 물리 계층: 1과 0으로 표현되는 비트 신호를 주고받는 계층.

통신 매체에 맞는 신호로 운반되도록 비트 데이터의 변환이 이루어지고 통신 매체를 통한 송수신이 이루어지는 계층.

 

2) 데이터 링크 계층: 네트워크 내 주변 장치 간의 정보를 올바르게 주고받기 위한 계층.

물리 계층을 통해 주고받는 정보에 오류가 없는지 확인, MAC 주소로 네트워크 내 송수신지 특정, 충돌 문제 해결.

 

3) 네트워크 계층: 메시지를 수신지까지 전달하는 계층.

IP주소 체계로 통신하고자 하는 수신지 호스트와 네트워크를 식별하고 원하는 수신지에 도달하기 위한 최적 경로를 결정한다.

 

4) 전송 계층: 신뢰성 있고 안정성 있는 전송을 해야 할 때 필요한 계층.

패킷의 흐름을 제어하거나 전송 오류를 점검해 신뢰성 있고 안정적인 전송이 이루어지도록 한다. 포트정보를 통해 실행 중인 응용 프로그램의 식별을 하기도 함.

 

5) 세션 계층: 세션을 관리하는 계층.

호스트의 응용 프로그램 간의 연결 상태를 생성하거나 유지하고 종료되었을 때 끊어주는 역할.

6) 표현 계층: 사람이 이해할 수 있는 언어인 문자를 컴퓨터가 이해할 수 있는 코드로 변환하거나 압축, 암호화 같은 작업 수행.

 

7) 응용 계층: 사용자가 이용할 응용 프로그램에 다양한 네트워크 서비스 제공.

 

 

8. TCP/IP 모델

OSI 모델보다 구현에 중점을 준 네트워크 참조 모델. 좀 더 간단.

1) 네트워크 액세스 계층: OSI 모델의 데이터 링크 계층과 유사.

2) 인터넷 계층: OSI 모델의 네트워크 계층과 유사.

3) 전송 계층: OSI 모델의 전송 계층과 유사.

4) 응용 계층: OSI 모델의 세션 계층 + 표현 계층 + 응용 계층 과 유사.

 

 

9. 캡슐화와 역캡슐화

패킷은 송신 과정에서 캡슐화, 수신 과정에서 역캡슐화가 이루어진다.

각 계층에서 송수신되는 메시지의 단위를 PDU(Protocal Data Unit) 이라고 한다. 상위 계층에서 전달받은 데이터에 현재 계층의 프로토콜 헤더(및 트레일러)를 추가하면 현재 계층의 PDU가 된다.

OSI 계층	PDU(Protocol Data Unit)
응용 계층	data
표현 계층
세션 계층
전송 계층	segment(TCP), datagram(UDP)
네트워크 계층	packet
데이터 링크 계층	frame
물리 계층	bit

 

 

10. 네트워크 성능 지표

1) 처리율(throughput): 단위 시간당 네트워크를 통해 실제로 전송되는 정보량

bps(bit/s), Mbps(Mbit/s), Gbps(Gbit/s), pps(p/s) 단위가 있음.

 

2) 대역폭(bandwidth): 단위 시간 동안 통신 매체를 통해 송수신할 수 있는 최대 정보량.

bps, Mbps, Gbps

 

3) 패킷 손실(packet loss): 송수신되는 패킷이 손실된 상황.

 

---

물리 계층과 데이터 링크 계층을 구성하는 대표 기술인 '이더넷'에 대해 알아보자.

 

11. 이더넷

현대의 LAN 기술. 유선 LAN 환경에서 가장 대중적으로 사용되는 기술.

통신 매체를 통해 정보를 송수신하는 방법이 정해져 있어야 하는데, 이더넷에 다양한 통신 매체의 규격들과 송수신되는 프레임의 형태, 프레임을 주고받는 방법 등이 정의된 네트워크 기술이다.

 

즉, 오늘날 유선 LAN 환경을 구축했다면,

물리 계층에서는 이더넷 규격 케이블을 사용했을 것.

데이터 링크 계층에서 주고받는 프레임은 이더넷 프레임의 형식을 따를 것.

 

1) IEEE802.3

이더넷관련 기술을 전기전자공학자협회(IEEE) 국제 조직에서 IEEE802.3 으로 표준화함.

 

2) 통신 매체 표기 형태

전송속도BASE-추가특성

 

- 전송속도: 10(10Mbps), 100(100Mbps), 1000(1000Mbps, 1Gbps), 2.5G(2.5Gbps), ...

- BASE: 베이스밴드의 약자. 비트 신호로 변환된 데이터를 통신 매체로 전송하는 방법인 '변조 타입'을 의미.

- 추가특성: 통신 매체의 특성. 전송 가능한 최대 거리, 물리 계층 인코딩 방식, 비트 신호를 옮길 수 있는 전송로 수를 의미하는 레인 수 등이 명시 됨.

추가 특성	케이블 종류
C	동축 케이블
T	트위스티드 페어 케이블
S	단파장 광섬유 케이블
L	장파장 광섬유 케이블

 

ex) 10BASE-T 케이블: 10Mbps 속도를 지원하는 트위스티드 페어 케이블

1000BASE-SX 케이블: 1000Mbps 속도를 지원하는 단파장 광섬유 케이블

1000BASE-LX 케이블: 1000Mbps 속도를 지원하는 장파장 광섬유 케이블

 

3) 이더넷 프레임

: 이더넷 네트워크에서 주고받는 데이터 링크 계층의 프레임 형식

 

① 프리앰블(preamble): 이더넷 프레임의 시작을 알리는 8바이트(64비트) 크기의 정보.

첫바이트는 10101010. 마지막 바이트는 10101011.

수신자는 이 프리앰블을 통해 이더넷 프레임이 오고 있음을 알아차릴 수 있다.

 

② 수신지 MAC 주소와 송신지 MAC 주소

*MAC 주소: 물리적 주소. 6바이트(48비트) 길이의 주소. LAN 내의 수신지와 송신지를 특정함.

MAC 주소는 일반적으로 고유하고 변경되지 않는 주소이다.(변경 가능한 경우도 많고 고유하지 않을 수도 있다.)

 

③ 타입/길이: 프레임의 길이, 어떤 정보를 캡슐화 했는지.

- 1500(16진수 05DC) 이하: 프레임의 크기(길이)를 나타냄.

- 1536(16진수 0600) 이상: 타입을 나타냄.

타입	프로토콜
0800	IPv4
86DD	IPv6
0806	ARP

 

- IPv4 프로토콜이 캡슐화된 정보를 운반한다면 타입에는 16진수 0800.

- ARP 프로토콜이 캡슐화된 정보를 운반한다면 타입에는 16진수 0806이 명시된다.

 

④ 데이터: 상위 계층에서 전달받거나 상위 계층으로 전달해야 할 내용.

최대크기 1500바이트. 반드시 일정크기(46바이트) 이상이어야 함. 이하라면 크기를 맞추기 위해 0으로 패딩함.

 

⑤ FCS(Frame Check Sequence): 수신한 이더넷 프레임에 오류가 있는지 확인하는 필드. CRC(Cyclic Redundancy Check) 순환 중복 검사라는 오류 검출용 값이 계산되어 들어감.

 

 

4) 토큰 링

이더넷 외에 토큰과 함께 데이터를 주고받는 '토큰 링' LAN 기술이 있다.

 

 

12. NIC(Network Interface Controller)

호스트와 유무선 통신 매체를 연결하고 데이터 변환을 담당하는 네트워크 장비

호스트를 네트워크(LAN)에 연결하기 위한 하드웨어. 네트워크 인터페이스 역할.

 

1) 통신 매체에 흐르는 신호를 호스트가 이해하는 프레임으로 변환

2) 호스트가 이해하는 프레임을 통신 매체에 흐르는 신호로 변환.

 

 

13. 트위스트 페어 케이블

: 유선 통신 매체

: 구리 선으로 전기 신호를 주고받는 통신 매체. 대표적인 LAN 케이블.

ex) RJ-45

1) 구성요소: 케이블 본체, 커넥터

2) 트위스트 페어 케이블의 문제점: 구리 선에 전자적 간섭이 생길 수 있다.

3) 전자적 간섭 해결법: 구리 선 주변을 감싸서 노이즈를 줄이는 차폐 추가.

ex) 브레이드 실드, 포일 실드.

 

* 실드에 따른 트위스티드 페어 케이블의 종류

1) STP(shielded Twisted Pair) 케이블: 브레이드 실드로 구리 선을 감쌈.

2) FTP(Foil Twisted Pair) 케이블: 포일 실드로 구리 선을 감쌈.

3) UTP(Unshielded Twisted Pair) 케이블: 아무것도 안 감쌈.

XX/YTP

- XX: 케이블 외부를 감싸는 실드의 종류 명시. 1개 혹은 2개.

- Y: 꼬인 구리 선 쌍을 감싸는 실드의 종류 명시

 

ex) S/FTP 케이블: 케이블 외부는 브레이드 실드, 꼬인 구리 선 쌍은 포일 실드로 감싼 케이블.

SF/FTP 케이블: 케이블 외부는 브레이드 실드와 포일 실드로 감싸고, 꼬인 구리 선 쌍은 포일 실드로 감싼 케이블.

 

* 카테고리에 따르 트위스티드 페어 케이블의 분류

: 트위스티드 페어 케이블 성능의 등급을 구분. 높은 카테고리에 속한 케이블일수록 높은 성능임.

 

 

14. 광섬유 케이블

: 빛(광신호)을 이용해서 정보를 주고받는 케이블.

: 빛을 이용해서 전송하기 때문에 전기 신호를 이용하는 케이블에 비해 속도가 빠르고 먼 거리 전송이 가능하다.

: 노이즈로부터 간섭받는 영향이 적다.

 

1) 구성요소: 케이블 본체, 커넥터

2) 광섬유 한가닥: 코어, 코어를 감싸는 '클랜딩'.

3) 종류: 싱글 모드 광섬유 케이블(SMP: Single Mode Fiber), 멀티 모드 광섬유 케이블(MMF: Multi Mode Fiber)

 

 

15. 허브(Hub)

: 물리 계층의 네트워크 장비.

: 여러 대의 호스트를 연결하는 장치. 허브에 포트(port)가 여러개 있음.

: 전기 신호가 감소하거나 왜곡되는 것을 방지하기 위해 전기 신호를 증폭시켜 주는 '리피터' 기능을 포함하는 경우가 많다.

 

* 허브의 특징

1) 전달받은 신호를 다른 모든 포트로 그대로 보낸다.

2) 반이중 모드로 통신한다.(vs 전이중 모드)

 

* 허브의 문제점

: 동시에 허브에 신호를 송신하면 충돌(콜리전)이 발생한다.

: 허브에 호스트가 많이 연결되어 있을 수록 충돌 발생 가능성이 높다.

: 충돌이 발생할 수 있는 영역을 '콜리전 도메인' 이라고 한다.

 

* 콜리전 도메인 해결법

1) CSMA/CD 프로토콜 사용

2) 스위치 장비 사용

 

* CSMA/CD

1) CS(Carrier Sense): 캐리어 감지

2) MA(Multiple Access): 다중 접근

3) CD(Collision Detection): 충돌 검출

 

즉, 반이중 이더넷 네트워크에서 CSMA/CD 프로토콜을 사용하면

1) 메시지 전송 전에 현재 전송이 가능한 상태인지 확인

2) 다른 호스트가 전송 중이지 않을 때 메시지 전송

3) 충돌이 발생할 경우 임의의 시간만큼 대기한 후 다시 전송.

 

 

16. 스위치

: 데이터 링크 계층의 네트워크 장비

: 허브와 달리 MAC 주소를 학습해서 특정 MAC 주소를 가진 호스트에만 프레임을 전달할 수 있다.

: 전이중 모드이 통신을 지원한다.

즉, 스위치를 이용하면 포트별로 콜리전 도메인이 나뉘고, CSMA/CD 프로토콜이 필요없는 것.

 

* MAC 주소 학습

: 특정 포트와 해당 포트에 연결된 호스트의 MAC 주소와의 관계를 기억한다. MAC 주소 테이블에 !

 

1) 플러딩: 송신지 포트를 제외한 모든 포트로 프레임 전송.

2) 필터링:  전달받은 프레임을 어디로 내보내고 어디로 내보내지 않을지 결정.

3) 포워딩: 프레임이 전송될 포트에 실제로 프레임을 내보내는 것

4) 에이징: 일정 시간 동안 프레임을 전송받지 못했다면 해다 항목 삭제.

 

 

17. VLAN(Virtual LAN)

: 한 대의 스위치로 가상의 LAN을 만드는 방법.

: 스위치에 연결된 호스트 중에서도 서로 메시지를 주고받을 일이 적거나 브로드캐스트 메시지를 받을 필요가 없다면 굳이 같은 네트워크에 속할 필요가 없다. 이럴 때 논리적인 LAN 을 구성하는 것.

* 포트기반 VLAN

: 스위치의 포트가 VLAN을 결정하는 방식.

: 사전에 특정 포트에 VLAN을 할당하고 해당 포트에 호스트를 연결함.

 

* VLAN 트렁킹(VLAN Trunking)

: 두 대 이상의 VLAN 스위치를 연결해서 확장하는 방법.

: 트렁크 포트에 VLAN 스위치를 서로 연결해서  포트의 낭비를 줄인다.

 

* MAC 기반 VLAN

: MAC 주소에 따라 VLAN이 결정됨.

송수신하는 프레임 속 MAC 주소가 호스트가 속할 VLAN을 결정함.