LAN에서 사용하는 매체의 종류와 특성에 대해서 알아보고, 유선 LAN의 구조와 Ethernet에서의 변화와 고속 및 Gigabit Ethernet에 대해서 알아본다.

1. LAN에서 사용하는 매체

신호를 전달하는 물질을 매체라고 하는데, LAN에서 사용하는 매체가 무엇이 있는지 알아본다. 그리고 매체의 종류로 선으로 연결되는 유도매체와 선 없이 연결되는 비유도 매체로 나누어서 학습한다.

• LAN에서 사용하는 매체의 종류와 특성

전송 매체의 종류

• 전송 매체는 에너지를 전달하는 물질을 의미
•  

  

유도 매체 = 유도체 = 유선 = guided

꼬임선(TP; Twisted-pair cable)

• 쉴드(차폐) 유무에 따라 UTP, STP로 나뉜다.
• 쉴드는 외부로부터 잡을 막아주는 보호막

• 

1. UTP(Unshield)
   • 쉴드(차폐)X
   • 대부분의 TP케이블이 UTP에 해당
   • UTP의 성능이 많이 향상되었다.

   • 

   • UTP 카테고리: UTP 품질 기준으로 분류해놓은 것
     • CAT5 가 가장 많이 쓰임

     • 

   • TP 커넥터: 어댑터
     • RJ-45를 가장 많이 사용

     • 

2. STP(Shield)
   • 비싸다

   • 

동축 케이블(Coaxial cable)

• TP 케이블보다 높은 주파수의 신호를 전달
• 중심축에 내부 도체가 있고 이를 절연체로 둘러 싼 뒤, 여기에 외부 도체를 원통의 그물 형태로 씌우고[[1]](https://namu.wiki/w/동축 케이블#fn-1), 최종적으로 피복으로 감싼 형태의 케이블이다.
• 케이블의 굵기, 도체의 굵기, 쉴드의 특성, 전기적 특성 등등에 따라서 수도 없이 많은 종류가 있는데, 그냥 이런 구조를 가지기만 하면 모두 동축케이블이라고 부른다.
• 구리선을 쓴다고 동축이 아니다.
• 그러나 감쇄가 심해 최근 사용이 줄어드는 추세. 광케이블로 넘어가는 추세
• 안에 굵은 구리선에 하나, 밖을 감싸고 있는 구리선, 겉에 피복으로 구성됨
• e.g. VTR-비디오와 TV를 연결하는 선

• 

• 동축 케이블 커넥터
  • 동축 케이블 LAN은 거의 사용하지 않음
  • 케이블 TV에서 보통 사용.

  • 

광케이블(Fiber-optic cable)

• 위 케이블들과 다르게 전기 신호 대신 빛 신호를 전달
• 유리나 플라스틱으로 만들어짐
• 현존하는 매체 중에서 가장 고속의 광대역 전송이 가능한 매체
• 해저 케이블, 유선 통신 등 많은 영역에서 다양하게 사용
• 고속, 외부 잡음이 적음

• 

• 광케이블 커넥터
  • 3종류의 커넥터가 존재
  • SC 커넥터, ST 커넥터, MT-RJ 커넥터

  • 

비유도 매체 = 비유도체 = 무선 = unguided

• 매체: 공기
• 물리적인 도체 없이 신호를 전달하는 매체
• 공기에 주파수를 쏜다.
• 파가 존재함
• 주파수가 높을 수록 직진성이 강해진다.
• 보통 1G를 기준으로 1G보다 낮으면 라디오 웨이브, 1G보다 높으면 마이크로 웨이브
• 라디오 웨이브; 라디오파 - 다방향성이 강함
• 마이크로 웨이브;마이크로파 - 단방향성이 강함

• 

네트워크 전체에서의 LAN의 위치

• 라우터를 기점으로 외부는 WAN, 내부는 LAN이다.

LAN 프로토콜 규격

LAN은 OSI 7계층의 1,2계층에 대한 규격이다.

2. 유선 LAN: Ethernet

유선 LAN 표준에 대해 알아보며, 대표적으로 이더넷의 프레임 형태, 주소 등에 대해 살펴보고 이더넷의 발전 과정에 대해 학습한다.

Ethernet 표준 채택 역사

• Xerox사에서 1976년에 이더넷 발명
• 초기에 Digital Equipment, Intel, Xerox 3사에서 이더넷을 표준으로 제안
• 미국 표준기구인 IEEE에서 이더넷을 표준으로 지정
• 국제표준화기구인 ISO에서 이더넷을 국제표준으로 채택

LAN 프로토콜의 계층

• 공유된 매체에서 어떻게 데이터를 전송할까라는 고민에서 시작된다.
• MA - CSMA - CSMA/CD, CSMA/CA
• 매체를 여러 개의 장치가 접속하는 사용하는 프로토콜
• 이더넷은 OSI 7계층의 1,2 계층에 대한 규격이다.
• 이더넷은 LLC와 MAC으로 구성된 2개의 부계층이 존재
  • 매체가 다양한데, 다양한 매체들을 수용하도록 돕는 계층인 MAC
  • 이외에 매체에 관계없이 공통적으로 필요한 기능을 수행하는 LLC

• 

MAC 계층

• MAC 계층은 매체의 특성과 운용방식에 따라 여러 개의 프로토콜이 존재

LLC 계층

• 흐름제어, 에러제어 등 각종 제어에 대한 행위를 수행
• LLC는 모든 LAN에서 공통의 계층

IEEE 802 Working Groups

• 속도와 토폴로지에 따라서 표준을 정하는 위원회를 설립
• 위원회 이름이 프로토콜 이름으로 사용되기도 함
• 처음엔 LAN 프로토콜인 이더넷으로 시작하면서 발전을 거듭하면서 다양한 표준을 지정
• 무선랜은 802.11
• 근거리 통신 PAN(LAN아님)은 802.15 - e.g. 블루투스, ZigBee
• 이동통신 802.16, 802.20
• 이더넷을 초석으로 발전한 형태

• 

이더넷 속도 발전 과정

10배씩 빨라짐!

1. 이더넷 - 10Mbps
2. 패스트 이더넷 - 100Mbps
3. 기가비트 이더넷 - 1Gbps
4. 텐-기가비트 이더넷 - 10Gbps

이더넷 프레임(MAC 프레임)

• 이더넷 프레임은 7개의 필드로 구성
• Physical layer header = (Preamble + SFD) 를 포함시키기도 하고 안 포함하기도 함
• 왜냐하면 하드웨어가 비트 손실이 발생할까봐 임의로 끼워놓기 때문에 관점에 따라서 달라진다고 해석
• Preamble: 프레임이 곧 도착하니 준비하라는 의미
• SFD(Start frame delimiter): 프레임의 시작을 알림
• 목적지 주소
• 송신지 주소
• 길이/ 타입: 네트워크 계층의 프로토콜을 길이 또는 타입으로 명시
• 데이터: 최소 46바이트에서 최대 1500바이트에서 가능
• CRC: Cyclic Redundancy Check: 사용자가 보내는 메시지에 에러 검출 목적
• 프레임 전체 길이는 최대 1518, 최소 64바이트 (데이터 길이 + 나머지 18바이트)

• 

주소 지정

• 각 시스템은 NIC(Network Interface Card)를 갖고 있는데, LAN 카드라고도 불림
• LAN카드에는 고유주소가 설정되어 있음
• MAC 주소, Ethernet 주소, 하드웨어 주소라고 함
• IP주소와 다르게 사용자가 설정할 수 없음
• 공장에서 출하될 때 정하는 주소
• 6바이트로 이루어져 있으며 보통 16진수로 표기
• 브로드캐스트 주소는 모든 비트가 '1'인 FF-FF-FF-FF-FF-FF 로 구성
• 그 외에는 보내고자하는 주소와 받는 사람의 주소를 정확히 명시하는 유니캐스트가 있다

• 

MAC 프로토콜

• 이더넷은 1-persistent CSMA/CD 를 사용
• 데이터를 보내기 전에 Carier sense하여 충돌 감지
• 유휴라고 판단이 되면 바로 치고들어가서 쏜다.
• 여러 매체가 동시에 이렇게 결정이 될때 충돌이 발생

• 

이더넷의 형태

이더넷(10Mbps)

• 숫자 10은 속도를 의미
• base: base band 신호 방식 - 디지털 신호를 그대로 보내는 방식
  • LAN 케이블 자르면 깍두기 모양의 디지털 신호가 나온다
• 뒤에 숫자는 케이블 종류를 의미

• 

10Base-5

• 500m의 버스형 두꺼운 동축케이블
• 처음에 만들어진 이더넷
• think ethernet 또는 thinknet으로 불림
• 동축케이블을 여러 장치들이 공유매체로 사용하는 LAN
• 10Mbps의 속도, 베이스밴드 신호방식, 한 세그먼트가 500m에 달함(한 케이블의 최대길이)
• 리피터를 달면 최장 2500m까지 가능
• 거의 사용X

• 

10Base-2

• 200m의 버스형 얇은 동축 케이블
• 두 번재 개발된 이더넷
• thin ethernet/ cheapernet 이라고 불림
• 동축 케이블을 여러 장치들이 공유매체로 사용하는 LAN
• 두께가 10BASE5보다 얇음
• 10Mbps 속도, 베이스밴드 신호방식, 한 세그먼트가 185m에 달함
• 거의 사용x. 동축케이블의 문제점 때문

• 

10Base-T

• 스타형 UTP
• Twisted Pair Ethernet
• CSMA/CD 방식을 10Mpbs, Baseband, Twisted pair 방식으로 구현
• 대부분 UTP 케이블로 사용
• 허브: LAN에서 많이 사용되는 네트워크 장치
• IP 공유기가 허브에 해당. 뒷면에 RJ-45커넥터를 연결할 수 있는 구멍이 존재

• 

10Base-F

• 스타형 광케이블
• 시스템과 허브를 연결하는 케이블로서 광케이블을 이용

• 

Fast Ethernet

• 기존의 이더넷보다 10배 빠름, 100Mbps
• 기존 이더넷과 호환 가능
• 자동협상(Autonegotiation)기능으로 속도 등을 조정
• 개발된 형태는 3종류

• 

100BASE-TX

• Two-wires category 5 UTP
• TX: Two-wires 송수신이 동시에 되는 기능
• 성능이 더 좋다.

100BASE-CX

• Two-wire fiber

100BASE-T4

• Four-wires category 3UTP
• T4: 동시에 송수신을 허용하지 않음

Gigabit Ethernet

• 또 10배 빨라짐
• 1기가부터는 광케이블을 훨씬 많이 사용함
• 속도가 1Gbps로 상향되었으나 기존 이더넷이나 고속 이더넷과 서로 호환 가능
  • 48비트 주소, 프레임 형태, 최소/최대 프레임 크기, 자동협상 기능 등을 지원
• 광섬유나 TP를 이용한 개발된 형태를 갖고 있음
  • SX, LX, CX 모두 광케이블
  • Twisted wire를 사용할 수는 있음. 동시에 주고 받을 순 없다.
• 속도만 계속 빨라지고 CSMA/CD프로토콜은 전혀 바뀌지 않음

• 

Ten-Gigabit Ethernet

• 프로토콜 그대로 사용하고 10배 빨라짐
• 기존 이더넷, 고속 이더넷, 기가비트 이더넷과 서로 호환되도록 설계
  • 48비트 주소, 프레임 형태, 최소/최대 프레임 크기, 자동협상 기능 등을 지원

스위칭의 필요성과 종류에 대해서 살펴보고, 공유 매체 환경에서 가능한 프로토콜에 대해 살펴본다.

스위칭 방법과 종류

스위칭이 필요성과 스위칭 방식인 회선교환, 메시지교환, 패킷교환 등 3가지에 대해 알아보며, 또한 패킷 교환 방식에서 데이터그램방식과 가상회선 방식에 대해서 알아보고 마지막으로 MPLS에 대해 학습한다.

• 스위칭의 필요성과 종류
• 공유 매체 환경에서 가능한 프로토콜

스위치의 필요성

• 모든 장치간에 링크로 연결시키면 비용이 커진다.(링크도 돈이다)
• 링크의 대다수는 유휴시간이 많아 효율이 저하

• 

• 문제점을 해결하기 위해 여러 장치들을 스위치에 연결되도록 구성
• 스위치는 ⭐필요할 때마다 두 개의 장치를 연결-효율적으로 데이터 전송하기 위함
• 스위치들이 연결되어 큰 규모의 네트워크를 만들 수 있음

• 

스위칭 방식

1. 회선교환
   • 회선 = 어렵게 생각말고 선이라고 생각
   • 두 장치 사이에 물리적인(논리적인) 선을 연결하는 방식
   • 송신자와 수신자간에 여러 장치를 거쳐가는 선이 있는데, 두 사람에게 ⭐전용 선을 할당하는 것
     • 다른 사람은 이 선을 사용 못 한다.
     • 회선이 설정되어 통신이 완료될 때까지 회선을 물리적으로 접속
   • 전화망(PSTN; Public Switched Telephone Network)이 이 방식을 사용
   • 회선 연결 시 , 데이터를 주고 받는 동안 계속 유지 즉, 자원이 연결되어 있는 동안 계속 점유
   • 고정된 대역폭으로 데이터 전송
   • 데이터 전송 전에 미리 연결된 물리적 통신 회선을 통해 데이터가 순서적으로 전달되므로 수신 노드에서 패킷을 재순서화 하는 과정이 필요없다.
   • 두 장치 사이에 고정된 속도를 가짐
   • 연결을 설정하는데 시간이 소요되며, 이후에는 지연시간이 없음
   • 데이터 전송이 많은 경우 유용
   • 실시간 대화용에 적합

   • 

2. 메시지교환
   • 회선교환은 데이터 보내지도 않는 동안에 대해서도 비용이 발생하는 문제가 발생
   • 다른 사람에게 그 선을 공유하기 위해서 나온 것
   • 물론 보내는 동안에는 다른 사람이 사용하지 못 함. 돌려가면서 쓸 수 있다.
   • ⭐Store and forward
     • 전달할 메시지 전체를 한번에 인접 노드로 모두 전달
     • 메시지를 수신하면 다음 노드로 메시지를 전달

     • 

     • 중간 노드들이 모두 이 데이터를 저장해야해서 메모리 비용이 매우 큰 문제 발생
3. 패킷교환
   • ⭐통신 장치가 저장할 수 있는 크기로 잘라서 보내자
   • 자른 단위를 패킷이라 한다.
   • 패킷의 순서를 담은 정보를 헤더라 한다.

   • 

   • 패킷을 보내는 동안에 점유된 선에서는 다른 패킷은 보내지 못한다.
   • 다른 컴퓨터가 보내는 패킷이 점유할 수 있다.
   • 패킷은 장애 발생 시의 재전송을 위해 패킷 교환기에 일시 저장되었다가 곧 전송되며 전송이 끝난 후 폐기된다.
     • (축적 교환이 가능하다)
   • 패킷 교환 망은 OSI 참조 모델의 네트워크 계층에 해당한다.
   • 패킷망 상호 간의 접속을 위한 프로토콜은 X.75이다.
   • 군집성 있는(bursty) 트래픽 전송에 적합.
     • 음성 전송보다 데이터 전송에 더 적합하다.
   • 두 장치가 하나의 전송속도를 갖지 않음 즉, 우선순위가 적용됨
   • 회선교환방식은 링크에 문제가 발생하면 중간에 다른 링크를 선택할 수 없음

패킷 교환 방식은 접속 방식에 따라서 데이터 그램 방식과 가상회선 방식으로 구분된다.

1. 데이터그램
   • 사용자 메시지를 잘라서 목적지만 정해놓고 보내는 것
   • 네트워크 비연결형(데이터그램) 패킷 스위치
   • 연결설정과정이 없음
   • 각 패킷이 서로 독립적으로 처리되며, 목적지에 순서와 상관없이 도착
   • 통상적으로 양단간에 요청-응답의 형태를 가짐
   • 항상 같은 경로로 전송하지 않음
   • 네트워크 전체를 항상 효율적으로 사용할 수 있다.
   • 어딘가에서는 순서제어 기능을 해줘야 함
2. 가상회선
   • 개념적으로 회선교환과 비슷
   • 연결을 설정해서 두 사람만 쓰는 것
   • 가상으로 전용 회선을 설정해서 패킷을 전송한다.
   • 경로가 정해져있기 때문에, 스위칭 속도가 빠르다.
   • 순서대로 패킷이 들어온다.

   • 

   • 레이블로 회선을 설정한다. 레이블이 붙은 순서들의 나열로 메시지를 보낸다.

   • 

MPLS

• Multi-Protocol Label Switching의 약자
• 데이터그램을 가상회선 방식으로 바꿔 사용하는 것
• 데이터그램에서 라우팅하는데 매번 시간이 소요되기 때문에 즉, 속도문제!
• 라우터 및 스위치처럼 작동이 가능함
• 라우터처럼 동작할 경우, MPLS는 대상 주소를 기반으로 패킷을 전달
• 스위치처럼 동작할 경우, Lable을 기반으로 패킷을 전달
• 속도를 개선하기 위해서 MPLS를 많이 사용하고 있다.

• 

다중접속 프로토콜

다중접속 프로토콜이 무엇인지 알아보며, 다중접속의 3가지 기법인 무작위 접근(동등경쟁), 통제된 접근(우선순위), 채널화(공유)에 대해서 학습한다.

다중접속

링크(매체)를 여러 장치들이 공유(접근)하는 환경에서 전송을 시도하는 경우를 의미

여러 개의 컴퓨터들이 매체에 접근하는데 관련된 문제

• 일반적으로 데이터링크 계층에서 수행
• 데이터링크 계층에서 접근제어 기능을 가짐
• 두 개의 부계층이 존재
  • 상위 부계층은 데이터 링크를 제어 (LLC 계층)
  • 하위 부계층은 공유 매체의 접근 문제를 해결(MAC 계층)

  • 

다중접속 프로토콜

다중접속에 관련한 문제를 해결하는 규칙

1. 무작위 접근(Random access) protocols

• 서로 대등한 관계의 통신
• 한 시스템이 다른 시스템을 통제하지 않음
• 임의의 시스템이 전송을 위해 시간을 정하지 않음 -> 무작위 접근
• 어떤 시스템이 전송할 차례인지 정하는 규칙이 없음 -> 경쟁
• 여러 시스템이 전송하면 충돌이 가능하며, 해당 프레임은 손상되어 재사용 불가능

• 

1. ALOHA
   • 최초의 라디오 패킷(Radio Packet) 통신 방식을 적용한 컴퓨터 네트워크 시스템
   • 하와이 대학교에서 개발
   • 무선 LAN으로서 9600bps 속도로 동작
   • 각 시스템은 기지국으로 데이터 전송
   • MA(Multiple Access)에 해당
   • 기지국은 수신된 프레임을 목적지로 전달
   • 송신 시스템은 ACK를 기다림
   • 수많은 충돌 발생. ACK기다리다 허송세월

   • 

2. CSMA(Carrier Sense Multiple Access)
   • 각 시스템은 데이터를 전송하기 전에 매체를 우선적으로 검사
   • "sense before transmit", "listen before talk"

   • 

   • 전파지연시간으로 인해 여전히 충돌 가능성이 존재
   • 데이터를 전송한 짧은 순간에 상대방이 캐리어 센스를 했는데 아무도 안 보냈을 수도 있고
   • 동시에 보내는 상황이 발생할 수 있다.
3. CSMA/CD
   • CSMA에 Collision Detection 기능을 수행하는 것
   • 자유 경쟁으로 채널 사용권을 확보하는 방법으로 노드 간의 충돌을 허용하는 네트워크 접근 방법
   • 데이터를 전송한 시스템은 전송의 성공여부를 계속 감시
   • 충돌이 감지(collision detection)되면 즉시 전송 중지
   • 충돌이 발생하면 지금 보내봤자 이후 데이터는 모두 깨진다고 판단

   • 

4. CSMA/CA
   • 무선 네트워크에선 CD방식을 사용하기 어려움
   • 선이 없다보니까 충돌난 신호가 감쇠가 심하게 발생하면 감지하기 어려워짐
   • 아예 충돌을 회피해보자라는 철학이 CA
   • 무선 랜에서 데이터 전송 시, 매체가 비어 있음을 확인한 뒤 충돌을 회피하기 위해 임의의 시간을 기다린 후 데이터를 전송하는 방법
   • 네트워크에 데이터 전송이 없는 경우라도 동시 전송에 의한 충돌에 대비하여 확인 신호를 전송한다.
   • 충돌을 피하기 위해 CSMA/CA 에서는 3가지 기법 사용(기다리는 시간 설정 방식에 따른 구분지을 수 있음)
     1. IFS(InterFrame Space)
        • 채널이 빈 경우라도 바로 보내지 않고 잠시 기다려 충돌을 회피
     2. 충돌 윈도우(Contention window)
        • 전송 준비 완료 시 임의의 수를 선택하여 시간만큼 기다림
        • A random number of slots
     3. ACK(Acknowledgments)
        • ACK는 데이터를 수신한 시스템이 보내는 응답을 의미
        • ACK가 없는 경우 송신 시스템은 데이터가 유실되었다고 판단

   • 

2. Controlled-access protocols

• 누군가 제어한다.
• 하나의 시스템이 제어국이 되어 다른 시스템들의 전송권한을 제어
• 동시에 둘 이상의 시스템이 전송을 못하게 함으로써 충돌제어
• 시스템들은 자신의 순서가 돌아오기 전까지는 전송 불가능

1. 예약(Reservation)
   • 시스템은 데이터를 송신하기 전에 예약 필요
   • N개의 시스템은 N개으 예약된 mini slot이 예약 프레임 내부에 존재
   • 예약된 시스템은 데이터프레임을 예약 프레임 뒤에 전송
2. 폴링(Polling)
   • "너 데이터 보낼거 있냐" 라고 중앙에서 통제해서 물어보는 것
   • 제어 시스템과 송수신 시스템으로 구성
   • 송신 시 제어 시스템에게 알림, 수신 시 제어시스템에게 문의
   • 하나의 통신회선(통상 하나의 출력회선)을 공유하고 있는 장치들이,
   • 전송할 데이타를 갖고 있는지 여부를 확인하기 위하여,
   • 중앙 제어기가 순차적 또는 주기적으로 점검하는 일종의 다중 접근 제어 방식
   • ※ 영어 뜻으로는, 투표,여론조사 등을 의미
   • 기지국이 각 이동국에 송신요구의 유무를 순차적으로 찾아서,
     • 송신 요구가 있는 이동국에 한해 송신을 허락하는 다중 접속 방식
3. Token passing
   • 토큰을 가진 시스템이 데이터를 송신할 권한을 가짐

3. Channelization protocols(다중화 프로토콜)

• 선을 논리적인 길로 나눠 사용하는 것
• 링크를 시간, 주파수, 코드로 나누어서 여러 개의 채널을 만들고 이들을 서로 다른 시스템들이 이용하는 방법

1. FDMA
   • 주파수 분할 다중접속
   • 사용 가능한 대역폭은 모든 시스템이 공유
   • 각 시스템은 할당된 대역을 이용하여 데이터 전송
   • 각 대역은 특정 시스템을 위해 예약 됨
2. TDMA
   • 시간 분할 다중접속
   • 단일 주파수 대역을 사용
   • 주파수를 시간 간격으로 분할하여 모든 시스템이 동시에 데이터 전송
3. CDMA
   • 코드 분할 다중접속
   • 주파수나 시간을 모두 공유하면서 각 데이터에 특별한 코드를 부여하는 방식
   • 링크가 전체 대역폭을 하나의 채널에서 공유
   • 모든 시스템은 시분할 없이 동시에 데이터 송신 가능
   • 시스템의 포화 상태로 인한 통화 단절 및 혼선이 적다
   • 실내 또는 실외에서 넓은 서비스 권역을 제공한다.
   • 배경 잡음을 방지하고 감쇄시킴으로써 우수한 통화 품질을 제공한다.