[네트워크] 이더넷 (Ethernet)

1     이더넷 (Ethernet)

1.1    이더넷 (Ethernet)

-      CSMA/CD 방식의 LAN을 지칭하는 용어이다.

-      1973년 제록스 사에서 최초 Ethernet이 발표된 이후, 지속적인 발전을 거듭하며 LAN의 국제표준규격인 IEEE 802.3의 기초가 되었다.

-      현재 가장 널리 사용되고 있으며, 토큰 링, FDDI 등의 다른 표준을 대부분 대체했다.

-      Ethernet은 네트워크에 연결된 각 기기들이 48비트 길이의 고유의 MAC 주소를 가지고 이 주소를 이용해 상호 간에 데이터를 주고받을 수 있도록 만들어졌다.

-      전송 매체로는 BNC 케이블 또는 UTP, STP 케이블을 사용하며, 각 기기를 상호 연결시키는 데에는 허브, 스위치, 리피터 등의 장치를 이용한다.

1.2    CSMA (Carrier Sense Multiple Access)

-      데이터 전송을 원하는 스테이션으로 전송 채널을 살펴서 사용 중인가의 여부를 검사한다.

   s   전송 채널(미디어)이 사용 중이 아니면(idle 상태) 전송을 시도한다.

   s   전송 채널(미디어)이 사용 중이면(busy 상태) 얼마 동안 기다렸다가 다시 전송을 시도한다.

-      데이터 패킷을 전송한 후에는 ACK 전송을 위해서 필요한 시간간격 동안 기다린다.

   s   시간 간격은 최대 왕복전파지연과 수신 스테이션이 ACK [1]을 전송하기 위해 채널을 액세스 하는 시간을 고려한다.

   s   전파 지연시간 내에 두 개 이상의 스테이션들이 동시에 전송을 개시하는 경우, 전송 패킷간의 충돌(Collision)이 발생한다는 점이 CSMA 방식의 단점이다.

1.3    CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection)

-      Ethernet의 전송 프로토콜로서 IEEE 802.3 표준에 규격화되어 있다.

-      CSMA 프로토콜을 발전시킨 것으로 데이터를 전송하고 싶은 노드가 케이블의 통신 상황을 감시하여 케이블이 열리면 송신을 개시하는 임의의 다중 접속 프로토콜이다.

-      CSMA/CD는 Half-duplex[2]에서 동작하는 링크에서 Ethernet이 Frame을 전송하는 절차이다

1.3.1     Ethernet이 Frame을 전송하는 과정

1)      호스트가 Frame을 전송하기 전에 네트워크 상에 다른 Frame이 전송되는지 확인한다.

Carrier Sense ( 네트워크 신호가 있는지 감지 )

2)      Ethernet에 연결된 장비들은 네트워크 상에 Frame의 흐름이 없을 때 서로 동시에 Frame을 전송할 수 있다.

Multiple Access ( 다중 접근 )

3)      Ethernet은 복수의 장비가 동시에 Frame을 전송할 수 있고, 이 경우 충돌이 일어날 수 있기 때문에 전송 후 충돌 발생 여부를 확인한다.

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Collision Detection ( 충돌 감지 )

4)      충돌이 발생하면 Frame을 전송한 장비들은 서로 랜덤 한 시간을 대기했다가 다시 재전송한다.

5)      Half-duplex 네트워크에서는 데이터 전송 량이 많을 때 Frame 충돌이 많이 발생한다.

6)      Ethernet 장비들은 충돌 발생 시 최대 15회까지 재전송을 시도하고, 그래도 실패한다면 Frame 전송을 포기한다.

 

1.3.2     CSMA/CD의 동작절차 예시

1)      네트워크 상에서는 아무런 통신이 일어나고 있지 않다.

 

2)      A가 이를 눈치채고 재빨리 C에게 보낼 데이터를 네트워크 상에 실어 보낸다.

 

3)      이 때, B도 네트워크가 비어있다는 것을 눈치채고 D에 보낼 데이터를 A와 동시에 네트워크에 실었다. 이 경우 충돌, 즉 콜리전이 발생하게 된다.

 

4)      콜리전이 발생하면 A와 B는 콜리전이 발생한 것을 감지하고 랜덤 한 시간 동안 기다린 후 다시 통신을 시도한다.

 

1.4    이더넷(Ethernet) Frame 구조

이더넷 프레임 구조

-      Preamble

   s   Frame 전송의 시작을 나타내는 필드로 10101010이 반복되는 7byte 길이의 필드이다.

   s   수신 시스템에게 Frame이 도착하는 것을 알리고, 0과 1을 제대로 구분할 수 있게 동기신호를 제공하는 역할을 한다.

-      시작 프레임 지시기: SFD(SOF)

   s   정상적인 Frame의 시작을 표시(10101011)하는 프레임 동기이다.

   s   마지막 두 비트는 11이며 수신자에게 이다음 필드가 목적지 주소임을 알려준다.

-      목적지 주소: Destination MAC Address

   s   Frame이 전송되어야 수신지의 MAC 주소이다.

-      발신지 주소: Source MAC Address

   s   Frame을 전송하는 호스트의 MAC 주소이다.

-      타입/길이: Type/Length

   s   상위 계층 프로토콜(Network Layer: IPv4, IPv6, IPX, AppleTalk), 데이터 필드의 길이나 MAC 클라이언트 프로토콜의 종류를 표시한다.

   s   필드의 값이 1518보다 작으면 길이 필드이고, 뒤에 따라오는 데이터 필드의 길이를 정의한다. 반면에 값이 1536보다 크면 프레임 안에 캡슐화되어 있는 PDU [3] 패킷의 종류를 정의한다.

-      Data

   s   상위 계층의 프로토콜로부터 캡슐화된 데이터가 들어있다.

   s   데이터 필드는 최소 46~1500byte의 크기를 가지고 있다.

-      FCS(CRC): Frame Check Sequence

   s   Frame의 오류를 체크한다.

   s   전송되는 Ethernet Frame의 목적지 MAC 주소부터 데이터 필드까지 에러 발생 여부를 확인하기 위한 필드이다.

 

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[1] Acknowledge: 응답 문자.응답을 보내기 위한 통신 프로토콜의 일부로서 통신 프로세서나 컴퓨터 사이를 지나가는 신호

[2] Half-duplex: 한쪽이 송신하는 동안 다른 쪽에서 수신하는 통신 방식

[3] Protocol Data Unit: 데이터 통신에서 상위 계층이 전달한 데이터에 붙는 제어정보