이더넷(Ethernet)

이더넷(Ethernet) 이란?

지역 네트워크(Local Area Networks, LANs)에서 사용되는 가장 일반적인 유형의 네트워크 기술이다. 1970년대 후반에 개발되어 널리 퍼졌으며, 이더넷을 통해 여러 컴퓨터, 프린터, 스캐너, 그리고 다른 네트워크 기기들이 서로 연결되어 데이터를 공유하고 통신할 수 있다. 이더넷 기술은 계속해서 발전해 왔으며, 초기의 수 Mbps(메가비트/초)에서 현재는 Gbps(기가비트/초) 단위의 속도로 데이터를 전송할 수 있게 되었다. 또한, 기술이 발전함에 따라 무선 이더넷(Wi-Fi)과 같은 기술도 등장하였다. 이더넷은 그 간편함과 비용 효율성 때문에 오늘날에도 여전히 많이 사용되는 네트워킹 기술이다.

 

 

이더넷은 결국 네트워크 프로토콜이며, 어떤 계층에서 주로 쓰일까?

이더넷(Ethernet)은 결국 네트워크 상에서 사용되는 프로토콜이다. 이 때 네트워크는 설계와 통신의 효율성을 위해서 여러 계층으로 나뉘어 있는데, 대표적으로 OSI 7계층이 있다. 이더넷은, OSI 모델의 하위 계층, 즉 물리 계층(Physical Layer)과 데이터 링크 계층(Data Link Layer)에서 주로 사용된다.

 

물리 계층에서 이더넷은 신호의 전기적, 물리적 표현을 다룬다. 즉, 데이터를 전기 신호로 변환하여 네트워크 케이블을 통해 전송하는 방법을 정의한다. 이 계층에서 사용되는 케이블 유형(예: 동축 케이블, 트위스티드 페어, 광섬유)과 신호의 전송 방식 등을 결정한다.

 

데이터 링크 계층에서는 프레임 구조와 MAC(Media Access Control) 주소를 이용하여 네트워크 내의 장치들 간의 데이터 전송을 관리한다. 이 계층은 데이터의 오류 검출 및 수정, 프레임의 조립과 분해, 흐름 제어와 재전송을 담당한다. 이더넷 프로토콜은 이 계층에서 CSMA/CD 접근 방식을 사용하여 여러 장치가 동일한 통신 채널을 공유할 수 있도록 한다.

 

이더넷은 이 두 계층을 통해 데이터의 물리적 전송과 네트워크 내 데이터 링크의 제어를 담당하며, 네트워크의 기본적인 연결과 데이터 전송 기능을 제공한다. 따라서, OSI 모델에서 이더넷은 주로 물리 계층과 데이터 링크 계층에서의 기술과 프로토콜로 구성되어 있다.

 

 

이더넷이 나르는 데이터 단위, 프레임(Frame)

이더넷은 네트워크상에서 데이터를 프레임(Frame)이라는 단위로 전송하기 위한 프로토콜이다. 이더넷 프레임은 네트워크 내에서 데이터의 전달을 담당하는데, 각 프레임은 출발지와 목적지의 MAC 주소를 포함하여 어떤 장치에서 어떤 장치로 데이터가 전송되어야 하는지 명시한다. 또한, 프레임 검사 순열(Frame Check Sequence, FCS)을 이용하여 데이터의 오류를 검출할 수 있으며, 이는 네트워크 통신의 신뢰성을 보장하는 데 중요한 역할을 한다.

 

이더넷은 이러한 프레임을 사용하여 데이터를 전송함으로써 네트워크 상의 다양한 장치들이 효과적으로 통신할 수 있게 해주며, 네트워크의 구성 및 관리를 간소화한다. 이더넷은 또한 여러 기기가 동시에 데이터를 전송할 때 발생할 수 있는 충돌을 관리하고, 필요한 경우 재전송을 수행하는 메커니즘을 제공한다. 이 모든 특성 덕분에 이더넷은 전 세계적으로 가장 널리 사용되는 네트워크 기술 중 하나가 된 것이다.

프레임의 구성요소

구성요소 이름	구성요소 설명	크기
Preamble (프리앰블)	이더넷 프레임의 시작 부분에 위치해서 데이터 프레임의 시작을 알리는 역할을 한다. 그를 위해 수신 장치의 리시버(clock synchronization) 클록과 동기화를 도와준다. 각 바이트는 '10101010' 패턴으로 이루어져 있으며, 이 패턴을 7번 반복하면 프리앰블의 전체 형태를 얻을 수 있다. 각 '10101010'은 이더넷 하드웨어에 의해 전송되는 전기적 신호의 변화를 나타내는데, 이 패턴을 통해 수신 장치는 데이터 프레임의 시작을 알리는 시작 프레임 구분자(SFD)가 나타나기 전에 자신의 클록을 송신 장치의 클록과 동기화시킬 준비를 한다.	7 bytes
SFD (Start Frame Delimiter) (시작 프레임 구분자)	프레임의 시작을 명확하게 구분하는 데 사용되며, 수신 장치가 프리앰블 패턴을 인식하고 클록을 동기화한 후 실제 데이터 전송이 시작되는 시점을 정확히 감지하도록 돕는다. 패턴은 10101011 인데, 이 패턴 중 마지막 11이 중요한 역할을 하여 프리앰블의 반복되는 10101010 패턴에서 변화를 제공하고, 이를 통해 프레임의 시작점을 명확하게 하는 것이다. SFD는 프레임의 데이터 부분이 시작되는 시점을 수신 장치에 명확히 알려준다. 이는 네트워크 장비가 데이터 스트림 중에서 실제 유용한 데이터 부분을 정확히 식별하고 처리를 시작할 수 있도록 해준다. 프리앰블을 통해 수신 장치의 클록이 송신 장치의 클록과 동기화되었다면, SFD는 이 동기화 상태를 유지하며 실제 데이터 처리가 시작될 준비를 한다.	1 byte
Destination MAC (도착지 MAC 주소)	이더넷 프레임이 도달해야 할 최종 수신 장치의 물리적 주소	6 bytes
Source MAC (출발지 MAC 주소)	프레임을 보내는(송신) 장치의 물리적 주소	6 bytes
Type / Length	프레임 내부에 캡슐화된 데이터의 유형(예: IPv4, ARP 등) 또는 데이터 영역의 길이	2 bytes
Data and Padding	실제 전송할 데이터가 포함되며, 변동적인 길이를 갖는다. 즉, 최소 프레임 길이를 충족시키지 못할 경우 패딩 바이트를 추가하여 길이를 조절하는 것이다. (이더넷 프레임은 최소 64바이트 길이를 유지해야 한다.)	46-1500 bytes
FCS (Frame Check Sequence) (프레임 검사 순열)	데이터의 무결성을 검증하기 위해 사용되는 CRC 값	4 bytes

 

 

CSMA/CD

 

Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection

 

이더넷 네트워크에서 데이터 전송 시 충돌을 감지하고 해결하는 프로토콜이다. 이더넷이 데이터 통신의 신뢰성과 효율성을 높이는 데 기여하는 핵심적인 개념이다.

 

앞선 프레임의 구성요소 중 하나인 FCS 와는 데이터를 안전하고 정확하게 전송하는 데 중요한 역할이라는 점에서는 공통점이 있지만 이 둘은 엄연히 차이가 있다. CSMA/CD는 프로토콜의 일부로서 데이터 전송 방법과 네트워크 내 충돌 관리를 정의한다. 이는 이더넷 프레임의 물리적 구성요소가 아니다. 그러나 FCS는 물리적인 이더넷 프레임의 구성요소로, 데이터 무결성을 검증하기 위해 사용되는 CRC 값을 포함한다.

 

작동방식은 다음과 같다.

 

1. Carrier Sense (캐리어 감지)

데이터를 전송하기 전에 네트워크 케이블의 신호를 감지하여 다른 장치가 현재 데이터를 전송 중인지 확인한다. 만약 매체가 사용 중이라면, 장치는 데이터 전송을 보류한다.

 

2. Multiple Access (다중 접근)

여러 장치가 동일한 네트워크 세그먼트에 접근할 수 있으며, 이들 모두가 데이터를 전송할 수 있는 권한을 갖는다. 각 장치는 매체의 상태를 확인하고 사용 가능할 때 데이터를 전송할 수 있다.

 

3. Collision Detection (충돌 감지)

데이터 전송 중 충돌이 감지되면, 해당 장치는 전송을 중지하고 임의의 시간을 기다린 후 재전송을 시도한다. 충돌이 감지되면, 관련된 모든 장치는 전송을 중단하고 무작위로 정해진 시간 동안 대기한 후 다시 전송을 시도한다.

 

 

 

그 외 이더넷이 데이터를 안전하고 정확하게 전송하는 방법

이러한 기술들은 네트워크의 신뢰성을 향상시키고, 효율적인 데이터 전송을 보장하는 데 중요한 역할을 한다.

 

 

1. Full-Duplex 모드

Full-Duplex 모드를 사용하면 CSMA/CD 프로토콜이 필요 없는데, 데이터를 동시에 양방향으로 전송할 수 있게 해주어 충돌이 발생하지 않기 때문이다. 이는 송신 채널과 수신 채널이 물리적으로 분리되어 있으며, 통신의 효율성을 크게 향상시키고 특히 고속 이더넷 환경에서 성능을 개선하는데 중요하다. 양방향 동시 통신이 가능하기 때문에, 각 장치는 상대방의 신호를 기다릴 필요 없이 계속해서 데이터를 송수신할 수 있다. (CSMA/CD는 하나의 채널에서 여러 장치가 데이터를 보낼 때 충돌이 발생할 수 있는 환경, 즉 Half-Duplex 환경에서 주로 필요하다.)

 

 

2. 이더넷 스위칭

이더넷 스위칭은 네트워크 내에서 데이터 패킷을 효율적으로 전송하고 분배하는 방식을 말한다. 이더넷 스위치는 네트워크의 중요한 기기로, 네트워크 내 여러 장치 간에 데이터 통신을 중계하고 관리한다.

 

이더넷 스위칭의 주요 기능은 다음과 같다.

 

프레임 전달

이더넷 스위치는 수신한 프레임의 MAC 주소를 확인하여 해당 프레임을 올바른 목적지로 전달합니다. 이 과정에서 스위치는 내부적으로 MAC 주소 테이블을 관리하여, 각 MAC 주소가 어느 포트에 연결되어 있는지 추적한다.

콜리전 도메인 분할

스위치는 각 포트별로 독립적인 콜리전 도메인을 생성한다. 이는 네트워크의 충돌 영역을 줄이고, 전체 네트워크의 효율성을 향상시킨다. 하나의 포트에서 발생하는 문제가 다른 포트나 장치에 영향을 주지 않도록 한다.

프레임 필터링 및 전달 결정

스위치는 수신된 각 프레임의 목적지 MAC 주소를 분석하여, 해당 프레임을 필요한 포트로만 전달한다. 이는 불필요한 트래픽을 제한하고, 네트워크 보안과 성능을 향상시킨다.

 

 

 

3. VLAN (Virtual Local Area Network)

VLAN은 하나의 물리적 네트워크 내에서 여러 개의 가상 네트워크를 생성할 수 있게 해준다. 하나의 물리적 네트워크 내에서 여러 개의 분리된 논리적 네트워크를 생성할 수 있으며, 이를 통해 네트워크의 관리, 보안, 성능을 향상시킬 수 있다.

 

VLAN 구현 방식은 다음과 같다.

태그 기반 VLAN (Tagged VLAN)

이더넷 프레임에 VLAN 식별자 (VLAN ID)를 포함시키는 방식이다. IEEE 802.1Q 표준이 이에 해당하며, 스위치는 태그를 해석하여 프레임을 적절한 VLAN에 전달한다.

포트 기반 VLAN (Port-based VLAN)

스위치의 포트마다 고정된 VLAN을 할당하는 방식이다. 연결된 디바이스는 자동적으로 해당 포트에 설정된 VLAN의 일원이 된다.

 

 

 

4. Quality of Service (QoS)

네트워크에서 데이터 트래픽을 관리하고 특정 종류의 트래픽에 우선순위를 부여하여, 네트워크 자원을 효율적으로 사용하고 사용자의 경험을 최적화하는 기술이다. QoS는 VoIP(음성 통신), IPTV, 비디오 스트리밍, 온라인 게임과 같이 실시간 성능이 중요한 서비스를 제공하는 데 필수적이다.

 

 

 

5. 링크 집계 (Link Aggregation)

링크 집계는 여러 개의 물리적 이더넷 연결을 논리적인 단일 연결로 묶어 처리량을 증가시키고, 연결의 신뢰성을 향상시킨다. 이 기술은 서버와 스위치 사이에 다중 연결을 설정하여, 하나의 연결에 문제가 발생하더라도 다른 연결을 통해 데이터 전송을 계속할 수 있게 한다.