[ Network ] LAN 과 Ethernet (ARP 프로토콜)

Ethernet (이더넷) 기술

이더넷은 유선 네트워크 기술 중 하나로, 네트워크 장비 간에 데이터를 송수신하는 데 사용된다.

LAN, MAN 및 WAN에서 가장 많이 활용되는 기술 규격. OSI 모델의 물리 계층에서 신호와 배선, 데이터 링크 계층에서 MAC(Media Access Control) 패킷과 프로토콜의 형식을 정의하며, 두 계층에서 활용된다.

이더넷은 네트워크에 연결된 각 기기들이 48비트 길이의 고유의 MAC 주소를 가지고 이 주소를 이용해 상호간에 데이터를 주고 받을 수 있도록 만들어졌다.

이더넷은 CSMA/CD 기술을 사용하며, 이 기술은 이더넷에 연결된 여러 컴퓨터들이 하나의 전송 매체를 공유할 수 있도록 한다.

 

 

동작절차

• 네트워크를 사용하려는 컴퓨터는 먼저 현재 네트워크 위에 흐르고 있는 데이터가 있는지 감지한다.
• 만약 현재 다른 데이터가 전송 중이면 사용할 수 있을 때까지 기다리고 아니면 전송 시작한다.
• 여러 군데에서 동시에 전송을 시작해 충돌이 발생하면 최소 패킷 시간 동안 전송을 계속해, 다른 컴퓨터가 충돌을 탐지할 수 있도록 한다.
• 그 뒤 임의 시간동안 기다린 뒤에 다시 신호를 감지하고 네트워크 사용자가 없으면 전송을 다시 시작한다. 전송을 마치면 상위 계측에 전송이 끝났음을 알리고 끝마친다.

-> 이 과정에서 이더넷 스위치를 사용하면 충돌이 일어나지 않는다.

 

 

허브 (Hub) : MAC Address 저장/관리 X

 이더넷 네트워크에서 여러 대의 컴퓨터, 네트워크 장비를 연결하는 장치. 한대의 허브를 중심으로 여러대의 컴퓨터와 네트워크 장비가 마치 별 모양으로 서로 연결되며, 같은 허브에 연결된 컴퓨터와 네트워크 장비는 모두 상호 간에 통신을 할 수 있게 된다. 같은 허브에 연결된 컴퓨터와 네트워크 장비는 모두 상호 간에 통신할 수 있게 된다.

 허브에 라우터나 3계층 스위치 등의 장비가 연결되어 있으면 이를 통해 더 높은 계측의 네트워크 (WAN, MAN 등)과도 연결할 수 있다. 허브와 컴퓨터 장비간의 연결에는 보통 UTP 케이블과 RJ45 커넥터가 쓰인다.

 

허브로 연결된 네트워크에서는 한 컴퓨터에서 주고받는 데이터가 같은 허브에 연결된 다른 모든 컴퓨터에 전달(broadcast)된다. 따라서 연결된 컴퓨터의 개수가 많아질수록 네트워크 충돌이 많아지고 속도가 느려진다. 이를 해결하기 위해 데이터가 필요한 컴퓨터에만 전송하는 이더넷 스위치를 많이 사용한다. 대부분 허브는 충돌을 탐지하기 위해 반이중만을 지원하는데 반해 대부분의 스위치는 전이중을 지원하기 때문.

 

 

스위치 (Switch) : MAC Address 저장/관리 O

 

 

 처리 가능한 패킷의 숫자가 큰 것으로, 네트워크 단위들을 연결하는 통신 장비로서 소규모 통신을 위한 허브보다 전송 속도가 개선된 것이다. 사용 목적은 허브와 유사하지만 스위치는 훨씬 향상된 네트워크 속도를 제공한다.

 각 컴퓨터에서 주고 받는 데이터가 허브처럼 다른 모든 컴퓨터에서 전송되는 것이 아니라, 데이터를 필요로 하는 컴퓨터에만 전송되기 때문. 또한 대부분이 스위치가 전이중 통신을 지원하기 때문에 송수신이 동시에 일어나는 경우 훨씬 향상된 속도를 제공한다.

 

 스위치는 각 컴퓨터의 고유한 MAC 주소를 기억하고 있어야하며, 이 주소를 통해 어떤 데이터가 어디로 전송되어야 하는지 판단해야한다. 하지만 스위치를 이용하는 경우도 대량의 브로드캐스팅이나 스위치의 처리용량을 초과하는 데이터 흐름에 대해서는 취약할 수밖에 없으므로 커다란 네트워크의 경우는 VLAN 스위치나 라우터를 사용한다.

 

LAN (Local Address Network)

동일한 Subnet Mask, 다시 말해 같은 IP 대역을 사용하는 네트워크 매체와 컴퓨터를 묶는 컴퓨터 네트워크이다.

ARP (Address Resolution Protocol)

네트워크 상에서 IP 주소를 물리적 주소로 대응시키기 위해 사용되는 protocol이다. LAN에 소속된 단말들은 ARP 를 이용하여 LAN 내 다른 컴퓨터의 IP 와 물리적 주소(MAC Address)를 확인, 매칭시키고 매칭된 정보가 적힌 ARP Table을 보유한다. LAN에서는 물리적 주소를 사용하여 통신하기 때문.

 

 

시스템의 ARP 캐시에 저장된 모든 항목들 확인 가능

 

 

이렇게 목적지에 대한 정보가 적힌 지도를 갖고 있는 것과 같다.

즉 동일한 IP 대역과 Subnet Mask를 갖는다면 그 안의 모든 단말들은 ARP의 영향을 받게 되며 LAN 내 모든 단말에 대한 ARP Table을 보유하게 된다.

 

 LAN 이란 ARP Request 가 닿는 모든 범위. 이 ARP Request는 연결된 네트워크 장비와 컴퓨터에 모두 전달된다. 이렇듯 송신자가 전달하는 메시지를 연결된 모든 컴퓨터가 전달받는 방식을 브로드캐스트 라고 한다. ARP가 브로드캐스트를 사용하는 대표적인 프로토콜인 것.

 

 

만약 ?

1. 네트워크 장비에 대량의 컴퓨터가 연결되어 있어 broadcast의 양이 많아져 네트워크의 대역폭은 브로드캐스트로 가득 차 데이터 전달 속도가 느려지는 현상이 있거나
2. 서브넷 마스크가 다른 여러 개의 IP 대역을 사용하고 싶은 상황에는? 여기서 각각의 IP 대역에 대한 라우터를 설치하면 비용 증가하며 번거로운 작업 될 수 있음.

⇒ 이러한 문제를 해결할 수 있는 것이 VLAN(Virtual LAN) 이다.

VLAN

 

 

VLAN (Virtual Local Area Network)

  컴퓨터 네트워크에서 여러 개의 구별되는 브로드캐스트 도메인을 만들기 위해 단일 2계층 네트워크를 분할할 수 있는데 이렇게 분리되면 패킷들은 하나 이상의 라우터들 사이에서만 이동할 수 있다. 이러한 도메인을 가상 랜으로 부르며, 가상 근거리 통신망이라 부른다.

  VLAN을 지원하는 네트워크 장비는 VLAN을 다수 생성할 수 있고, 이 VLAN을 통해 브로드캐스트 도메인을 나눌 수 있다. 이렇게 나누어진 브로드캐스트 도메인은 VLAN이 설정된 포트에 연결된 단말의 대역만이 통신이 가능하며 다른 VLAN과 통신하기 위해서는 Layer 3 이상의 스위치 혹은 라우터를 통해서만 가능하다. 또한 VLAN은 1~4096 까지의 번호를 사용하여 VLAN을 구분지을 수 있다. 이를 VLAN ID라고 한다. 즉 VLAN 이란 브로드캐스트가 서로 미치지 않는 여러 개의 논리적인 LAN을 만드는 것이라고 정의할 수 있다.

 

네트워크 장비의 포트 각각에 원하는 VLAN을 설정할 수 있다. 하나의 물리적인 스위치를 VLAN을 사용하여 다수의 LAN을 쓸 수 있도록 하는 것.

물리적인 인터페이스가 아닌 VLAN에 가상의 인터페이스를 생성하고 IP를 할당하여 L2 통신하기 때문에 논리적인 인터페이스 Swithed Virtual Interface(SVI)가 사용된다.

 

 

VLAN 방식

 

 

스위치는 포트에 설정된 각각의 VLAN을 보고 트래픽 전달 여부를 판단한다.

예를 들어 PC 1이 연결된 스위치의 e2 포트는 VLAN이 10이므로 동일한 VLAN이 10으로 설정된 포트로만 브로드캐스트를 전달할 수 있다. 위의 그림에서는 스위치의 e0으로만 전달 가능하다. PC2와 PC3, 라우터의 f0/1 포트 모두 VLAN 20으로 설정, 다시 말해 동일한 브로드캐스트 도메인에 속한다.

 

그러면 pc 1와 pc 2 가 통신하려고 하면?

→ Layer 3 이상의 장비인 라우터 혹인 L3 스위치를 통해 이동해야함. 이들은 VLAN 간의 통신을 가능케하는 기능을 가지고 있으며 이를 Inter-VLAN Routing이라고 한다.