이더넷 — LAN을 움직이는 프레임 포맷과 허브·스위치·라우터의 차이

이 글은 2021년 4월 기준 기록입니다.

 

스위칭을 다루려면 그 아래에 깔린 이더넷부터 봐야 합니다. 스위치가 하는 일은 결국 이더넷 프레임을 받아서 어디로 보낼지 정하는 것이고, 그 판단의 재료가 전부 프레임 안에 들어 있기 때문입니다.

이더넷은 하나가 아니라 여러 표준의 묶음이다

이더넷은 LAN에서 사용하는 기술이고, IEEE의 여러 표준이 계층을 나눠 맡고 있습니다.

 

IEEE 802.3은 물리 계층과 데이터링크의 MAC 서브 계층을 정의합니다. IEEE 802.1은 데이터링크의 브리징 서브계층을 맡습니다. 스위치가 수신한 프레임을 목적지와 연결되는 인터페이스로 전송하는 방법, 스위치 간에 루프가 없는 경로를 선택하는 방법이 여기에 속합니다. 스위치 내부나 스위치 간에 작동하는 프로토콜이 이 계열이고, 흔히 쓰는 dot1q는 802.1Q를 가리킵니다. IEEE 802.2는 데이터링크의 LLC 서브계층으로, 동일 네트워크에 속한 종단 장비 간에 동작하며 상대측 장비에게 프레임에 포함된 상위 계층 프로토콜을 알려 줍니다.

 

이더넷 물리 계층은 신호 변환 방식, 속도, 케이블 종류, 커넥터 종류 등을 정의합니다. 10Base5, 10Base2 같은 표기가 그것입니다. 여기에 자동 협상 기능이 있어, 서로 다른 사양의 장비가 접속될 경우 속도와 모드가 자동으로 협상되어 맞춰집니다.

프레임의 모든 필드는 이유가 있어서 거기 있다

이더넷 MAC 서브계층이 다루는 프레임 포맷은 다음과 같습니다.

프리엠블 | SOF | 목적지MAC | 출발지MAC | 길이/타입 | 데이터 | FCS

 

프리엠블(7byte) 은 10101010이 반복되는 7바이트 길이의 필드입니다. 이더넷 프레임이 전송되는 것을 알리고, 1과 0을 제대로 구별할 수 있도록 동기(synchronization) 신호를 제공합니다.

 

SOF(1byte) 는 Start Of Frame으로 10101011 값을 가집니다. 이어지는 신호가 목적지 MAC 주소라는 것을 알립니다. 이더넷 프레임의 크기를 말할 때 프리엠블과 SOF는 제외합니다.

 

목적지 MAC(6byte) 에는 목적지 이더넷 포트의 MAC 주소가 표시됩니다. MAC 주소는 2계층의 물리 주소로 48bit, 즉 6byte입니다. 앞 24bit는 OUI 코드(벤더 번호), 뒤 24bit는 시리얼 넘버(일련 번호)입니다. 목적지 MAC에는 세 가지 종류가 올 수 있습니다. 유니캐스트는 특정한 하나의 주소, 멀티캐스트는 특정 그룹, 브로드캐스트는 해당 네트워크의 모든 장비를 가리킵니다.

 

출발지 MAC(6byte) 에는 항상 유니캐스트 주소가 표시됩니다. 이더넷 프레임이 전송되는 출발지 이더넷 포트의 MAC 주소입니다.

 

길이/타입(2byte) 은 이더넷 프레임의 데이터 길이나 MAC 클라이언트 프로토콜의 종류를 담습니다. 값이 1500 이하면 데이터 길이를 의미합니다.

 

데이터(46~1500byte) 는 46byte 이하의 데이터일 경우 패딩해서 46byte로 맞춥니다.

 

FCS(4byte) 는 Frame Check Sequence로, 이더넷 프레임의 목적지 MAC부터 데이터까지 에러 발생 여부를 점검하는 데 사용합니다.

반이중에서는 순서를 지켜야 충돌이 안 난다

CSMA/CD는 하프 두플렉스(half duplex; 반이중 통신)에서 이더넷 프레임을 전송하는 절차입니다. 반이중 통신은 송신과 수신을 동시에 할 수 없으므로, 순서를 정하는 규칙이 필요합니다.

 

CS(Carrier Sense) 단계에서는 전송 중인 프레임이 있는지 확인합니다. 있으면 대기하고, 없으면 전송합니다. MA(Multiple Access) 는 전송할 프레임을 가진 모든 장비가 언제라도 CS를 한 후 자신의 프레임을 전송할 수 있다는 뜻입니다. CD(Collision Detection) 는 그 결과 생기는 문제를 처리합니다. 이더넷은 복수 개의 장비가 동시에 프레임을 전송할 수 있고 이때 충돌이 발생 가능하므로, 프레임 전송 후 충돌 여부를 확인합니다. 충돌이 발생하면 임의의 시간 동안 기다렸다가 다시 전송합니다.

충돌 발생 시 15회까지 재전송을 시도하고, 그래도 충돌이 발생하면 전송을 포기합니다.

 

한편 late collision은 64바이트 이상의 데이터를 전송한 후 발생한 충돌 횟수를 말합니다. 케이블이 너무 길거나, 양쪽 포트의 두플렉스가 일치하지 않는 경우에 생깁니다.

풀 두플렉스는 충돌을 없애고 케이블 제약도 푼다

풀 두플렉스(full duplex; 전이중 통신)에서는 송신과 수신이 동시에 가능하므로 충돌이 발생하지 않습니다. 따라서 송신 후 충돌을 감지하지 않고, CSMA/CD도 쓰지 않습니다.

 

여기서 하프 두플렉스의 제약 하나가 함께 풀립니다. 이더넷이 최소 길이의 프레임을 전송하는 데 걸리는 시간을 슬롯 타임이라고 하는데, CSMA/CD는 슬롯 타임 내에 충돌이 발생하는지를 감시합니다. 이 때문에 하프 두플렉스에서는 케이블의 길이가 제약을 받습니다. 풀 두플렉스에서는 케이블 길이를 확장할 수 있고, 송신과 수신이 동시에 일어나므로 하프 두플렉스에 비해 속도가 2배입니다.

LLC는 링크를 세우고 상위 프로토콜을 알려 준다

IEEE 802.2가 정의하는 LLC는 두 장비 간에 링크를 설정하고, 프레임을 송수신하는 방식과 상위 레이어 프로토콜의 종류를 알려 줍니다. 동작 방식 타입은 LLC 타입 1, 2, 3의 세 가지가 있습니다.

장비의 차이는 어느 주소를 읽느냐로 갈린다

리피터는 물리 계층 장비입니다. MAC 주소나 IP 주소를 인식하지 못하고, 전기적인 신호를 증폭하는 역할만 합니다. 전기 신호를 증폭시켜 전송 거리를 늘리는 것이 목적이며, 터미네이터를 양 끝에 부착합니다.

 

허브는 여러 대의 장비를 LAN에 접속할 수 있도록 하는 장비로, 콘센트레이터(concentrator; 집선 장치)라고도 합니다. UTP 케이블의 전송 거리는 100m인데 허브를 사용하면 전송 거리를 연장할 수 있습니다. 다만 한 장비에서 전송된 데이터를 연결된 모든 장비로 전송하는 플러딩 방식이라 충돌이 많이 발생하고, 보안성이 낮고, 네트워크 성능이 낮습니다. 허브로 구성된 네트워크는 전체가 하나의 충돌 영역을 가집니다.

 

브리지는 2계층 주소인 MAC 주소를 사용합니다. 전기 신호를 증폭하는 것이 아니라 프레임을 다시 생성해서 보냅니다. 전송 거리 연장을 위해 허브를 쓰는 경우 이더넷은 4개, 패스트 이더넷은 2개라는 수량 제한이 있지만, 브리지나 스위치는 수량 제한이 없습니다. 브리지를 개량한 것이 스위치이며, 그래서 지금도 스위치와 관련된 용어에 브리지라는 단어가 남아 있습니다.

 

스위치는 MAC 주소 테이블을 사용해 목적지 MAC 주소와 연결된 포트로만 프레임을 전송합니다. 충돌 영역이 포트마다 분리된다는 점이 허브와의 결정적인 차이입니다. 다만 목적지 MAC 주소가 브로드캐스트 주소일 때는 수신 포트를 제외한 모든 포트로 프레임을 전송하는 플러딩이 일어납니다. 통신 방식에 따라 다양한 프로토콜들이 브로드캐스트를 사용하는데, 브로드캐스트가 증가하면 네트워크 성능이 저하됩니다. 이를 해결하기 위해 도입된 것이 VLAN이고, VLAN이 다르면 브로드캐스트가 전달되지 않습니다.

 

라우터는 3계층 주소를 사용해 목적지와 연결되는 포트로 패킷을 전송하고, 플러딩되는 모든 프레임을 차단합니다. VLAN을 사용할 경우 네트워크가 다른 것으로 인식되므로 3계층 장비를 반드시 거쳐야 합니다.

 

L3 스위치는 VLAN 간의 라우팅 효율을 위해 만들어졌으며, 요즘은 라우터와 크게 구분하지 않습니다.

 

프레임을 읽는 깊이가 곧 장비의 성격입니다. 전기 신호만 보면 리피터, MAC 주소를 보면 스위치, IP 주소를 보면 라우터입니다.