[정보통신공학] ch12. 이더넷 (IEEE 802.3)

1. 이더넷 IEEE 802.3의 개요

• 근거리 통신망 LAN의 표준
• 데이터 링크 계층의 핵심적인 프로토콜
• 이더넷은 물리적인 케이블 연결 뿐만 아니라 동일한 매체를 공유하는 여러 노드들이 어떻게 충돌없이 데이터를 주고 받을 것인가에 대한 매체 접근 제어 Medium Access Control 기술이 핵심

1.1 IEEE 802.3 표준

• IEEE 802.3은 이더넷에 대한 표준 규격
• 데이터 링크 계층을 두 개의 부계층으로 나눔
• LLC (logical link control): 데이터 링크 계층의 상위 부계층으로 데이터의 흐름 제어, 오류 제어 등을 담당
• MAC (Medium Access Control): 하위 부계층으로 물리적 전송 매체(케이블)에 어떻게 접근할 것인가를 결정

1.2 매체 접근 기술의 진화

• 여러 노드가 하나의 공유 매체를 사용할 때 발생하는 충돌을 제어하기 위한 알고리즘들
• ALOHA (Pure/Slotted)
  • 가장 원시적인 방식
  • 노드가 데이터를 보낼 준비가 되면 즉시 전송
  • 충돌일 발생하면 일정 시간 후 재전송
  • Slotted 방식은 시간을 일정한 슬롯으로 나누어 슬롯의 시작점에서만 데이터를 전송하게 하여 충돌 확률을 낮춘 방식
• CSMA (Carrier Sense Multiple Access)
  • 데이터를 보내기 전에 매체 상태를 확인 (Carrier Sense)하는 방식
  • Non-persistent: 채널이 바쁘면 무작위 시간만큼 기다린 후 다시 확인
  • 1-persistent: 채널이 비어있을 때까지 계속 기다리다가 비어있으면 즉시 전송
  • P-persistent: 채널이 비어있으면 확률 p로 전송하고 1-p 확률로 다음 슬롯까지 기다림
• CSMA/CD (Collision Detection)
  • CSMA 방식에 충돌감지 기능을 추가한 것
  • 데이터를 전송하는 도중에도 채널을 계속 모니터링
  • 충돌이 감지되면 즉시 전송을 중단하고 Jamming signal을 보내 충돌 사실을 알린 뒤 일정 시간 후에 재전송
  • 전통적인 이더넷의 핵심
• 고속 이더넷
  • Fast Ethernet (100Mbps): IEEE 802.3u 표준, 기존 10Mbps 이더넷 프레임 포맷을 유지하면서 물리 계층의 변조 방식과 신호 전달 속도 개선
  • Gigabit Ethernet (1Gbps 이상): IEEE 802.3ab 표준. 1000Mbps 이상의 데이터 전송 속도를 달성하기 위해 광케이블 또는 고성능 TP 케이블 사용하여 데이터 인코딩 방식이 훨씬 정교해짐
• VLAN (Virtual LAN)
  • 물리적인 연결 구조와 상관없이 네트워크를 논리적으로 분할하는 기술
  • 스위치 내부에서 포트들을 그룹화하여 물리적으로 같은 네트워크에 있더라도 서로 다른 VLAN ID를 가지면 서로 통신할 수 없게 하여 브로드캐스트 도메인을 분리하고 보안을 강화

 

2. 이더넷 (IEEE 802.3)

• 현재 전  세계의 유선 근거리 통신망 LAN에서 가장 압도적으로 많이 사용되는 기술 표준
• PC, 서버, 공유기 등을 유선으로 연결할 때 사용하는 기술
• 이더넷은 1970년대 초반 제록스 사의 팔로알토 연구소에서 밥 멧칼프에 의해 처음 개발
• 이후 DEC, Intel, Xerox가 협력하여 표준화 추진 
• 최종적으로 IEEE(전기전자공학자협회)에 의해 IEEE 802.3이라는 공식 표준으로 정립
• CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)  
  • 전통적인 이더넷의 핵심 동작 매커니즘
  • Ramdon Access or Contention to media
  • 임의 접근 방식 또는 매체에 대한 경쟁 방식
  • 중앙에서 제어하는 마스터 장치가 없음
  • 모든 노드(컴퓨터)는 동등한 권한을 갖고 전송 매체(케이블)를 공유
  • 데이터를 보내고 싶으면 먼저 채널이 비어있는 확인 (carrier sense)하고 비어있으면 무작위로 접근
  • 이때 두개 이상의 노드가 동시에 신호를 보내면 충돌 하므로 이를 감지하고 재전송하는 알고리즘이 필수적
  • 이처럼 자원을 두고 경쟁하는 구조가 초기 이더넷의 본질
• 기술 진화의 흐름 - 물리 매체(케이블 및 케넥터)의 변화와 전송 속도의 비약적 상승
  
  • 1972년 - 제록스에서 최초의 이더넷 개념 정립, 당시 속도 2.94Mbps
  • 1983년 - IEEE 802.3 10Base5/ Thicknet: 최초의 공식 표준
    • 10: 전송 속도가 10Mbps
    • Base: 신호를 변조하지 않고 디지털 신호를 그대로 보내는 베이스 밴드 전송 방식을 의미
    • 5: 최대 전송 거리가 500M임을 의미. 당시에는 Thick Coaxial Cable 이용 
  • 1995년 (100 Base-T4/TX/FX, IEEE 802.3u)
    • 전송 속도를 10배 끌어올린 Fast Ethernet 표준입니다. 동축 케이블에서 우리가 흔히 아는 UTP 케이블(Twisted Pair, 'T')과 광케이블('F')을 사용하는 구조로 전환되기 시작했습니다.
  • 1998~1999년 (1000 Base-SX/LX/CX/T, IEEE 802.3z/ab)
    • 초당 1기가비트 데이터를 전송하는 Gigabit Ethernet의 등장입니다. 이 시점부터 멀티모드/싱글모드 광케이블(SX/LX)과 고성능 UTP 케이블(Gigabit over Copper, 1000Base-T)이 본격 도입됩니다.
  • 2003년 (PoE, IEEE 802.3af)
    • Power over Ethernet 기술입니다. 랜 케이블 하나로 데이터뿐만 아니라 전력(15.4W)까지 동시에 공급하는 표준으로, IP 카메라나 무선 AP(Access Point) 설치 시 전원 선을 따로 뽑지 않아도 되게 만든 혁신적인 기술입니다.
  • 2006~2010년 (10GBase-T, 100Gbps)
    • 대규모 데이터 센터와 백본망(Backbone Network)의 수요를 충족하기 위해 10Gbps에서 100Gbps까지 속도가 급증합니다.
  • 2017년 (200 Gbps / 400 Gbps, IEEE 802.3bs)
    • 초고속 클라우드 생태계를 지탱하기 위한 테라비트급(Terabit) 진입의 교두보가 마련됩니다.

 

3. ALOHA 

3.1 알로하 프로토콜의 정의와 배경

• 알로하는 MAC 방식 중 임의 접근 방식 프로토콜의 일종
• 중앙에서 통제하는 장치가 없으며 각 스테이션이 데이터를 전송하고 싶을 때마다 독립적이고 임의로 매체에 접근
• 이더넷, 무선 랜(와파), 위성 통신처럼 하나의 전송 매체를 여러 장치가 공유하는 환경에서 통신을 가능하게 한 기본 토대가 됨
• 각 장치가 서로를 의식하지 않고 동시에 데이터를 전송하면 신호가 물리적으로 겹침. 이를 충돌이라고 함
• 충돌이 발생하면 전압이나 신호 파형이 왜곡되어 데이터가 깨짐
• 이를 Garbled(풀어 헤쳐진, 쓸모 없게 된) 상태라고 함
• 수신 측에서 에러 검출 코드 CRC를 통해 데이터가 깨진 것을 확인하고 해당 프레임을 버림

 

3.2 알로하의 두 가지 종류 

• Pure ALOHA
  • 가장 단순하고 원시적
  • 각 스테이션은 전송할 프레임이 발생하면 채널이 비어있는지 확인하지 않고 즉시 전송
  • 데이터를 보내는 도중은 물론이고 보내기 직전이나 직후에 다른 스테이션이 데이터를 보내기 시작해도 충돌이 발생
  • 충돌확률이 매우 높은 단점
• Slotted ALOHA
  • pure 알로하의 낮은 효율성을 개선하기 위해 고안됨
  • 시간의 축을 일정한 크기의 슬롯으로 분할
  • 하나의 슬롯 길이는 프레임 하나를 전송하는데 걸리는 시간과 같음
  • 모든 스테이션은 동기화되어있으며 데이터 발생하더라도 아무 때나 보낼 수 없고 반드시 다음 슬롯이 시작되는 시점에만 데이터 전송 가능
  • 슬롯의 중간에 임의로 치고 들어오는 전송이 차단되므로 충돌이 일어날 수 있는  취약 시간이 pure 알로하의 절반으로 줄어드어 전체적인 네트워크 효율 상승

3.3 채널 사용의 효율성 평가 요소

• 충돌 후 재전송할 때까지 얼마나 무작위로 기다렸다가 보낼 것인가
• 충돌 확률
  • 채널에 트래픽이 많아질 수록 충돌 확률이 기하급수적 상승
  • 처리량과 채널 로드의 관계식으로 계산함
  • 이론적인 최대 채널 효율은 (Throughput) pure 알로하가 18.4퍼, slotted 알로하가 36.8퍼
  • 채널 대역폭의 대다수가 충돌로 낭비됨

 

4. Pure ALOHA

• 어떤 공유 전송 매체에도 적용 가능

 

4.1 송신 측 동작 알고리즘 - 송신 노드는 데이터 전송 성공을 위해 다음과 같은 루프를 돌음

• ROUND 개념  (k = 1, 2, 3...Kmax)
  • k는 프레임을 몇 번째로 시도하는지 나타내는 전송 시도 횟수
  • 최대 시도 횟수를 정해둠
• step 1
  • 프레임이 생성되면 매체 상태와 무관하게 즉시 전송
• step 2 ACK 대기
  • 데이터를 보낸 후 상대방이 잘 받았다는 신호인 ACK를 기다림
  • 이때 대기하는 시간은 데이터가 수신 측까지 갔다가 ACK가 다시 돌아오는 최대 시간인 최대 왕복 시간 MAX round trip time RTT 기준
• step 3 재전송 및 중단
  • ack가 제시간안에 오지 않았으면 충돌 발생했다고 가정
  • k를 1 증가시킴
  • 각 노드는 서로 다른 무작위 시간을 기다린 후 다시 재전송
  • k가 kmax에 도달해도 ack를 받지 못하면 해당 프레임 전송은 포기하고 상위 계층에 오류 보고

4.3 수신 측 알고리즘

• 수신 노드는 들어오는 신호를 실시간으로 검사
• FCS - 수신 측은 프레임 긑에 붙어있는 FCS 를 사용해 데이터 오류 여부 검사
• case 1 (성공)
  • 프레임에 오류가 없고 프레임 헤더의 목적지 주소가 자신과 일치하면 송신 측에 ACK 보냄
• case 2 (실패)
  • 프레임에 오류가 있다면 수신 측은 해당 프레임을 무시함
  • 송신 측은 ACK를 받지 못해 재전송 알고리즘에 따라 재시도
  • 데이터가 깨지는 이유는 크게 채널 자체의 노이즈나 다른 노드와의 충돌

 

• Pure ALOHA는 확인 응답 기반의 재전송 ARQ Automatic Repeat Request 구조

 

5. PURE ALOHA의 효율성

5.1 취약 시간

• 두 장치가 동시에 데이터를 전송하여 충돌을 일으킬 가능성이 있는 시간대
• 취약 시간 = 2 x the average frame transmission time (프레임 전송 시간의 2배) Tf
• 과거 (직전) 조건 : 전송 시작전  (t0 - Tf)부터 내가 시작하는 시점 t0 사이에 다른 녀석이 전송을 시작했으면 안됨
• 미래 (직후) 조건: 전송을 시작한 시점 t0부터 내가 전송을 끝내는 시점 t0 + Tf 사이에 다른 녀석이 전송을 시작해도 안됨
• 결과적으로 안전하게 데이터를 보내려면 전송하는 시점을 기준으로 총 2 x Tf기간 동안 채널에 아무도 들어오면 안됨
• 이를 취약 시간이라 함

5.2 최대 채널 이용률

• 채널에 흐르는 전체 트래픽 양 (새로 전송되는 프레임 + 재전송 되는 프레임)을 채널 로드 G라고 하고 성공적으로 전송된 프레임의 비율을 처리량 S라고 함 
• 순수 알로하의 처리량 공식은 확률 분포에 의해 다음과 같음 S = G x e ^-2G
• S가 최대가 되는 지점은 미분을 통해 G = 1/2일 때임. 이때 S값은 18.4퍼
• 즉 채널에 프레임이 최적으로 들어와도 전체 시간의 오직 18퍼센트만 성공적인 데이터 전송에 사용됨
• 나머지 82퍼의 시간은 충돌로 인해 버려짐

5.3 문제

• pure aloha 네트워크가 200kbps 속도의 공유 채널에서 200비트 크기의 프레임을 전송한다 프레임이 충돌없이 전송되기 위한 조건은?
• Tf = 프레임 사이즈 (비트) / 대역폭 (bandwidth) bps = 200 bits / 200000bps = 1 / 1000 초 = 0.001 초 = 1ms (프레임 전송시간)
• 취약 시간 = 2 x Tf = 2ms
• 해당 스테이션이 전송을 시작하기 1ms 전부터 전송을 시작한 후 1ms 지날 떄까지 총 2ms의 취약시간동안 네트워크 상의 어떤 스테이션도 전송을 시작하면 안된다

6. Slotted ALOHA

• 공유 채널의 연속적인 시간 축을 이산적인 시간 간격인 슬롯으로 강제 분할
• 하나의 슬롯 크기는 정확히 프레임 전송 시간 Tf와 일치하도록 설정됨. 즉 슬롯 안에는 딱 하나의 프레임만 완전히 들어감 
• 반드시 슬롯이 시작되는 지점에만 신호를 물리 계층으로 출력할 수 있음
• 만약 슬롯이 시작된 지 아주 미세하게 지난 후에 프레임 준비됐다면 해당 슬롯에는 보낼 수 없고 다음 슬롯이 시작될 때까지 대기 -> 충돌 확률 감소
• 취약 시간이 정확히 프레임 전송 시간 자체인 Tf로 감소함 순수 알로하보다 절반 줄음
• 슬롯 알로하를 구현하기 위해선 네트워크에 참여하는 모든 스테이션이 지금이 슬롯의 시작점이라는 것을 똑같이 인지해야함
• 이를 위해 중앙 클록으로 시스템 전체 시간을 맞추거나 정밀한 동기화 메커니즘이 필수
• 순수 알로하에 비해 구현 복잡도가 높아짐
• 슬롯 알로하에서는 프레임의 일부분만 살짝 겹치는 부분 충돌이 일어나지 않음
• 충돌이 나면 해당 슬롯 전체에서 프레임이 완전히 겹치는 완전 충돌만 발생함
• G: 프레임 시간당 평균 전송 횟수
• S: 처리량 Throughput
• S = G x e ^-G
• S가 최대값일 때는 G = 1일때, 즉 프레임이 전송되는 시간 동안 평균적으로 딱 1번의 전송 시도가 발생하는 밀도일 때 채널이 가장 효율적
• G = 1일 때 S = 37%
• 순수 알로하에 비해 2배의 성능 향상

 

7. Pure ALOHA와 Slotted ALOHA 비교

평가지표 (Key)	순수 알로하 (Pure ALOHA)	슬롯 알로하 (Slotted ALOHA)	공학적 시사점
전송 타이밍	임의의 순간 (Any time)	슬롯 시작점 (Beginning of slot)	규칙성의 유무
시간 축 형태	연속적 (Continuous)	이산적 (Discrete)	시스템 구현 복잡도 차이
글로벌 동기화	불필요 (No Sync)	필수 (Globally Synchronized)	동기화를 위한 추가 비용 발생
취약 시간 ($V_t$)	$$2 \times T_{\text{trans}}$$	$$1 \times T_{\text{trans}}$$	충돌 발생 구간의 절반 감소
최대 효율 ($S_{\text{max}}$)	18.4%	36.8%	성능 2배 향상 (Trade-off 결과)
최적 채널 로드 ($G$)	0.5	1.0	최대 효율을 내는 트래픽 밀도

 

8. CSMA (Carrier Sense Mutiple Access) or LBT (Listen Before Talk)

8.1 CSMA의 정의

• 반송파 감지 다중 접근
• 공유 매체에 신호 Carrier가 흐르고 있는지 전송 전에 먼저 감지 Sense하여 매체가 비어있을 때만 데이터를 보내는 다중 접근 방식
• 짧은 전파 지연 환경에 유리
  • 전파 지연 Propagation Delay이 매우 짧아야만 한 장치가 전송을 시작했을 때 다른 모든 장치가 거의 즉시 채널이 사용 중임을 알고 전송을 자제할 수 있기 때문
  • 만약 거리가 너무 먼 네트워크(위성 통신)이라면 이미 한 장치가 데이터를 보내서 신호가 오고 있는 중인데도 전파 지연 때문에 채널이 비어있다고 착각해 다른 장치가 데이터를 보낼 수 있음
  • 따라서 CSMA에는 거리가 짧은 LAN 환경에 최적화

8.2 ROUND 기반 동작 알고리즘

• 1단계: Carrier Sense 채널 감지
  • 전송할 프레임이 생기면 무작위로 던지는게 아니라 채널이 깨끗한지 확인
• 2단계: 채널이 비어있는 경우
  • 즉시 전송하거나 확률 p에 따라 전송함
  • 성공: 송신 후 특정 시간 (왕복 시간 + ACK 경쟁 시간) 내에 ACK를 수신하면 전송 성공으로 라운드 종료
  • 실패: ACK가 오지 않으면 노이즈, 신호 감쇄, 충돌로 인해 전송이 실패한 것. Back-off(무작위 대기) 후 재전송
• 3단계: 채널이 사용 중인 경우
  • 채널을 감지했는데 이미 다른 신호가 흐르고 있다면 일정 시간을 대기 한 후 다시 1단계로 돌아감 이때 대기 방식에 따라 프로토콜 종류가 달라짐

8.3 취약 시간과 채널 이용률

• 취약 시간 = Tpropa
• 내가 전소을 시작한 후 신호가 맨 끝에 있는 스테이션까지 도달하는 시간 (전파 지연 시간)동안만 아무도 전송하지 않으면 안전
• 신호가 일단 모든 스테이션에 도달하고 나면 다른 장치들은 감지를 통해 채널로 절대 전송하지 않기 때문
• Efficienty = Tf/Tp
  • 프레임 길이가 길어지면 순수 데이터를 전송하는 시간인 Tf가 늘어남
  • 전체 통신 시간 중 오버헤드나 취약 시간이 차지하는 비중이 상대적으로 작아지므로 효율이 좋아짐
  • 전파 지연 시간이 짧아지면 취약 시간 자체가 극도로 줄어들어 충돌 가능성이 0에 가까워짐

 

 

9. CSMA의 세 가지 지속성

• 지속성: 채널이 사용 중일 때 언제까지 그리고 얼마나 끈질기게 채널을 계속 감지할 것인가

9.1 비지속성 Nonpersistent CSMA

• 1) 채널이 비어있는 경우
  • 채널을 감지했을 때 비어있으면 프레임을 즉시 전송
• 2) 채널이 사용 중인 경우
  • 채널이 언제 비는지 계속 지켜보는게 아니라 무작위 시간 동안 즉시 귀를 닫고 대기
  • 무작위 대기 시간 동안에는 채널 감지 동작 자체를 완전히 안하고 잠에 듬
  • 대기 시간이 만료되면 다시 1단계부터 재시작
• 장점
  • 무작위로 대기하기 때문에 현재 전송 중인 프레임이 끝나는 시점에 여러 스테이션이 동시에 들이받는 동시 전송 충돌 확률이 극도로 낮아짐
  • 따라서 네트워크 트래픽 밀도가 높은 고부하 네트워크 환경에서 매우 우수한 성능(높은 처리량)을 발휘
• 단점
  • 채널이 비어있는 상태가 되어도 스테이션들이 무작위 타이머에 의해 대기 중 -> 대역폭/용량 Capacity 낭비
  • 채널이 불필요하게 낭비되는 유후 시간 발생
• 트래픽이 별로 없는 저부하 네트워크 환경에서는 충돌 보다는 빠르게 보내는 것이 중요하기에 대기하느라 지연 시간 latency만 늘어나고 성능이 떨어짐
• Non-persistent 스테이션들은 양보하는 성격임
• 채널이 바쁘면 무작위 시간 동안 자리를 피해줌
• 충돌 회피 능력이 탁월한 대신 대기 시간(지연) 성능에서 손해를 봄
• 충돌을 피하기 위해 대역폭 낭비

9.2 1-지속성 1-persistent CSMA

• 1: 채널이 비어있음을 감지할 때 전송할 확률이 정확히 1(100퍼)임
• 1) 채널이 비어있는 경우
  • 채널이 비어있으면 100프로 확률로 프레임을 즉시 전송
• 2) 채널이 사용 중인 경우
  • 채널이 비어질 때까지 채널의 신호를 실시간으로 끊임없이 감지하며 대기
  • 채널이 idle 상태로 전환되는 바로 그 순간 대기하던 스테이션이 즉시 데이터 전송
• 장점
  • idle time 완벽히 제거
  • 트래픽이 별로 없는 저부하 네트워크 환경에서 유리
  • 지연 시간 latency가 극도로 단축됨
• 단점
  • 2개 이상의 스테이션이 대기 상태면 충돌 발생이 확실함
  • 고부하 네트워크 환경에서는 동시 충돌이 일어나므로 불리
• 1-persistent 스테이션들은 탐욕적임
• 대역폭 낭비를 막기 위해 충돌 위험을 감수
• 전통적인 이더넷 IEEE 802.3은 1-persistent CSMA 방식을 채택

 

9.3 P-지속성 P-persistent  CSMA 

• 설계목표: 비지속성 방식처럼 고부하 환경에서 대기하던 장치들이 충돌하는 것을 획기적으로 줄이고 1-지속성 방식처럼 대역폭 낭비 시간 idle time을 줄인다
• 슬롯 알로하처럼 시간 축을 일정한 단위(타임 유닛)으로 분할해서 동작
• 1) 채널이 비어있는 경우
  • 확률 P의 경우: 즉시 프레임 전송
  • 확률 1-P의 경우: 전송하지 않고 하나의 타임 유닛(최대값 Tpropa)만큼 전송을 지연시킨 후 다시 1단계로 돌아가 채널 상태 조사
• 2) 채널이 사용 중인 경우
  • 1-지속성처럼 채널이 비어질 때까지 실시간으로 감지
  • 채널이 비는 순간 1번으로 돌아감
• 3) 여러번 지연 시킨 후 채널이 다시 바빠졌다면?
  • 1-p의 확률로 한 슬롯을 미루고 다시 채널을 봤는데 그 사이에 먼저 확률 P를 뽑은 이기적인 스테이션이 들어와 채널을 바쁘게 만들었을 수도있음
  • 실제 충돌이 일어난 것과 동일하게 처리해 무작위 back-off 대기 상태로 돌아가 다음 기회를 노림
• 만약 1-P의 확률이 걸려 미루는 대기 시간 단위가 e2e 전파 지연 Tpropa보다 짧으면 어떻게 되는가?
  • 대기하는 시간 단위는 반드시 종단 간 최대 전파 지연 시간 Tpropa보다 크거나 같아야 한다
  • 이 대기 시간이 Tpropa보다 작게 될 경우
    • 스테이션 A는 확률 P가 나와서 전송시작, 스테이션 B는 1-P가 나와서 한 타임 유닛(Delay)만큼 쉼
    • B의 delay가 끝나서 B가 다시 채널 감지
    • A가 쏜 신호가 B의 위치까지 물리적으로 도달하는 데 걸리는 시간 Tpropa가 B가 대기한 시간보다 더 길기에 B는 채널이 여전히 비어있다고 생각함
    • B도 전송을 시작하게 되어 100프로 확률로 둘의 프레임이 충돌
  • P-persistent CSMA의 One time Slot은 반드시 Tpropa이상이어야 함
  • 무선 LAN Wi-Fi IEEE 802.11의 CSMA/CA 기술이 이 p-persistent CSMA 알고리즘의 변형
  • 무선은 유선과 달리 충돌 감지가 불가능하기 때문에 확률적으로 충돌을 회파하는 구조
• 9.4 확률 P의 최적값
  • n: 데이터 전송 준비가 되어 채널 감시 중인 스테이션의 개수 (트래픽 부하)
  • p: 채널이 비어있을 때 각 스테이션이 데이터를 전송할 확률
  • 시점 t에 전송이 끝났을 때 전송을 기다린 스테이션이 n개 일 경우
    • 각 n개의 스테이션을 확률 p 주사위를 굴려서 전송 여부 결정
    • 시점 t에 실제로 전송을 시도할 스테이션의 개수의 수학적 기대값은 n * p
  • 만약 np > 1이라면
    • 통계적으로 시점 t에 2개 이상의 스테이션이 동시에 전송 시도 가능
    • 따라서 유선일 경우 100프로 충돌
  • 따라서 기대값 np <= 1이 되도록  확률 p를 선택
    • p <= 1/n
  • 너무 작은 p를 사용할 경우
    • n이 작은데 p가 너무 작을 경우 대기 시간이 길어지고 저부하 환경에서는 매우 긴 지연시간을 유발 대역폭 낭비
  • 저부하 환경에서는 P가 커야함
    • 저부하라는건 n이 매우 적다라는 뜻. 충돌할 장치가 별로 없으므로 전송을 미룰 이유가 없음
    • p값을 1에 가깝게 크게 설정해서 채널이 비자마자 즉시 전송하도록 지연 시간 최소화
    • p = 1이라면 1-지속성 CSMA
  • 고부하 환경에서는 P가 작아야함
    • n이 매우 많다라는 뜻이므로 p값이 크면 무조건 동시 전송으로 충돌이 일어남
    • p값을 매우 작게 설정 1/n에 수렴하도록 제어
  • 네트워크 상태 n에 따라 p값을 유동적으로 조절
  • 현대 통신 기술 와이파이에서는 p값을 고정하지 않고 충돌이 날 때마다 p값을 절반으로 줄이고 (대기 슬롯 범위를 2배로 늘림) 전송에 성공하면 p를 키우는 동적 창 크기 제어 기법 이용 Contention Window Control

 

 

10. CSMA/CD or LWT (Listen While Talk)

10.1 등장배경

• IEEE 802.3 이더넷 표준
• 기존 CSMA 방식에서는 충돌이 발생했는지 여부를 오직 ACK 프레임이 오지 않는 것을 보고 사후에만 짐작할 수 있었음
• 만약 프레임을 전송하는데 10ms가 걸리는 시스템에서 전송 시작 직후인 0.1ms시점에 반대편 신호와 충돌이 났다고 가정
• 이미 데이터는 깨졌지만 송신기는 이 사실을 모른채 남은 9.9ms동안 의미없는 신호를 계속 끝까지 전송
• 즉 충돌이 발생한 순간부터 전송이 끝날 때까지 전체 매체의 대역폭이 완전히 마비
• 해결책
  • Listen while transmitting to detect collision
  • 데이터를 물리 계층으로 출력 (Talk)하는 도중에도 수신 모듈을 동시에 구동해서 매체의 전압 변화를 실시간으로 모니터링(리스닝)
  • 충돌을 전송 도중에 즉각 감지 Collision Detection

10.2 동작 알고리즘 1-persistent CSMA 방식 기반 설계

• 1) 채널이 비어있는 경우 
  • 프레임을 즉시 전송하고 step 3으로 이동(충돌 여부 감시)
• 2) 채널이 사용중인 경우
  • 채널이 빌 때까지 계속 감시하다가 비는 순간 즉시 전송 (1-지속성 CSMA와 동일)
• 3) 전송 중 충돌 감지시
  • 전송 시간 Ttrans = L bits / R bps
  • 1) 재밍 신호 전송
    • 전송 매체 상의 다른 모드들에게 충돌났으니 전부 전송 멈추라고 특수 하드웨어 신호인 재밍 신호를 채널에 의도적으로 유포
  • 2) 전송 중단
    • 재밍 신호를 뿌린 직후 현재 전송 중이던 본래의 프레임 송신을 즉시 중단
    • 기존 CSMA처럼 깨진 데이터를 끝까지 보내며 지연 시간을 낭비하지 않음
  • 3) backoff
    • 충돌이 났으므로 무작위 대기 상태
    • 이더넷에서는 이때 BEB (Binary Exponential Backoff, 이진 지수 백오프)라는 알고리즘을 이용해 충돌 횟수가 누적될 때마다 무작위 대기 범위의 크기를 2배로 늘림
  • 4) step 1로 되돌아감 
    • backoff 타이머가 만료되면 채널 감지 단계로 돌아가 전송 재시도

 

11. CSMA/CD 동작

11.1 슬롯 시간

• 네트워크의 그 어떤 최악의 상황에서도 충돌을 성공적으로 감지해내기 위한 필요한 최대 시간

• d: 네트워크의 종단 간 최대 거리
• v: 전송 매체 내에서의 신호 전파 속도 (m/s)
• Te2e/propa: 종단간 편도 전파 시간

11.2 만약 프레임이 짧을 경우

• CSMA/CD의 전제는 전송(talk)중에만 충돌 감지(리슨)한다는 것임
• 만약 프레임이 너무 짧아서 프레임을 전부 전송하는데 걸리는 시간 Ttrans가 왕복 전파 지연 시간 2 x Tpropa보다 작을 경우
• Ttrans <  2 x Tpropa
• 충돌 신호가 뒤늦게 도달해도 충돌을 감지하지 못함
• 전송이 완벽하게 됐다고 오판하고 전송 신뢰성이 붕괴, 일반 CSMA와 다를바없는 비효율 상태

11.3 최소 프레임 길이

• 따라서 프레임 전송 시간 Ttrans >= 2 x Tpropa 여야함
• L bits: 프레임 길이
• R bps: 전송 속도
• Ttrans = L / R >= 2 x d / v
• L >=  2 x (d / v) x R
• 표준대로 계산하면 유선 이더넷 프레임의 최소 크기는 64바이트로 고정
• 네트워크 길이가 길어지거나 d, 전송 속도가 빨리지면 R, 최소 프레임 길이 L도 함께 커져야 충돌을 감지할 수 있음

 

12. 이더넷 표준이 선택한 알고리즘

• IEEE 802.3은 1-지속성 CSMA 선택
• 1-지속성은 탐욕적이기에 p-persistent보다 불안정
• 네트워크가 과부하가되면 극도로 심각해짐
• 충돌이 발생한 직후 대기 시간을 기하급수적으로 늘리는 이진 지수 백오프 BEB 알고리즘 이용

12.2 BEB 알고리즘

• 각 스테이션은 충돌 시의 무작위 대기 시간을 결정하기 위해 경쟁 창이라는 선택지 중에서 주사위를 굴림
• 이때 대기하는 단위시간을 슬롯 시간이라고 함
• Ts = 512bits 전송 시간 = 51.2 마이크로s
• 첫번째 충돌 k = 1
• [0, 2^1 -1] = [0, 1]
  • 스테이션은 0과 1중에 무작위로 골라 0을 고르면 바로 다시 보내고 1을 보내면 1 슬롯 시간만큼 대기후 보냄
• 두번째 충돌 k = 2
• [0, 2^2 - 1] = [0, 1, 2, 3]
  • 스태이션은 0, 1, 2 ,3 슬롯 시간 중 하나를 무작위 대기 
• k번째 연속 충돌
• [0, 2^k - 1] 중에 무작위 슬롯 시간 대기
• 충돌 횟수가 늘어날 때마다 2의 거듭 제곱형태로 무작위 선택 범위가 늘어남
• 이더넷 표준상 최대 범위는 k = 10인 1023까지로 제한
• 연속 충돌 횟수 k = 16이 되면 전송 포기

 

13. BEB 알고리즘

• backoff time = 슬롯 시간 x [0, 2^k - 1] 중에서 랜덤 수
• 슬롯 시간 = 2 x Tpropa (고정 상수, 10Mbps 이더넷 기준 512비트 전송 시간 = 51.2 마이크로s)
• k = 현재 스테이션이 겪고 있는 연속적인 전송 실패 충돌 횟수
• 프레임을 처음 보낼 때는 k = 0
• 네트워크 혼잡도가 증가할 수록 충돌이 반복적으로 일어나 k값이 상승
• k가 커질수록 선택 범위가 기하급수적으로 커지므로 스테이션들을 통계적을 점점 더 큰 값의 대기시간을 할당받음
• 이를 통해 폭주하는 트래픽을 강제로 가라앉혀 충돌 확률을 떨굼

13.1 1-persistent + BEB 결합 시스템의 장단점

• 장점
  • 광범위한 부하에 대한 효율성
    • 저부하 환경: 데이터를 가진 스테이션이 비자마자 즉시 채널을 선점할 수 있어 지연시간이 0에 수렴
    • 고부하 환경: 동시 충돌 문제가 발생해도 BEB 알고리즘이 가동하면서 대기 시간을 기하급수적으로 늘려 트래픽을 분산 -> 다른 매체 접근 기술과 비교해도 최소한 시스템이 다운되지 않고 안정적인 처리량 유지
• 단점
  • LIFO 구조가 되어 불공정함
  • 충돌을 많이 겪은 스테이션이 처음 전송을 시작한 스테이션보다 전송 확률이 점점 낮아짐
  • 늦게 들어온 프렝미이 먼저 처리되고 오래 기다린 프레임은 기하급수적으로 대기 시간이 늘어나서 계속 뒤로 밀리는 기아 현상과 불공정 발생

 

14. CSMA/CD 프로토콜이 물리적 계층 L1에서의 충돌을 감지하는 방법

14.1 버스 토폴로지에서

• 디지털 신호는 케이블에 특정 크기의 전압 혹은 전류 신호 형태로 인가됨
• 만약 하나의 스테이션만 데이터를 보내면 케이블 상에는 표준 규격에 맞는 정상 범위의 전압 신호 파형만 흐름
• 두 개 이상의 스테이션이 동시에 데이터를 쏘게 되면 하나의 구리선 위에서  두 파형이 중첩되면서 전기적인 파동의 합산(신호 중첩)이 일어남 
• 이로 인해 평상시 정상 신호보다 훨씬 높은 전압이 발생
• 각 스테이션의 랜카드 NIC는 전송 도중 케이블의 전압을 실시간으로 샘플
• 이때 케이블의 전압 레벨이 단일 스테이션이 만들어낼 수 있는 최대 전압 임계값을 초과하는지 검사
• 신호는 거리가 멀어질수록 감쇄, 거리가 너무 멀어지면 저 반대편 끝에서 충돌이 일어나 전압이 치솟아도 내 위치까지 오는 동안 신호가 감쇄되서 랜카드가 감지 못함
• 버스형 이더넷 표준 규격에서는 최대 전송 거리를 엄격히 제한
• 10Base5는 최대 500m, 10Base2는 최대 200m

14.2 Twisted Pair 스타 토폴로지에서

• UTP 케이블과 더미 허브 사용하는 구조로 중앙 장치를 거치기에 물리 계층에서의 충돌 감지가 훨씬 직관적 단순
•  스타 토폴로지에서는 전압 신호를 정밀 측정할 필요 없음
• 허브는 여러 노드로부터 들어오는 입력 라인을 가지고 있음
• 허브의 내부 회로는 실시간으로 현재 신호가 유입되고 있는 입력 포트가 몇 개인지 개수만 세면 됨
• 만약 두 개 이상의 입력 포트에서 동시에 신호가 감지되면, 허브를 충돌로 판정
• 허브가 충돌을 감지하는 순간 모든 포트로 특수한 충돌 존재 신호 (또는 재밍신호)를 대대적으로 살포
• 신호를 받은 스테이션들은 충돌을 인지하고 즉시 전송을 중단한뒤 BEB 절차를 밟음

 

15. IEEE 802.3 MAC 프레임 포맷

15.1 제어필드 (물리적 신호 동기화)

• Preamble (프리앰블 - 7옥텟)
  • 10101010 이라는 비트 패턴이 7바이트 동안 반복적으로 흐름
  • 수신 측 랜카드 NIC가 들어오는 전기 신호를 보고 이제 데이터가 곧 들어올테니 내부 하드웨어 시계(클록)의 비트 타이밍을 신호에 똑같이 맞추어라하고 유도하는 물리 계층의 동기화 신호
• SFD (Start of Frame Delimiter - 1옥텟) 
  • 10101011 비트 패턴
  • 마지막 두 비트가 11로 바뀌는 순간 수신기는 이제 동기화 훈련은 끝났고 바로 다음 비트부터 진짜 의미있는 프레임 데이터의 시작이다라고 인지함

15.2 MAC 주소 필드

• Destination Address (목적지 맥 조소 - 6옥탯 - 48비트)
  • 이 프레임을 수신해야 하는 타깃 랜카드의 고유 물리 주소
• Source Address (출발지 맥 주소 - 6옥텟 - 48비트)
  • 이 프레임을 쏘아 올린 송신 측 랜카드의 고유 물리 주소

15.3 중간 제어 필드 Length/ Type (2옥탯)

• case 1) 값의 범위가 0x0000 ~ 0x05DC (십진수 0 ~ 1500) -> Length 길이로 해석
  
  • IEEE 802.3 표준 규격에 따라 뒤에 이어지는 순수 데이터 영역이 정확히 몇 바이트인지 나타내는 데이터 길이로 작동
  • 최대 길이가 1500인 이유는 이더넷 최대 전송 단위 MTU (Maximum Transmission Unit)가 1500바이트라서
• case 2) 값의 범위가 0x05DD (통상 0x800 등) 일 때 -> Type 타입으로 해석
  • 제록사사가 주도했던 DIX 이더넷 규격(이더넷 v2)과의 호환성을 위해 이 프레임 안에 들어있는 상위 계층의 프로토콜이 무엇인지 알려주는 이더타입으로 작동
  • 0x0800: 페이로드 내부에 IPv4 패킷이 캡슐화되있음을 의미
  • 0x0806: 주소 변환 프로토콜인 ARP 패킷이 들어있음
  • 0x084D: IPv6 패킷
  • 0x100: 가상 랜 식별을 위한 802.1Q VLAN 태그가 삽입되어 있음

15.4 데이터 및 사후 제어 필드

• MAC Client Data (payload) + Pad(46 ~ 1500 옥텟)
  • 상위 계층에서 내려온 순수 데이터가 담기는 영역
  • Pad(패딩): CSMA/CD 매커니즘에서 충돌을감지하기 위한 유선 이더넷 프레임의 최소 길이 64바이트(프리앰블/SFD제외)를 넘겨야함 이보다 작으면 의미 없는 0을 채워넣는 패딩과정을 거쳐 데이터 + 패딩으로 최소 64바이트
  • 헤더 14바이트 + 데이터/패딩 46바이트 + FCS 4바이트 = 64바이트
• FCS (Frame Check Sequence - 4옥텟)
  • 전송 도중 비트 에러나 충돌이 났는지 검사하기 위한 32비트 CRC 오류 검출 코드
  • 수신기는 프레임을 받으면 계산한 CRC값과 이 FCS 필드 값이 다르면 프레임 폐기
• Extension (확장 필드)
  • 1Gbps 속도를 내는 기가비트 이더넷에서 사용되는 캐리어 연장선
  • 속도가 100배 빨라지면서 슬롯 시간이 너무 짧아지자 최소 프레임 크기를 강제로 늘려 CSMA/CD의 충돌 감지 거리를 물리적으로 유지하기 위해 꼬리에 비트를 붙이는 더미 비트 영역

 

16. IEEE 802.3 표준 프레임 vs 이더넷 2 (DIX 2) 프레임

 이더넷 2

• 중간 제어 필드를 type 필드로만 사용
• 상위 네트워크 계층의 프로토콜을 헤더에 곧바로 명시해 처리 구조가 매우 직관적 빠름

IEEE 802.3

• 중간 제어 필드를 length 필드로만 사용
• 뒤에 따라오는 데이터 영역의 순수 바이트 크기만을 정의
• LLC 부계층 (IEEE 802.2) 필드가 있음
  • 802.3 프레임은 길이를 명시했기에 내부에 포장된 상위 프로토콜이 무엇인지 알려줄 별도의 제어 필드 필요
  • IEEE 802.2 LLC 헤더가 그 역할을 함
  • DSAP( Destination Service Access Point - 1 Byte): 목적지 서비스 엑세스 포트
  • SSAP( Source Service Access Point - 1 Byte): 출발지 서비스 엑세스 포트
  • Ctrl (Control - 1 or 2byte): flow control 및 error control를 위한 필드

현대의 유선 이더넷 환경은 LLC 헤더의 오버헤드 (3-4바이트)를 싫어하기에 대부분 구조가 가볍고 직관적인 이더넷 2 포맷을 사용

 

L1에서 프레임의 끝을 어떻게 감지할까?

• 물리 계층의 멘체스터 인코딩
  • 정통적인 10Mbps 이더넷은 멘체스터 인코딩 이용
  • 데이터가 흐르는 동안에는 전압 파형이 끊임없이 요동침
• Carrier Drop (반송파 소멸) 감지
  • 송신 측 랜카드가 FCS 필드의 마지막 비트 전송을 인가하면 전송 매체 케이블에 더 이상 전기 신호 인가x 출력 차단
  • 수신 측 물리 칩셋이 바라보면 규치적으로 요동치던 신호의 천이가 갑자기 멈추고 전압의 무신호 상태의 평탄한 레벨로 복귀
  • 이를 반송파 소멸 Carrier Drop이라고 함 Loss of Signal
  • 물리 계층은 전기 신호가 끊긴 이 시점을 프레임의 끝으로 판정하고 직전까지 들어온 비트 열을 통째로 상위 데이터 링크 계층 MAC으로 올림
• 유효성 검증 (사후 확정)
  • 물리 계층이 Carrier Drop을 감지해 프레임을 잘라 올리면 MAC 부계층은 헤더에 적힌 Length 필드의 값과 실제 올라온 데이터의 크기 대조하거나 이더넷 2의 경우 마지막 4바이트인 FCS를 계산
  • 계산 결과 에러가 없고 딱 떨어지면 물리 계층이 프레임 끝을 잘 잘라낸 것으로 확정

 

17. 고속 LAN의 특징

	고속 이더넷	기가비트 이더넷
데이터 전송 속도	100Mbps (기존 이더넷의 10배) IEEE 802.3u 표준	1Gbps, 10Gbps, 100Gbps
전송 매체	UTP, STP, 광케이블	UTP, STP, 광케이블
지원 표준	IEEE 802.3	IEEE 802.3

• 전송 속도가 빨라짐 -> 비트 지속 시간 bit duration 짧아짐
• 비트 주기가 짧아지면 주파수가 증가 -> 신호의 왜곡, 감쇄, 누화 현상 심해 짐 -> 전송 매체 고도화 필수
• 전송 속도가 빨라져도 표준은 동일 -> IEEE 802.3 MAC 프레임 포맷(최소 64바이트 최대 1518바이트)의 구조를 고속 네트워크에서도 그대로 유지
• 데이터 링크 계층의 프레임 구조와 주소 체계 (MAC Address)가 완전히 동일하기에 사용자는 기가비트 장비와 옛날 구형 장비를 스위치 하나로 엮어도 아무런 프로토콜 변환 오버헤드 없이 통신 가능
• L1을 업그레이드 해도 L2 규격은 그대로 보존 가능 - 하위 호환성과 전 세계 표준 생태계를 통일
• 기가비트 이더넷 이상 시대부터는 하드웨어적으로 CSMA/CD 알고리즘을 사용하지 않음
• 현대의 고속 LAN은 허브를 사용하지 않고 포트별 독립된 대역폭을 제공하는 스위치 장비를 사용하여 송신선과 수신선을 완전히 분리한 full duplex 링크로 연결하기 때문에 충돌 자체가 물리적으로 안일어남
• 그럼에도 IEEE 802.3을 유지하는 이유는 상위 계층과의 호환성 때문

 

18. full duplex 동작

• 현대 이더넷의 실질적인 표준 동작 방식
• 전통적인 이더넷은 half duplex 방식
  • 하나의 물리적인 통로를 송신과 수신이 공유
  • 동시에 데이터를 주고 받는 것이 붉다능
  • CSMA/CD 알고리즘 필요
• 현대의 2계층 스위치 기반 full-duplex
  • tx와 rx가 완전히 분리되어 데이터를 동시에 보내고 받을 수 있음
  • 이론적으로 대역폭이 2배 상승
  • tx에서 100Mbps, rx에서 100Mbps
  • CSMA/CD 알고리즘이 더이상 필요x
  • 송수신이 모두 분리되어있고 스위치가 내부 버퍼를 통해 패킷을 목적지 포트로 1대1 매칭하여 전달하므로 공유 매체 경쟁이 발생x 물리적인 충돌이 아예 발생하지 않음
  • Carrier Sense x, Collision Detection X
• 하위호환성
  • 하위호환성을 위해 충돌이 없더라도 802.3 MACC 프레임 포맷이 사용되며 각 스테이션들은 CSMA/CD 알고리즘 수행
  • 현대 스위치 장비에 구형 반이중 랜카드를 탑재한 컴퓨터를 케이블로 연결할 경우
    • 현대식 스위치는 상대방 카드가 구형인 걸 감지하고 전이중 모드를 끄고 반이중 모드로 전환
    • 현대 최신 OS나 랜카드 하드웨어 칩셋 내부에도 여전히 IEEE 802.3 MAC 프레임 포맷 구조 그대로 사용
    • CSMA/CD 상태 기계 소스코드를 그대로 탑재
    • 충돌이 나지 않으면 그냥 1-지속성 처럼 최고속도로 나감
    • 이러한 설계로 30년 전 장비와 현대 초고속 스위치 장비를  랜 케이블 하나로 꽂아도 통신가능한 하위호환성 혜택

 

19. 기가비트 이더넷 - MAC

• 기가비트 이더넷 역시 하위 호환성을 위해 기존 이더넷과 완전히 동일한 프레임 포맷(최소 64바이트)와 MAC 프로토콜 이용
• 하나의 대역폭을 공유하는 기가비트 더미 허브를 사용하는 경우
  • CSMA/CD(L >= 2 x (d/v) x R)
  • 전송속도 R이 100배 폭증
  • 네트워크 최대 거리 d와 최소 프레임 크기 L을 옛날 규격 그대로 유지시 우항이 좌항보다 100배 커지며 부등식이 깨짐
  • 신호가 너무 빨리 전송되서 충돌이 나기도 전에 전송이 끝나서 충돌 감지 CD가 불가능
• 네트워크 최대 거리를 줄이거나 최소 프레임 길이를 강제로 늘려야함(채택)

19.1 캐리어 연장

• 상위 계층에서 내려온 프렝미 크기가 기가비트 이더넷의 최소 임계값보다 작다면 프레임 본체 뒤에 데이터 링크 계층 수준의 특수한 심볼(더미 비트)를 강제로 덧붙여서 프레임 강제 연장
• 물리 계층 선로로 출력되는 블록의 총 길이 수는 최소 4096비트 시간 (즉 512바이트)로 늘어남 기존 64바이트보다 8배 커짐
• 이를 통해 프레임 전송 시간 Ttrans이 종단 간 왕복 전파 지연 시간보다 길어지게 만들어 1Gbps 환경에서도 거리 감소 없이 충돌 감지 메커니즘이 완벽하게 작동

 

19.2 Frame Bursting

• 작은 데이터를 보낼 때마다 뒤에 쓰레기 더미를 많이 붙여서 보내면 실제 데이터 전송 효율이 구려짐 -> 대역폭 낭비
• 데이터를 전송할 스테이션이 전송할 작은 프레임을 여러개 가지고 있다면 첫 번째 프레임만 CSMA/CD 경쟁을 거쳐 전송
• 이후 채널의 주도권(제어권)을 내려 놓지 않고 대기중인 작은 프레임을 연속적으로 이어서 한 번에 폭발적으로 전송
• 연속된 프레임 사이에 캐리어 연장성을 붙이는 대신 아주 짧은 인터프레임 갭만두고 패킷을 밀어내기에 캐리어 연장으로 인한 대역폭 낭비 overhead를 완벽하게 회피

19.3 현대 L2 스위칭에서는 위 기술은 전혀 필요하지 않음

 

 

20. 10Gbps 이더넷의 활용

• 대용량 백본 스위치 간의 고속 연결 역할
• 기업이나 대학의 전산실 내부에서 하위 부서의 수 많은 1Gbps 스위치들이 모여드는 최상위 핵심 통로(백본)를 10Gbps 링크로 엮어 데이터 병목 현상 방지
• 서버 팜, 대규모 AI 데이터 센터, 대학 캠퍼스 전체 건물을 유기적으로 연결하는 중추 망에 도입
• ISP(인터넷 서비스 제공업), NSP(ISP에게 최상위 백본망 인프라 대역폭 제공)가 대량 생상되는 일반 네트워크 칩셋과 스위치 장비를 그대로 가져다 쓰면서 매우 저렴한 비용으로 초고속 백본 링크 구축
• 물리적으로 떨어진 여러 LAN들을 연결하여 도시 규모 MAN (Metropolitan Area Network)이나 국가 전 세계 규모의 WAN을 구성하는 데 10G 이더넷이 핵심 기틀
• 고성능 광트랜시버 Transceiver 기술의 발전으로 이더넷 신호를 수십 킬로미터 이상 감쇄없이 보낼 수 있게 되었기 때문
• 과거 WAN 시장은 전통적인 강자였던 ATM Asynchronous Transfer Mode이나 SONET/SDH같은 복잡하고 정교한 통신 프로토콜이 지배
• ATM은 고정된 53바이트 셀 구조를 사용해 완벽한 서비스 품질 QoS와 신뢰성을 제공하지만 하드웨어가 극도로 복잡, 가격이 비쌈
• 이더넷은 구조 단순, 유연(Variable Frame), 대량 생산으로 하드웨어 가격이 낮음 -> 속도 경쟁력까진 이더넷이 ATM과 시장 경쟁에서 압승 -> 현대 WAN 표준 인과관계까지 완전히 이더넷 기반으로 통일시킴

 

21. 이더넷이 과거 WAN의 절대 강자였던 ATM 기술에 비해 어떤 우위를 가졌는지

• 과거의 복합적인 WAN 환경에서는 가입자단에서 데이터를 보낼 때 기본적으로 이더넷 패킷 형태로 생성됨
• 핵심 기간망 WAN이 ATM 기술 기반이기에 이더넷 패킷을 WAN으로 넣으려면 이 가변 길이의 이더넷 패킷을 잘게 쪼개어 53바이트짜리 고정 크기 고유 포맷인 ATM 셀로 변환해야 했음
• 그리고 반대편 수신단에 도착하면 ATM 셀을 다시 모아 이더넷 패킷을 조립하는 역변환 과정
• 이 변환과정은 특수 하드웨어 변환기를 요구했고 변환용 헤더 오버헤드가 추가되어 대역폭 낭비
• 그러나 백본망까지 10G 이더넷으로 업그레이드하면서 이제 네트워크는 출발지부터 목적지까지 하나의 프로토콜로 통일된 End-to-end 이더넷 구조를 달성
• 중간 변환 과정x -> 지연 시간 감소, 장비 비용 및 대역폭 효율 극대화
• 10기가비트 이더넷 표준(IEEE 802.3ae 등)에서는 광케이블을 타고 달릴 수 있도록 아주 정교한 물리 계층 인터페이스 규격을 다수 정립
• 파장: 단거리 용인 850nm파장부터 장거리용인 1310nm, 1550nm 레이저 파장까지 규격 명시
• 전송거리: 멀티모드 광케이블(MMF)을 사용하여 데이터 센터 내부를 연결하는 300m 이내의 단거리 규격(10GBase-SR)부터, 싱글모드 광케이블(SMF)과 고성능 레이저를 결합하여 도시와 도시 사이를 커버하는 10km(10GBase-LR) 및 최대 40km 이상(10GBase-ER)의 장거리 규격까지 모두 표준 인터페이스 칩셋 규격으로 명시
• 값비싼 ATM 전용 하드웨어 설계x, 표준 규격어로 대량 생상된 광트랜시버(SFP+) 모듈을 구매해 꽂기만 하면 원하는 거리의 WAN을 즉각 구축

 

21.1 서비스 품질 QoS 확보

• 과거 이더넷은 best-effort 서비스로 최선을 다하되 성공 여부는 보장x
• ATM은 실시간 음성 통호, 금융 거래를 위해 대역폭을 칼같이 예약해 완벽한 QoS 보장
• 2계층 이더넷 기술에 3계층의 IP 표준 기술을 긴밀하게 결합(IP 헤더의 DiffServ/ToS 필드)하면서 이더넷 환경에서도 패킷의 중요도에 따라 등급을 매겨 차등 제어하는 것이 가능해짐
• 특정 회선이 약속된 대역폭을 과도하게 사용하지 못하도록 강제 차단하거나 제한하는 트래픽 폴리싱 및 제어 매커니즘을 sw와 hw레벨에서 완벽하게 지원
• 대규모 트래픽 경로를  최적화해 우회시키는 코어망 기술 MPLS나 메트로 이더넷 같은 고급 트래픽 엔지니어링 기술이 상용화 -> ATM의 전유물인 고신뢰성 QoS도 구현 가능

비교 평가 항목	과거 광역망 표준 (ATM)	현대 광역망 표준 (10-Gbps Ethernet)	공학적 승패 요인
기본 전송 단위	53바이트 고정 셀 (Cell)	가변 길이 프레임 (최대 1518B 이상)	데이터 링크 계층의 유연성 확보
가입자망과의 연동	이더넷 <->  ATM 상호 변환 필수 (오버헤드)	End-to-End 단일 프로토콜 (오버헤드 0)	처리 속도 및 장비 비용의 압도적 우위
QoS (서비스 품질)	하드웨어 기반의 완벽한 Cell 제어 보장	IP 제어 기법 및 MPLS 결합을 통해 동등 수준 달성	소프트웨어/프로토콜 제어로 기술적 격차 극복
구축 비용 (Cost)	기술의 복잡성 및 독점으로 매우 고가	글로벌 표준 및 대량 생산 생태계로 극도로 저렴	이더넷이 시장을 지배하게 된 결정적 이유

 

 

22. 100Gbps 이더넷

• 건물 간, 캠퍼스간 연결을 넘어 도시권망 MAN, WAN의 코어 링크 담당
• 비용 효율성 (기성품 스위치 대량생산), 신뢰성, 상호 운용성(IEEE 표준만 준수하면 ok)
• 시장 요구 동인
  • WAN 영역 - 데이터 센터, 인터넷 미디어 제공업체의 트래픽 폭증
  • MAN 영역 - 도시 단위 대용량 고화질 영상 송출하는 메트로 비디오/서비스 제공업체가 주도
  • LAN 영역- 대기업의 본사 백본망인 엔터파라이즈 LAN 수요
  • 인프라 핵심망 - IXP (인터넷 교환노드- 국가 인터넷 트래픽이 교환), 최상위 코어 라우팅 ISP Core Routing (통신사)
• IEEE 802.3ba: 40Gbp 및 100Gbps 속도를 동시에 정의한 공식 표준 규격
• 2007년에 워킹그룹이 결합되어 10년에 표준화 최종작업
• Mulilane Distributio MLD
  • 단일 광케이블 코어에 하나에 초당 1000억개의 비트를 100Gbps를 직렬로 밀어넣으려면 하드웨어 반도체 칩셋이 인코딩/디코딩해야하는 클럭 속도가 물리적 한계에 부딪힘
  • 100Gbps 초고속 데이터 스트림을 하드웨어 칩셋 내부에서 여러 개의 느린 속도를 가진 논리적/물리적 레인으로 쪼개어 병렬 전송한뒤 수신단에서 다시 정렬
  • 100G 신호를 25Gbps 짜리 독립된 레인 4개로 분할하거나 10Gbps짜리 레인 10개로 쪼개어 각각의 광파장 WDM 기술이나 물리적인 다중 코어 케이블로 동시에 쏘아 보냄
  • 수신 측에서는 각 레인의 미세한 도달 시간차이 Skew를 내부 버퍼로 정렬해 원래의 100G 데이터 스트림으로 정교하게 복원
  • 반도체 소자의 물리적 속도 한계를 우회해 테라비트급 전송 달성
• 상위 계층이 바라보는 802.3 MAC 프레임 포맷과 네트워크 관리 소프트웨어, 소프트웨어 어플리케이션 소스 코드는 단 1비트도바뀌지 않고 그대로 유지
• 기존 인프라와 완벽한 호환성

 

23. 멀티레인 분배(MLD, MultiLane Distribution)

• IEEE 802.3ba의 데이터 전송 속도를 만족하기 위해 사용되는 기술
• 엔드 스테이션과 스위치 간 혹은 스위치간의 물리적 링크는 다중 병렬 채널로 구현될 수 있음
  • 노드와 스위치 사이의 여러 물리적인 선로를 병렬로 배치하는 방식 ex. 10가닥의 10Gbps 선로를 묶어 100G 구현
  • 단 한 가닥의 광케이블만 사용하되 그 내부에서 빛의 색상(파장)을 여러 개로 쪼개어 동시에 쓰는 WDM ( Wave Division Multiplexing, 파장 분할 다중화) 기술을 이용하는 방식. 케이블 비용을 아끼면서 병렬 채널을 만들어내는 현대 초고속 광통신의 핵심
• 가상 레인은 적절한 수의 물리적 레인으로 분배됨 - 하드웨어 유연성을 줌 내부 로직은 항상 동일한 개수의 가상 레인, 물리적 매체에 따라 몇 개의 물리적 레인으로 묶을지 유연하게 결정 
  • 상위 계층에서 내려온 100Gbps 짜리 하나의 거대한 연속된 비트 스트림이 64B/66B 인코딩을 거쳐 각각 66비트 크기를 가진 워드 단위 블록으로 줄서서 진입
  • 라운드 로빈 분배기
    • 라운드 로빈 방식으로 각 워드를 가상 레인에 분배

• 얼라이먼트 블록 부착
  • 분배된 가상 레인 맨 앞에 M1, M2..Mn이라 적힌 얼라인먼트 블록이 결합
  • 빛이나 전기 신호가 다중 채널(물리 레인)을 타고 날아갈 때, 각 선로의 미세한 길이 차이나 매체 특성 때문에 수신단에 도착하는시간에 미세한 차이인 스큐 skew 도달 시차가 무조건 발생함
  • 수신 측 랜카드는 이 고유한 얼라이먼트 블록을 기준으로 병렬 신호의 동기화를 맞추는 기준점으로 활용

 

24. 가상 근거리 통신망 VLAN, Virtual Local Area Network)

• 장치들의 논리적 그룹화
  • 같은 LAN으로 묶으려면 과거에는 반드시 같은 허브나 스위치에 구리선 케이블로 나란히 꽂아야만 했음
  • VLAN에서는 스위치 내부 소스 코드 MAC 설정을 통해 1, 5, 10번 포트는 물리적으로 떨어져 있어도 하나의 가상 LAN 그룹이다 라고 소프트웨어적으로 정의 논리적으로 그루핑 가능
• 라우터 없는 통신 - L3 포워딩
  • 서로 다른 네트워크(브로드캐스트 도메인)간의 통신하려면 3계층 라우터필요, 즉 L3-포워딩(라우팅) 과정을 무조건 거쳐야함 -> 지연 시간 늘어남
  • 같은 VLAN으로 묶인 장치끼리는 중간에 라우터가 없어도 2계층 스위치 장비 자체의 고속 포워딩 (L2 스위칭) 기능만을 이용해 다이렉트로 통신 가능
  • 마치 하나의 물리적 스위치에 통째로 물려 있는 것과 완벽하게 동일한 착각, 브로드캐스트 패킷(ARP 요청)을 보내면 같은 VLAN안에 속한 장치들에게만 칼같이 복사되어 전달, 다른 VLAN 장치로는 전기 신호가 넘어가지 않도록 스위치가 철저히 격리
  • 실제 물리적 위치 무관, 두 스테이션이 다른 건물, 다른 스위치에 꽂혀 있어도 중간 링크를 가상 통로 Trunk로 엮어 VLAN10 이라는 동일한 ID를 부여하면 실제 물리적 위치에 상관없이 두 PC는 완벽하게 하나의 폐쇠적인 전용 LAN망 공유

비교 평가 항목	전통적인 물리적 LAN	가상 근거리 통신망 (VLAN)	공학적 이점
네트워크 분할 기준	물리적 스위치/케이블 연결 구조	스위치 내부의 논리적 ID (VLAN ID) 설정	토폴로지 변경 시 케이블을 새로 깔 필요가 없음
브로드캐스트 도메인	스위치에 연결된 전체 포트로 전파	동일한 VLAN ID를 가진 포트들로만 한정	불필요한 트래픽(ARP 노이즈 등) 차단으로 대역폭 절감
이종 그룹 간 통신	케이블이 분리되어 통신 불가	라우터 또는 L3 스위치를 통해 선택적 라우팅	부서 간 완벽한 보안성(Security) 격리 달성
유지보수 비용	자리 배치 이동 시 네트워크 공사 필수	랜선은 그대로 두고 소프트웨어 설정만 변경	기업의 인력 배치 및 조직 개편에 유연하게 대응

• 물리적 네트워크 토폴로지 위에 소프트웨어로 논리적 토폴로지를 덧 씌움
• 브로드캐스트 도메인 분리가 되는게 핵심 - VLAN을 통해 그루핑해서 논리적 격리 가능

 

25. VLAN 계속

25.1 목표

• 물리적으로 서로 다른 장소에 분리된 스테이션들을 하나의 논리적 LAN 세그먼트로 묶어서 그 내부에서만 트래픽이 흐르도록 함
• 하나의 큰 물리적 LAN망 공간 안에 논리적인 하위 그룹으로 나눔
• 장치들을 물리적으로 옮기는게 아니라 스위치의 관리 콘솔 cli/web에서 소프트웨어 설정 명령어로 생성

25.2 브로드캐스트 도메인의 통합과 계층적 구현 위치

• VLAN에 소속된 사용자 PC와 네트워크 장비(서버, 프린터등)을 묶어 하나의 독립된 브로드캐스트 도메인을 형성
• 이 울타리 안에서 터진 ARP 비트 노이즈는 절대로 다른 VLAN으로 가지 못함
• 기본적으로 2계층 스위치 내부에서 구현되며 데이터 링크 계층인 MAC 부계층 레벨에서 작동함
• 스위치는 들어오는 프레임 헤더의 MAC 주소와 포트에 매핑된 가상 ID를 대조해 포워딩 여부 결정

25.3 이종 VLAN간 통신과 물리적 독립성

• VLAN간의 연결은 반드시 IP 주소 기반으로 경로를 지저해주는 3계층 라우터나 L3 스위치가 개입해서 IP 주소 기반 라우팅을 수행해야 함
• 물리적으로는 분산되어있지만 그룹 정체성  VLAN ID 유지

 

26. VLAN 멤버십 정의하는 법 3가지

• 1. 포트 그룹 기반
  • 스위치의 물리적 포트 번호를 기준으로 가상 랜을 지정 ex. 1~5번 포트는 VLAN10번, 6~10번 포트는 VLAN 20번
  • 구성하기 쉬움. 스위치 칩셋이 패킷을 포워딩할 때 별도의 복잡한 연산 처리 할 필요x
  • 사용자가 위치 이동해서 랜 케이블을 스위치의 다른 포트에 꽂으면 소속 부서 가상 랜이 자동으로 바뀌어버림
  • 장치가 이동할 때마다 네트워크 관리자가 스위치 콘솔에 들어가 직접 포트설정을 새로 코딩
• 2. MAC 주소 기반
  • 스위치 내부에 MAC주소 ~는 VLAN10이다 이런식으로 데이터베이스 테이블을 만들어둠
  • 장치가 어느 포트에 꽂히든 스위치는 프레임이 들어오는 순간 출발지 MAC 주소를 조회해서 가상 랜을 동적으로 매핑
  • 랜카드가 기기에 하드웨어적으로 박혀있기에 MAC주소는 고정, 어느 위치로 이동하든 가상 랜 소속을 유지
  • 사내의 모든 스테이션에 대해 MAC 주소를 관리자가 초기에 일일이 수집해서 스위치 데이터베이스에 최초 등록해야해서 초기 세팅 오버헤드가 매우큼 NIC 랜 카드 교체시 테이블 갱신 필요
• 3. 프로토콜 정보 기반 VLAN
  • 패킷 내부에 담긴 3계층 IP주소나 상위 계층 프로토콜 정보를 검사하여 가상 랜을 나누는 가장 지능적 방식
  • ex. IPv4 패킷은 VLAN 10, IPX 패킷은 VLAN20
  • 네트워크 계층 주소 IP 주소나 전송 계층 혹은 그 이상의 상위 계층 프로토콜 정보를 기준으로 쪼갤 수 있어 설계의 유연성이 극대화
  • 사용자의 IP 대역만 보고 서브넷 단위로 가상 랜을 자동으로 매핑
  • 2계층 장비인 스위치가 프레임을 처리할 때 2계층 헤더 MAC만 보고 빠르게 처리해야하는데 이 방시글 쓰면 MAC 계층 윗부분을 일일히 파싱하고 분석해야 함 -> 스위치 칩셋 CPU/ASIC 연산 부하 폭증 -> 전체 성능에 안좋음

평가 항목	(1) 포트 그룹 기반	(2) MAC 주소 기반	(3) 프로토콜 기반
판단 기준	스위치의 물리적 포트 번호	장치의 하드웨어 MAC 주소	3계층 IP 주소 및 프로토콜 타입
구현 계층	2계층 최하단 (물리 포트)	2계층 MAC 부계층	3계층 이상 (네트워크 계층 영역 침범)
장치 이동 시	재설정 필수 (포트 종속적)	자동 유지 (가장 유연함)	IP 주소 유지 시 자동 유지
스위치 연산 부하	없음 (최고 속도 스위칭 가능)	미미함 (MAC 매칭 테이블 조회)	매우 높음 (L3 헤더 파싱 오버헤드)
실무 채택률	압도적 1위 (단순함, wire-speed)	간혹 사용 (보안/모빌리티 타깃)	거의 안 씀 (성능 저하 이슈)

 

 

27. 스위치간 가상 랜 멤버십 정보 통신

• 스위치는 어떤 스테이션이 어느 VLAN에 속하는지 알아야함
• 1) 수동 설정 방식
  • 관리자가 모든 스위치 하나하나에 접속해서 수작업으로 동기화 테이블을 입력하는 방식
  • 스위치가 늘어날 수록 설정 오버헤드가 높아짐. 한 곳에서 오타나면 전체 가상 랜 통신 끊김 -> 휴먼 에러
• 2) 네트워크 관리 신호 프로토콜
  • 스위치들끼리 배경 전송으로 가상 랜 구성 정보를 자동으로 주고받는 특수한 동적 신호 프로토콜을 구동
  • 시스코 장비에서 주로 쓰이는 VTP이나 국제 표준인 GVRP / MVRP가 여기에 해당
  • 중심이 되는 마스터 스위치에서 VLAN 10을 생성하면 이 프로토콜 신호를 타고 주변의 모든 스위치에게 가상 랜 정보가 동적으로 자동 복사 및 배포됨
  • 관리자의 설정 부담 감소
• 3) 프레임 태깅 기술 IEEE 802.1Q
  • 스위치 A와 스위치 B를 연결하는 단 하나의 케이블이 있음
  • 이 선은 모든 가상 랜의 패킷이 동시에 지나다는 트렁크 링크임
  • 신호가 섞여서 지나가면 받는 쪽 스위치 B는 이 프레임이 어느 가상 랜에서 온건지 구분x
  • 송신 전 각 프레임 헤더에 4바이트짜리 VLAN 태그 헤더를 프레임 내부에 강제 삽입
  • 이 태그를 붙이는 국제 표준 규격 IEEE 802.1Q
  • 트렁크 선로 반대편에서 기다리던 스위치B는 프레임이 들어오는 순간 4바이트 태그를 읽어 유일하게 식별한 뒤 소속 가상 랜 포트로만 데이터 포워딩
  • 일반 컴퓨터(호스트)에게 패킷을 최종 전달할때는 이 태그를 다시 없애서 순수한 이더넷 프레임으로 복원

구분	(1) 수동 설정 (Manual)	(2) 동적 프로토콜 (Signaling)	(3) 프레임 태깅 (IEEE 802.1Q)
본질적 역할	스위치 간 VLAN 데이터베이스 일치화	스위치 간 VLAN 데이터베이스 일치화	실제 링크(구리선) 위에서 프레임별 소속 구별
제어 영역	관리자의 CLI 코딩	VTP / MVRP 프로토콜 패킷 제어	MAC 프레임 헤더 하드웨어 비트 제어
작동 타이밍	네트워크 초기 구축 및 변경 시	가상 랜 토폴로지 변경 시 동적 갱신	데이터 전송 중 트렁크 포트를 통과하는 매 순간
실무적 관계	규모가 커지면 단독 사용 불가	(2)번으로 DB를 맞추고, 실제 전송선 위에서는 반드시 (3)번 태깅을 결합하여 사용함

 

28. IEEE 802.1Q VLAN - 태그된 IEEE 802.3 MAC 프레임 포맷

📊 IEEE 802.1Q 4바이트 태그 명세 최종 정리 요약

필드명	비트 크기 (Bit)	데이터 표현 범위	실무적 기능 및 공학적 해석
TPID (Length/Type)	16 bits (2B)	고정값 0x8100	"이 프레임은 가상 랜 태그가 붙어 있다"고 알리는 식별용 헤더
User Priority (CoS)	3 bits	0 ~ 7 (8개 등급)	음성/영상 등 실시간 패킷의 우선순위를 제어하는 QoS용 비트
CFI (DEI)	1 bit	0 또는 1	이종 LAN(토큰링) 호환성 및 패킷 드롭 마커 플래그
VLAN Identifier (VID)	12 bits	1 ~ 4094 (0, 4095 제외)	프레임의 소속 가상 랜 넘버 명시 (최대 4,094개 생성 제한의 원인)