5장. 이더넷과 이더넷 스위치.

이더넷 물리 계층
이더넷은 IEEE802.2와 802.3(CSMA/CD)에서 정의한 표준을 따르는 LAN에서 사용되는 물리 계층 및 링ㅋ 계층 프로토콜이다.
IEEE802.3에는 이더넷의 프레임 포맷, 전송방식 등 링크 계층 일부가 정의되어 있다.
이더넷에서 지원하는 전송속도는 10Mbps, 100Mbps, 1Gbps, 10Gbps 및 100Gbps가 있다. 현재 이더넷은 건물 내부의 통신인 LAN뿐만아니라 전송거리가 100km이상인 제품들도 있어 도시 내의 통신(MAN, metropolitan area network)에서도 사용된다.

이더넷 물리 계층 표준

§ 10 Base2 : 가는 동축케이블(thin coaxial cable)을 이용한 10Mbps 이더넷으로 최대 전송거리는 185미터이다.
§ 10 Base5 : 굵은 동축케이블(thick coaxial cable)을 이용한 10Mbps 이더넷으로 최대 전송거리 500미터이다.
§ 10 BaseT : 4가닥의 UTP(unshielded twisted pair) 케이블을 사용하는 10Mbps 이더넷 표준으로 최대 전송거리는 100미터이다. 앞의 10은 속도가 10Mbps임을 나탠고 Base는 베이스밴트(baseband) 신호를 사용한다는것을 나타내며, 마지막의 T는 꼬임선(twisted pair cable)을 사용한다는 것을 의미한다.
§ 100 BaseT : 4가닥의 UTP 케이블을 사용하는 100Mbps 이더넷 표준으로 최대 전송거리는 100미터이다.
100Mbps 이더넷을 패스트 이더넷(fast ethernet)이라고도 하며, 현재 가장 많이 사용되는 표준이다.
§ 1000 BaseT : 8가닥의 twisted pair 케이블을 사용하는 1000Mbps 이더넷 표준으로 최대 전송거리 100미터이다. 1000Mbps 이더넷을 기가비트 이더넷(gigabit ethernet)이라고도 한다.
§ 1000 BaseSX : 광케이블을 사용하는 1000Mbps 이더넷 표준으로 최대 전송거리는 550미터이다. S는 단거리(short)를 의미한다.
§ 1000 BaseLX : 광케이블을 사용하는 1000Mbps 이더넷 표준으로 최대 전송거리는 5 km이다. L은 장거리(long)를 의미한다.
§ 10GBaseSR : 광 케이블을 이용하는 10Gbps 이더넷 표준으로 최대 전송거리는 케이블의 종류에 따라 300미터이다. SR은 단거리(short range)를 의미한다. 10Gbps 이더넷을 10G('텐 지') 이더넷이라고도 한다.
§ 10GBaseLR : 광 케이블을 사용하는 10Gbps 이더넷 표준으로 최대 전송거리는 케이블의 종류에 따라 25 km이다. LR은 장거리(log range)를 의미한다.

이더넷 케이블
이더넷에서 주로 사용되는 케이블은 TP(twisted pair)와 광케이블이 있다.
TP 케이블은 TIA(telecommunications industry association)에서 만든 카테고리 5, 53, 6 등을 나타낸다.
현재 100Mbps 이더넷용으로는 카테고리 5, 1Gbps는 5e 케이블을 많이 사용한다.
광케이블은 레이저의 파장, 전송모드 및 광케이블의 지름에 따라서 전송거리가 다라진다. 레이저의 파장은 850, 1310, 1550nm(나노미터) 등이 사용된다.
전송모드는 멀티모드(multimode)와 싱글모드(single mode)가 있으며, 싱글모드의 전송거리가 더 길다. 광 케이블의 지름은 9, 50 ,62.5미크론(micron) 등이 있으며, 지름이 작을수록 전송거리가 길어진다.

(T568B 케이블링) T568A는 백등과 백녹이 바뀐다.

다이렉트 케이블은 서로 다른 장비들끼리 연결할 때 사용한다.
스위치- 라우터
T568B - T568B

크로스 케이블은 다음 그림과 같이 동일한 종류의 장비인 스위치 사이와 허브(hub) 사이, 라우터 사이 및 PC 사이를 연결할 때 사용한다.

스위치 -- 스위치
허브    -- 허브
라우터 -- 라우터

스위치와 허브를 연결할 때 또는 라우터와 PC를 연결할 때도 크로스 케이블을 이용한다.
허브 ---- 스위치
PC ----- 라우터

양측 커넥터의 케이블 연결이 반대로 된 것을 롤오버(rollover) 케이블 또는 롤드(rolled) 케이블이라고 한다.콘솔은 정해진 사양이 없어 장비마다 새로 구해야 된다.
라우터(콘솔포트) --- 컴퓨터(포트)

이더넷 MAC 서브 계층

IEEE 802.3 MAC (media access control) 서브 계층 (sublayer)은 이더넷의 프레임 포맷(format), 이더넷 동작방식, 충돌감지 및 재전송 방식 등을 정의한다.

서브 계층이라고 하는 이유는 이더넷 MAC에서 정의하는 프로토콜이 링크 계층 전체가 아닌 일부에만 해당하기 때문이다.

이더넷 프레임 포맷

프리엠블	SOF	목적지 MAC	출발지 MAC	길이/타입	데이터	FCS
7	1	6	6	2	46-1500	4

프리엠블 : 10101010이 반복되는 7바이트 길이의 필드. 수신측에게 도착할 이더넷 프레임에서 0과 1을 구분하도록 동기(syncronization)신호를 제공하는 역할.

SOF (start of frame) : 프리엠블과 달리 마지막 비트가 1인 10101011의 값을 가지며, 프레임의 시작을 알림.
SOF 필드 다음에 목적지 MAC 주소 필드가 시작된다. 이더넷 프레임의 크기를 젤 때 앞의 프리엠블과 SOF의 8byte는 빼고 계산된다.

목적지 MAC주소 :  MAC(media access control) 주소는 이더넷 장비의 링크 계층 주소를 나타낸다.
MAC 주소는 48비트(6바이트)로 구성되며, 16진수로 표시한다. MAC 주소의 앞부분 24비트를 OUT(organizationally unique identifier) 또는 회사코드 (vendor code, company ID)라고 하며, IEEE에 일정 금액을 지불하면 고유한 코드를 부여받을 수 있다.

  MAC 주소의 첫 번째 비트는 유니캐스트 또는 멀티캐스트를 나타낸다.
0 xxxxx... : 유니캐스트 (uncast, individual) - 하나의 장비 주소
1 xxxxx... : 멀티캐스트 (multicast, group) - 특정한 그룹
1 11111...  : 브로드캐스트(broadcast)  - 해당 서브넷에 속하는 모든 장비에게 프레임 전송
x 0 xxxx... : 공인주소
x 1 xxxx... : 사설주소
//실제 OUI는 앞의 2비트를 제외한 22비트로 약 4백만 개이다. (2^22)

  뒤의 MAC 주소 24비트는 각 회사에서 자체의 일련번호를 부여하여 사용한다. 이더넷 포트들은 제품이 생산되는 시점에서 고유한 MAC 주소를 가진다. 그래서 MAC주소를 BIA(burned in address)라고도 한다.
또, MAC 주소는 링크계층에서 사용되는 주소지만 물리적인 포트에 부여되므로 물리적인 주소(physical address)라고도 한다. 일련번호는 24비트이므로 하나의 OUI당 약 1천 600만 개의 MAC 주소를 자체의 제품에 할당할 수 있다.(2^24)

출발지 MAC 주소
출발지 MAC 주소는 이더넷 프레임이 전송되는 출발지 이더넷 포트의 MAC 주소가 표시된다.
출발지 MAC 주소는 항상 유니캐스트 주소이다.

길이 / 타입
길이(length)/타입(type) 필드는 2바이트 길이를 가지며, 이더넷 프레임의 데이터 필드 길이나 상위 계층인 네트워크 계층에서 사용하는 프로토콜의 종류를 표시한다. 이 값이 1,500 이하이면 프레임의 데이터 필드 길이를 표시한다. (약 6만5천개 2^16)

데이터
이더넷 데이터 필드는 최소 46 바이트, 최대 1500 바이트이다. 데이터가 46바이트 이하이면 의미가 없는 비트를 패딩(padding)하여 46바이트로 만든다.

FCS
FCS(frame check sequence)는 전송되는 이더넷 프레임의 목적지 MAC 주소부터 데이터 필드까지 에러 발생 여부를 확인하기 위한 필드이다.

CSMA/CD

※ 이더넷 프레임 전송방식
하프 두플렉스(half duplex) - 데이터 송신과 수신 동시에 할 수 없다.
풀 두플렉스(full duplex) - 데이터 송신과 수신이 동시에 이루어진다.

하프두플렉스
1) 프레임을 전송하기 전, 케이블 상에 전송 중인 프레임을 체크한다. 이 과정을 캐리어 센스(carrier sense)라고 한다. 프레임이 없으면 전송하고 있으면 대기한다.
2) 이더넷 장비들은 중앙제어장치와 같은 특별한 장치 없이 언제라도 캐리어를 센싱한 다음 자신의 프레임을 전송할 수 있는데 이를 멀티플 액세스(multiple access)라고 한다.
3) 하프 두플렉스로 동작하는 허브나 스위치에 접속된 이더넷 장비들은 동시에 프레임을 전송할 수 있고, 이 경우 충돌이 일어날 수 있으므로 프레임 전송 후에는 항상 충돌방생 여부를 확인한다. 이를 충돌감지(collision detection)이라고 한다.
만약 충돌이 발생하면 임의의 시간 동안 기다렸다가 다시 전송한다. 재충돌을 최소화시키기 위하여 백오프(backoff) 알고리듬이라는 것을 사용한다.
위의 이더넷 동작방식을 줄여서 CSMA/CD (carrier sense multiple access with collision detection)이라고 한다.

풀 두플렉스 모드에서 이더넷 동작

풀 두플렉스 모드의 링크는 프레임의 송신과 수신이 서로 다른 채널을 통해 이루어지므로 충돌이 발생하지 않는다. 따라서 충돌 감지도 하지 않는다. 별개의 채널로 이루어지기에 송수신 트레픽양이 동일하다면 하프 두플렉스보다 2배나 더 빠르다. 현재 대부분의 허브와 연결된 장비들은 풀 두플렉스를 지원한다.

허브와 리피터

- 전기적인 신호를 증폭시켜 LAN의 전송거리를 연장시키는 장비
- 전기적 신호는 물리 계층에 속하므로 허브와 리피터는 물리 계층 장비 또는 L1 장비라고 한다.
- 허브는 10Base-T나 100Base-T처럼 UTP 케이블을 사용하는 장비들을 상호연결 시키는 콘센트레이터(concentrator 접선장치) 역할도 함께 제공한다.
- 허브는 한 장비에 전송된 데이터 프레임을 허브와 연결된 모든 장비에 전송하며 이를 플러딩(flooding)이라고 한다.  결과적으로 충돌이 많아 많은 장비를 연결할 수 없고, 보안성도 떨어진다. 하프 두플렉스로만 동작하기에 이더넷 프레임의 충돌이 발생할 가능성이 높고, 네트워크 성능도 떨어진다.

스위치와 브리지

스위치와 브리지(bridge)는 MAC 주소 테이블(MAC address table)을 가지고 있어, 해당 목적지 MAC 주소를 가진 장비가 연결된 포트로만 프레임을 전송한다. MAC 주소는 링크 계층에서 사용되므로 스위치와 브리지를 링크 계층 장비 또는 L2 장비라고 한다.
ASIC(application-specific integrated circuit)을 이용하여 하드웨어상에서 고속으로 이더넷 프레임을 스위칭시키는 스위치에 비해서 브리지는 소프트웨어적으로 스위칭시키기에 속도가 느리다.
스위치는 수백 개 이상의 포트수를 가지나 브리지는 수개 미만이다. 그래서 브리지를 거의 사용하지 않는다.
요즘의 스위치들은 MAC 주소뿐만 아니라 3,4,7 등 상위 계층의 정보도 함께 참조하는 제품이 많아져서 MAC 주소만 참조하여 스위칭시키는 제품들을 L2(layer 2) 스위치라고 한다. L2 스위치를 그냥 스위치라고하는게 대부분이다.

라우터와 L3 스위치
라우터와 L3 스위치는 IP 주소 등 레이어3 헤더에 있는 주소를 참조하여 목적지와 연결되는 포트로 패킷을 전송한다. 따라서 레이어3(L3) 장비라고 한다.
서브넷이 다른 IP 주소를 가진 장비 사이에 통신이 이루어지려면 반드시 레이어3 장비를 거쳐야 한다.
L3 장비는 브로드캐스트 프레임을 차단한다. L3 장비를 쓰면 브로드캐스트 영역(domain)이 분할되므로 브로드캐스트 영역의 크기는 줄어들도 브로드캐스트의 수는 증가한다.
라우터(Router)는 네트워크 주소가 서로 다른 장비들을 연결할 때 사용한다.
원격지에 위치한 네트워크들을 연결하는 경우가 많다. 그러나 최근에는 장거리 전송이 가능한 이더넷 기술이 발달하여 원격지의 LAN을 스위치를 이용하여 직접 연결하는 경우도 많다.
하나의 스위치를 논리적으로 다수의 스위치로 동작시킬 때 VLAN(virtual LAN, 가상랜)이라는 기술을 사용한다.
동일한 VLAN에 소속된 포트들 사이의 통신에는 MAC 주소를 참조하고, 서로 다른 VLAN에 소속된 장비간의 통신에는 IPv4, IPv6 등 L3 주소를 참조하는 것이 L3 스위칭이며, 이런 기능을 제공하는 스위치를 L3 스위치라고 한다.

스위치의 종류 및 기본 설정

시스코의 이더넷 스위치는 크게 카탈리스트(Catalyst) 시리즈와 데이터센터용 스위치인 넥서스(Nexus) 시리즈가 있다.

이더넷 스위치의 종류
이더넷 스위치는 단독형 스위치, 스택형 스위치, 모듈형 스위치로 구분할 수 있다.
단독형 스위치(standalone switch)는 포트수가 고정된 스위치를 말한다.

스택형 스위치(stackable switch)는 여러 대의 스위치를 한 대처럼 동작시킬 수 있는 것을 말하며, 전용 스택(stack) 케이블을 이용하여 스위치 사이를 연결한다.

모듈형 스위치(modular switch)는 필요에 따라 여러 종류의 포트를 가진 모듈(module)을 선택하여 장착할 수 있는 스위치를 말한다.