[CS] 물리 계층과 데이터 링크 계층

TCP /IP 4계층의 링크계층을 OSI 7계층에서 보면 물리 계층과 데이터 링크 계층으로 나뉜다

 

물리 계층은 무선 LAN과 유선 LAN을 통해 0과 1로 이루어진 데이터를 보내는 계층이다

 

데이터 링크 계층은 이더넷 프레임을 통해 에러 확인, 흐름제어, 접금제어를 담당하는 계층이다

 

1. 유선 LAN (IEEE 802.3)

유선 LAN을 이루는 이더넷은 IEEE802.3 이라는 프로토콜을 따르며

전이중화 통신을 사용한다

 

전이중화 통신(full duplex)

전이중화 통신은 양쪽 장치가 동시에 송수신할 수 있는 방식이다

이는 송신로와 수신로로 나눠서 데이터를 주고받으며

현대의 고속 이더넷은 이 방식을 기반으로 통신한다

 

CSMA / CD (Carrier SenseMultiple Access with Collision Detection)

이전에는 유선 LAN에 반이중화 통신중 하나인 CSMA / CD 방식을 사용했다

이 방식은 데이터를 ‘보낸 이후’ 충돌이 발생한다면 일정 시간 이후 재전송하는 방식을 말한다

이는 수신로와 송신로를 각각 둔 것이 아니고 한 경로를 기반으로 데이터를 보내기 때문에

데이터를 보낼 때 충돌에 대해 대비해야 했기 때문이다

 

유선 LAN을 이루는 케이블

유선 LAN을 이루는 케이블로는 TP 케이블이라고 하는 트위스트 페어 케이블과 광섬유 케이블이 대표적이다

 

트위스트 페어 케이블(twisted pair cable)

트위스트 페어 케이블은 하나의 케이블처럼 보이지만

실제로는 여덟 개의 구리선을 두 개씩 꼬아서 묶은 케이블을 지칭한다

 

 

케이블은 구리선을 실드 처리하지 않고 덮은 UTP 케이블과 실드 처리하고 덮은 STP로 나눠진다

 

여기서 우리가 많이 볼 수 있는 케이블은 UTP 케이블로 흔히 LAN 케이블이라고 한다

 

참고로 이 LAN 케이블을 꽂을 수 있는 커넥터를 RJ-45 커넥터라 한다

 

 

광섬유 케이블

광섬유 케이블은 광섬유로 만든 케이블이다

 

레이저를 이용해서 통신하기 때문에 구리선과는 비교할 수 없을 만큼의 장거리 및 고속 통신이 가능하다

 

보통 100Gbps의 데이터를 전송한다

 

아래 그림처럼 광섬유 내부와 외부를 다른 밀도를 가지는 유리나 플라스틱 섬유로 제작해서

한 번 들어간 빛이 내부에서 계속적으로 반사하며 전진하여 반대편 끝까지 가는 원리를 이용한 것이다

 

참고로 빛의 굴절률이 높은 부분을 코어(core)라고 하며 낮은 부분을 클래딩(cladding)이라고 한다

 

 

2. 무선 LAN(IEEE 802.11)

무선 LAN 장치는 수신과 송신에 같은 채널을 사용하기 때문에

반 이중화 통신을 사용한다

 

반이중화 통신(half duplex)

반이중화 통신은 양쪽 장치는 서로 통신할 수 있지만

동시에는 통신할 수 없으며 한 번에 한 방향만 통신할 수 있는 방식을 말한다

 

일반적으로 장치가 신호를 수신하기 시작하면 응답하기 전에 전송이 완료될 때까지 기다려야 한다

 

또한, 둘 이상의 장치가 동시에 전송하면 충돌이 발생하여

메시지가 손실되거나 왜곡될 수 있기 때문에 충돌 방지 시스템이 필요하다

 

 

CSMA / CA (Carrier SenseMultiple Access with Collision Avoidance)

반이중화 통신 중 하나로 장치에서 데이터를 보내기 전에 캐리어 감지 등으로

사전에 가능한 한 충돌을 방지하는 방식을 사용하며 과정은 다음과 같이 이루어진다

 

1) 데이터를 송신하기 전에 무선 매체를 살핀다

2) 캐리어 감지: 회선이 비어 있는지를 판단한다

3) IFS(Inter FrameSpace): 랜덤 값을 기반으로 정해진 시간만큼 기다리며, 만약 무선 매체가 사용 중이면

점차 그 간격을 늘려가며 기다린다

4) 이후에 데이터를 송신한다

 

참고로 이와 반대되는 전이중화 통신은 양방향 통신이 가능하므로 충돌 가능성이 없기 때문에

충돌을 감지하거나 방지하는 메커니즘이 필요하지 않다

 

무선 LAN을 이루는 주파수

무선 LAN(WLAN, Wireless Local Area Network)은 무선 신호 전달 방식을 이용하여
2대 이상의 장치를 연결하는 기술이다

 

비유도 매체인 공기에 주파수를 쏘아 무선 통신망을 구축한다

 

주파수 대역은 2.4GHz 대역 또는 5GHz 대역 중 하나를 써서 구축한다

 

2.4GHz는 장애물에 강한 특성을 가지고 있지만 전자레인지, 무선 등 전파 간섭이 일어나는 경우가 많다

 

5GHz 대역은 사용할 수 있는 채널 수도 많고 동시에 사용할 수 있기 때문에

상대적으로 깨끗한 전파 환경을 구축할 수 있다

 

그렇기 때문에 보통은 5GHz 대역을 사용하는 것이 좋다

 

와이파이(wifi)

와이파이는 전자기기들이 무선 LAN 신호에 연결할 수 있게 하는 기술이다

 

이를 사용하려면 무선 접속 장치(AP, Access Point)가 있어야 한다

 

흔히 이를 공유기라고 하며, 이를 통해 유선 LAN에 흐르는 신호를 무선 LAN 신호로 바꿔주어

신호가 닿는 범위 내에서 무선 인터넷을 사용할 수 있게 된다

 

참고로 무선 LAN을 이용한 기술로는 와이파이만 있는 것이 아니고 지그비, 블루투스 등이 있다

 

BSS(Basic Service Set)

BSS는 기본 서비스 집합을 의미한다

 

단순 공유기를 통해 네트워크에 접속하는 것이 아닌 동일 BSS 내에 있는 AP들과 장치들이

서로 통신이 가능한 구조를 말한다

 

근거리 무선 통신을 제공하고, 하나의 AP만을 기반으로 구축이 되어 있어

사용자가 한 곳에서 다른 곳으로 자유롭게 이동하며 네트워크에 접속하는 것은 불가능한다

 

ESS(Extended Service Set)

ESS는 하나 이상의 연결된 BSS 그룹이다

 

장거리 무선 통신을 제공하며 BSS보다 더 많은 가용성과 이동성을 지원한다

 

즉, 사용자는 한 장소에서 다른 장소로 이동하며 중단 없이 네트워크에 계속 연결할 수 있다

 

 

이더넷 프레임

참고로 데이터 링크 계층은 이더넷 프레임을 통해 전달받은 데이터의 에러를 검출하고 캡슐화하며

아래와 같은 구조를 가진다

 

 

Preamble

이더넷 프레임이 시작임을 알린다

 

SFD(Start Frame Delimiter)

다음 바이트부터 MAC 주소 필드가 시작됨을 알린다

 

DMAC, SMAC

수신, 송신 MAC 주소를 말한다

 

EtherType

데이터 계층 위의 계층인 IP 프로토콜을 정의한다

예를 들어 IPv4 또는 IPv6가 된다

 

Payload

전달받은 데이터

 

CRC

에러 확인 비트

 

MAC 주소

컴퓨터나 노트북 등 각 장치에는 네트워크에 연결하기 위한 장치(LAN 카드)가 있는데

이를 구별하기 위한 식별번호를 말한다

6바이트(48비트)로 구성된다