이더넷

이더넷(Ethernet)은 근거리의 랜(LAN) 영역에 주로 사용되는 컴퓨터 네트워크 기술이다. 플러그 앤 플레이와 같은 단순함, 적은 설치 비용 및 쉬운 운용 등을 장점으로, 통신 사업자 및 운용자의 고유 영역인 맨/왠에서도 사용 가능한 메트로 이더넷 및 캐리어 이더넷으로 빠른 속도로 진화 발전하고 있다.

개요

이더넷은 일종의 PHY, 즉 물리적 미디어(연동선, 동축, 광 케이블 및 무선 스펙트럼)를 데이터 통신에 쉽게 사용할 수 있도록 해주는 네트워킹 프로토콜이다. 이 프로토콜은 IEEE LAN/Metropolitan Area Network Standards Committee에서 발표한 IEEE 802라는 일련의 표준으로 표현된다. 이 위원회는 오늘날의 네트워킹 애플리케이션에서 이더넷의 활용을 확대하고 표준을 확장하기 위해 계속 노력하고 있다. 현재 사용되는 기본 이더넷 프레임 유형은 이더넷 타입2(Ethernet Type Ⅱ)라고 한다. 이더넷 프레임은 대상 주소(DA), 소스 주소(SA) 및 프로토콜 유형을 포함하는 헤더, 사용자 데이터 또는 페이로드 및 프레임 검사 순서 또는 순환 중복 검사(CRC)로 구성되어 있다. 이더넷 헤더는 6바이트 의도된 패킷 수신자(DA), 6바이트 패킷을 전송한 장치(SA) 및 2바이트 프로토콜 유형 필드를 포함한다. 순환 중복 검사는 길이가 4바이트이고 모든 스위치에서 검사되며, 형식이 잘못되거나 손상된 프레임이 분기된다. 802.3 표준에 따라 이더넷 프레임은 길이가 64바이트 이상이어야 하므로 페이로드 길이는 최소 46바이트여야 한다. 실제 사용자 데이터가 46바이트보다 짧은 경우 물리적 미디어는 최소 크기를 구성하기 위해 패킷을 추가한다. 이더넷 패킷의 최대 길이는 1,518바이트이고, 사용자 데이터의 최대 페이로드는 1,500바이트이다. 이후 구현에서는 파일 전송 및 동영상 링크와 같은 특정 유형의 대규모 트래픽 흐름을 용이하게 하기 위해 최대 9,000바이트 길이의 소위 점보 프레임을 허용했다.

이더넷은 OSI 모델의 1계층인 물리 계층과 2계층인 데이터링크 계층에서 사용되며, 일반적으로 동축 케이블이나 비 차폐 연선을 사용한다. 분산형 제어라고도 하며, 여러 대의 컴퓨터가 통신 회선을 공유하기 때문에 안정적이면서도 효율적인 통신 기능을 보여준다. 이더넷의 전송 매체에는 BNC 케이블, UTP 케이블 등을 사용하며, 기기들을 연결 시키는 데에는 허브, 스위치 등이 있다.

역사

등장 및 개발

이더넷은 한때 자기파 전송을 지원하는 동시에 지구 상의 모든 빈 공간을 채우는 것으로 여겨진 신화 속의 매개체인 에테르(aether)라는 라틴어에서 유래한 용어이다. 이 용어는 밥 메트칼프(Bob Metcalfe)의 박사 논문과 그가 1970년대 초 PARC(Xerox Palo Alto Research Center)에서 근무하는 동안 동료 연구원인 데이빗 보그스(David Boggs), 버틀러 램슨(Butler Lampson) 및 찰스 태커(Chuck Thacker)와 함께 출원한 특허 원문에서 사용되었다. 오늘날의 네트워크는 로컬, 원격 및 클라우드 기반 환경에서 업무 필수 데이터에 대한 빠른 속도의 고대역폭 액세스를 제공한다. 랜의 가장 일반적인 네트워킹 기술은 이더넷이다. 전 세계 기업 랜의 대다수가 이더넷에서 실행되고 있다. 그러나 늘 그랬던 것은 아니다. 예를 들어 1980년대와 1990년대 초에는 ARCNET, StarLAN, FDDI(Fiber Distributed Data Interface, 초기 광 케이블 기반의 LAN 링 기반 기술), 토큰 버스, 토큰 링 등 경쟁적인 여러 랜 기술이 있었다. 이더넷은 IP 네트워크와의 고유한 구조적 호환성, 플러그 앤 플레이 단순성 및 비교적 저렴한 비용 때문에 1990년대 중반 랜 기술의 진정한 승자가 되었다. 원래 랜 중심적 정의에서 이더넷은 동일한 일반 지역, 일반적으로 단일 건물에 있는 장치를 연결하는 기술로 전망되었다. 즉, 프로토콜 자체가 100미터 범위로 제한되었기 때문에 상호 연결할 장치 수가 적고 둘 사이의 거리가 비교적 짧은 경우에 사용될 것으로 예상되었다.

확장

인터넷이 성장함에 따라 이더넷은 애초에 예상된 단일 건물 및 단거리 애플리케이션을 뛰어넘는 역할을 할 태세를 갖추었다. 수백 또는 수천 대의 컴퓨터, 서버, 프린터 및 관련 장치가 있는 전체 캠퍼스가 이더넷 연결성을 위한 회선을 구축하고 있었다. 보다 최근에는 와이파이 네트워크 즉, 무선 이더넷이 범용화되었다. 상호 연결된 장치 수 및 장치 간의 거리에 대한 초기의 예측이 크게 확대되었다. 가상 랜(VLAN) 및 빠른 버전의 스패닝 트리 프로토콜(STP) 추가 등의 몇 가지 혁신적인 조정을 거친 후 이더넷은 비용 효과적이면서도 뛰어난 성능의 네트워킹 기술로서, 적응성이 탁월한 것으로 검증되었기 때문에 이러한 확장된 요구 사항과 함께 진화할 절호의 기회를 맞이하게 되었다. 다른 프로토콜은 보다 장거리에 걸쳐 이러한 성장하는 이더넷을 상호 연결하기 위해 개발되었다. X.25, ISDN, 프레임 릴레이 및 ATM과 같은 데이터 통신 프로토콜은 통신 사업자들이 장거리 연결을 제공하기 위해 고안하고 판매한 기술이었다. 2000년대 초에는 왠(WAN, 광역 통신망) 연결성을 제공하기 위해 이더넷 프로토콜을 확장하는 자연스러운 방법으로 이더넷이 도입되었다. 이름에서 알 수 있듯이 통신 사업자들은 이더넷이 다른 통신 사업자(도매) 및 최종 사용자(소매)에게 판매할 수 있는 다양한 네트워크 서비스를 지원하기 때문에 그 가치를 높게 평가한다. 여기에는 모바일 백홀, 비즈니스 서비스 및 데이터 센터 상호 연결이 포함된다. 그러나 이더넷은 통신 사업자만을 위한 것이 아니다. 최종 고객에게 액세스를 제공하는 모든 네트워크 사업자들을 위한 풍부한 기능을 갖춘 솔루션이다. 이메일, 웹 브라우징, 음성 및 동영상 트래픽과 같은 대역폭 요구가 높은 애플리케이션의 지속적인 증가는 랜 및 왠의 속도 향상을 위한 초기 원동력을 제공했다. 보다 최근에는 스토리지 가상화 및 클라우드 컴퓨팅과 같은 새롭게 등장한 기술이 네트워크 사업자와 기업 고객의 대역폭 요구사항을 심화시켰다. 사용자, 특히 기업의 클라우드 의존성이 증가하며서 네트워크가 사회에 더욱 중요해졌으며 데이터 센터 액세스를 위한 공용 인터넷에 대한 의존도가 하이브리도 공용 및 사설 인프라로 대체되었다. 이러한 추세는 당분간 꺾이지 않을 것이며 끊임없이 증가하는 대역폭에 대한 수요가 지속될 것이다. 이더넷은 이 중요한 요구를 해결하기 위한 핵심 솔루션으로 진화했다.

연대표

• 1973년 : 이더넷에 대해 언급한 최초의 메모
• 1975년 : 3Mb/s 이하의 데이터 속도로 출원된 최초의 이더넷 특허
• 1980년 : 딕스(DIX)라고 하는 최초의 이더넷 표준 발간
• 1986년 : DEC(Digital Equipment Corporation)의 이더넷 네트워크가 1만 노드 달성
• 1989년 : 최초의 이더넷 스위치인 이더스위치 칼파나(Kalpana) 발표
• 1995년 : 고속 이더넷(1000Mb/s) 채택
• 1999년 : 1GE 표준 승인
• 2001년 : 이더넷 서비스 정의를 위해 메트로이더넷포럼(MEF, Metro Ethernet Forum) 설립
• 2006년 : 10GE 승인
• 2010년 : 40GE/100GE 표준 승인
• 2012년 : 기업 액세스용으로 사용되는 이더넷 대역폭이 교체 대상이 되는 다른 모든 기존 기술의 대역폭을 넘어서기 시작

컴캐스트(Comcast)가 MEF CE 2.0 인증을 획득한 최초의 서비스 공급자가 됨

• 2013년 : 이더넷 발명 40주년
• 2016년 : 1GE 자동차 이더넷 표준

기술

CSMA/CD

공동 회선

초기 이더넷은 50년 전에 보편적이었던 공동 회선 전화 시스템이라고 생각하면 된다. 이 시스템에서는 여러 가구가 단일 전화선을 공유했으므로 한 번에 하나의 전화 사용자만 통화할 수 있었다. 인구가 적어 각 가구에 별도의 전화선을 공급하는 데 과도한 비용이 소요되는 시골에서는 공동 회선 전화 시스템이 타당한 솔루션이었다. 공동 회선 전화를 사용하려면 발신자는 먼저 전화기를 들고 발신음을 듣는다. 발신음이 들리지 않거나 다른 사람의 대화가 들린 경우 발신자는 전화를 끊고 전화선을 사용할 수 있을 때까지 기다린다. 발신자가 발신음을 듣지 않고 다른 사람이 통화 중인지 확인하지 않은 경우 이미 진행 중인 다른 대화와 충돌할 수 있다. 발신자가 다른 사람이 이미 통화 중인 것을 인식한 경우에는 다른 통화가 종료되기를 기다렸다가 전화를 걸어야 한다. 초기 이더넷은 다음과 동일한 방식으로 작동했다. 먼저 네트워크 장치에서 데이터를 전송한 다음 네트워크 세그먼트의 다른 활동과 충돌하는지 확인하기 위해 수신 대기한다. 충돌이 감지된 경우 송신기는 임의의 시간(1~2밀리초) 동안 자동으로 대기한 다음 네트워크에서 데이터를 전송할 수 있는지 다시 확인한다. 이 네트워크 액세스 체계를 CSMA/CD(Carrier Sense, MultipleAccess, Collision Detection)라고 한다. CSMA/CD는 이더넷에 사용되는 기술로서, 반송파 감지 다중 접속 및 충돌 탐지 기술이다. 각 기기가 신호 전송을 위해 전송 공유매체에 규칙 있게 접근하기 위한 매체 엑세스 제어방식이다. CSMA/CD는 다음 3가지 기능이 합쳐진 프로토콜이다.

• CS(Carrier Sense) : 누군가 네트워크에서 이미 통화 중인지 여부를 확인하기 위해 이더넷 회신을 수신하여 네트워크 트래픽 간격을 감지함을 의미한다. 각 컴퓨터는 공유매체가 사용 중인지 여부를 감지하고, 매체의 전압 변화를 통해 사용 여부를 확인 가능하다.
• MA(Multiple Access) : 여러 대화가 동시에 발생하지 않도록 각 장치가 교대해야 하지만 많은 이더넷 장치가 동일한 물리적 네트워크 회선에서 수신 및 전송할 수 있음을 의미한다. 다수의 컴퓨터가 공유매체를 두고 서로 경쟁하여 나누어 사용하는 방식으로, 매체가 사용 중이 아니라면 언제든 전송을 다시 시작할 수 있다.
• CD(Collision Detection) : 잠재적 발신자가 이후에 이전 대화가 여전히 진행 중임을 감지할지라도 이전 통화자의 통화가 완료되기 전에 전송을 시작했음을 의미한다. 따라서 발신자는 이전 대화가 완료될 수 있도록 하기 위해 통화를 중지한다. 만약 두 컴퓨터 간에 충돌이 발생하게 될 경우에, 두 신호가 서로 간섭을 일으켜서 송수신된 데이터를 읽을 수 없게 된다. 그래서 프레임이 모두 전송되기 전에 충돌이 발생한 것을 감지한다면 그 프레임의 전송을 멈추고, 일정 시간만큼 대기한 이후에 다시 재전송을 한다. 충돌 감지의 특성 때문에 CSMA/CD를 사용하면 슬롯 시간에 따라 프레임의 최소 길이와 전송 매체의 길이가 정해진다. 컴퓨터는 충돌이 일어날 경우 프레임 전송을 완료하기 전에 충돌을 감지하여 전송을 멈춰야 한다. 그렇기 때문에 프레임의 전송 시간은 최소 최대 전파 시간의 2배는 되어야 한다. 이런 제약이 있어서 기존의 10메가 비피에스에서 더 높은 전송속도의 이더넷 기준을 정할 때 프레임이 가지는 최소 길이를 같게 유지하면, 전송 매체의 길이가 매우 짧아지는 문제가 생기게 된다. 기준들 사이의 상호운용성(interoperability)을 확보하기 위해서는 프레임의 최소 길이를 같게 해야 한다. 이를 해결하려면 반송파 확장(Carrier Extention)을 사용하여 프레임의 길이를 늘려서 전송하는 방식을 사용해야 한다.

교환 이더넷

CSMA/CD는 링크 및 노드 수가 적은 경우 네트워크 액세스 체계의 역할을 한다. 그러나 더 많은 장치가 CSMA/CD 네트워크에 추가되거나 이러한 장치 간의 물리적 거리가 증가할 경우 CSMA/CD는 효과적인 네트워크 액세서 메커니즘을 제공하지 못한다. 동시에 데이터를 전송하려는 장치가 너무 많으면 각 장치가 데이터를 전송하려고 시도한 후 충돌을 감지하여 임의의 시간 동안 대기한 다음 데이터 전송을 재시도해야 하므로 네트워크 액세스 경합이 발생한다. 이러한 유형의 경합은 네트워크가 증가함에 따라 네트워크 지연 시간을 발생시킨다. 마찬가지로 장치 간의 거리가 증가하면 링크의 지연 시간으로 인해 지속적인 충돌 및 백오프 기간이 발생할 수 있으며, 이로 인해 처리량이 감소하고 지연 시간이 증가한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 오늘날의 교환 이더넷 네트워크가 등장했다. 이 새로운 모델에서는 필요에 따라 버퍼를 사용하여 프레임을 큐에 넣어 충돌을 없애고 그로 인한 지연 시간 문제를 해결하는 이더넷 스위치 포트에 연결할 수 있는 자체 네트워크 세그먼트가 각 장치에 있다. 따라서 이전 공동 회선 전화가 이제 각 전송 장치와 최종 사용자를 분리하여 회선을 사용할 수 있을 때 이들을 연결하는 스위치를 전용 회선으로 연결하는 오늘날의 전화망으로 업그레이드 되었다.

마찬가지로, 교환 이더넷 네트워크를 사용하면 장치가 연결된 교환 네트워크 세그먼트를 다른 장치에서 사용할 수 없으므로 더 이상 충돌 문제가 발생하지 않는다. 각 장치는 이더넷 스위치의 개별 포트에 연결되며, 각 포트에 하나의 장치만 연결된다. 이더넷 랜의 모든 장치가 수신 대기하고 충돌을 처리해야 하는 대신, 이더넷 스위치가 해당 스위치에 연결된 모든 장치에 대한 교통 경찰의 역할을 하면서 스위치에 상주하는 장치와의 모든 트래픽에 대한 통합을 처리한다. 스위치는 연결된 각 장치의 맥 주소 및 연결된 포트를 인식한다. 하나의 장치가 동일한 스위치의 다른 장치와 통신하는 경우 스위치는 중단 없이 대화가 진행될 수 있도록 두 장치 간의 연결을 완료한다. 스위치가 해당 스위치에 연결되지 않은 맥 주소를 대상으로 하는 네트워크 트래픽을 발견한 경우 이 트래픽은 스위치 업링크 포트를 통해 라우팅된다. 스위치 업링크 포트는 해당 스위치를 데이터 센터의 다른 스위치에 연결하거나 왠 링크를 통해 다른 네트워크에 접속하는 라우터에 연결한다.

충돌 윈도우

CSMA/CD에서 충돌 윈도우(Cpllision window)는 그 크기에 따라 랜 세그먼트의 길이와 함께 최소 프레임 크기가 정해진다는 점에서 중요한 의미를 갖는다. 두 컴퓨터가 동시에 데이터 전송을 시도할 때에 충돌이 발생하게 된다면, 충돌이 발생하였다는 사실을 각 컴퓨터가 반드시 알 수 있어야 한다. 이때 사용되는 개념을 충돌 윈도우라고 한다. 가장 멀리 떨어져 있는 두 컴퓨터 사이의 신호 전송시간을 t라고 가정할 때, 어느 특정한 시점에서 하나의 컴퓨터가 전송을 시작할 때, 이 컴퓨터에서 가장 먼 거리에 있는 다른 컴퓨터가 앞선 컴퓨터로부터 신호를 수신하기 전에 전송을 시작했다면, 두 번째 컴퓨터는 전송 직후에 아주 짧은 순간에 충돌을 감지하고 다른 모든 컴퓨터에 신호를 보낸다. 하지만, 첫 번째 컴퓨터에서는 2t의 시간이 흐른 뒤에 이 사실을 알 수 있다. 만약 첫 번째 컴퓨터가 아주 짧은 프레임을 2t 시간 내에 전송하였다면, 이 컴퓨터는 프레임이 충돌 없이 전송되었다고 판단할 것이다. 이런 현상을 방지하기 위하여 CSMA/CD에서는 최소 전송 프레임의 길이를 전송 프레임의 첫 비트가 케이블 전체에 전파되는 시간의 두 배 이상은 되어야 한다고 정하였다. 다시 말하면, 충돌 윈도우는 각각의 컴퓨터에서 데이터를 전송한 뒤에 충돌을 감지하는 데까지 걸리는 시간을 뜻하며, 802.3에서는 최대 랜 세그먼트의 길이가 2,500미터로 규정되어있기에 프레임은 51.2us(64비트) 만큼의 전송 시간은 가져야 한다.

작동 방식

• 채널 획득방식

CSMA/CD의 채널 획득방식에는 총 3가지가 있다. 1-persistent 방식은 충돌되지 않는 확률인 1을 가지고 사용 중이지 않다는 것을 감지하게 되면, 매체에 바로 접근하여 데이터 프레임을 송출하는 방식이다. 이 방식은 충돌위험이 제일 높으며, 채널 사용률이 낮지만, 대기시간은 짧다는 장점이 있다. Non-persistent 방식은 충돌 확률이 100%라고 가정하여 사용 중이지 않은 것이 감지되더라도 일정 시간을 기다린 후에 접근하는 방식이다. 충돌 위험이 적어진다는 장점이 있으나, 대기 시간이 길어짐에 따른 회선 효율이 떨어진다. p-persistent 방식은 사용 중이지 않은 것이 감지되면 전체 확률에서 p 확률만큼 충돌되지 않을 것으로 판단하고 매체에 접근하는데 여기서 q(전체확률-p)는 단위시간만큼 기다린 후에 매체에 접근하는 방식이다. 충돌을 줄이고 대기시간을 줄이려는 위의 두 방식의 타협안이다.

• 작동 과정

컴퓨터가 이더넷 네트워크를 사용하는 경우라면 6가지의 과정을 거치게 된다. 먼저, 현재 네트워크 위에 흐르고 있는 데이터가 있는지를 검사하고 다른 데이터가 전송 중이라면 사용할 수 있을 때까지 기다리거나 전송을 시작한다. 여러 컴퓨터에서 동시에 전송을 시작하여 충돌이 발생할 경우(이 경우를 Multiple Access 라고 한다.), 최소 패킷 시간 동안 전송을 지속하여 다른 컴퓨터에게 충돌을 알린다. 그런 다음, 일정 시간의 대기 후에 반송파를 감지하고, 네트워크 사용자가 없으면 전송을 다시 시작한다. 전송이 끝나면 상위 계층에 전송의 종료를 알리고 끝내며, 만약, 여러 번 시도함에도 불구하고 실패하면 이를 상위 계층에 알리고 종료한다. CSMA/CD 방식은 현재 10기가비트 이더넷 규격에서는 사용하지 않는다. 이 방식이 기존 장비를 대체할 스위치 장비의 요구사항과 맞지 않기 때문이다. 비슷한 사례로 반이중 상태에서의 CSMA/CD의 사용은 기가비트 이더넷 규격에 정의되어 있지만 사용하지 않으며, 각 세그먼트별로 스위치 장비에 직접 연결되기 때문에 CSMA/CD는 사용하지 않는다.

브리지

하나 이상의 네트워크 세그먼트가 단일 집선 네트워크에 연결된 경우 브리징이 발생한다. IEEE 802.1d 표준에 따르면, 브리징은 라우팅과 다르다. 즉, 라우팅은 별도로 유지되는 개별 네트워크 간의 트래픽을 연결하고 라우팅하는 반면, 브리징은 하나의 통합된 맥 계층 네트워크를 생성한다. 브리징의 가장 대표적인 예는 이더넷 스위치에서 발생한다. 스위치는 물리적 스위치 포트와 이 포트에 사주하는소스 맥 주소를 학습한 다음 전달하는 테이블에 있는 주소에 따라 트래픽을 전달한다. 스위치가 대상 주소를 인식할 수 없는 경우 데이터는 해당 스위치의 모든 포트로 플러딩된다. 다중 포트 브리징이라는 이 개념이 바로 오늘날 이더넷 네트워크 스위치의 기초이다. 이더넷의 가장 중요한 5가지 브리지 개념인 학습, 전달, 필터링, 플러딩 및 스패닝 트리 프로토콜은 다음과 같다.

• 학습 : 스위치가 소스 주소 및 각 소스 주소가 발견된 해당 포트 번호를 모니터링할 때 발생한다. 스위치 소프트웨어 내에서 소스 주소/포트 번호 상관 관계가 설정되면 향후 참조를 위해 이 매핑이 전달 테이블(FIB, Forwarding Information Base)에 저장된다. 트래픽이 이 스위치를 통해 이동할 때 특정 주소의 위치가 스위치의 포트 간에 변경되는 경우 스위치는 전달 테이블을 지속적으로 업데이트한다. 지정된 기간 동안 맥 주소에서 전송되는 패킷이 없는 경우 테이블이 과도하게 증가하는 것을 방지하기 위해 시간이 지남에 따라 전달 테이블의 주소 항목이 상실된다.

• 전달 : 전달 테이블에서 들어오는 이더넷 프레임의 대상 주소를 조회하여 이 주소에 해당하는 포트로 프레임을 전송하는 이더넷 스위치로 구성된다. 이더넷 스위칭의 기초인 전달은 스위치에 있는 포트 간의 고속 처리량을 지원하는 동시에 포트별 네트워크 세분화를 허용한다.

• 필터링 : 이더넷 스위치가 동일한 포트에 있는 소스 및 대상 주소를 표시하는 패킷을 발견한 경우 트래픽이 해당 소스 세그먼트로 다시 전송되는 것을 방지하기 위해 필터링이 발생한다. 동일한 포트에 있는 모든 클라이언트가 해당 포트의 맥 주소 간에 전송되는 모든 트래픽을 볼 수 있으므로 전달이 필요 없다. 필터링은 이러한 패킷뿐만 아니라 다른 모든 잘못된 형식의 패킷 또는 부분 패킷을 폐기한다.

• 플러딩 : 스위치는 알 수 없는 대상 주소의 패킷을 발견한 경우 즉, 전달 테이블에 대상주소에 대한 주소 항목이 없는 경우 해당 네트워크 트래픽을 의도된 수신자에게 배달하기 위해 스위치의 모든 포트(시작 포트 제외)로 패킷을 전송한다. 그 밖에 브로드캐스트 패킷(하나의 패킷이 모든 포트로 배달되도록 설계됨) 및 멀티캐스트 패킷(패킷이 전달 테이블에 없는 하나 이상의 대상 주소로 전송됨)을 사용하는 경우에도 플러딩이 발생할 수 있다.

• 스패닝 트리 프로토콜(STP) : 브리징 네트워크에서 루프를 방지하기 위해 도입되었다. 루프는 임의의 두 네트워크 노드 간에 둘 이상의 활성 네트워크 경로가 있는 경우에 발생할 수 있다. 이러한 이중화는 프레임이 무한히 순환되도록 하여 브리징 기능을 방해 또는 완전히 무효화한다. 스패닝 트리 프로토콜은 이중 경로 중 하나를 차단하므로 이 순환이 발생할 수 없다. 네트워크 복원력을 고려하여 스패닝 트리 프로토콜은 기본 경로에 장애가 발생한 경우 차단된 경로를 자동으로 다시 활성화함으로써 이중 경로가 백업 경로의 역할을 하도록 지원한다. 그러나 스패닝 트리 프로토콜은 재통합 하는 데 대략 수십 초 내지 수백 초가 걸리는 경우가 많아 상당히 비효율적이었다. 보다 최근에는 이 프로세스의 속도 향상을 위해 RSTP(Rapid STP) 및 MSTP(Multiple STP)라는 변형이 정의되었다.

가상 랜

네트워크가 성장하면서 플러딩의 영향을 제한하고 스패닝 트리 프로토콜의 기능을 단순화하기 위해 물리적 스위치를 가상 스위치로 세분화하는 것이 바람직해졌다. 4바이트 가상랜(VLAN) 태그 (또는 802.1Q 표준에서 정의한 이후에는 Q 태그)가 이더넷 헤더에 삽입되었다. 2바이트는 프레임이 이제 Q 태그 프레임이라는 것을 식별하고, 나머지 2 바이트는 최대 8개의 서비스 등급(3비트, PCP(Priority Code Point) 비트) 및 4092 가상랜(12비트, VLAN ID)을 정의하는데 사용된다. 마지막 1비트는 프레임이 폐기 가능(DEI, Discard Eligibility Indicator)한 경우에 사용된다.

여기서 흥미로운 것은 알 수 없는 대상주소가 있는 트래픽을 주어진 가상랜 ID로 식별된 포트로만 전달하거나 플러딩하도록 스위치 기능을 제한하는 4094 가상랜이다. 이는 대역폭 및 네트워크 리소스를 소비하기만 하고 필요 없는 종단점으로의 불필요한 데이터 브로드캐스트를 제한한다. 이후 버전의 802.1 표준에서는 고유한 가상랜 ID 및 P 비트가 있는 두 번째 가상랜 계층용으로 두 번째 Q 태그가 정의되었다. Q-in-Q라는 이 접근법은 최종 사용자가 고객 가상랜 ID(CVID 또는 내부 태그)를 정의하도록 허용하는 동시에 공급자 가상랜 ID(PVID 또는 외부 태그)를 사용하여 통신 사업자 인프라에서 개별 고객 또는 서비스를 식별하는 사업자들에게 널리 사용되었다. 이후, PBB(프로바이더 백본 브리징)라는 IEEE 802.1ah 표준은 프레임에 MAC 헤더를 추가하도록 지원함으로써 거의 무제한적으로 확장되는 대규모 이더넷 네트워크에서 탁월한 유연성을 제공했다. 또한 PBB는 서비스 공급자 네트워크와 고객 네트워크 각각에 전용 믹 주소 세트(및 관련 FIB)가 있으므로 두 네트워크를 명확히 구분한다. 이더넷 프레임이 이더넷 사용자 네트워크 인터페이스(UNI)에 도달한 경우 서비스 공급자 맥 주소가 고객의 이더넷 프레임에 추가된다. 그러면 서비스 공급자 네트워크 스위치가 해당 FIB에 대해 이 맥 주소를 검사하고 전달, 필터링, 학습 등을 평소대로 진행한다. 따라서 공급자 네트워크의 종단부에 있는 스위치만 PBB를 지원하면 되기 때문에 추가적인 이점이 있다. 네트워크 코어에 있는 스위치는 표준 맥 헤더, 이 예에서는 서비스 공급자 헤더에서 스위칭되므로 IEEE 802.1 이더넷 스위치만으로 충분하다.

이더넷 장비의 한 가지 주요 장점은 대부분의 네트워킹 장비와 원활하게 연동된다는 점이다. 두 가지 PHY 데이터 속도 등의 이더넷의 다양한 변형이 상호 연결된 경우 이더넷이 최상의 성능을 제공할 수 있는 가장 강력한 기능을 사용하도록 보장하는 기능이 내장되어 있다. 전문화된 협상 및 감지 프로세스는 서로 다른 하드웨어 구성 및 프로토콜 형식 간의 공통 분모를 식별한다. 이더넷은 네트워크 상호 운용성 면에서 최고의 플러그 앤 플레이라는 명성을 얻었다. 이더넷 조기 도입의 또 다른 핵심 요소는 경쟁 기술에 비해 저렴한 비용이다. 프로토콜 단순성 및 일상적인 관리 편의성은 전 세계 IT 부서의 호응을 얻었으며 토큰 링, 토큰 버스, FDDI 등의 기술로 조기 프로토콜 문제를 해결하도록 도와주었다. PC 산업이 등장하면서 비독점 규격 솔루션인 이더넷의 시대가 열렸다. 이때부터 이더넷은 선순환 구조로 알려지게 되었다. 이더넷이 보편화되면서 구성 요소 및 PC 제조업체의 칩셋, 모듈 및 카드 생산량이 증가했다. 이러한 생산량 증가로 인해 R&D 비용과 제조 시작 비용이 수백만 대의 장치로 분산될 수 있어 장치 단가가 인하되었다. 또한 가격 인하로 인해 가정, 데이터 센터 및 다중 터넌트 애플리케이션을 포함하여 이더넷의 도입이 더욱 확대되었다.

메트로이더넷포럼

메트로이더넷포럼(MEF, Metro Ethernet Forum)은 주로 기업 랜을 연결하는 데 사용되는 광 기반 대도시 통신 사업자 이더넷을 위한 새로운 표준 세트 개발에 대한 네트워킹 산업 공급체들의 요구에 따라 2001년 설립되었다. 메트로이더넷포럼의 활동 범위는 여러 해를 거치면서 초기에 중점에 둔 메트로 네트워크를 넘어 자연적으로 전 세계로 진화했지만 회선 속도가 증가하고 니으이 추가됨에 따라 여전히 이더넷 표준을 개발하고 수정하는 데 매우 활발히 참여하고 있다. 또한 메트로이더넷포럼은 표준 준수를 보장하기 위해 이더넷 제품 및 서비스에 대한 인증 프로그램을 제공한다. 마지막으로 메트로이더넷포럼은 이더넷 제품 및 서비스를 지원하기 위해 지식과 기술을 확장하려는 네트워킹 전문가들을 위한 인증 프로그램을 제공한다. 메트로이더넷포럼의 사명은 ‘전 세계의 캐리어 등급 이더넷 네트워크 및 서비스 도입을 촉진’하는 것이다. 메트로이더넷포럼은 다음 4개의 상임 위원회에서 감독하는 네 가지 특정 활동 목표를 통해 이러한 사명을 추진한다.

• 기술 위원회 : 이더넷 하드웨어 및 소프트웨어의 상호 운용성을 보장하는 구조와 이더넷 서비스에 대한 기술 사양 및 구현 프로세스를 개발한다. 메트로이더넷포럼 기술 위원회는 이더넷 상호 운용성 및 구현과 관련된 50여 가지의 사양을 지속적으로 개발하고 관리한다. 이러한 사양은 대부분 메트로이더넷포럼의 지속적인 이더넷 사양 및 표준 개선의 일부로 두 번째 또는 세 번째 되풀이되고 있는 상태이다.

• 인증 위원회 : 이더넷 관련 하드웨어, 소프트웨어, 서비스 및 네트워킹 전문가를 위한 인증 프로그램을 개발한다. 메트로이더넷포럼 인증 위원회는 메트로이더넷포럼 기술 위원회에서 개발한 장비 및 서비스 사양에 따라 이더넷 테스트를 관리한다.

• 서비스 운영 위원회 : 이더넷 서비스 구매, 판매, 전달 및 관리에 대한 표준화된 프로세스를 개발한다. 메트로이더넷포럼 서비스 운영 위원회는 이 중요한 업무를 이행하기 위해 2013년에 구성되었다.

• 마케팅 위원회 : 이더넷 사용 사례 연구, 마케팅 자료, 오디오 및 비디오 클립, 메트로이더넷포럼의 목표를 명확히 전달하는 백서 등의 개발을 통해 이해 관계자들을 교육하고 메트로이더넷포럼의 인지도를 높인다. 메트로이더넷포럼 마케팅 위원회는 이더넷 사양과 메트로이더넷포럼의 활동에 대해 이해 관계자들을 교육하는 이더넷 온라인 세미나, 동영상 및 회의를 주관한다.

메트로이더넷포럼의 중요한 초기 업적 중 하나는 이더넷 서비스 및 특성을 설명할 때 사용되는 어휘를 파악하여 공식화하는 것이었다. 예를 들어 ‘캐리어’ 또는 ‘캐리어 등급’ 이더넷이 정확히 무엇인지 또는 서비스 품질, 안정성 등의 측면에서 제공해야 하는 것이 무엇인지에 대한 많은 정의가 있었다. 메트로이더넷포럼이 정의한 이더넷의 다섯 가지 특성은 다음과 같다.

• 표준화된 서비스 : 매체와 인프라에 독립적인 표준화된 플랫폼을 통해 지역적 또는 전 세계적으로 제공 가능한 서비스를 제공한다. 메트로 이더넷 포럼에서는 이러한 서비스로 이더넷-라인(E-Line) 서비스, 이더넷-랜(E-LAN) 서비스, 이더넷-트리(E-Tree) 서비스 등 세 가지 유형의 서비스를 정의하고 있다. 이러한 서비스를 지원하기 위해 고객의 랜 장비 또는 네트워크를 변경하는 경우는 없어야 하고, TDM 트래픽 또는 시그널링과 같은 기존 네트워크를 수용할 수 있어야 한다. 표준화된 서비스는 음성, 영상, 데이터가 융합된 네트워크에 적용 가능하고, 고객에게 다양하고 세분화된 대역폭 및 서비스 품질을 제공한다.

• 확장성 : 수많은 고객들에게 음성, 영상, 데이터를 포함한 광범위한 비즈니스, 정보통신, 엔터테인먼트 애플리케이션을 위한 네트워크 서비스를 제공한다. 서비스 제공자에 의해 구축된 다양한 물리적 인프라를 통해 액세스 및 메트로 구간부터 국가 또는 전 세계까지 서비스를 제공하고, 1Mbps에서 10Gbps 이상까지 세분화된 대역 증감폭으로 대역폭을 지원한다.

• 안정성 : 링크 또는 노드에 문제 발생시 고객에게 영향을 주지 않고 이를 찾아내고 복구하는 기능을 제공함으로써, 가장 중요시하는 서비스 품질 및 가용성에 관한 요구사항을 충족시킨다. 네트워크 문제 발생시 SONET/SDH 수준인 50ms 이하의 빠른 복구 시간을 제공한다.

• 서비스 품질 : 다양하고 세분화된 대역폭과 서비스 품질 옵션을 지원하고, 비즈니스 및 레지덴탈 네트워크상에서 음성, 영상, 데이터에 요구되는 종단간 성능을 전달하는 서비스 수준 협약(service level agreement)을 제공한다. 인정 정보 속도(committed information rate), 프레임 손실, 프레임 지연, 프레임 지연 편차 특성을 기반으로 하는 종단간 성능을 제공하는 서비스 수준 협약을 통해 프로비저닝을 제공한다.

• 서비스 관리 : 특정 업체와 무관한 표준 기반의 방식으로 네트워크를 감시하고(monitor), 진단하고(diagnose), 관리하는(manage) 기능을 제공한다. 기존 서비스 제공자 모델과 통합될 수 있는 캐리어급의 OAM 성능을 지원하고, 기존 서비스와 비교할 수 있는 빠른 서비스 프로비저닝을 제공한다.

이더넷 서비스로 적합한 것을 설명하는 기본 어휘를 넘어 실제 서비스 정의와 해당 특성은 각 서비스의 명칭과 동장 방식을 훨씬 명확하게 정의한다. 처음부터 메트로이더넷포럼은 구체적인 구현 정보의 기술을 피하고 이를 공급업체와 사업자들에게 맡기려고 애써 왔다. 메트로이더넷포럼의 주요 역할은 이더넷 서비스의 동작 방식과 이를 구축, 운용 및 구매/판매하는 데 필요한 특성에 대한 업계의 공감대를 형성하는 것이었다. 메트로이더넷포럼 인증은 메트로이더넷포럼 서비스 도입의 위험을 줄이고 전체 통신 서비스 스펙트럼에서 균일한 사용을 촉진하기 위한 것이다. 이더넷 도입의 영향 요소에는 기업, 가정 및 무선 트래픽을 결합하여 규모의 경제를 실현하는 통합 네트워크를 구현함으로써 캐리어 네트워킹 비용을 절감하기 위한 노력이 포함된다. 기업 및 기타 네트워크 사업자도 이더넷이 캐리어 네트워크 통합을 지원하는 것과 동일한 방식으로 기업 네트워크를 통합하여 비용을 크게 절감할 수 있다.

표준

메트로이더넷포럼 이더넷 서비스 모델은 다양한 이더넷 서비스를 조합하는 데 사용되는 일련의 구성 요소를 정의한다. 예를 들어 사용자 네트워크 인터페이스는 공식적으로 해당 특성(고유 ID, 물리적 계층 유형 등)과 함께 정의된다. 또한 이더넷 가상 연결(EVC, Ethernet Virtual Connection)은 가상랜 태그 유지, 서비스 등급(CoS) 유지 및 여러 가지 성능 특성과 같은 특성으로 정의된다. 이더넷 가상 연결을 통해 두 사용자 네트워크 인터페이스를 연결하려면 이더넷 가상 사설 회신 데이터 서비스(E-Line) 서비스 유형이 생성된다. 이러한 방식으로 구성 요소를 사용할 경우 서비스 공급자는 일관성 있고 표준화된 명명법을 사용할 때와 마찬가지로 구매자와 판매자가 이해할 수 있는 다양한 이더넷 서비스 세트를 구성할 수 있다. 또한 메트로이더넷포럼 문서에서는 사업자와 서비스 공급자를 구분한다. 사업자는 이더넷 네트워크를 관리하지만 다른 사업자에게 서비스를 판매한다. 반면, 서비스 공급자는 최종 사용자에게 서비스를 판매한다. 경우에 따라 이들을 각각 도매업체와 소매업체라고도 한다. 이더넷 가상 연결과 비교한 운영 가상 연결(OVC, Operator Virtual Connection)의 공식 정의는 외부 네트워크 투 네트워크 인터페이스(ENNI, External Network-to-Network Interface)를 정의하는 MEF 26.1과 OVC를 정의하는 MEF 51에 표현되어 있다. 이러한 추가 구성 요소를 통해 이더넷 메뉴에서 창의적이고 유연한 서비스를 제공할 수 있다.

서비스

메트로이더넷포럼 활동의 궁극적인 장점은 인증 프로그램과 관련이 있다. 이더넷 장비와 서비스 모두 수백 가지의 테스트 사례를 사용하는 타사 기술 평가에 따른 다양한 사양을 준수하는 것으로 인증될 수 있다. 공급자는 자사 서비스를 인즈함으로써 표준 준수 서비스 제공에 대한 약속과 이러한 약속을 중립 기관에 검증하겠다는 의지를 보여 주는 등 여러 가지 목표를 성취할 수 있다. 고객이 최종 사용자든 다른 사업자든 상관없이 인증된 서비스를 구매하고 판매하면 복잡한 일대일 계약 협상을 피할 수 있다. 필수는 아니지만 사업자 간의 REF(Requests for Proposal)에 인증이 요청되는 경우가 증가하고 있다. 장기적인 비용 방지 즉, 맞춤형 서비스에서 발생하는 비용 및 시장 출시 시간 면에서 상당한 장점이 있다. 구매자와 판매자는 업계에서 인정된 메트로이더넷포럼 서비스 정의 및 관련 특성을 사용하여 요구 사항을 신속하게 식별함으로써 비즈니스를 빠르고 효율적으로 진행할 수 있다. 서비스 수준 인증을 달성하는 방법 중 하나는 서비스 수준에서 사용되는 것과 동일한 테스트 절차를 사용하여 장비에 대한 인증을 획득한 시스템 공급자와 협력하는 것이다. 메트로이더넷포럼를 통해 이러한 협업이 쉬워지면서 업계에서 점점 보편화되고 있다.

특징

이더넷은 4가지 측면에서의 특징을 가지고 있는데 바로 비연결성, 비신뢰성, 단순함, 부호화 방식이다. 먼저 비연결성이란 통신을 하기 전에 사전 연결이 없어도 데이터를 교환할 수 있다는 것이다. 목적지를 향해 주소를 포함한 프레임을 전송하고, 프레임에 손실이 발생하여 폐기되면, 수신 측에서 이를 검토하여 송신 측에 재전송을 요청하는 방식이다. 비신뢰성은 프레임이 전송 중에 손상이 되어도 이를 발견하고 프레임을 폐기한 다음, 재전송하는 등의 오류제어는 이더넷보다 상위 수준에 있는 프로토콜이 수행한다는 것이다. 단순함이란, 이더넷은 매체접근 기능이 NIC(Network Interface Card)에 집중되며, 버스 같은 중앙집중식의 구성을 통해 단순화하여 제어방식을 최소화 시킨다는 것으로, 경제적인 측면에서 유리하다. 부호화 방식은 10메가 비피에스(bps) 이더넷에서 맨체스터 방식을 사용하는 것이다. 맨체스터 방식은 신뢰성이 높으나 전송률을 높이기에는 부적합한데, 전송속도가 향상됨에 따라 100메가 비피에스 이더넷부터는 4B/5B 등의 부호화 방식을 사용한다.

설명

이더넷은 네트워킹의 한 방식으로, 네트워크를 만드는 방법중에 하나다. 이더넷의 특징 중 하나를 꼽자면 CSMA/CD(carrier sense multiple access with collision detection) 기술이라 할 수 있다. 이더넷 외의 네트워킹 방식으로는 토큰링(Token-Ring) 방식과 FDDI 방식 등이 있다. OSI 모델의 물리 계층에서 신호와 배선, 데이터 링크 계층에서는 맥(MAC) 패킷과 프로토콜의 형식을 정의한다. 또한, 네트워크에 연결된 기기들이 48비트 길이의 맥 주소를 가지고 상호 간에 데이터를 주고받을 수 있도록 설계되었으며, 미국전기전자기술자협회(IEEE)의 표준 방식의 하나로서 채용되었다.

발전 과정

1. 10메가 비피에스 이더넷 : 이더넷이 처음으로 사용한 물리 매체는 굵은 동축케이블이었는데, 초기에는 케이블 위주의 버스 토폴로지 방식을 사용하였다. 이후에 UTP 케이블을 사용하면서 허브를 중심으로 연결하는 스타 토폴로지 방식으로 바뀌게 되었고, 물리적으로는 배선 형태가 바뀌었지만, 허브는 물리계층에서 동작하기에 논리적으로는 버스형 구조를 유지하였다. 기술에 발전이 있던 것처럼 표준에도 변화가 여러 차례 생겼는데, 하나를 꼽자면 데이터링크 계층 장비인 브리지와 스위치의 사용이 있다. 컴퓨터가 많은 네트워크의 경우에, 한 매체의 대역폭을 서로 공유하기 때문에 속도가 느려지게 된다. 이러한 상황에 브리지를 사용하여 네트워크를 분할하면 각 네트워크에 연결된 컴퓨터의 수가 줄어들기 때문에 전송속도를 높일 수 있다. 스위치는 브리지의 개념을 확대한 것인데, 컴퓨터와 스위치 사이에만 대역폭을 공유하여 사용한다. 스위치를 사용하게 되면 10 BaseT에서 전 이중 전송방식을 사용할 수 있게 된다. 하지만 지금은 10메가 비피에스 이더넷을 거의 사용하지 않는다.
2. 100메가 비피에스 패스트 이더넷(Fast Ethernet) : FDDI와 같은 고속 토큰 링 통신방식 등의 등장으로 인해 이더넷의 전송속도도 100메가 비피에스까지 늘려야 했다. 기존의 이더넷과의 호환을 위하여 맥 부계층을 그대로 유지하여, 동일한 맥 주소 체계와 프레임 형식을 갖게 되었다. 전송속도가 10배 정도 증가함에 따라 전송 매체의 길이도 기존의 0.1배로 감소해야 했는데, 이 때문에 동축케이블을 이용한 버스 토폴로지 방식이 밀려나고 스타 토폴로지만을 사용하게 되었다. 그리고 전송속도가 10/100메가 비피에스로 이원화되면서 장비들에 AN(Auto Negotiation) 기능이 추가되었는데, 이는 동작 모드를 설정할 수 있게 해준 것이다. 물리계층에는 부호화 방식이 맨체스터 방식이 아닌 4B/5B 방식이 사용되었다.
3. 1기가 비피에스 : 완(WAN)에서 파생된 랜 기술인 에이티엠(ATM) 랜을 제치고 고속 랜 시장을 석권 기술이다. 주소의 길이와 프레임 형식 및 최소 길이를 유지하여서 기존에 있던 이더넷과의 호환성을 가져갔고, 전 이중 전송방식과 반 이중 전송방식을 모두 지원한다. 하지만 대부분 전 이중 전송방식이 사용되고 있다. 반 이중 전송방식에서의 1기가 비피에스에 관해 설명하자면 기존의 이더넷에서 프레임이 가진 최소 길이는 64바이트이다. 그런데 1기가 비피에스에서의 슬롯 시간이 0.512us로, 10메가 비피에스에 비해서 100분의 1만큼 줄어 같은 최소길이를 유지할 경우, 충돌 감지가 안되는 경우가 발행했다. 이 때문에 최소길이를 512바이트까지 증가 시켜 충돌 감지 문제를 해결하였고, 기존의 이더넷과의 호환성을 가져가기 위해 512바이트보다 작은 프레임에는 캐리어 익스텐션(Carrier Extention) 기법을 적용하여 프레임의 끝에 확장비트를 추가하여 512바이트로 프레임 크기를 맞춰주었다. 기존의 최소 길이에 비해 8배가 증가한 덕분에 전송 길이도 8배가 증가한 200미터까지 증가가 가능해져 컴퓨터에서 허브까지는 그에 절반에 해당하는 100미터의 전송 길이를 적용할 수 있게 되었다.
4. 10기가 비피에스 : 네트워크와 인터넷 트래픽 사용량의 증가로 인하여 이더넷의 전송속도와 길이를 늘리게 되었고, 이에 따라 랜 및 완에서도 사용하는 것에 대한 수요가 생겨났다. 10기가 비피에스 이더넷은 전 이중 전송방식은 지원하지만, 반 이중 방식은 지원하지 않는다. 그러면서 CSMA/CD도 사용하지 않게 되었다. 충돌 검출이 사라짐과 동시에 전송매체의 길이 제약도 줄어들게 되었고, 그러면서 최대 40킬로미터까지 지원 가능해졌다. 기존의 이더넷과의 호환성을 위하여 주소길이와 프레임 형식 및 최소길이를 유지하였고, 완의 기술표준인 SONET의 프레임 형식인 STS-192C를 지원한다.
5. 40/100기가 비피에스 : 기존의 이더넷과의 호환성을 가지고 있으며, 동시에 두 개의 속도를 규정하는 최초의 표준이다. 링크 집성(Link Aggregation) 방식을 크게 단순화한 덕분에 효율적인 고속 데이터 전송이 가능해졌다.

표준 규격

표준 규격이란 통신이 가능한 랜선의 데이터 전송 속도를 정의한 것을 말한다. 가장 많이 사용하는 규격은 3가지 종류가 있는데, 그중 첫 번째는 1000BASE-T로, 전송속도는 최대 1기가 비피에스(1Gbps)이며 속도는 각각의 케이블 속도에 관계되며, 100BASE-TX 케이블을 연결할 경우 100메가 비피에스(100Mbps) 이하가 된다. 두 번째는 100BASE-TX로, 전송속도는 최대 100메가 비피에스이고, 1000BASE-T와 10BASE-T 케이블에 연결할 수 있다. 10BASE-T는 10메가 비피에스 이하가 된다. 마지막은 10BASE-T로, 10메가 비피에스 속도를 가지고 있으며, 위의 두 케이블 모두 연결이 가능하지만, 속도는 모두 10메가 비피에스 이하가 된다.

구조

• 물리 계층

물리 계층은 사용되는 매체의 종류와 그 길이 및 인코딩 방식 등을 규정한다, PCS, PMA, PME는 물리 매체에 의존적인 부계층이며, RS는 물리 매체에 의존하지 않는 부계층이다. 다음은 부계층에 대한 설명이다.

• RS(Reconciliation Sublayer) : 맥 부계층과 물리계층 간의 논리적인 신호 맵핑을 위한 조정 기능을 수행한다.
• MI(medium Independent Interface) : 여러 물리 매체와 기능들에 공통적인 논리 인터페이스다. 물리 매체에 의존하지 않을 수 있게 하기 위하여 공통적인 논리 인터페이스를 데이터링크 계층에 제공한다.
• PCS(Physical Medium Attachment) : 전송속도별로 적합한 부호화 및 복호화를 수행한다. 매체 사용 감지 및 충돌 검출 신호를 생성한다.
• PMA(Physical Medium Dependent) : 실제 물리 매체에 적합한 물리적 신호를 만들어서 송수신한다. 일반적으로 트랜시버(Transceiver)를 의미한다.
• AN(Auto Negotiation) : 서로 다른 전송속도 또는 전송방식 등이 섞인 경우, 서로 능력 정보를 주고받아 양단간에 전송방식을 자동으로 설정한다.
• MDI(Medium Dependent Interface) : 커넥터처럼 같은 실제 전송 매체와의 접속부 인터페이스이다.

전송방식 및 프레임 구조

이더넷 기술의 발전으로 인해 여러 변경사항 등이 있었으나, 호환을 위해 맥 프로토콜, 프레임 포맷 등을 동일하게 유지하였다.

1. 반 이중(Half-duplex) 전송방식 : 반 이중 방식이라는 뜻은 컴퓨터, 통신회선, 변복조장치 등에서 통신이 가능한 방향을 구분하는 방식이라는 뜻이다. 양쪽 방향으로 신호의 전송이 가능하지만, 때에 따라 한쪽 방향으로만 전송을 가능하게 한 방식을 말한다. 두 개 이상의 컴퓨터가 공유매체를 통해 반 이중 전송방식으로 통신을 하게 되면, 어느 컴퓨터가 언제 어떻게 공유매체를 사용할지 약속된 규칙이 없다면 반드시 충돌이 일어날 수밖에 없다. 이더넷에서는 반 이중 전송방식을 사용하는 경우, 매체 제어접근 방식으로 CSMA/CD를 사용한다. 또한, 반 이중 전송방식은 2선식이나 4선식 회선을 사용한다.

2. 전 이중(Full-duplex) 전송방식 : 전 이중 통신방식이란 송신을 하면서 동시에 수신도 가능한 방식을 뜻하는데, 이는 송신 측과 수신 측을 서로 교대하여 전송하는 방식인 반 이중 전송방식과 비교되는 전송방식이다. 각 컴퓨터가 물리 매체를 공유하지 않고, 서로 점대점(point-to-point) 방식으로 연결되어 전 이중 전송방식으로 통신을 하면, 전송 매체를 사용하기 위해 경쟁하거나 사용 여부를 감지할 필요가 없다. 그리고 충돌이 발생하지 않기 때문에 충돌 감지 시스템도 필요 없어진다. 바로 전 이중 전송방식은 CSMA/CD를 사용하지 않아도 된다는 것이다. 그렇기 때문에 프레임의 크기가 작더라도 패딩 하지 않고 전송할 수 있으며, 전송 매체의 최대 길이도 충돌 감지가 아닌 신호 감쇠에 따라서 결정된다. 그리고 송수신이 동시에 가능하여 더 효율적인 통신이 가능하게 한다. 기존의 반 이중 전송방식은 비연결성 특성을 가졌다면, 전 이중 전송방식은 오류제어와 흐름 제어를 위한 맥 컨트롤(MAC Control) 부계층이 맥과 LLC 부계층 사이에 추가되었다. 1기가 비피에스 이더넷부터는 거의 전 이중 전송방식을 이용하며, 10기가 비피에스 이더넷은 전 이중 전송방식만을 사용한다. 여러 컴퓨터들이 다중 접속하려면 1계층 장비인 허브가 아니라 2계층 장비인 이더넷 스위치를 사용해야 한다.

3. 이더넷 프레임 : 이더넷 프레임은 OSI 7계층에서 두 번째 계층인 데이터 링크 계층 프로토콜 데이터 단위이며, 총 7개로 이루어져 있다.

1. 프리앰블(Preamble) : 7바이트를 포함하고 있으며, 0과 1을 반복하는 내용으로 구성된다. 수신 컴퓨터에 프레임의 도착 여부를 알려주며, 물리계층에 추가되어서 수신 컴퓨터가 정확히 동기화하도록 타이밍 펄스를 제공한다.
2. 시작 프레임 지시기(Start-of-Frame Delimiter) : 1바이트를 포함하며, 프리앰블과 구분되는 비트조합이다. 프레임의 시작을 알려주는 역할을 하며, 마지막 두 비트는 11이다.
3. 목적지 주소(Destination Address) : 6바이트를 포함하며, 프레임을 수신하는 컴퓨터의 맥 주소다.
4. 발신지 주소(Source Address) : 목적지 주소와 마찬가지로 6바이트를 포함하며, 프레임을 송신하는 컴퓨터의 맥 주소다.
5. 길이 및 종류(Length/Type) : 2바이트를 포함하며, 데이터의 길이와 종류를 지정한다.
6. 데이터(Data) : 46바이트에서부터 최대 1,500바이트의 크기를 포함하며, 데이터의 크기가 최소기준을 만족시키지 못할 경우 남은 공간을 0으로 패딩 하여 전송한다. 수신 측에서는 원래 데이터의 길이를 알고 있기 때문에 패딩을 제거할 수 있다. 반대로 최대기준을 만족시키지 못한다면 둘 이상의 프레임으로 조각화 및 캡슐화를 실시해야 한다. 데이터 필드는 IEEE 802.2 표준에서 LLC 프레임으로 규정되고, 맥의 상위 계층인 LLC의 헤더를 포함하고 있다. 비표준 방식을 통해 데이터의 크기를 9,000바이트까지 늘려서 사용하는 점보 프레임 방식이 기가급 이더넷에서 사용되기도 한다.
7. 프레임 검사 시퀸스(Frame Check Sequence) : 4바이트를 포함하고 있으며, CRC-32 방식을 통해 프레임의 오류를 검출해낸다.

장단점

이더넷의 장점은 3가지 정도가 있다. 먼저, 적은 용량의 데이터를 전송할 경우 성능이 우수하다는 점이고, 두 번째는 설치 비용이 저렴하고 관리가 쉽다는 점이다. 마지막은 네트워크의 구조가 단순하다는 점이다. 단점도 3가지를 뽑을 수 있는데, 네트워크 사용 시에 신호 때문에 충돌이 발생한다는 점과 충돌이 발생하면 네트워크에서 지연이 발생한다는 점, 시스템의 부하가 증가하면 충돌도 계속적으로 증가한다는 점이다.

이더넷 허브

이더넷 허브는 이더넷 네트워크에서 컴퓨터와 네트워크 장비를 연결하는 장치로서, 한 대의 허브가 중심이 되어 여러 대의 컴퓨터와 네트워크 장비를 연결할 수 있다. 다른 컴퓨터와 네트워크 장비일지라도 하나의 허브에 연결만 되어 있다면 상호간에 통신이 가능하다. 허브와 컴퓨터를 연결하는 케이블에는 UTP 케이블이 있고, 커넥터에는 RJ45 커넥터가 있다.

허브로 연결된 네트워크상에서는 한 컴퓨터에서 주고받는 데이터가 같이 연결된 컴퓨터에 모두 전달된다. 그래서 컴퓨터의 개수가 많아진다면 충돌의 발생 빈도수가 높아져 속도가 느려진다. 이 때문에 최근에는 아래에 있는 이더넷 스위치를 많이 사용한다.

이더넷 허브는 CSMA/CD의 적용을 받는데, 한 명의 사용자가 네트워크를 사용 중이라면 같은 네트워크에 있는 사용자들은 네트워크 사용이 불가능하다. 이런 특성 때문에 허브에 연결된 사용자가 데이터를 전송 중이라면 다른 사용자는 데이터를 전송할 수 없게 된다. 만약 두 명 이상의 사용자가 데이터를 전송하면 충돌이 발생하게 된다. 이런 허브를 셰어드(Shared) 허브라고 하는데, 만약 이 허브가 100메가 비피에스를 지원한다고 하면 허브에 연결된 컴퓨터들이 허브가 지원하는 속도를 공유한다는 뜻이다. 이 허브에 컴퓨터가 5대가 연결 되어있다면 속도는 100을 5로 나눈 20메가 비피에스가 된다. 이 수치는 5대의 컴퓨터가 모두 사용 중이라는 가정하에서다.

이더넷 스위치

이더넷 스위치는 이더넷 네트워크에서 여러 대의 컴퓨터와 네트워크 장비를 연결해주는 장치로서, 전이중 통신 방식이 가능하여 네트워크 속도가 향상된다.

종류

1. 비관리형 스위치 : 비관리형 스위치는 랜에 연결된 장치가 서로 통신할 수 있게 한다. 플러그 앤 플레이 스위치를 통해 사용자의 개입이나 설정 및 구성을 할 필요가 없다.
2. 관리형 스위치 : 관리형 스위치는 연결된 네트워크 장치가 서로 통신 가능하게 한다. 네트워크 관리자가 랜 트래픽을 관리하고 우선순위를 결정할 수 있도록 한다. SNMP와 같은 프로토콜을 통해 네트워크를 이용하여 이동하는 데이터와 그에 대한 보안 엑세스를 관리한다. SNMP는 네트워크 장치가 정보를 교환하고 그 활동을 모니터링하여 네트워크 성능 문제 및 병목 현상 등을 감지한다.
3. 스마트 스위치 : 스마트 스위치는 보안, 품질, 모니터링 분석, 브이랜(V-LAN) 등을 위해 다양한 추가 기능을 제공하지만, 확장성이 전혀 없는 관리형 스위치의 경량 버전이다.

참고자료

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• 이더넷 프레임 위키백과 - https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%9D%B4%EB%8D%94%EB%84%B7_%ED%94%84%EB%A0%88%EC%9E%84
• 이더넷 허브 위키백과 - https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%9D%B4%EB%8D%94%EB%84%B7_%ED%97%88%EB%B8%8C
• 이더넷 두산백과 - https://www.doopedia.co.kr/doopedia/master/master.do?_method=view&MAS_IDX=101013000751653
• 반송파 감지 다중 접속 및 충돌 탐지 위키 백과 - https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%B0%98%EC%86%A1%ED%8C%8C_%EA%B0%90%EC%A7%80_%EB%8B%A4%EC%A4%91_%EC%A0%91%EC%86%8D_%EB%B0%8F_%EC%B6%A9%EB%8F%8C_%ED%83%90%EC%A7%80
• 얼큰이, 〈단방향 통신, 반이중 통신, 전이중 통신〉, 《네이버 블로그》, 2005-05-22
• 정진욱,한정수, 〈[데이터 통신]〉, 《생능출판 》, 2008-02-20
• 둔탱이, 〈CSMA/CD〉, 《티스토리》, 2015-09-07
• 폴크위네, 〈이더넷(Ethernet) 이란 무엇인가? (IEEE 803.2 Standard)〉, 《네이버 블로그》, 2016-07-24
• 해리, 〈[http://haeri056.blog.me/220805367585 이더넷이란? (LAN, WAN, Ethernet, CSMA/CD)〉, 《네이버 블로그》, 2016-09-05
• 택이짱의 IT Life, 〈이더넷 개념 정리〉, 《티스토리》, 2016-10-11
• 〈CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection 반송파 감지 다중 엑세스 / 충돌 검출〉, 《정보통신기술용어해설》, 2016-11-15
• 26 Games Programming , 〈[윈도우 네트워크 이더넷 이란?]〉, 《티스토리》, 2017-04-10
• 다른 사람 , 〈관리 형 스위치와 비 관리 형 스위치의 차이점 차이점 - 2020 - 다른 사람〉, 《비트윈메이츠》, 2018
• 낭람, 〈[네트워크 이더넷? _ Ethernet에 대하여]〉, 《티스토리 》, 2019-01-21
• 재주원숭이, 〈허브와 스위치의 차이점〉, 《티스토리》, 2019-06-30

같이 보기

• 허브
• 스위치

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