1. 이더넷

물리 계층과 데이터 링크 계층은 서로 밀접하게 연관되어 있다. 오늘날 두 계층은 이더넷이라는 공통 기술을 사용하기 때문이다.

• 이더넷(Ethernet) : 현대 LAN, 유선 LAN 환경에서 가장 대중적으로 사용되는 기술
• e.g. 두 대의 컴퓨터가 있다고 가정해보면,
  • 이 컴퓨터끼리 정보를 주고받으려면 가장 먼저 케이블과 같은 통신 매체가 필요하다.
  • 그리고 통신 매체를 통해 정보를 송수신하는 방법이 정해져 있다.
• 이더넷은 다양한 통신 매체의 규격들과 송수신되는 프레임의 형태, 프레임을 주고받는 방법 등이 정의된 네트워크 기술이다.

1.1 이더넷 표준

• 오늘날의 유선 LAN 환경은 대부분 이더넷을 기반으로 구성된다.
• 그래서 유선 LAN 환경을 구축했다면,
  • 십중팔구 물리 계층에서는 이더넷 규격 케이블을 사용했을 것이고,
  • 데이터 링크 계층에서 주고받는 프레임은 이더넷 프레임의 형식을 따를 것이다.
• 현재 이더넷은 국제 표준화가 이루어 졌다.
  • cf. 전기전자공학자협회(IEEE; Institute of Electrical and Electronics Engineers) 국제조직은 이더넷 관련 기술을 IEEE 802.3이라는 이름으로 표준화했다.
  • IEEE 802.3이란 이더넷 관련 다양한 표준들의 모음을 의미한다.
• 서로 다른 컴퓨터가 각기 다른 제조사의 네트워크 장비를 사용하더라도 동일한 형식의 프레임을 주고받고 약속한 듯,
  • 통일된 형태로 작동하는 것은 통신 매체를 비롯한 네트워크 장비들이 이더넷 표준을 준수하기 때문이다.
• 오늘날 모든 네트워크 장비들은 특정 이더넷 표준을 이해하고 따른다고 봐도 무방하다.
• IEEE 802.3은 이더넷 표준들의 모음을 뜻하기도 하지만,
  • 이더넷 표준화 작업을 위한 IEEE의 전문가 단체, 이른바 이더넷 작업 그룹(Ethernet working group)의 이름이기도 하다.
• 관련 홈페이지에 방문해보면 오늘날에도 새 표준이 개발되고 있다.
  • cf. https://www.ieee802.org/3/
  • IEEE 802.3의 다양한 표준들은 802.3u 혹은 802.3ab처럼 숫자 802.3 뒤에 버전을 나타내는 알파벳으로 표현한다.
  • 많은 표준들이 있지만, 처음부터 모두 암기할 필요는 없다.
  • 핵심은 이더넷 표준에 따라 지원되는 네트워크 장비, 통신 매체의 종류와 전송 속도 등이 달라질 수 있다.

1.2 통신 매체 표기 형태

이더넷 표준에 따라 통신 매체의 종류와 전송속도가 달라질 수 있다면,

• 이더넷 표준 규격에 따라 구현된 통신 매체를 지칭할 떄,
• IEEE 802.3i 케이블, IEEE 802.3u 케이블처럼 표기할까?
• 위와 같은 경우도 있지만, 일반적으로 그렇지 않다.

보통 이더넷 표준 규격에 따라 구현된 통신 매체를 지칭할 떄는, 통신 매체의 속도와 특성을 한눈에 파악하기 쉽도록 다음 형태로 표기한다.

• 전송속도BASE-추가특성
  • 1000BASE-SX, 5GBASE-T, 1000BASE-LX,
  • 10BASE-T, 1000BASE-CX, 25GBASE-LR, 2.5GBASE-T, 100GBASE-LR4 등등

1.2.1 전송 속도

• 전송 속도(data rate) : 숫자만 표기되어 있으면 Mbps 속도, 숫자 뒤에 G가 붙는 경우 Gbps 속도를 의미한다.
• e.g. 1000Base-T 케이블 : 100Mbps 속도를 지원하는 케이블
• e.g. 10GBASE-T 케이블 : 10Gbps 속도를 지원하는 케이블

1.2.2 BASE

• BASE는 베이스밴드(BASEband)의 약자로, 변조 타입(modulation type)을 의미한다.
• 변조타입 : 비트 신호로 변환된 데이터를 통신 매체로 전송하는 방법을 의미
• 일반적인 LAN 환경에서는 특별한 경우가 아니라면, 대부분 디지털 신호를 송수신하는 베이스밴드 방식을 사용
  • 대부분의 이더넷 통신 매체는 BASE를 사용한다.
• cf. BASE 외에도 BROAD로 표기하는 브로드밴드(BROADband), PASS로 표기하는 패스밴드(PASSband)도 있다.

1.2.3 추가 특성

• 추가 특성(additional distinction)에는 통신 매체의 특성을 명시한다.
• 이곳에 명시할 수 있는 특성의 종류는 다양하다.
  • 10BASE-2, 10BASE-5와 같은 전송 가능한 최대 거리가 명시되기도 하고,
  • 데이터가 비트 신호로 변환되는 방식을 물리 계층 인코딩 방식이 명시되기도 하며,
  • 비트 신호를 옮길 수 있는 전송로 수를 의미하는 레인 수가 명시되기도 한다.
• 다만 처음 이더넷을 학습하는 개발자 입장에서는 추가 특성의 종류와 원리는 모두 알야하는 경우가 많지 않다.

1.3 통신 매체 종류

추가 특성에 C, T, S, L이라는 글자가 있다면, 이는 각각 동축 케이블(C), 트위스티드 페어 케이블(T), 단파장 빛을 활용하는 광섬유 케이블(S), 장파장 빛을 활용하는 광섬유 케이블(L)을 의미한다.

• 지금은 트위스티드 페어 케이블은 구리선 이용하는 케이블,
• 광섬유 케이블은 빛을 이용하는 테이블의 일종이다.

이제 통신 매체의 전송 속도와 종류를 중심으로 의미를 파악해보면,

• 10BASE-T 케이블 : 10Mbps 속도를 지원하는 트위스티드 페어 케이블
• 1000BASE-SX 케이블 : 1000Mbps 속도를 지원하는 단파장 광섬유 케이블
• 1000BASE-LX 케이블 : 1000Mbps 속도를 지원하는 장파장 광섬유 케이블

다음 표는 이더넷 표준과 이를 기바으로 하는 통신 매체 일부 예시이다.

• 전송속도BASE-추가특성 형태의 표기를 볼 때,
  • 어떤 종류의 통신 매체인지, 전송 속도는 어느 정도인지 짐작하기 수월하다.
  • 다만, 이더넷 표준과 통신 매체의 표기가 항상 일대일로 대응되는 것은 아니다.

💡 이더넷의 발전

이더넷은 지금도 발전 중이다. 규격별로 지원되는 속도도 점차 빨라지고 있다.

• 초기 이더넷은 대체로 10Mbps 정도의 속도를 지원했지만,
• 곧 10배 빠른 100Mbps 가량의 속도를 지원하는 이더넷 기술이 개발되었다.
• 이처럼 100Mbps 가량의 속도를 지원하는 표준들을 통틀어 고속 이더넷(Fast Ethernet)이라 부른다.
• 최근 고속 이더넷의 10배(1Gbps), 100배(10Gbps), 혹은 그 이상의 속도를 지원하는 이더넷 표준들이 많이 만들어 지고 있다.
• 1Gbps 가량의 속도를 내는 이더넷 표준은 기가비트 이더넷(Gigabit Ethernet),
• 10Gbps 가량의 속도를 내는 이더넷 표준은 10기가비트 이더넷(10 Gigabit Ethernet)이라 통칭한다.
• 요컨데, 10BASE-T는 초기 이더넷, 100BASE-TX는 고속 이더넷,
  • 1000BASE-T는 기가비트 이더넷, 10GBASE-T는 10기가비트 이더넷의 대표 규격이다.

1.4 이더넷 프레임

지금까지는 물리 계층과 관련된 이더넷 표준과 통신매체를 알아보았다. 이번에는 데이터링크 계층의 이더넷 프레임에 대해 알아보자.

현대 유선 LAN 환경은 대부분 이더넷을 기반으로 구성되므로,

• 호스트가 데이터 링크 계층에서 주고받는 프레임 형식도 정해져 있다.
• 즉, 이더넷 네트워크에서 주고받는 프레임인 이더넷 프레임(Ethernet frame) 형식은 정해져 있다.
• 이더넷 프레임은 상위 계층으로부터 받아들인 정보에 헤더와 트레일러를 추가하는 캡슐화 과정을 통해 만들어진다.
• 수신지 입장에서는 프레임의 헤더와 트레일러를 제거한 뒤 상위 계층으로 올려보내는 역캡슐화 과정을 거친다.

• 이더넷 프레임 헤더는 기본적으로 프리앰블, 수신지 MAC 주소, 송신지 MAC 주소, 타입/길이로 구성되고,
• 페이로드는 데이터, 트레일러는 FCS로 구성된다.

1.4.1 프리앰블

• 프리앰블(preamble) : 이더넷 프레임의 시작을 알리는 8바이트(64비트) 크기의 정보
• 프리앰블의 첫 7바이트는 10101010 값을 가지고, 마지막 바이트는 10101011 값을 가진다.
• 수신지는 이 프리앰블을 통해 이더넷 프레임이 오고 있음을 알아차립니다.
• 즉, 프리앰블은 송수신지 간의 동기화를 위해 사용되는 정보이다.

1.4.2 수신지 MAC 주소와 송신지 MAC 주소

• ‘물리적 주소’라고 불리는 MAC 주소는 데이터 링크 계층의 핵심이다.
• MAC 주소는 네트워크 인터페이스마다 부여되는 6바이트(48비트) 길이의 주소로,
  • LAN 내의 수신지와 송신지를 특정할 수 있다.
• 같은 네트워크 내에서 동일한 MAC 주소를 가진 기기들이 있다면,
  • 송신지와 수신지를 특정할 수 없기에 곤란할 것입니다.
• 그래서 MAC 주소는 일반적으로 고유하고, 일반적으로 변경되지 않는 주소로써 네트워크 인터페이스마다 부여된다.
• 보통 NIC(Network Interface Controller)라는 장치가 네트워크 인터페이스 역할을 담당한다.
  • 즉, 한 컴퓨터에 NIC가 여러 개 있다면, MAC 주소도 여러 개 있을 수 있다.

MAC 주소와 관련한 대표적인 오해 중 하나가 바로 MAC 주소는 ‘반드시 고유하고 변경이 불가능하다’라는 점이다.

• 사실 MAC 주소의 변경이 가능한 경우도 많으며, 따라서 고유하지 않을 수도 있다.
• 다만, 동일 네트워크 내에서 동작하는 기기의 MAC 주소가 우연히 같을 확률은 낮고, 같게 만드는 상황도 흔하지 않다.
• 따라서 MAC 주소를 ‘일반적으로 고유하고, 변경되지 않는 주소’ 정도로 이해하는 것이 적절하다.

윈도우 운영체제에서 명령프로프트(CMD)를 열고 getmac /v 혹은 ipconfig /all을 입력한다.

1
$ getmac /v
2
# 물리적 주소 === MAC 주소
3
연결 이름     네트워크 어댑터       물리적 주소           전송이름
4
=======    ==============    =================  ===============
5
Wi-Fi      Intel(R) Wi-Fi    AB-CD-EF-AB-CD-01
6
Bluetooth  Bluetooth Devic   AB-CD-EF-AB-CD-02

맥OS나 리눅스 운영체제는 터미널을 열고 ifconfig를 입력한다.

1
$ ifconfig
2
en0: flags=8863<UP,BROADCAST,SMART,RUNNING,SIMPLEX,MULTICAST> mtu 1500
3
	options=50b<RXCSUM,TXCSUM,VLAN_HWTAGGING,AV,CHANNEL_IO>
4
	ether a1:b2:e3:a4:c5:e6 # MAC 주소
5
	inet6 fe80::c09:9125:a6f6:a3b8%en0 prefixlen 64 secured scopeid 0x6
6
	inet 192.168.123.123 netmask 0xffffff00 broadcast 192.168.123.123
7
	nd6 options=201<PERFORMNUD,DAD>
8
	media: autoselect (1000baseT <full-duplex>)
9
	status: active

MAC 주소를 보면, 총 48비트, 16진수 12자리로 구성된다.

1.4.3 타입/길이

타입/길이 필드에는 타입(type) 혹은 길이(length)가 올 수 있다.

• 필드에 명시된 크기가 1500(16진수 05DC)이하면, 프레임의 크기(길이)를 나타내는데 사용
• 필드에 명시된 크기가 1536(16진수 0600)이상면, 타입를 나타내는데 사용

타입 : 이더넷 프레임이 ‘어떤 정보를 캡슐화했는지’를 나타내는 정보

• cf. 이더타입(ethertype)이라고도 부른다.
• 대표적으로 상위 계층에서 사용된 프로토콜이 이름이 명시된다.
• e.g. IPv4 프로토콜이 캡슐화된 정보를 운반한다면, 타입에는 16진수 0800이,
  • 어떤 프레임이 ARP 프로토콜이 캡슐화된 정보를 운반한다면, 타입에는 16진수 0806이 명시된다.

💡 이더넷 프레임의 타입은 더 많은 종류가 있다.

• Https://github.com/kangtegong/self-learning-cs2

1.4.4 데이터

데이터 : 상위 계층에서 전달받거나 상위 계층으로 전달해야 할 내용

• 네트워크 계층의 데이터와 헤더를 합친 PDU가 이곳에 포함된다.
• 최대 크기는 1500바이트로, 주의할 점은 반드시 일정 크기(64바이트 이상)이어여 한다.
  • 그 이하의 데이터라면, 크기를 맞추기 위해 패딩(padding)이라는 정보가 내부에 채워진다.
  • 보통 46바이트 이상이 될 떄까지 0으로 채워진다.

1.4.5 FCS

FCS(Frame Check Sequence) : 수신한 이더넷 프레임에 오류가 있는지 확인하기 위한 필드

• 앞서 데이터 링크 계층에서 오류검출이 일어나기도 한다고 했는데, 바로 여기서 오류검출이 이루어진다.
• 이 필드에는 CRC(Cyclie Redundancy; 순환 중복 검사)라는 오류 검출용 값이 들어간다.
• 송신지는 프리앰블을 제외한 나머지 필드 값들 바탕으로 CRC 값을 계산한 후, 이 값을 FCS필드에 명시한다.
• 수신지는 수신한 프레임에서 프리앰블과 FCS필드를 제외한 나머지 필드 값들을 바탕으로 CRC 값을 계산한 뒤,
  • 이 값을 FCS 필드 값과 비교한다.
• 이떄 비교 값이 일치하지 않으면, 오류가 있다고 판단하여 해당 프레임을 폐기한다.

1.5 토큰 링

이더넷 외에 다른 LAN 기술도 있다. 대표적으로 토큰 링(Token Ling)방식이 있다.

• 토큰 링 네트워크에서는 호스트들이 위 그림처럼 링(고리) 형태로 연결된다.
• 호스트끼리 돌아가며 토큰이라는 특별한 정보를 주고받는데,
  • 네트워크 내 다른 호스트에게 메시지를 송신하려면, 반드시 이 토큰을 가지고 있어야 한다.
• 위 그림을 보면, 현재 토큰이 A에게 있으므로 지금은 A만 메시지 전송이 가능하다.
  • C나 D는 메시지를 송신하고 싶어도 송신할 수 없다.
• A는 메시지 전송이 끝나면, 다음 컴퓨터(가령 B)에게 토큰을 넘겨준다.
  • 만약 B가 송신할 메시지가 없다면, 다음 컴퓨터(가령 C)에게 토큰을 그대로 넘겨준다.
  • C가 송신하고자 하는 메시지가 있었다면, 이제 비로소 송신할 수 있다.

2. NIC와 케이블

• NIC(Network Interface Controller): 호스트와 통신 매체를 연결하고, MAC 주소가 부여되는 네트워크 장비
• 케이블(cable) : NIC에 연결되는 물리 계층의 유선 통신 매체
• 케이블의 종류는 다양하지만, 오늘날 유선 네트워크에 사용되는 대표적인 케이블은 두 종류가 있다.
  • 트위스트 페어 케이블
  • 광섬유 케이블
• cf. NIC와 케이블은 호스트뿐만 아니라 네트워크 장비에도 연결될 수 있지만,
  • 편의상 ‘호스트와 연결된다’표현 가능하다.

2.1 NIC

통신 매체에는 전기, 빛 등 다양한 신호가 흐를 수 있다. 호스트가 이를 제대로 이해하려면, 통신매체를 통해 전달되는 신호와 컴퓨터가 이해할 수 있는 정보 간에 변환이 이루어 져야 한다.

• 이떄 호스트와 유무선 통신 매체를 연결하고, 이러한 변환을 담당하는 네트워크 장비가 NIC다.
• e.g. 통신 매체를 통해 전달되는 신호를 사람들이 주고 받는 ‘말’에 비유한다면,
  • NIC는 ‘귀’와 ‘입’에 비유할 수 있다.
• 호스트는 NIC가 있어야 네트워크에 참여할 수 있다.
• 이런 점에서 NIC를 ‘호스트를 네트워크(LAN)에 연결하기 위한 하드웨어’라 표현되기도 한다.

2.1.1 NIC의 생김새

NIC는 네트워크 인터페이스 카드, 네트워크 어댑터, LAN 카드, 네트워크 카드, 이더넷 카드(이더넷 네트워크인 경우) 등 다양한 명칭으로 불린다.

확장 카드(expansion card)는 컴퓨터에 기능을 추가할 목적으로 연결하는 카드 형태의 회로 기판을 말함

• ‘카드’라는 표현이 붙는 이유는 초기 NIC는 위 그림처럼 확장 카드 형태로 따로 연결해 사용해야 했기 떄문이다.
• 요즘에는 NIC 형태도 다양해졌다. USB로 연결하는 NIC도 있고, 마더보드에 내장된 NIC도 있다.
• 만약 누가 추가 장치를 연결하지 않고도, 네트워크에 연결된 컴퓨터를 사용하고 있다면,
  • 높은 확률로 마더보드에 내장된 NIC를 사용 중일 것이다.

마더보드(motherboard)는 위 그림 오른쪽처럼 CPU, 메모리, 보조기억장치 등 컴퓨터의 주요 부품들을 연결할 수 있는 기판(baord)를 말한다. 흔히 메인보드(mainboard)라고도 부른다.

2.1.2 NIC의 역할

• NIC는 통신 매체에 흐르는 신호를 호스트가 이해하는 프레임으로 변환하거나,
• 반대로 호스트가 이해하는 프레임을 통신 매체에 흐르는 신호로 변환한다.
• 따라서 호스트가 네트워크를 통해 송수신하는 정보는 NIC를 거치게 된다.
• 이처럼 NIC는 네트워크와의 연결점을 담당하는 점에서 네트워크 인터페이스(network interface) 역할을 수행한다.

NIC는 호스트와 통신 매체 사이의 인터페이스 역할을 담당하는 네트워크 장비다.

MAC 주소는 네트워크 인터페이스마다 할당되고, NIC는 네트워크 인터페이스 역할을 수행한다고 했다.

• NIC는 MAC 주소를 통해 자기 주소는 물론, 수신되는 프레임의 수신지 주소를 인식한다.
  • 그래서 어떤 프레임이 자신에게 도달했을 떄,
  • 자신과 관련없는 수신지 MAC 주소가 명시된 프레임이라면 폐기할 수 있고,
  • FCS 필드를 토대로 오류를 검출해 잘못된 프레임을 폐기할 수 있다.

💡 NIC의 지원 속도

NIC마다 지원되는 속도가 다르다. 왜냐하면 NIC 지원 속도는 네트워크 속도에 영향을 끼치기 떄문이다.

• 통신 매체에 신호가 고속으로 흐른다면, NIC도 그에 맞춰 빨리 움직여야 빠른 성능을 낼 수 있다.
• 그래서 내장된 NIC가 있더라도, 높은 대역폭에서 많은 트래픽을 감당해야 하는 서버와 같은 환경에서는 고속의 NIC가 추가로 필요한 경우도 있다.
• NIC의 지원속도는 10Mbps부터 100Gbps에 이르기까지 NIC마다 다르다.
  • 물론 후자는 전자에 비해 고가의 장치인 경우가 많다.

2.2 트위스티드 페어 케이블

이번에는 유선 통신 매체인 케이블을 보자. 통신 매체로 연결된 두 호스트가 아부리 빠르게 데이터를 처리할 수 있어도, 정작 통신 매체가 해당 속도를 따라잡지 못하면 아무 효용이 없다.

트위스티드 페어 케이블(twisted pair cable)은 구리선으로 전기 신호를 주고받는 통신매체이다. LAN 케이블이라고 하면 가장 먼저 떠오를 만큼 대중적인 케이블이다.

2.2.1 트위스티드 페어 케이블의 생김새

트위스티드 페어 케이블은 케이블 본체와 케이블의 연결부인 커넥터(connector)로 이루어져 있다. 혹시 공유기나 컴퓨터에 인터넷 선을 직접 연결해봤다면, 위 그림처럼 생긴 케이블 커넥터를 볼 수 있다. 이떄 주로 활용되는 커넥터를 RJ-45라고 부른다.

이번에는 케이블 본체를 뜯어보면, 본체 내부는 케이블의 이름처럼 구리 선이 두 가닥씩(pair) 꼬아(twisted)져 있다.

• 그런데 본체가 구리 선으로 이루어진 상태에서 전기 신호를 주고받다 보면,
• 구리선에 전자적 간섭이 생길 수 있다는 문제가 있다.
• 이렇게 전기 신호를 왜곡시킬 수 있는 간섭을 노이즈(noise)라고 부른다.

트위스티드 페어 케이블은 구리 선으로 이루어졌기에 노이즈에 민감하다.

• 그래서 트위스티드 페어 케이블 중에서는 구리 선을 그물 모양의 철사 또는 포일로 감싸 보호하는 경우가 많다.
• 구리 선 주변을 감싸 노이즈를 감소시키는 방식을 차폐(shielding)라고 하고,
• 차폐에 사용된 그물 모양의 철사와 포일을 각각 브레이브 실드(braided shield) 혹은 포일 실드(foil shield)라고 한다.

2.2.2 실드에 따른 트위스티드 페어 케이블의 분류

• STP(Shielded Twisted Pair) 케이블 : 브레이브 실드로 구리 선을 감싸 노이즈를 감소시킨 트위스티드 페어 케이블
• FTP(Foil Twisted Pair) 케이블 : 포일 실드로 노이즈를 감소시킨 트위스티드 페어 케이블
• UTP(Unshielded Twisted Pair) 케이블 : 아무것도 감싸지 않은 구리 선만 있는 케이블

이처럼 트위스티드 페어 케이블은 실드에 따라 크게 3종류로 나눌 수 있지만, 이는 일반적인 구분법이다. 실제로는 실드의 종류를 다음과 같은 표기로 더 세분화하여 나누기도 한다.

X와 Y에는 U, S, F를 명시할 수 있다.

💡 XX / YTP

• U : 실드없음
• S : 브레이브 실드
• F : 포일 실드

XX는 케이블 외부를 감싸는 실드의 종류가 명시된다. 하나 혹은 두 개일 수도 있다. 그리고 Y에는 꼬인 구리 선 쌍을 감싸는 실드의 종류가 명시된다.

e.g.

• S/FTP 케이블 : 케이블 외부는 브레이드 실드로 보호되며, 꼬인 각 구리 선 쌍은 포일 실드로 감싼 케이블을 의미
• F/FTP 케이블 : 케이블 외부와 각 구리 선 쌍을 모두 포일 실드로 감싼 케이블을 의미
• SF/FTP 케이블 : 케이블 외부는 브레이드 실드와 포일 실드로 감싸고, 각 구리 선 쌍은 포일 실드로 감싼 케이블을 의미
• U/UTP 케이블 : 아무것도 감싸지 않은 케이블을 의미

실드의 종류는 케이블 본체에 직접 명시된 경우가 많기에 용어를 외우지 말고, 어떠한 실드를 어떤 규칙으로 표기하는지 이해하자.

2.2.3 카테고리에 따른 트위스티드 페어 케이블의 분류

트위스티드 페어 케이블은 카테고리(category)에 따라서도 분류할 수 있다. 카테고리는 트위스티드 페어 케이블 성능의 등급을 구분하는 역할을 한다. 높은 카테고리에 속한 케이블일 수 록 높은 성능을 보인다.

카테고리는 영문 표기 Category에서 앞의 세 글자를 딴 Cat이라는 표기로 줄여서 표현하는 경우가 많다. e.g. 카테고리3은 Cat3(혹은 Cat.3), 카테고리5는 Cat5(혹은 Cat.5)처럼 표기하는 식이다.

표의 내용처럼 카테고리에 따라 지원 대역폭, 주요 대응 규격, 전송 속도와 같은 케이블의 성능이 각각 다르다. 카테고리가 높을 수록 지원 가능한 대역폭이 높아지는데, 이는 카테고리가 높은 트위스티드 페어 케이블은 송수신할 수 있는 데이터의 양이 더 많고, 더 빠른 전송이 가능함을 의미한다.

카테고리는 케이블을 구매할 떄 확인해야 하는 정보 중 하나다. 위 그림처럼 케이블 자체에 적혀있는 경우도 많다. 자기 집에 트위스티드 페어 케이블이 있고, 케이블 본체에 카테고리가 명시되어 있다면 전송 속도를 한 번 짐작해보자.

2.3 광섬유 케이블

광섬유 케이블(fiber optic cable) : 빛(광신호)을 이용해 정보를 주고받는 케이블

• 빛을 이용해서 전송하기에 전기 신호를 이용하는 케이블에 비해 속도도 빠르고, 먼 거리까지 전송이 가능하다.
• 또한 노이즈로부터 간섭받는 영향도 적다.
• 그렇기에 광섬유 케이블은 대륙 간 네트워크 연결에도 사용된다.

2.3.1 광섬유 케이블의 생김새

광섬유 케이블도 트위스티드 페어 케이블과 마찬가지로 케이블 본체와 커넥터로 이루어져 있다.

다만 광섬유 케이블은 트위스티드 케이블에 비해 활용되는 커텍터 종류가 더 다양하다. 대표적으로 LC 커넥터, SC 커넥터, FC 커넥터, ST 커넥터가 있다.

광섬유 케이블 본체 내부는 마치 머리카락과 같은 형태의 광섬유로 이루어져 있다. 광섬유는 빛을 운반하는 매체다.

광섬유 한 가닥의 확대해보면, 광섬유 중심에는 코어(core)가 있다.

• 코어는 광섬유에서 실질적으로 빛이 흐르는 부분이다.

그리고 코어를 둘러싸는 클래딩(cladding)이 있다.

• 클래딩은 빛이 코어 안에서만 흐르도록 빛을 가두는 역할을 한다.
• 코어와 클래딩 간에 빛의 굴절률 차이를 만들어 빛을 코어 내부에 가두는 원리다.

광섬유 케이블은 코어의 지름에 따라 싱글 모드 광섬유 케이블(SMF: Single Mode Fiber)과 멀티 모드 광섬유(MMF; Multi Mode Fiber)로 나뉜다.

2.3.2 싱글 모드 광섬유 케이블

싱글 모드 광섬유 케이블과 멀티 모드 광섬유 케이블의 주된 차이점은 코어의 지름이다.

• 싱글모드는 코어의 지름이 8~10um정도로, 멀티 모드에 비해 작다.
  • cf. um는 길이의 단이로, 마이크로미터라고 읽는다.
• 코어의 지름이 작다면, 빛이 이동할 수 있는 경로가 많지 않다.
• 즉, 코어의 지름이 작다면, 빛의 이동경로가 하나 이상 갖기 어렵고,
  • 이를 두고 모드(mode)가 하나(single)라고 표현한다.
• 싱글 모드 케이블은 신호 손실이 적기에 장거리 전송에 적합하다.
• 반면에, 멀티 모드에 비해 일반적으로 비용이 높다는 단점이 있다.

싱글 모드 케이블은 파장이 긴 장파장의 빛을 사용한다. 대표적으로 싱글 모드 광섬유 케이블 규격으로는 1000BASE-LX, 10GBASE-LR이 있다. 여기서 L은 장(Long)파장을 의미한다.

2.3.3 멀티 모드 광섬유 케이블

멀티 모드 케이블은 코어의 지름이 50~62.5um 정도로 싱글모드보다 크다.

• 따라서 빛이 여러 경로로 이동할 수 있다.
  • 이를 두고 모드(mode)가 여러 개(multi)라고 표현한다.
• 멀티 모드는 싱글 모드보다 전송 시 신호 손실이 클 수 있기에 장거리 전송에 부적합하다.
• 실제로 싱글 모드 케이블은 수십 킬로미터까지 전송이 가능한 데 비해,
  • 멀티 모드 케이블은 일반적으로 수백 미터, 길어야 수 킬로미터 정도만 전송이 가능하다.
  • 그래서 멀티 모드 케이블은 비교적 근거리를 연결하는 데 주로 사용된다.

또한 멀티 모드 케이블은 싱글 모드에 비해 단파장의 빛을 사용한다.

• 대표적인 멀티 모드 케이블 규격으로 1000BASE-SX, 10GBASE-SR이 있다.
• 여기서 S는 단(short)파장을 의미한다.

💡 케이블 색상으로 분류하는 싱글모드와 멀티모드

• 싱글 모드 광섬유 케이블과 멀티 모드 광섬유 케이블은 케이블 본체의 색상으로 구분할 수 있다.
• 일반적으로 싱글 모드는 대부분 노란색과 파란색을 쓴다.
• 일반적으로 멀티 모드는 대부분 오렌지색과 아쿠아색을 쓴다.

3. 허브

통신 매체를 통해 송수신되는 메시지는 다른 호스트에게 전달되는 과정에서 네트워크 장비를 거칠 수 있다.

• 대표적이 네트워크 장비로 물리 계층에는 허브가 있고, 데이터 링크 계층에는 스위치가 있다.
• 먼저 물리 계층에서 여러 대의 호스트를 연결하는 허브의 특징을 알아보고,
  • 이와 관련해 허브의 동작 방식인 반이중 모드 통신에 대해 알아본다.
  • 이와 반대되는 개념인 전이중 모드도 함께 배운다.
• 또한 허브에 발생하는 충돌 문제와 이를 해결하기 위한 프로토콜인 CSMA/CD도 배운다.

3.1 주소 개념이 없는 물리 계층

기억할 점은 물리 계층에는 주소 개념이 없다.

• 송수신지를 특정할 수 있는 주소는 데이터 링크 계층부터 존재하는 개념이다.
• 물리 계층에서는 단지 호스트와 통신 매체 간의 연결과 통신 매체상의 송수신이 이루어진다.
• 그렇기에 물리 계층의 네트워크 장비는 송수신되는 정보에 대한 어떤 조작(송수신 내용변경)이나 판단을 하지 않는다.

반면에, 데이터 링크 계층에는 주소 개념이 있다.

• MAC 주소가 이 계층에 속한다.
• 따라서 데이터 링크 계층의 장비나 그 이상의 계층의 장비들은 송수신지를 특정할 수 있고,
  • 주소를 바탕으로 송수신되는 정보에 대한 조작과 판단을 할 수 있다.

이 차이점은 단순해 보여도 물리 계층과 데이터 링크 계층의 장비, 기술, 특징을 이해하는데 중요한 기반이 된다.

3.2 허브

물리 계층의 허브(hub)는 여러 대의 호스트를 연결하는 장치다.

• 리피터 허브(repeater hub)라 부르기도 하고,
• 이더넷 네트워크의 허브는 이더넷 허브(ethernet hub)라고도 한다.

위 그림에서 커넥터를 연결할 수 있는 4개의 연결지점이 볼 수 있다.

• 이를 포트(port)라고 한다.
• 포트에 호스트와 연결된 통신 매체를 연결할 수 있다.
• cf. 포트(port)라는 용어는 다른 의미로도 사용된다.

3.2.1 허브의 특징

사실 허브는 오늘날 인터넷 환경에서는 잘 사용되지 않는다. 그런데도 수 많은 네트워크 서적들이 허브를 설명하는 이유는 허브가 가진 2가지 특징 떄문이다. 이 특징은 중요한 네트워크 개념을 내포하고 있으며, 곧 허브의 한계와도 직결되기도 한다.

(1) 전달받은 신호를 다른 모든 포트로 그대로 다시 내보낸다.

• 허브는 물리 계층에 속한 장비고, 물리 계층에는 주소 개념이 없기에, 허브는 수신지를 특정할 수 없다.
• 따라서 신호를 전달받으면, 어떤 조작이나 판단을 하지 않고, 송신지를 제외한 모든 포트에 그저 내보내기만 한다.
• 허브를 통해 신호를 전달받은 모든 호스트는 데이터 링크 계층에서 패킷의 MAC 주소를 확인하고 자신과 관련없는 주소는 폐기한다.

(2) 반이중 모드로 통신한다.

반이중(half duplex) 모드는 마치 1차선 도로처럼 송수신을 번갈아 가면서 하는 통신 방식이다.

• e.g. 위 그림처럼 호스트 A가 B에게 메시지를 송신할 떄 호스트 B는 A에게 송신할 수 없다.
  • 반대의 경우도 마찬가지다. 즉, 동시에 송수신이 불가능하다.
  • 다른 쪽의 말이 끝나야지만, 이쪽에서 말할 수 있는 무전기를 떠올려보면 쉽다.

반대로, 전이중(full duplex) 모드는 송수신을 동시에 양방향으로 할 수 있는 통신 방식이다. (e.g. 2차선 도로)

💡 리피터(repeater)

• 허브 외의 물리 계층의 대표적인 장비로 리피터(repeater)가 있다.
• e.g. 매우 긴 트위스티드 페어 케이블이 있다고 가정하면,
  • 트위스티드 페어 케이블에 흐르는 전기 신호는 전송 거리가 길어질 수록 감소하거나 왜곡될 수 있다.
• 리피터는 이렇게 전기 신호가 감소하거나 왜곡되는 것을 방지하기 위해 전기 신호를 증폭시켜 주는 장비다.
  • 물리 계층의 장비이므로 신호에 대해 어떤 판단이나 조직을 하지 않고, 그저 신호를 증폭시키기만 한다.
  • 허브는 이런 리피터의 기능을 포함하는 경우가 많다.

3.2.2 콜리전 도메인

허브는 반이중 통신을 지원한다.

• 한 호스트가 허브에 송신하는 동안, 다른 호스트는 송신하고 싶은 것이 있어도 기다려야 한다.
• 그런데 만일 동시에 허브에 신호를 송신하면, 충돌(collision, 콜리전)이 발생한다.

허브에 호스트가 많이 연결되어 있을 수록, 충돌 발생 가능성이 높다.

• 불시에 다른 호스트가 허브로 신호를 송신할 수 있다.
• 이렇게 충돌이 발생할 수 있는 영역을 콜리전 도메인(collision domain)이라 한다.
• 허브에 연결된 모든 호스트는 같은 콜리전 도메인에 속한다.

콜리전 도메인은 작으면 작을 수록 충돌 발생 가능성이 줄어들기 때문에 좋다.

• 허브에 연결된 모든 호스트가 하나의 콜리전에 속하는 것은 바람직하지 않다.
• 허브의 넓은 콜리전 도메인으로 인한 충돌 문제를 해결하려면,
  • CSMA/CD 프로토콜을 사용하거나 스위치 장비를 사용해야 한다.

💡 허브를 정리해보면,

• 허브는 여러 대의 호스트를 연결할 수 있는 물리 계층 장비이다.
• 전달받은 신호를 송신지 포트를 제외한 모든 포트로 내보내고, 반이중 모드로 통신한다.
• 허브에 연결된 모든 호스트는 하나의 콜리전 도메인에 속하는데,
  • 콜리전 도메인의 범위가 클 수록, 충돌 발생 가능성이 높다.

3.3 CSMA/CD

허브에서 충돌이 발생하는 가장 근본적인 이유는 허브가 반이중 모드로 통신하기 때문이다.

• e.g. 같은 허브에 연결된 A와 B가 동시에 허브에 신호를 송신하면, 위 그림과 같이 신호 충돌이 발생한다.
• 이런 충돌 문제를 해결하기 위한 프로토콜이 CSMA/CD이다.
  • CSMA/CD는 반이중 이더넷 네트워크에서 충돌을 방지하는 대표적인 프로토콜이다.
  • (반이중) 이더넷을 대표하는 송수신 방법이라 볼 수 있다.
• cf. 여러 호스트가 공유하는 통신 매체(media)에 접근(access)할 떄,
  • 사용 가능한 제어(control) 방식이라는 점에서
  • 매체 접근제어(MAC; Media Access Control) 방법의 일종이라 볼 수 있다.
• CSMA/CD는 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection의 약자다.

(1) CS는 Carrier Sense(캐리어 감지)를 의미

• CSMA/CD 프로토콜을 사용하는 반이중 이더넷 네트워크에서는
  • 메시지를 보내기 전에, 현재 네트워크상에서 전송 중인 것이 있는지를 먼저 확인한다.
• 즉, 현재 통신 매체의 사용 가능 여부를 검사하는 것이다.
  • 이를 캐리어 감지(Carrier Sense)라고 한다.
• cf. Carrier Sense는 엄밀히 말하면 반송파 감지를 의미한다.
  • 반송파 감지는 ‘통신 매체 상에서 흐르는 신호 감지’라고 생각하면 된다.

(2) MA는 Multiple Access(다중 접근)을 의미

• 캐리어 감지를 하는데도 2개 이상의 호스트가 부득이하게 동시에, 네트워크를 사용하려 할 떄가 있다.
• 복수의 호스트가 네트워크에 접근하려는 상황을 다중 접근(Multiple Access)이라 한다.
• 이떄 충동이 발생한다.

(3) CD는 Collision Detection(충돌 검출)을 의미

• 충돌이 발생하면, 이를 충돌 검출(Collision Detection)이라 한다.
• 충돌이 감지하면, 전송이 중단되고,
  • 충돌을 검출한 호스트는 다른 이들에게 충돌이 발생했음을 알리고자,
  • 잼 신호(jam signal)라는 특별한 신호를 보낸다.
  • 그리고 임의의 시간 동안 기다린 뒤에 다시 전송한다.

💡 CSMA/CD를 정리해보면,

호스트들은 메시지를 전송하기 전에

1. 현재 전송이 가능한 상태인지를 확인하고,
2. 다른 호스트가 전송 중이지 않을 때 메시지를 전송한다.
3. 만일 부득이하게 다수의 호스트가 접근하여 충돌이 발생하면 임의의 시간만큼 대기한 후에 다시 전송한다.

4. 스위치

허브는 주소 개념이 없는 물리 계층 장비다.

• 전달받은 신호를 다른 모든 포트로 내보내기만 할 뿐이다.
• 그리고 반이중 모드로 통신하므로, 허브에 연결된 모든 호스트가 충돌이 발생할 범위, 즉 콜리전 도메인에 속한다.

CSMA/CD를 통해 충돌 문제를 어느정도 완화할 수는 있지만, 더 근본적인 해결방법이 존재한다.

• 전달받은 신호를 수신지 호스트가 연결된 포트로만 내보내고, 전이중 모드로 통신하면 된다.
• 그러면 포트별로 콜리전 도메인이 나누어지기에, 충돌 위험이 감소한다.
  • CSMA/CD를 이용할 필요도 없다.
• 이런 기능을 지원하는 네트워크 장비가 바로 데이터 링크 계층의 스위치이다.

스위치가 전달받은 신호를 원하는 포트로만 내보낼 수 있는 것은 스위치가 MAC 주소를 학습할 수 있기 때문이다.

• 스위치를 이용하면, 논리적으로 LAN을 분리하는 가상의 LAN, VLAN을 구성할 수 있는 장점도 있다.

4.1 스위치

스위치(switch)는 데이터 링크 계층의 네트워크 장비다.

• 2계층에서 사용해서 L2 스위치(L2 switch)라고도 부른다.
• 스위치의 여러 포트에는 호스트를 연결할 수 있는데, 이런 점은 허브와 유사하다.
• 다만 스위치는 허브와 달리, MAC 주소를 학습해 특정 MAC 주소를 가진 호스트에만 프레임을 전달할 수 있고,
  • 전이중 모드의 통신을 지원한다.
• 그렇기에 스위치를 이용하면, 포트별로 콜리전 도메인이 나뉘고,
  • 전이중 모드로 통신하므로, CSMA/CD 프로토콜이 필요하지 않다.

CSMA/CD 프로토콜의 대기 시간이 없어지면, 당연하게 성능 상의 이점이 있다. 이런 장점 덕에 스위치는 오늘날까지도 이더넷 네트워크 구성 시 자주 사용된다.

💡 L3 스위치, L4 스위치

• 데이터 링크 계층 상위 계층에서 사용되는 L3 스위치, L4 스위치 등도 있지만,
• 여기서는 혼동을 방지하기 위해 스위치라는 용어를 데이터 링크 계층의 L2 스위치에 한정해서 사용한다.

4.1.1 스위치의 특징

스위치의 중요한 특징은 ‘특정 포트와 해당 포트에 연결된 호스트의 MAC 주소와의 관계를 기억한다’는 점이다.

• 이를 통해 원하는 호스트에만 프레임을 전달할 수 있다.
• 스위치의 이런 기능을 MAC 주소 학습(MAC address learnning)이라 부른다.

스위치는 MAC 주소 학습을 위해, 포트와 연결된 호스트의 MAC 주소 간의 연관 관계를 메모리에 표 형태로 기억한다.

• 스위치의 포트와 연결된 호스트의 MAC 주소 연관 관계를 나타내는 정보를 MAC 주소 테이블(MAC address table)이라 부른다.

실제 스위치에 접속해보면, 다음과 같은 형태의 MAC 주소 테이블을 조회해볼 수 있다.

• MAC 주소와 연결된 포트를 볼 수 있다.

1
switch# show mac-address-table
2
VLNA.   MAC Address        Type      Age    Port
3
-------+------------------+--------+------+----------------
4
1       abcd.abcd.0123     dynamic   10     Eth1/3
5
1       abcd.abcd.1234     dynamic.  200.   Eth1/3
6
Total MAC Address: 2

4.2 MAC 주소 학습

MAC 주소 테이블은 어떻게 채워지고 유지될까? 그리고 스위치는 어떻게 원하는 수신지가 연결된 포트에만 프레임을 내보낼 수 있을까? 이는 스위치의 3가지 기능을 통해 이루어진다. 해당 용어를 이해하면, 스위치의 기본 작동 방식을 이해할 수 있다.

1. 플러딩
2. 포워딩과 필터링
3. 에이징

위 그림처럼 구성된 네트워크에서 호스트 A가 호스트 C로 프레임을 전송하는 상황을 가정해보면, 호스트 A, B, C, D는 각각 포트 1, 2, 3, 4번에 연결되어 있다.

스위치는 처음에는 호스트 A, B, C, D의 MAC 주소와 연결된 포트의 연관 관계를 알지 못한다.

• 아직 어떤 포트에 어떤 MAC 주소를 가진 호스트가 연결되어 있는지 학습하지 않았기 떄문이다.

스위치의 MAC 주소 학습은 프레임 내 ‘송신지 MAC 주소’필드를 바탕으로 이루어진다.

• 스위치가 처음 호스트 A에서 프레임을 수신하면,
  • 프레임 내 ‘송신지 MAC 주소’정보를 바탕으로,
  • 호스트 A의 MAC 주소와 연결된 포트를 MAC 주소 테이블에 저장한다.
• 하지만 여전히 수신자 호스트 C가 어느 포트에 연결되어 있는지는 알지 못한다.
• 이 상황에서 스위치는 마치 허브처럼 송신지 포트를 제외한 모든 포트로 프레임을 전송한다.
  • 이러한 스위치의 동작을 플러딩(flooding)이라고 부른다.
  • 그렇게 호스트 B, C, D는 프레임을 전달받는다.
  • 그 중에서 호스트 B와 D는 자신과 관련없는 프레임을 전송받은 셈이므로 이를 폐기한다.

한편 호스트 C는 스위치로 응답 프레임을 전송한다.

• 이 프레임의 ‘송신지 MAC 주소’ 필드에는 호스트 C의 MAC 주소가 명시되어 있다.
• 이를 통해 스위치는 호스트 C의 MAC 주소와 연결된 포트를 알아내어, 이 정보를 MAC 주소 테이블에 기록한다.
• 이제 호스트 A와 C의 MAC 주소와 연결된 포트를 알고 있으므로,
  • 두 호스트가 프레임을 주고받을 떄는 다른 포트로 프레임을 내보낼 필요가 없게 된다.

전달받은 프레임을 어디로 내보내고 어디로 내보내지 않을지 결정하는 스위치의 기능을 필터링(filtering)이라 한다.

• 비유하면, 프레임을 내보낼 포트만을 제외하고, 다른 모든 포트를 가리개로 가리는 것와 유사하다.
• 그리고 프레임이 전송될 포트에 실제로 프레임을 내보내는 것을 포워딩(forwarding)이라 한다.
• 위 예시에서 호스트 A가 호스트 C에게 프레임을 전송하면,
  • 스위치는 호스트 B, D가 연결된 포트로는 내보내지 않도록 필터링하고,
  • 호스트C가 연결된 포트로 프레임을 포워딩한다.

만약 MAC 주소 테이블에 등록된 특정 포트에서 일정 시간 동안 프레임을 전송받지 못했다면, 해당 항목은 삭제된다.

• 이를 에이징(aging)이라 한다.
• 위 예시로 볼 떄,
  • 일정시간 동안 ‘송신지 MAC 주소’가 ab:cd:ab:cd:00:01 인 프레임을 1번 포트에서 전송받지 못했다면,
  • 이 항목은 삭제된다.
• cf. 스위치는 MAC 주소 테이블을 통해 MAC 주소를 학습하여 원하는 포트로 패킷을 포워딩하고,
  • 원치 않는 포트는 필터링할 수 있다.

💡 브리지

• 데이터 링크 계층의 스위치와 유사한 장비로 브리지(bridge) 라는 장비가 있다.
  • cf. 브리지는 영어로 ‘다리’라는 뜻이다.
  • 이름에 볼 수 있듯 위 그림처럼 네트워크 영역을 구획하여 콜리전 도메인을 나누거나, 네트워크를 확장하는 용도로 사용된다.
• 브리지는 위에서 설명한 스위치의 기능들도 제공한다.
  • MAC 주소를 학습할 수 있고, 특정 호스트가 연결되어 있는 포트로 프레임을 포워딩하거나 필터링할 수 있다.
• 다만, 단일 장비로서의 브리지는 비교적 최근에 대중화된 스위치에 비해 사용 빈도가 줄어드는 추세다.
  • 브리지를 이용한 네트워크 구획 및 확장은 스위치를 통해서도 얼마든지 가능하고,
  • 최근 스위치의 기능은 일반적으로 브리지의 기능을 포괄할 뿐만 아니라, 더 다양하며 프레임의 처리 성능 면에서도 우수하기 때문이다.

4.3 VLAN

스위치의 또 다른 중요한 기능으로 VLAN이 있다.

• VLAN은 Virtual LAN의 줄임말로, 이름 그대로 ‘한 대의 스위치로 가상의 LAN을 만드는 방법’이다.
• 허브는 송신지 포트를 제외한 모든 포트로 신호를 내보내기에,
  • 네트워크상에 불필요한 트래픽이 늘어날 수 밖에 없고, 이는 성능의 저하로 이어진다.
• 스위치를 이용해도 마찬가지다.
  • 스위치에 연결된 호스트 중에서도 서로 메시지를 주고받을 일이 적거나,
  • 브로드캐스트 메시지를 받을 필요가 없어서,
  • 굳이 같은 네트워크(LAN)에 속할 필요가 없는 호스트가 있을 수도 있다.
• 그렇다고 이들을 분리하고자, 매번 새로운 스위치 장비를 구비하는 것은 낭비이다.
  • 이떄 구성하는 것이 VLAN이다.

VLAN을 구성하면, 한 대의 물리적 스위치라 해도, 여러 대의 스위치가 있는 논리적 단위로 LAN을 구획할 수 있다.

• 즉, 호스트의 물리적 위치와 관계없는 논리적인 LAN을 구성할 수 있다.
• 위 그림처럼, VLAN을 구성하면, VLAN1에 속한 호스트 A, B, C, D는 서로 동일한 LAN에 있는 것으로 인식하지만,
  • 다른 VLAN에 속한 호스트 E, F, G, H, I는 물리적 거리와 관계없이 다른 LAN에 있는 것처럼 인식한다.
• 만약 VLAN1에 속한 호스트가 VLAN2에 속한 호스트와 통신하려고 한다면,
  • 데이터 링크 계층의 장비가 아니라, 네트워크 계층 이상의 상위 계층 장비가 필요하다.

한편으로 브로드캐스트 도메인도 달라진다.

• 가령 한 VLAN에 속한 호스트가 브로드캐스트를 하게되면, 다른 VLAN에 속한 호스트에게까지는 전달되지 않는다.
• 서로 다른 네트워크로 간주하기 때문이다.

4.3.1 포트 기반 VLAN

VLAN을 구성하는 방법을 알아보면, 가장 단순하지만 대중적인 방식으로 포트 기반 VLAN이 있다.

• 포트 기반 VLAN(port based VLAN)은 스위치의 포트가 VLAN을 결정하는 방식이다.
• 사전에 특정 포트에 VLAN을 할당하고, 해당 포트에 호스트를 연결함으로써 VLAN에 포함시킬 수 있다.

위 그림의 보면, 호스트 A와 B는 VLAN2를 할당한 포트에 연결되어 있으므로, 같은 LAN에 속한 셈이다.

• 반면, 호스트 C는 VLAN3에 속해 있으므로, 호스트 A, B와는 다른 LAN에 속한 셈이다.

그런데, 사실 한 대의 스위치만으로 포트 기반 VLAN을 나누면 문제가 있다.

• 포트 수가 부족해질 수도 있기 때문이다.
• e.g. VLAN1 호스트 4개, VLAN2 호스트 3개, VLAN3 호스트 3개를 포트가 8개인 하나의 스위치에 연결하기는 어렵다.
• 물론 위 그림처럼 VLAN 스위치 여러 대를 구비해, VLAN 포트끼리 연결하여 VLAN을 확장하는 방법도 있지만,
  • 이 또한 포트의 낭비이다.

이럴 떄 사용할 수 있는 방법이 VLAN 트렁킹이다.

• VLAN 트렁킹(VLAN Trunking)은 2대 이상의 VLAN 스위치를 효율적으로 연결해 확장하는 방법이다.
• 스위치 간의 통신을 위한 특별한 포트인 트렁크 포트(trunk port)에 VLAN 스위치를 서로 연결하는 방식이다.

💡 태그 포트와 액세스 포트

• 트렁크 포트는 태그 포트(tagged port)라고도 부른다.
• 그리고 트렁크 포트가 아닌 하나의 VLAN이 할당된 일반적인 포트는 액세스 포트(access port)라고 부른다.

위 그림을 보면, 트렁크 포트를 통해 스위치 A와 스위치 B가 연결된 것을 볼 수 있다.

• 낭비되는 포트를 최소화하는 동시에,
• 같은 스위치에 연결되어 있지 않아도, 같은 LAN에 속하게 네트워크를 구성할 수 있다.

💡 트렁크 포트로 전달받은 프레임이 어떤 VLAN에 속하는지 파악하는 방법

프레임이 스위치 A가 트렁크 포트를 타고 스위치 B로 넘어왔다고 가정해보자.

• 그럼 스위치 B는 트렁크 포트로 전달받은 프레임이 어떤 VLAN에 속하는지 어떻게 알 수 있을까?
  • 스위치가 아직 학습되지 않은 MAC 주소를 포함하고 있을 경우,
  • 일반적인 이더넷 프레임만으로는 알 수 없다.
• 그래서 이런 경우 어떤 VLAN에 속하는지 식별하기 위한 정보까지 추가된 확장된 이더네 프레임을 사용한다.
• 이를 802.1Q 프레임이라고 한다.

위 그림은 802.1Q 프레임의 간략화된 그림이다.

• 이더넷 프레임 사이에 32비트 크기의 VLAN 태그라는 정보가 추가된 것을 볼 수 있다.
  • 이곳에 VLAN을 식별하는 정보가 포함된다.
• 스위치 B는 이 정보를 보고, 해당 프레임이 어떤 VLAN에 속한 프레임인지 알 수 있다.
  • 802.1Q 프레임은 트렁크 포트를 통과하여, VLAN을 식별할 수 있는 프레임인 셈이다.

4.3.2 MAC 기반 VLAN

포트 기반 VLAN 외에도 사전에 설정된 MAC 주소에 따라, VLAN이 결정되는 MAC 기반 VLAN(MAC based VLAN)도 있다.

• 이는 포트가 VLAN을 결정하는 것이 아니라,
  • 송수신하는 프레임 속 MAC 주소가 호스트가 속할 VLAN을 결정하는 방식이다.
• 위 그림처럼 호스트 A의 MAC 주소가 VLAN3에 할당되었다면,
  • 어떤 포트에 연결되든, 호스트 A는 VLAN3에 속한 호스트로 동작한다.