남궁찬

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네트워크(2)-신호의 전송과 충돌

업데이트:

책 <하루 3분 네트워크 교실 >, 아미노 에이지 을 읽고 정리한 내용입니다

1. 네트워크 기초 지식에서는 네트워크 구축과 순서, 단계를 다루고 있습니다

이번 포스팅은 OSI 참조 모델의 1계층(물리계층)과 2계층(데이터링크계층)에 대해서 다뤄봅니다.

물리 계층은 케이블이 연결되어 있는 기기에 신호를 전달하는 역할을 하고,

물리 상위 계층은 데이터 전달 전후 작업을 담당한다.

그 중 데이터링크 계층은 신호가 닿는 범위에서의 데이터 전송에 관한 규정을 담당한다.

물리 계층의 역할 :one:

osi physical layer에 대한 이미지 검색결과

전기, 기계적인 전송

물리 계층은 전기, 기계적인 전송을 수행한다.

즉, 통신 매체에 데이터를 보내는 것과 그 데이터가 지나는 것에 대한 순서와 규칙이다.

통신 매체(케이블)에 대한 규칙도 물리계층에서 정해져 있다.

케이블이 연결되어 있는 기기에 신호를 전달하는 역할

통신 매체

신호가 지나는 ‘파이프’ 역할을 하는 것, 무선과 유선이 있다.

유선 케이블에는 전기신호를 사용하는 동선과 광신호를 사용하는 광파이버가 있다.

  • LAN에서는 주로 동선케이블인 UTP를 사용한다.

인터페이스는 LAN용 케이블을 연결하는 NIC(Network Interface Card)와 WAN에서는 DCE(Data Circuit terminating Equipment, 회선종단기기)를 사용한다.

신호와 충돌

신호

인터페이스는 비트를 신호로, 신호를 비트로 변환하는 기기

신호에는 아날로그 신호와 디지털 신호가 있다. 데이터 통신에서는 일반적으로 디지털 신호가 사용된다.

이 신호의 형태에 따라 통신속도가 결정된다. 통신속도는 단위시간 동안 전송되는 비트 수로, 일반적으로 bps(bit per second) 단위를 사용한다.

  • 1초에 신호가 2번이라면 2비트를 표현할 수 있다.
  • 1신호에 2비트를 표현(00, 01, 10, 11) 할 수 있다.
  • 통신속도 = 1초간의 신호의 횟수 * 1신호에서의 비트 수

신호에 발생하는 문제

감쇠

  • 긴 케이블을 지나는 동안 신호가 약해진다.
  • 리피터로 해결 가능

노이즈, 간섭

  • 신호의 형태가 왜곡되는 경우 신호의 진폭을 정확히 읽을 수 없다.
  • 실드 케이블을 통해 해결 가능
  • 광파이버는 노이즈, 간섭을 받지 않는다.

충돌

  • 멀티액세스 네트워크에서 발생
  • 신호가 보내지는 중에 다른 신호를 보내는 경우 발생한다.
  • 데이터링크 계층에서 해결 가능

허브 :herb:

허브에 케이블로 연결되어 있는 기기는 동일 케이블에 연결되어 있는 것과 같은 취급을 받는다.

허브의 기능

  1. 신호의 증폭과 재생

    감쇄에 의해 붕괴된 신호를 본래의 형태로 증폭,재생한다.

  2. 네트워크 구축

    복수의 기기를 연결해서 네트워크를 구축한다.

    허브에 연결되어 있는 기기간 신호를 주고받을 수 있다.

허브간 접속을 통해 신호의 도달 범위를 늘릴 수 있다.

충돌 도메인

허브는 수신한 신호에 대해 증폭 외에 어떠한 제어도 하지 않는다.

허브는 수신한 포트 이외의 모든 포트에 수신한 신호를 송신한다.(플러딩)

따라서, 허브에 연결된 기기가 신호를 보내면 충돌이 일어날 수 있다.

  • 허브로 연결되어 있는 컴퓨터는 같은 충돌 도메인에 있다.
  • 충돌 도메인은 작아야 한다.

관련 이미지

데이터링크 계층의 역할 :two:

개요

충돌을 막기 위해 신호의 송신 전이나 수신 후에 바르게 데이터를 송수신하는 순서가 필요하다.

데이터링크 계층은 신호가 닿는 범위에서의 데이터 전송에 관한 규정을 생각한다.

즉. 세그먼트 범위에서의 데이터 전송에 관한 규정

  • 세그먼트 범위 밖에서는 상위 계층에서 관리한다.

프레이밍과 신호의 동기

1계층에서 다루는 신호와 케이블 등에 따라 2계층의 규격이 달라지게 된다.

  • LAN용 / WAN 용
  • 전송 계층 이상의 계층에서는 LAN과 WAN이 동일한 규칙을 사용한다.
  • LAN의 사실표준은 이더넷

프레이밍

  • 송수신되는 비트열에 의미를 주어 데이터로 취급할 수 있게 한다.
  • 프리앰블 : “이제 프레임 시작이야”
  • 비트를 읽는 타이밍을 맞추기 위함
    • 동기 통신 : 타이밍을 맞추는 신호를 보낸다.
    • 비동기 통신 : 프리앰블을 이용한다.

데이터링크 계층 주소와 이더넷

주소와 캐스트

주소는 데이터를 보내는 상대와 자신을 특정하는 데이터를 말한다.

이 주소를 어떻게 배정할지를 정하는 것을 어드레싱이라고 한다.

주소의 종류

  • 유니캐스트
  • 브로드캐스트
  • 멀티캐스트

unicast multicast broadcast에 대한 이미지 검색결과

MAC주소

각각의 주소는 적어도 하나의 유니캐스트 주소를 가진다.

  • 라우터는 복수의 인터페이스 가진다. 인터페이스마다 유니캐스트 주소 갖는다.
  • 유니캐스트 주소는 유일해야 한다.

이더넷에서는 MAC주소를 사용한다.

  • MAC주소는 인터페이스에 지정된 고유 주소!
  • 16진수 12자리로 표기

MAC-48 Address.svg

이더넷

이더넷 프레임

이더넷에서 사용하는 데이터링크 계층 PDU

ethernet frame에 대한 이미지 검색결과

이더넷 헤더

  • 수신처 MAC, 송신처 MAC, 페이로드 타입

이더넷 트레일러

  • FCS
    • 통신 도중에는 에러를 고칠 수 없다.
    • FCS를 통해 에러가 있었던 프레임은 파기
    • 파기 여부를 송신측에 알리지 않는다.

이더넷 동작

허브를 이용한 멀티액세스 네트워크의 경우 신호는 모든 기기에 도달한다.

이더넷에서는 수신한 프레임의 수신처MAC 주소를 보고 자신에게 온 것외의 다른 프레임을 파기

멀티캐스트의 경우 자신의 주소 그룹의 일원이 아니면 파기, 브로드캐스트는 반드시 수신한다.

충돌 관리

이더넷은 CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Colision Detection) 라는 액세스 제어를 시행한다.

  • 충돌 회피
  • CS : 누군가 송신중이라면 송신하지 않는다
  • MA : 아무도 송신하지 않으면 송신할 수 있다
  • CD : 송신 후 충돌이 일어나면 다시 재수행

CSMA CD에 대한 이미지 검색결과

스위치

허브와 스위치

충돌 도메인 내 컴퓨터의 수가 많으면 충돌 가능성이 증가해 효율이 나빠진다.

충돌은 허브에서 발생한다.

  • 케이블에서는 송신신호와 수신신호가 나뉘어 있다. 충돌 발생하지 않음

스위치는 다음을 이용해 허브를 대신해 충돌을 막는다.

  • MAC 주소 필터링
  • 버퍼링

MAC 주소 필터링

학습

  • 수신한 프레임의 송신처 MAC 주소를 기록한다.
  • 스위치에서 수신한 포트와 MAC주소를 연관시킨다.
  • 어드레스 테이블에 기록

스위칭

  • 프레임의 수신처 MAC주소를 보고 해당 MAC 주소가 있는 포트만 프레임을 송신
  • 수신처가 다른 프레임이 동시에 스위치에 도달해도 충돌 발생하지 않는다.

학습 전의 MAC주소 수신의 프레임을 수신한 경우, 멀티캐스트, 브로드캐스트 프레임 수신한 경우는 플러딩한다.

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참고

Dremel 논문

September 16 2024

Dremel: Interactive Analysis of Web-Scale Datasets