#8 Link Layer(Data Link Layer + Physical Layer)

CS/네트워크

#8 Link Layer(Data Link Layer + Physical Layer)

Scala0114 2021. 11. 25. 16:13

1. Broadcast Medium(공용 채널)

네트워크 계층에서 봤던 추상화된 형태와는 달리 실제로 라우터와 호스트,
라우터와 라우터의 사이에는 전용 회선이 존재하는 것이 아닌 경우가 많음
실제로는 사이에 다른 호스트나 라우터와 함께 사용하는 공용 채널이 존재하는 경우가 대부분이며
이러한 매체를 Broadcast Medium 이라 한다.

2. MAC(Medium Access Control) 프로토콜

송신한 데이터가 공용 채널에서서로 충돌하여 쓰레기 데이터가 되는 것을 막을 방법이 필요
=> Medium Access (Control) Protocol - MAC
=> WIFI 도 공기를 Broadcast Medium으로 하는 MAC 프로토콜의 일종(802.11)
이상적인 MAC 프로토콜의 지향점(링크 대역폭이 R일 때)
- 하나의 노드만이 통신을 수행할 경우 대역폭 전체(R)를 사용할 수 있다.
- N 개의 노드가 통신을 수행할 경우 대역폭 전체를 N으로 나눈 R/N 만큼의 대역폭을 사용할 수 있다.
- 통신을 관리하는 특별한 노드가 존재하지 않는다(모든 노드가 동등한 입장)
- 단순하게 동작해야한다.
접근법
- Partitioning
  - TDMA(Time Division Multiple Access)
    - 각 노드에게 회선을 사용할 수 있는 시간 슬롯을 배정하는 방식
    - 주어진 시간동안은 모든 주파수 대역을 사용할 수 있음
    - 동시 사용자가 적을 경우 시간 슬롯이 낭비될 수 있음
  - FDMA(Frequency Division Multiple Access)
    - 각 노드에게 주파수 대역을 나누어 배정하는 방식
    - 아날로그 방식으로 구현이 간단함
    - 인접채널간 간섭문제를 해결하기 위해 주파수 대역사이에 가드밴드가 필요해진다
      => 가드밴드로 인해 낭비되는 주파수대역 생김
  - 주파수 대역이나 시간 슬롯이 낭비되지 않는 경우(사용자가 많은 경우)에 유리
- Random Access
  - Partition 방식의 경우 충돌방지는 확실하게 되지만 주파수대역 낭비나 시간슬롯 낭비의 문제가 있음
  - 노드들이 원하는 타이밍에 통신을 수행하는 방식
  - 사용자가 적을 경우 Partitioning에 비해 효율적
  - CSMA(Carrier Sense Multiple Access)
    - 공용 채널이 사용되고 있지 않다고 판단되면 통신을 실시하는 방식
    - 충돌(Collision)
      - 한 노드가 다른 노드가 통신을 먼저 시작한것을 인식하기 전에 통신을 시작한 경우
        발생하는 충돌을 미연에 방지하는 것은 불가능.
      - 충돌이 발생하는 것을 전제로 충돌로 인한 피해를 최소화하는 방식을 사용
        => CSMA/CD(Collision Detection)
        => 한쪽이 충돌발생을 탐지하고 바로 전송을 멈춘다
        => 랜덤 타이머를 설정하고 타임아웃시 재전송
        => 충돌이 발생할 때마다 타이머의 시간을 두 배씩 늘려간다
      - 유선통신의 경우 충돌 감지 자체는 쉽게 가능
- Taking Turns
  - polling
    - 하나의 중심 호스트(master)가 연결된 다른 호스트(server)들에게 전송할 데이터가 있는지
      확인하여 전송하도록 하는 방식
  - token passing
    - token을 가진 호스트만이 전송을 할 수 있도록 하는 방식
  - 두 방법 모두 한가지 문제가 발생하면(master의 고장, token의 유실 등) 치명적인 문제가
    발생하는 single point failure 문제로 실제로는 잘 사용되지 않음

3. 이더넷(Ethernet)

유선 케이블 상황에서의 MAC 프로토콜
Random Access 방식을 사용(CSMA/CD)
이더넷 프레임
- Preamble / SFD
  - 비트동기, 프레임동기를 위한 부분
  - Physical Layer의 헤더부분
- DA(Desination Address) / SA(Source Address)
  - 목적지와 출발지의 MAC 주소
- Len/Type
  - 값이 0x0600 미만이면 프레임의 데이터 영역(Data + Padding)의 길이로 해석
  - 0x0600 이상이면 Data부분에 담겨있는 상위 프로토콜의 타입으로 해석
    => ARP 쿼리, ARP 리스폰스 등
- Data
  - IP 패킷이 들어있는 부분
  - 뒤에 따라오는 Padding 부분은 0으로 채워진다.
- FCS(Frame Check Sequence)
  - 수납된 데이터의 에러 검출을 위한 CRC
신뢰성있는 전송
- 전송에 대한 피드백이 없는데 전송이 정상적으로 완료됐는지 확인하는방법
  => 외부 간섭이 없는 유선연결이기에 회선(채널)내에서의 충돌만 없다면 전송된것으로 볼 수 있음
- 충돌을 탐지하기 전에 전송이 종료되면 전송에 실패한 데이터를 재전송하지 못함
  => 전송측이 충돌을 탐지하기 위한 충분한 시간을 기다려줄 필요가 있음
  => 전송할 프레임의 길이가 충분하면 충돌을 감지할 수 있음
  => 이더넷은 이를 위한 프레임의 최소길이를 지정
- 보내려는 데이터의 크기가 프레임 최소길이보다 작다면?
  => 0으로 채워진 padding 부분을 붙여 최소길이를 만족시킴
MAC 주소와 ARP
- MAC 주소
  - 네트워크 랜카드가 가지고있는 고유 주소
  - 랜카드가 제조된 시점부터 바뀌지 않는 값
- ARP(Address Resolution Protocol)
  - IP 주소를 물리적 네트워크 주소에 바인딩하기 위한 프로토콜
  - 모든 호스트는 포워딩 테이블을 통해 IP패킷을 보낼 다음 목적지(next hop)를 알 수 있지만
    그 IP에 해당하는 MAC 주소를 알지 못해 링크 레이어 레벨에서의 전송이 불가능하다.
    이를 해결하기 위해서 ARP 프로토콜을 통해 IP주소에 해당하는 MAC 주소를 알아내야한다.
  - 절차
    - 전송측은 프레임의 데이터/타입 영역에 IP패킷 대신 목적지 IP주소에 해당하는
      MAC 주소를 요청하는 ARP 쿼리를 담아 네트워크상에 존재하는 모든 호스트들에게
      브로드캐스트
    - 전송측이 보낸 ARP 쿼리를 받은 호스트중 자신의 IP가 쿼리에서 원하는 IP주소와 일치하는
      호스트는 자신의 프레임의 데이터/타입 영역에 ARP 응답(리스폰스)을 담아 전송하는 것으로
      자신의 MAC 주소를 알림
    - 전송측은 얻은 MAC 주소를 ARP 캐시(테이블)에 저장하고 이를 참조하여 목적지 IP에 해당하는
      MAC 주소로 IP패킷을 담은 이더넷 프레임을 전송

4. 이더넷 네트워크의 물리적 형태

버스(Bus)
- 90년대 중반까지 주로 사용되었던 형태
- 모든 노드가 하나의 충돌 도메인을 가지기에 호스트들간에 충돌이 발생할 수 있음
스타(Star)
- 현재 주로 사용되고있는 형태
- 여러 호스트들의 중심에 스위치가 존재하며 스위치와 각 호스트들 사이에는 전용 회선이 존재
- 스위치는 연결된 호스트들로부터 전송된 프레임을 버퍼에 담아두고 처리해나간다.
- 스위치의 각 인터페이스가 어느 호스트와 연결되어있는지를 학습해나가며
  스위치 포워딩 테이블을 생성하여 이를 토대로 프레임들의 전송을 처리한다.
- 학습의 절차
  - 프레임을 전송받은 순간 전송한 호스트의 위치를 파악, 테이블에 저장
  - 목적지의 위치를 모를 경우 flooding(브로드캐스트) 을 통해 위치를 알아내고 테이블에 저장
  - 테이블을 참조하여 해당하는 목적지로 프레임을 전송
  - 처음에는 테이블을 채워나가기 위해 flooding 이 발생하지만 시간이 조금 지나고나면
    테이블이 완성되어 바로 포워딩을 할 수 있다.
- 스위치를 사용하는 것으로 보다 쉽게 이더넷 네트워크의 규모를 확장할 수 있다.
- 스위치가 행하는 포워딩을 스위칭이라고도 한다.
- 스위치는 MAC 주소를 가지지 않는다(사용자입장에선 보이지 않는다)

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