CHAPTER 06 링크 계층, 링크, 접속망, 랜

이번 주는 링크 계층에 대해 공부했다. 네트워크를 공부하면서 왜 네트워크 계층 주소와 링크 계층 주소가 모두 필요한지 평소 궁금했는데, 이를 해소하는 데 있어 큰 도움이 되었다.

 

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링크 계층 소개

• 노드: 링크 계층 프로토콜을 실행하는 장치
• 링크: 통신 경로상의 인접한 노드들을 연결하는 통신 채널

링크 계층이 제공하는 서비스

• 프레임화
• 링크 접속: 매체 접속 제어(MAC) 프로토콜은 링크상으로 프레임을 전송하는 규칙에 대해 명시
• 신뢰적 전달: 오류가 발생한 링크에서 오류 정정
• 오류 검출과 정정

오류 검출 및 정정 기술

패리티 검사

• 단일 패리티 비트: 패리티 비트를 추가하여 총 비트 중 1이 짝수(또는 홀수)가 되도록 함
• 차원 패리티: 반전된 비트를 포함하는 열과 행에 대한 패리티에 오류 발생

체크섬 방법

순환중복검사

• D: d 비트로 이루어진 전송하고자 하는 데이터
• G(generator): 송신자와 수신자가 r+1 비트 패턴에 대해 합의
• d+r 비트 패턴을 모듈로-2 연산 이용 시, G로 정확히 나누어 떨어짐

다중 접속 링크와 프로토콜

• 다중 접속 프로토콜에서 2개 이상의 노드가 동시에 프레임 전송 시, 충돌 발생

채널 분할 프로토콜

• 시분할 다중화(TDM)
  • 전송할 패킷이 단 하나인 경우에도 노드 전송률이 평균 R/N으로 제한됨
  • 노드가 전송 순서상 자신의 차례를 항상 기다려야 함
• FDM
• 코드 분할 다중 접속(CDMA)
  • 다른 코드를 각 노드에 할당
  • 노드는 전송하는 데이터 비트를 자신의 유일한 코드로 인코딩
  • 여러 노드를 동시에 전송 가능, 인코딩된 데이터 비트를 정확하게 수신

랜덤 접속 프로토콜

• 항상 채널의 최대 전송률로 전송
• 충돌 시 랜덤 지연 시간 후 프레임 재전송

슬롯 알로하

• 새 슬롯 시작 시, 대기 중인 새 프레임 전송
• 충돌 시, 해당 슬롯이 끝나기 전에 충돌을 검출하고, 충돌이 없을 때까지 확률 p로 다음 슬롯에서 재전송
• 활성 노드가 많을 때, 일부 슬롯이 충돌로 인해 낭비될 수 있음
• 모든 활성 노드들이 확률적인 전송 정책으로 인해 전송을 억제하는 경우, 일부 슬롯이 비게 됨
• 최대 효율: 1/e

알로하

• 프레임 도착 시 즉시 전송
• 충돌 시 노드는 확률 p로 해당 프레임을 즉시 재전송
• 최대 효율: 1/2e

CSMA (Carrier Sense Multiple Access)

• 캐리어 감지(carrier sensing): 노드는 전송하기 전, 채널을 들음(listen)
• 충돌 검출

CSMA (CSMA with Collision Detection)

• 충돌 검출 시 두 노드가 바로 자신의 전송을 취소
• 취소 이후 랜덤 시간 대기 후 재전송

순번 프로토콜

• M개의 노드가 활성일 때, 각 노드가 거의 R/M bps의 처리율을 갖도록 함
• 폴링 프로토콜(polling protocol)
  • 노드 중 하나를 마스터 노드로 지정
  • 마스터 노드는 각 노드를 라운드 로빈 방식으로 폴링
  • 마스터 노드는 각 노드에게 해당 노드가 최대로 보낼 수 있는 프레임 수에 대한 정보 제공
  • 폴링 지연 - 노드가 전송할 수 있음을 알리는 데 걸리는 시간
  • 마스터 노드 고장 시, 전체 채널이 동작하지 않음
• 토큰 전달 프로토콜
  • 토큰이 정해진 순서대로 노드 간에 전달됨
  • 노드가 토큰을 수신하면, 전송할 프레임이 있을 때만 토큰을 붙잡음(hold?)
  • 노드 하나가 실패 시, 전체 채널이 동작하지 않음
  • 오류로 토큰을 놓지 않을 경우, 토큰이 다시 돌 수 있도록 회복 절차가 실행돼야 함

DOCSIS: 케이블 인터넷 접속을 위한 링크 계층 프로토콜

• 케이블 TV 인프라를 활용하여 인터넷 서비스를 제공하는 데 사용
• 망 세그먼트들을 다수의 주파수 채널로 나누기 위해 FDM 사용
• 다운스트림과 업스트림 채널 구분

스위치 근거리 네트워크

링크 계층 주소체계와 ARP

• 왜 네트워크 계층 주소와 링크 계층 주소가 모두 필요한가 → 진짜 왜 그럼

MAC 주소

• MAC 주소 - 평면 주소, 불변 → 주민등록번호
• IP 주소 - 계층 주소, 가변 → 우편번호
• MAC 주소를 통해 다른 네트워크 계층 프로토콜(IPX, DECnet 등) 지원 가능

ARP

• 네트워크 계층 주소 → 링크 계층 주소
• 호스트와 라우터는 자신의 메모리에 ARP 테이블 보유
• ARP 질의 패킷 브로드캐스트 → 모두 이를 수신 후, 자신과 일치하면 회신 → 이곳으로 목적지 MAC 주소 설정
• ARP 패킷 - 링크 계층과 네트워크 계층의 경계
  • 링크 계층 프레임에 캡슐화됨 → 링크 계층보다 위
  • 링크 계층 주소, 네트워크 계층 주소 모두 포함

이더넷

이더넷 프레임 구조

• 데이터 필드(46 ~ 1,500 바이트)
• 목적지 주소(6바이트)
• 출발지 주소(6바이트)
• 타입 필드(2바이트): 이더넷으로 하여금 네트워크 계층 프로토콜을 다중화하도록 허용
• 순환중복검사(CRC)(4바이트): 수신 어댑터에서 프레임 오류 검출을 가능하게 함
• 프리앰블(8바이트)
  • 첫 7바이트
    • 10101010
    • 수신 어댑터를 깨우고, 수신자의 클록을 송신자의 클록에 동기화
  • 마지막 바이트
    • 10101011
    • 어댑터에게 중요한 것이 오고 있음을 알림
• 비연결형 서비스 - 핸드셰이킹 없음
• 비신뢰적 서비스 - CRC 검사에 대한 응답 미전송

이더넷 기술

• 스위치 기반 이더넷 랜에는 충돌이 없어 MAC 프로토콜이 필요없음

링크 계층 스위치

전달 및 여과

• 여과: 프레임을 인터페이스로 전달할지 또는 폐기할지 결정하는 스위치의 기능
• 전달: 프레임이 전송될 인터페이스를 결정하고 프레임을 해당 인터페이스로 내보내는 기능

자기 학습

1. 스위치 테이블은 초기에 비어있음
2. 수신한 각 프레임에 대해 스위치는 프레임의 출발지 주소 필드에 있는 MAC 주소, 프레임이 도착한 인터페이스, 현재 시간을 테이블에 저장함. 테이블에 송신 노느가 상주하는 랜 세그먼트를 기록함. 랜의 모든 호스트가 프레임을 송신하면, 결국 모든 호스트에 대한 정보가 테이블에 기록됨
3. 일정 시간(수명 시간) 후에도 스위치가 해당 주소를 출발지 주소로 하는 프레임을 수신하지 못하면, 테이블에서 이 주소를 삭제함. 이렇게 PC가 다른 PC로 대체되면, 원래 PC의 MAC 주소가 스위치 테이블에서 결국 삭제됨

링크 계층 스위치의 특성

• 충돌 제거
• 이질적인(heterogeneous) 링크
  • 링크를 별개로 분리하여 랜의 각 링크는 상이한 속도로 동작할 수 있으며 상이한 매체를 사용할 수 있음
  • 기존 장비를 새로운 장비와 함께 사용할 수 있게 해줌
• 관리
  • 보안 제공
  • 네트워크 관리 정보 제공

스위치 대 라우터

• 스위치
  • 2계층 패킷 스위치
  • 플러그 앤 플레이
  • 높은 패킷 여과 및 전달률
  • 브로드캐스트 프레임 순환 방지를 위해 스위치 네트워크의 실제 사용되는 토폴로지는 스패닝 트리로 제한됨
  • 브로드캐스트 트래픽의 폭주에 대비하지 않음
• 라우터
  • 3계층 패킷 스위치
  • 패킷이 스패닝 트리로 제한받지 않고 출발지와 목적지 간 최상의 경로를 사용 가능
  • 2계층에서의 브로드캐스트 트래픽의 폭주에 대비한 방화벽 보호 기능
  • 플러그 앤 플레이가 아님
  • 3계층 필드까지 처리해야 함 → 패킷당 처리 시간이 스위치보다 큼

가상 근거리 네트워크(VLAN)

• 스위치 계층 구조를 이용하여 구성된 스위치 랜의 단점
  • 트래픽, 격리의 부족
    • 자가학습 스위치에 의해 목적지를 파악 못할 시 전체 네트워크로 전달 → 트래픽 전달 범위를 제한시켜 랜 성능 향상
    • 보안 관련하여 랜 브로드캐스트 트래픽을 제한해야 함
  • 스위치의 비효율적인 사용: 그룹마다 스위치가 필요
  • 사용자 관리: 사원의 그룹 이동 또는 여러 그룹에 속하는 경우 관리 복잡
• 물리적 근거리 네트워크 기반 구조 상에서 여러 개의 가상 근거리 네트워크를 정의할 수 있게 함
  • 네트워크 관리자가 그룹을 나누면 각 그룹은 하나의 VLAN을 구성함

링크 가상화: 링크 계층으로서의 네트워크

다중 프로토콜 레이블 스위칭(MPLS)

• 데이터그램을 선택적으로 레이블링해서 라우터로 하여금 고정 길이 레이블을 기반으로 데이터그램을 전달할 수 있도록 목적지 기반 IP 데이터그램 전달 하부구조를 확장시키는 것이 목표
• 패킷의 IP 주소를 고려하지 않고 테이블 기반으로 스위칭

데이터 센터 네트워킹

부하 균등화

• 부하 균등화기
  • 요청을 호스트로 분배하고 호스트의 현재 부하 상태에 따라 호스트 간의 부하를 균등하게 함
  • 목적지 포트 번호에 따라 결정하여 4계층 스위치라고도 함
  • 공용 외부 IP 주소를 내부 IP 주소로 변환

걔충적 구조

• 확장성 문제 해결
• 호스트-호스트 간 용량 제한