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[컴퓨터 네트워크] Chapter 6. The Link Layer and LANs - (1)
일자 : 24-2 15주차 1차시 (2)
[0] 링크 계층과 LAN: 목표
링크 계층 서비스의 원리를 이해:
링크 계층 주소 지정
로컬 영역 네트워크(LAN): 이더넷
다양한 링크 계층 기술의 실체화 및 구현
1. 소개
[1] 링크 계층: 소개
1) 용어 정의
호스트와 라우터:
노드통신 경로를 따라 인접한 노드를 연결하는 통신 채널:
링크유선무선LAN
2계층 패킷: 프레임, 데이터그램을 캡슐화2계층 패킷은
데이터그램을 캡슐화하여 프레임 형식으로 변환함으로써링크 계층에서 전송할 수 있도록 준비하는 과정을 의미한다.
링크 계층은 데이터그램을 한 노드에서 물리적으로 인접한 다른 노드로 링크를 통해 전송하는 역할을 담당
Physically"는 데이터 전송이
물리적인 매체를 통해 이루어짐을 의미한다.노트북의 와이파이: 무선 신호를 통해 데이터가 전송되어, 물리적인 케이블 없이 통신이 이루어진다.
데스크탑의 랜선: 이더넷 케이블을 통해 직접적으로 연결되어, 물리적으로 인접한 노드 간에 데이터를 전송한다.
즉,
링크 계층에서는 물리적 매체를 통해 데이터를 전송하는 방식을 강조한다.
[2] 링크 계층: 맥락
데이터그램은
서로 다른 링크에서 다양한 링크 프로토콜에 의해 전송:예: 첫 링크에서 WiFi, 다음 링크에서 이더넷
각 링크 프로토콜은 서로 다른 서비스를 제공:
예: 링크에서 신뢰성 있는 데이터 전송을 제공하거나 제공하지 않을 수 있음
1) 운송 비유 (그냥 넘어감)
프린스턴에서 로잔까지의 여행
리무진: 프린스턴에서 JFK까지
비행기: JFK에서 제네바까지
기차: 제네바에서 로잔까지
관광객 = 데이터그램
운송 구간 = 통신 링크
운송 방식 = 링크 계층 프로토콜
여행사 = 라우팅 알고리즘
[5] 링크 계층: 서비스
: 링크 계층의 주요 서비스 기능
링크 계층은 데이터그램을 프레임으로 캡슐화하여 송신자와 수신자를 식별하고, 인접 노드 간의 신뢰성 있는 전송, 흐름 제어, 오류 감지 및 수정, 그리고 반이중 및 전이중 통신 방식에 대한 처리 방법을 포함하여
데이터 전송의 효율성과 신뢰성을 보장하는 역할을 한다.
1) 프레이밍 및 링크 접근
데이터그램을 프레임으로 캡슐화하고
헤더와 트레일러를 추가공유 매체일 경우 채널 접근 처리
프레임 헤더의
“MAC” 주소를 통해 송신자와 수신자 식별 (IP 주소와는 다름)
2) 인접 노드 간 신뢰성 있는 전송:
이 작업은
이미 가능오류율이 낮은 링크에서는 거의 사용되지 않음무선 링크에서는
높은 오류율로 인해 사용질문: 링크 계층과 종단 간 신뢰성 모두 필요한 이유는?
답변 : 링크 계층과 종단 간 신뢰성이 모두 필요한 이유는 데이터 전송 중 발생할 수 있는 오류를 각각의 단계에서 처리하여 전체 네트워크 성능과 데이터의 무결성을 보장하기 위해서이다.
3) 흐름 제어:
인접 송신 노드와 수신 노드 간의
속도 조율
4) 오류 감지:
신호 감쇠 및 잡음으로 인한 오류수신자가 오류를 감지하고재전송 요청 또는 프레임 삭제
5) 오류 수정:
수신자가 비트 오류를 식별하고재전송 없이 수정
6) 반이중(half-duplex) 및 전이중(full-deplex):
반이중(half-duplex)은
링크 양쪽 노드가 전송할 수 있지만동시에 전송은 불가능동시 전송 불가능 이유: 반이중(half-duplex) 통신에서는 두 노드가 동시에 전송할 경우, 전송된 신호가 서로 충돌할 수 있기 때문이다. 이로 인해 데이터가 손실되거나 왜곡될 수 있어, 두 노드가 순차적으로만 전송해야 신뢰성 있는 통신이 가능하다.
따라서, 링크 계층에서는 반이중 통신의 특성에 맞춰 흐름 제어와 충돌 방지 메커니즘을 사용한다.
[6] 다중 접속 링크, 프로토콜
1) 두 가지 링크 유형:
: 링크의 유형은 네트워크 성능, 효율성 및 확장성을 극대화하는 데 도움이 되며, 네트워크 설계 시 적절한 기술과 프로토콜을 선택하는 데 중요한 기준이 된다.
포인트 투 포인트- 두 노드 간의 직접 연결이더넷 스위치와 호스트간의 포인트 투 포인트 링크전화 접속 액세스를 위한 PPP
브로드캐스트(공유된 선 또는 매체) - 여러 노드가 동일한 매체를 공유하여 통신하는 방식구형 이더넷
케이블 기반 네트워크의 업스트림 HFC
802.11 무선 LAN, 4G/5G, 위성
2) 예시
공유된 선 (예: 케이블 이더넷)
공유 라디오: 4G/5G
공유 라디오: WiFi
공유 라디오: 위성
칵테일 파티에서의 사람들 (공유된 공기와 음파)
[6] 다중 접속 프로토콜
단일 공유 브로드캐스트 채널: 하나의 채널을 통해 여러 노드가 동시에 통신할 수 있는 환경을 의미한다.노드의 두 개 이상의 동시 전송 시
간섭 발생:충돌은 노드가 두 개 이상의 신호를 동시에 수신할 때 발생
이로 인해 데이터가 손실되거나 왜곡되어, 신뢰할 수 있는 통신이 어렵게 된다.
1) 다중 접속 프로토콜:
노드가 채널을 공유하는 방식을 결정하는 분산 알고리즘. 즉, 노드가 언제 전송할 수 있는지 결정
채널 공유에 대한 통신은 채널 자체를 사용해야 함: 노드들은 동일한 채널을 통해 서로의 상태를 확인하고, 필요한 정보를 교환해야 한다. 이는 외부의 조정 채널이 없는 상황에서 필수적이다.
상황 : 조정을 위한 외부 채널 없음
[7] 링크 계층은 어디에 구현되어 있는가?
모든 호스트에 구현됨네트워크
인터페이스 카드(NIC) 또는 칩에서 링크 계층 구현이더넷, WiFi 카드 또는 칩
링크 및 물리 계층 구현
호스트의 시스템 버스에 연결
하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어의 조합
[8] 인터페이스 간 통신
송신 측:
데이터그램을
프레임으로 캡슐화: 송신 측에서는 데이터그램을 링크 계층 프레임으로 변환하여 전송 준비를 한다.오류 확인 비트, 신뢰성 있는 데이터 전송, 흐름 제어 추가
프레임에는 데이터 전송 중 발생할 수 있는 오류를 확인하기 위한 비트가 포함되며,
데이터의 신뢰성을 확보하고 송신 및 수신 속도를 조절하기 위한 흐름 제어 메커니즘이 적용된다.
수신 측:
오류 확인, 신뢰성 있는 데이터 전송, 흐름 제어 수행
데이터그램 추출 후 수신 측 상위 계층으로 전달
2. LANs - 주소 지정 및 ARP
주소 지정, ARP
이더넷
스위치
[1-1] MAC 주소
1) 32비트 IP 주소:
인터페이스를 위한 네트워크 계층 주소:
IP 주소는 네트워크에서장치를 식별하고 데이터를 전달하는 데 사용되는 주소로, 각 장치에고유하게 할당된다.계층 3(네트워크 계층) 전달에서 사용:
네트워크 계층에서 작동하여 데이터그램이 목적지까지 도달하도록 경로를 결정한다.예: 128.119.40.136
2) MAC(또는 LAN, 물리적, 이더넷) 주소:
기능: "로컬"로 프레임을 한 인터페이스에서
물리적으로 연결된 다른 인터페이스로 전달(IP 주소의 서브넷과 관련된 의미에서)48비트 MAC 주소(대부분의 LAN에서 사용)는 NIC ROM에 저장되며 때로는 소프트웨어로 설정 가능예: 1A-2F-BB-76-09-AD (16진수 표기, 각 "숫자"는 4비트를 나타냄)
3) LAN의 각 인터페이스
IP는 동일 LAN을 사용하기에 세 곳의 값이 같지만, MAC 주소는 모두 다르고 고유하다
고유한
48비트 MAC 주소를 가짐: 각 LAN 인터페이스는 다른 인터페이스와 구별되는 고유한 MAC 주소를 가진다.지역적으로 고유한 32비트 IP 주소도 가짐 (앞서 확인한 바 있음): 이를 통해 네트워크에서 식별된다.
[1-2] MAC 주소
MAC 주소 할당은
IEEE에 의해 관리됨제조업체는
MAC 주소 공간의 일부를 구매하여 고유성을 보장비유:
MAC 주소: 사회보장번호(Social Security Number)와 비슷
IP 주소: 우편 주소와 비슷
MAC 평면 주소:
이동성 보장인터페이스를 한 LAN에서 다른 LAN으로 이동 가능
반면 IP 주소는 이동 불가: 노드가 연결된 IP 서브넷에 따라 다름: IP 주소는 노드가 연결된 IP 서브넷에 따라 다르므로
이동성이 제한된다.
DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol)는 네트워크에서 IP 주소와 기타 네트워크 구성 정보를 자동으로 할당하고 관리하는 프로토콜
DHCP는 MAC 주소를 기반으로 IP 주소와 네트워크 구성 정보를 효율적으로 관리하고 할당하여, 네트워크의 자동화 및 관리 편의성을 제공하는 데 중요한 역할을 한다.
[2] ARP: 주소 결정 프로토콜
질문: IP 주소를 알고 있을 때 인터페이스의 MAC 주소를 어떻게 결정할 수 있는가?
ARP 테이블: LAN의 각 IP 노드(호스트, 라우터)에 존재일부 LAN 노드에 대한 IP/MAC 주소 매핑 포함:
< IP 주소; MAC 주소; TTL >
TTL(Time To Live): 주소 매핑이 잊혀질 시간(일반적으로 20분)
ARP는 요청을 브로드캐스트하여 해당 IP 주소를 가진 노드가 자신의 MAC 주소를 응답하도록 하며, 이 정보는 ARP 테이블에 < IP 주소; MAC 주소; TTL > 형식으로 저장된다.
TTL이 만료되면 매핑 정보가 삭제되고, 필요할 경우 다시 ARP 요청을 통해 MAC 주소를 결정할 수 있다.
[3] ARP 프로토콜 작동 과정
1) 예시: A가 B로 데이터그램을 보내고자 함
A의 ARP 테이블에 B의 MAC 주소가 없으므로
A는 ARP를 사용해 B의 MAC 주소를 찾음
2) 진행 단계
A는
ARP 쿼리를 브로드캐스트하며,B의 IP 주소를 포함함목적지 MAC 주소 = FF-FF-FF-FF-FF-FF
LAN의 모든 노드가 ARP 쿼리를 수신
A는 B의 IP 주소는 알고 있기에, Target IP address로 정하고, Source MAC과 Ip를 frame에 담아서 전송한다.
B는 ARP 응답으로 MAC 주소를 A에 회신
브로드캐스트는 하지 않는다.
A는 B의 응답을 수신하고
B의 정보를 로컬 ARP 테이블에 추가
[4-1] 다른 서브넷으로 라우팅: 주소 지정
1) 1단계
예시: A에서 B로 R을 통해 데이터그램을 전송
IP(데이터그램) 및 MAC(프레임) 계층 수준에서 주소 지정에 초점
가정:
A는
B의 IP 주소를 알고 있음A는 첫 홉 라우터인 R의 IP 주소를 알고 있음(어떻게?): A는 네트워크 설정 시 또는
DHCP(동적 호스트 구성 프로토콜)를 통해 R의 IP 주소를 자동으로 받았을 가능성이 있다.A는 R의 MAC 주소를 알고 있음(어떻게?): A는
ARP(주소 결정 프로토콜)를 사용하여 R의 MAC 주소를 결정할 수 있다
2) 2단계
A는 IP 소스가 A이고, 목적지가 B인 IP 데이터그램 생성
A는
A-to-B 데이터그램을 포함하는 링크 계층 프레임 생성프레임의 목적지는R의 MAC 주소
3) 3단계
A에서 R로 프레임 전송R에서프레임 수신 후데이터그램 추출, IP 계층으로 전달
4) 4단계
5) 5단계
R은 송신 인터페이스를 결정하고 IP 소스가 A, 목적지가 B인 데이터그램을 링크 계층으로 전달
R은 A-to-B IP 데이터그램을 포함하는 링크 계층 프레임 생성. 프레임 목적지 주소: B의 MAC 주소
링크 계층 프레임 전송: R은 A와 유사한 방식으로 ARP 요청을 브로드캐스트하여 B의 MAC 주소를 요청한다. B는 자신의 MAC 주소를 포함한 ARP 응답을 보내게 된다.
6) 6단계
B는 프레임 수신, 목적지가 B인 IP 데이터그램 추출
데이터그램을 프로토콜 스택 상위로 전달하여 IP로 처리
