Chapter 3. Ethernet & Network Equipment

Chapter 3. Ethernet & Network Equipment
1. Ethernet

 - LAN을 위해 개발된 Network 방식
 - IEEE기준을 따른다.
 - CSMA/CD Protocol을 사용해 통신한다.

 - Half Duplex 방식을 사용한다.
 - IEEE

  ‧ CSMA/CD 방식에 의한 Access 방법과 물리층의 사양을 규정한 LAN의 국제적인 표준 규격
  ‧ OSI Layers의 L1(Layer 1)를 물리계층이라고 하는데 물리 계층에 연결되는 장치들의 물리적 전송 매체와 연결부위를 정의했다.
  ‧ Data Link 계층(Layer 2)과 연결하는 방법을 정의했다.
  ‧ 서로 다른 계층으로 Data를 전송하기 위하여 Data Encapsulation을 정의했다.
    ※ Encapsulation : Computer 통신에서, 상위 계층의 통신 규약 정보를 하위 영역에 내장시켜 전송하는 기술

        간단하게 말해 계층을 지날 때마다 Datagram에 Data가 추가되는 것을 말한다.

​    ※ Decapsulation : Capsulation된 Datagram이 각 계층을 지날 때 해당 계층의 Header와 같은 Data를 떼어네 지는 기술

        해당 Encapsulation된 Datagram의 Data(Ex. MAC Address) 내용과 장비의 Data(Ex. MAC Address)와 일치 시 실행된다.
  ‧ IEEE Ethernet의 OSI 7 Layer의 Data link 계층(L2:Layer 2)
  ◦ MAC(Media Access Control) Sublayer : 물리적 계층으로부터 Frame을 전송받는다.
  ◦ LLC(Logical Link Control) Sublayer : 다른 Protocol형을 논리적 주소형으로 식별해 Encapsulation하고 상위 계층으로 전송한다.

 - Frame Type

  ‧ Ethernet II Frame

  ◦ Ethernet 표준 Frame

  ◦ Frame Minimum Size

   ▹ 64Byte

   ▹ Header(18Byte) + Data(46Byte ~ 1500Byte)

  ‧ IEEE 802.3 Frame

  ◦ Cisco 장비 간 통신할 경우 사용하는 2계층 Frame
 - MAC Address
  ‧ Ethernet의 물리적 주소
  ‧ MAC 주소가 없다면 LAN상에 이름 없는 Computer 그룹을 갖게되며 Ethernet에서 각각의 장치를 유일하게 구분하기 위해서 MAC 주소를 사용한다.
  ‧ 모든 Ethernet Interface를 갖춘 장비는 MAC 주소를 가져야 한다.
  ‧ MAC Address 체계

◦  형식       0000.0c12.3456       00-00-0c-12-34-56       00:00:0c:12:34:56

  ◦ OSI Layers의 Layer 2에 해당된다

  ◦ 12개의 16진수로 표현된 48bit의 주소이다.

  ◦ 상위 24Bit 제조 회사번호를 의미하고 하위 24Bit 제품 번호를 의미한다.
  ◦ 처음 6개(Prefix)의 16진수(24Bit)는 IEEE관리의 벤더 코드, OUI(조직 식별자)라 하고 local 주소 또는 global 주소를 나타내고 마지막 6개(Postfix) 16진수는 제조회사가 부여한다.

  ◦ 종류

   ▹ EUI-48

   ▹ EUI-64
 - CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection)
  ‧ LAN의 제어방식 중 하나
  ‧ Carrier Sense : Network상에 나타나는 신호(Carrier)를 감지하는 것
  ‧ 다중 접근(Multiple Access) : 두 개 이상의 PC나 Server가 동시에 Network상에 Data를 보내는 경우
  ‧ Collision Detection : 두 개 이상의 장비가 Data를 동시에 보내려다 부딪치는 경우 Data 충돌이 발생해 이를 감지하는 것
  ‧ 유선 통신과 무선 통신에서의 CSMA/CD 제어방식은 약간 다르다.
  ‧ 유선 통신에서는 충돌(Collision)이 일어난 이후에 어떤 시간(Random time)을 기다리지만 무선 통신에서는 충돌(Collision)을 미리 방지 하기위해 
    ※ Ethernet에서 충돌(Collision)이 너무 많이 발생하면 통신 자체가 불가능해 지는 경우도 있다.
 - CSMA/CD의 동작 단계
  ‧ 유선

  ◦ 단계 1 : Network Data 통신 감지한다.

  ◦ 단계 2 : Network 내에서 통신이 없다는 것을 Com A가 알고 Data를 송신한다.
  ◦ 단계 3 : Com A와 Com B가 Data를 동시에 송신해 두 Data가 충돌(Collision)한다.
  ◦ 단계 4 : Data 충돌(Collision) 후 일정 시간(Random time)동안 대기 후 다시 Data를 송신한다.
  ‧ 무선

  ◦ 단계 1 : Network Data 통신 감지한다.
  ◦ 단계 2 : Data 충돌(Collision)을 방지하기 일정 시간(Random time)동안 대기하며 Data를 송신을 준비한다.
  ◦ 단계 3 : Com A가 Data를 송신한다.

 

2. Network Equipment
 - Layer1(Physical Layer)

  ‧ Repeater
  ◦ Cable 전송으로 약화된 신호를 초기화, 증폭, 재전송의 기능을 수행하는 장비이다.
  ◦ OSI Layer의 1계층인 물리적 계층에 해당한다

 - Layer 2(Data Link Layer)

 ​ ‧ Layer 2의 영역 종류

​  ◦ Collision Domain : 충돌 발생을 검출할 수 있는 장치 간 혹은 다른 계층 장치 간의 Segment 범위

  ◦ Broadcast Domain : 하나의 Host가 Broadcast로 Packet을 전송 하였을 때, 해당 Packet을 받는 영역

  ‧ Hub
  ◦ Multiport Repeater로 신호(Signal)를 받아 재생하고 증폭, 중계하며 Network를 통해 신호를 전파하는 Port가 여러 개 달린 장비

  ◦ 운영체제가 따로 없으며 Flooding 기능만을 이용하기 때문에 Data 간의 송수신을 동시에 처리하는 것은 불가능하며 Half-Duplex 방식을 사용한다.

  ◦ 실질적으로 증폭 기능만을 가지고 있는 장비로 증폭 시 신호가 일그러져 증폭되어 보내지므로 다수를 설치할 경우 Data의 손상이 있을 수 있어 하나의 Campus내에 1개씩 밖에 설치할 수 없다.

  ◦ Hub의 Port로 들어온 Data를 나머지 모든 Port로 보내줄 수 있다.
  ◦ Collision Domain이 하나 밖에 없어서 어느 한 순간에 하나만 통신이 가능해 나머지 장비들은 기다려야하는 특징이 있다.
  ◦ Hub를 사용하는 이유는 매체 배선을 위한 중앙 집중장치가 필요하기 때문에 사용하며 Network의 신뢰도 또한 향상되기 때문에 사용한다.
  ◦ LAN Card(NIC)처럼 Ethernet용, Token Ring용으로 나뉘며 속도에 따라 Hub(10Mbps)와 Fast(100Mbps)로 나뉜다.
  ◦ Hub를 서로 연결하면 한대인 것처럼 인식된다.
  ◦ LAN Segment 사이에서 traffic을 수집할 수는 없다.(Filtering 불가)

  ‧ Bridge

  ◦ Hub보다는 지능적인 장비이며 기존의 Collision Domain이 하나였던 것을 Collision Domain 사이를 반으로 나눠 중간에 다리(Bridge)를 놓고 Collision

Domain을 두개로 나눠 보다 통신을 원활하고 빠르게 만들어주는 장비이다.

  ◦ MAC 주소 정보만으로 Network Traffic을 여과한다.

  ◦ Network Layer Protocol과는 관계가 없다.

  ◦ Hub보다 지능적인 장치이며 둘 이상의 LAN Segment 사이에서 Traffic을 수집하고 Packet을 전달한다.

  ◦ MAC Address Table을 유지한다.

  ◦ Collision을 야기하지 않는 하나 이상의 장비를 허용함으로써 보다 많은 Collision domain을 생성한다.

  ‧ Switch

  ◦  Bridge와 비슷한 특징을 지니고 있지만 Collision Domain이 분리가 되어 있고 Data 전송을 보다 효율적으로 운용하기 위해 접속을 집중시킨 장비이며 Bridge보다 지능적이기 때문에 현재는 Bridge는 잘 사용되지 않고 스위치가 쓰인다.

  ◦ Collision Domain을 Port별로 나눠져 있어 여러 대의 장비가 동시에 통신이 가능하다.
  ◦ MAC Address Table을 유지한다.

  ‧ 2계층 장비의 기능

  ◦ Learning

   ▹ ​PC가 스위치에 Frame을 수신했을때 MAC Address Table에 발신지의 MAC Address가 없다면 MAC Address Table에 기록하는 기능(MAC Address를 학습하는 기능)

  ◦ Flooding

   ▹ 장치가  Frame을 전송할 때 Frame의 주소지가 MAC Address Table에 없을 때 보내온 Port를 제외하고 모든 Port에 전송하는 기능

   ▹ ​Flooding은 목적지가 Broadcast MAC Adress이거나 Table에 존재하지 않는 Unicast/Multicast MAC Address일 때 작동된다.

  ◦ Forwarding

   ▹ ​Flooding과 다르게 Frame의 목적지를 알고 목적지의 MAC Address가 있을 때 목적지 한 곳으로만 전송하는 기능

 ​ ◦ Filtering

   ▹ ​출발지의 MAC Address와 목적지의 MAC Address가 같을때 제체적으로 Frame을 차단하는 것

  ◦ Aging

   ▹ ​Learing을 할 때마다 해당 주소가 MAC Address Table에 저장된 후 일정 시간동안 동작이 없을 경우 MAC Address Table에서 삭제하는 기능

   ▹ Aging Time : MAC Address Table에 저장된 후 일정 시간동안 동작이 없을 경우 MAC Address Table에서 삭제되는 시간

  ◦ 각 장비별 포함기능

   ▹ Hub : Flooding

   ▹ Bridge : Forwarding, Flooding, Filtering

   ▹ Switch : Forwarding, Flooding, Filtering

   ▹ Router : Forwarding, Filtering

  ◦ 5가지 기능의 작동순서

 - Layer 3(Network)
​  ‧ Router

  ◦ Network 주소에 따라 경로를 결정하는 기능을 수행한다.
  ◦ Router를 통해 Ethernet, Token-ring, FDDI와 같은 서로 다른 OSI Layers의 Layer 2 기술을 연결하여 사용할 수 있다.
  ◦ OSI Layers의 Layer 3 정보인 IP protocol을 이용한다.
  ◦ 거대한 Network에서 traffic 조절 기능을 수행한다. 

​    ※ MAC Address와 IP Address를 따로 사용하는 이유

        MAC Address : 한 Network 내에서 각 PC의 NIC별 주소를 말한다

        IP Address : 한 Network에서 다른 Network로 보낼 때 Network 구분 주소로 사용하는 주소를 말한다.

 

3. Network 장비를 통한 간단한 Network 구성

 - Server, Router, Cable, Hub, Switch만으로 간단한 Network를 구성해보면 다음과 같다.