[Network] 이더넷

이더넷이란?

유선 LAN 환경에서 데이터를 프레임 단위로 송수신하며, 물리 계층과 데이터 링크 계층에서 작동하는 프로토콜

• 이더넷은 물리 계층과 데이터 링크 계층에서 공통적으로 사용됨
• 이더넷에는 다양한 통신 매체의 규격, 송수신되는 프레임의 형태, 프레임을 주고 받는 방법 등이 정의됨
• 유선 LAN 환경은 대부분 이더넷 기반으로 구성됨
• ex) 두 컴퓨터가 케이블(통신매체)을 통해 정보를 송수신하는 방법으로 이더넷을 사용

 

이더넷의 표준화

• 이더넷은 IEEE라는 국제 조직에 의해 IEEE 802.3이라는 이름으로 표준화됨
• 통신 매체, 네트워크 장비는 제조사가 다르더라도 이더넷 표준을 준수하면, 동일한 형식의 프레임을 주고받음
• 이더넷은 지속적으로 발전하기 때문에 다양한 표준이 있고, 표준에 따라 지원되는 네트워크 장비, 통신 매체의 종류, 전송 속도가 달라질 수 있음

통신 매체의 표기 형태

이더넷 표준 규격에 따라 구현된 통신 매체를 지칭할 때는 통신 매체의 속도와 특성을 한눈에 파악하기 쉽도록 표기, 일반적으로 [전송속도]Base-[추가특성] 형태

전송속도

숫자만 표기되어 있으면 Mbps, 숫자 뒤에 G가 붙어 있으면 Gbps를 의미

• ex1) 100Base-T → 100Mbps 속도를 지원하는 케이블
• ex2) 10GBase-T → 10Gbps 속도를 지원하는 케이블

 

Base

Baseband의 약자로 변조 타입을 의미

• 변조 타입(modulaion type): 비트 신호로 변환된 데이터를 통신 매체로 전송하는 방법
• 일반적인 LAN 환경에서는 대부분 디지털 신호를 송수신하는 Baseband 방식을 사용 = 대부분의 이더넷 통신 매체는 BASE를 사용함

 

추가특성

통신 매체의 특성을 명시

• 특성의 종류는 다양함 (전송 가능한 최대 거리, 데이터가 비트 신호로 변환되는 물리 계층 인코딩 방식, 비트 신호를 옮길 수 있는 전송로 수인 레인 수 등)

 

통신 매체의 종류

통신 매체의 종류에 따라 다음과 같이 추가 특성을 명시

ex) 1000BASE-LX 케이블: 1000Mbps 속도의 장파장 광섬유 케이블

• C: 동축 케이블
• T: 트위스티드 페어 케이블
• S: 단파장 광섬유 케이블
• L: 장파장 광섬유 케이블

이더넷 표준과 통신 매체 예시

이더넷 표준만 볼 때보다 [전송속도]BASE-[추가 특성] 형태의 통신 매체 표기가 특성을 파악하기 쉬움

이더넷 표준과 통신 매체 표기는 항상 일대일로 대응되지 않음

• 고속 이더넷(Fast Ethernet): 100Mbps 이상 속도를 지원
• 기가비트 이더넷(Gigabit Ethernet): 1Gbps 이상 속도를 지원
• 10기가비트 이더넷(Gigabit Ethernet): 10Gbps 이상 속도를 지원

이더넷 프레임

데이터 링크 계층에서 주고받는 데이터 형식으로, 프레임 형식이 정해져 있음

• 이더넷 표준과 통신 매체는 물리 계층에 관련된 것이라면, 이더넷 프레임은 데이터 링크 계층에 관련됨

 

이더넷 프레임의 동작 과정

• 이더넷 프레임은 상위 계층으로부터 받은 정보에 헤더와 트레일러를 추가하는 캡슐화 과정을 통해 만들어짐
• 반대로 수신에서는 헤더와 트레일러를 제거하는 역캡슐화 과정을 거침

 

이더넷 프레임 구성

이더넷 프레임 헤더는 프리엠블, 수신지 MAC 주소, 송신지 MAC 주소, 타입/길이로 구성되고, 페이로드는 데이터, 트레일러는 FCS로 구성

프리엠블 (preamble)

이더넷 프레임의 시작을 알리는 신호로, 8바이트

• 첫 7바이트는 10101010, 마지막 바이트는 10101011
• 수신지는 프리앰블을 통해 이더넷 프레임의 시작을 인식하고, 송수신지 간의 동기화에 사용됨

 

수신지 MAC 주소와 송신지 MAC 주소

LAN 내에서 수신지와 송신지를 특정하는 MAC 주소, 데이터 링크 계층의 핵심 요소로 물리적 주소라고도 불림

• MAC 주소: 네트워크 인터페이스마다 부여되는 6바이트 길이의 주소
• MAC 주소는 일반적으로 고유하며, 변경되지 않는 주소지만, 일부 상황에서는 변경할 수 있는 경우도 있음
• 보통 NIC(Network Interface Controller)라는 장치가 네트워크 인터페이스 역할을 함
• 한 컴퓨터에 NIC가 여러 개 있다면 MAC 주소도 여러 개가 있을 수도 있음

리눅스 운영체제에서 ifconfig 명령으로 MAC 주소 확인

• 여기서는 “ether 08:00:27:4e:66:a1”가 MAC 주소가 됨

$ ifconfig

eth0: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1500
        inet 192.168.1.100  netmask 255.255.255.0  broadcast 192.168.1.255
        inet6 fe80::a00:27ff:fe4e:66a1  prefixlen 64  scopeid 0x20<link>
        ether 08:00:27:4e:66:a1  txqueuelen 1000  (Ethernet)
        RX packets 32645  bytes 21310479 (20.3 MiB)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 17918  bytes 1815436 (1.7 MiB)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0

lo: flags=73<UP,LOOPBACK,RUNNING>  mtu 65536
        inet 127.0.0.1  netmask 255.0.0.0
        inet6 ::1  prefixlen 128  scopeid 0x10<host>
        loop  txqueuelen 1000  (Local Loopback)
        RX packets 8  bytes 480 (480.0 B)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 8  bytes 480 (480.0 B)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0

 

타입/길이

데이터 필드의 타입을 나타내거나, 프레임의 길이를 나타냄

• 타입(type) or 이더타입(ethertype): 어떤 정보를 캡슐화했는지, 일반적으로 상위 계층의 프로토콜
• 1500(05DC) 이하인 경우 프레임의 크기, 1536(0600) 이상일 경우 타입을 나타냄

타입 예시

IPv4 프로토콜을 캡슐화한 정보를 운반한다면 타입에는 16진수 0800이 명시됨

• 0800: IPv4
• 86DD: IPv6
• 0806: ARP

 

데이터

전송할 실제 데이터 = 네트워크 계층의 데이터와 헤더를 합친 PDU

• 길이는 46~1500 바이트이고, 최소 길이 미만인 경우 패딩이 추가됨
• 패딩(padding): 데이터 크기가 최소 크기에 못미치는 경우 추가되는 데이터, 일반적으로 0이 채워짐

 

FCS (Frame Check Sequence)

수신한 이더넷 프레임에 오류가 있는지 확인하기 위한 오류 검출 코드

• CRC(Cyclic Redundancy Check) 알고리즘을 사용하여 생성

FCS 동작 과정

송신

• 송신 측 네트워크 장비는 프리앰블을 제외한 프레임에 CRC 알고리즘을 적용하여 32비트 길이의 CRC 값을 계산
• 계산된 CRC 값은 FCS 필드에 명시한 후, 네트워크를 통해 수신 측으로 전송

수신

• 수신 측 네트워크 장비는 수신한 프레임에 대해 동일한 CRC 알고리즘을 적용하여 CRC 값 계산
• 계산한 CRC 값과 프레임에 포함된 FCS 값을 비교
  • 두 값이 같으면 데이터가 정상적으로 전송된 것으로 간주하고, 프레임을 처리
  • 두 값이 다르면 프레임에 오류가 발생한 것으로 판단하고, 해당 프레임을 폐기

 

 

참고:

혼자 공부하는 네트워크 - 예스24

 

https://velog.io/@moonblue/이더넷-프레임-Ethernet-Frame