캐리어 이더넷

이더넷(Ethernet)은 컴퓨터 네트워크 기술로서, 랜(LAN)에서 가장 많이 사용되는 기술이다. 이더넷 기술은 대부분 IEEE 802.3 규약으로 표준화되었다. 이더넷 허브, 이더넷 스위치 등의 장비가 있다.

개요

이더넷은 분산된 컴퓨터 간에 데이터를 교환해 주는 통신 체계 중 하나로, 80년대 이후 공개된 랜 기술 중에서 가장 널리 사용되는 표준 기술이다. 이더넷은 인터넷 프로토콜이라는 프로그램을 사용해 광범위한 통신 및 컴퓨터 기기를 연결한다. 데이터 공유 및 전송 기술, 랜카드나 라우터 등 네트워크 장비들이 이더넷 기술의 산물이라고 할 수 있다. 규격과 방식은 IEEE 802.3 표준을 구현한 것으로, 랜의 국제표준화를 추진하고 있는 미국 전기전자기술자협회(IEEE)의 표준방식의 하나로서 채용되고 있다. 이더넷은 데이터 단말(data station) 간의 거리 약 2.5km 내에서 최대 1,024개의 데이터 단말 상호 간에 10Mbps의 전송 속도로 정보를 교환할 수 있는 지역적인 네트워크이다. 이더넷의 네트워크형태는 버스(bus)형이고 액세스 방식으로는 CSMA/CD을 채용하고 있다. 이 방식에서는 다른 방식들과는 달리 네트워크에서 두 국이 동시에 패킷을 전송할 경우에 전송로가 비어있는지의 여부 등 상태를 스스로 검출하고 충돌을 검출했을 때는 일정시간 기다렸다가 전송로가 비어있을 때에 송신을 하여, 발생하는 패킷의 충돌로 인해 낭비되는 대역폭을 크게 줄일 수 있다. 이더넷의 기본적인 개념은 하나의 물리적인 전송매체를 다수의 통신국이 공유하는 것으로 효율면에서는 토큰링 방식보다 떨어지지만 무엇보다도 가격이 저렴하기 때문에 다수의 사용자를 확보하고 있는 네트워크 방식이다. 이더넷은 네트워크에 연결된 각 기기들이 48비트 길이의 고유 맥(MAC) 주소를 가지고 이 주소를 이용해 상호 간에 데이터를 주고받을 수 있도록 만들어졌다. 사용 케이블은 10BASE 5, 10 BASE 2 및 10 BASE-T 등이 있으나 주로 사용되는 것은 배선 공사가 용이하고 관리 및 안전성 등이 우수한 10BASE-T이다. 최근에는 대역폭이 100Mbps인 고속 이더넷도 등장했다.

등장배경

이더넷은 미국의 제록스(Xerox) 사의 밥 멧칼프(Bob Metcalfe)와 데이빗 보그스(David Boggs)에 의해 제안돼 제록스와 덱(DEC), 인텔(Intel)이 공동으로 개발한 랜의 사양으로, 1980년 상품화하고 특허를 받은 최초의 랜이다. 1972년부터 개발되었고, 기초개념은 1969년 하와이 대학교에서 개발한 알로하(ALOHA)라는 무선 컴퓨터 통신망에서 최초로 구현됐다. 1973년 제록스의 밥 멧칼프는 한 가지 문제점에 직면했다. 컴퓨터 주변기기의 공유와 컴퓨터 간 통신을 위해 급증하고 있는 주변의 컴퓨터들을 모두 서로 연결시켜야 했기 때문이다. 컴퓨터 간 연결의 어려움으로 인해 복도에 놓여진 세계 최초의 레이저 프린터는 바쁘게 문서를 출력할 일이 없었다. 그 당시 컴퓨터 네트워킹은 이제 막 시작하는 단계였다. 네트워킹 관련 하드웨어는 비쌌으며 설정되어 있는 배선은 뒤엉켜 있었다. 또한 컴퓨터나 케이블의 갑작스러운 장애는 전체 시스템을 다운시켰다. 이로 인해 멧칼프는 더욱 단순하고 신뢰할 수 있는 컴퓨터 네트워크를 구축하는 업무를 맡게 되었다.

모든 소스로부터 영감을 얻는 데 필사적이었던 그는 하와이 대학교의 무선 네트워크인 알로하넷(ALOHAnet)을 우연히 접하게 되었다. 알로하넷은 대부분의 컴퓨터 네트워크와는 다르게, 주어진 순간에 한 컴퓨터만이 다른 컴퓨터와 통신 할 수 있도록 통제되었으며 어떠한 컴퓨터도 통신에 참가할 수 있었다. 만약 여러 컴퓨터가 동시에 통신을 시도하면, 각각의 컴퓨터들은 정해진 시간 간격 동안 잠시 통신을 중단하였다. 멧칼프는 하와이 대학교 졸업생인 데이빗 보그스를 데려와 알로하넷 개념에 입각한 유선 네트워크 구축에 착수하였다. 멧칼프의 이더넷 시스템은 충돌 및 사소한 결함이 발생하는 시스템이었으며 모든 컴퓨터가 하나의 긴 전선에 함께 연결되었다. 이렇게 즉석에서 개발된 이더넷은 현재 로컬 네트워크를 위한 가장 일반적인 표준이 되었다. 한편 이더넷이라는 용어는 정의되지 않은 물체를 이더(ether)라고 부르는 데서 유래한 것으로, 우주에 존재한다는 가설 속의 물질인 에테르(ether)에서 따온 것이다.

역사

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.

진화

• 1세대 - 100MBps : 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.

• 2세대 - 100MBps : FDDI(광섬유 분산 데이터 인터페이스)와 같은 고속 토큰링 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.

• 3세대 - 1GBps : 왠(WAN)에서 파생된 랜 기술인 에이티엠(ATM) 랜을 제치고 고속 랜 시장을 석권한 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.

• 4세대 - 10GBps : 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, 왠의 기술표준인 소넷(SONET, Synchronous Optic NETwork)의 프레임 형식인 STS-192C를 지원한다.

• 5세대 - 40/100GBps : 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.

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

특징

CSMA/CD

송신 측에서 전송한 데이터는 네트워크의 모든 구성원에게 전달되고, 수신 측에서는 전송받은 데이터를 검사하여 자신에게 도착한 것일 경우 데이터를 수신하고 그렇지 않는 경우 데이터를 무시하는 방식으로 동작한다. 이와 같은 방식으로 네트워크를 구성하는 경우 구현이 매우 쉽다는 장점이 있으나, 네트워크를 구성하는 요소들이 증가할 경우 전송 데이터 간에 충돌이 자주 발생하여 네트워크의 사용 효율이 낮아진다는 단점이 있다. 이더넷은 이런 단점을 개선하기 위하여 채널 감지(carrier sense) 및 충돌 감지(collision detection) 기능을 추가하였다.

공유 버스 구조에서 호스트 간의 데이터 충돌을 방지하려면 프레임을 전송하기 전에 다른 호스트가 공유 버스를 사용 중인지 확인해야 한다. 이는 전송 선로에 흐르는 신호를 감지하는 기능으로 구현할 수 있다. 전송 매체의 신호를 감지해 프레임의 전송 여부를 결정하는 프로토콜을 신호 감지(Carrier Sense) 프로토콜이라고 한다. 신호 감지 프로토콜에서는 선로의 전달 지연이 성능에 영향을 많이 준다. 이더넷의 네트워크 형태는 루프(loop)형이 아닌 버스(bus)형으로, 데이터 전송을 위한 액세스 방식으로 CSMA/CD(carrier sense multiple access with collision detection)를 사용한다. 일반적으로 랜을 구성하는 3가지 요소로 토폴로지(전송로의 형태), 전송매체, 액세스방식을 들 수 있는데 네트워크 형태가 버스형인 이더넷은 액세스방식으로 CSMA/CD방식을 채용하고 있다. CSMA/CD는 다음과 같은 세 가지 기능이 합쳐진 프로토콜이다.

• CS(Carrier Sense) : 각 컴퓨터는 공유매체가 사용 중인지 여부를 감지하고, 매체의 전압 변화를 통해 사용 여부를 확인 가능하다.
• MA(Multiple Access) : 다수의 컴퓨터가 공유매체를 두고 서로 경쟁하여 나누어 사용하는 방식을 말한다. 매체가 사용 중이 아니라면 언제든 전송을 다시 시작할 수 있다.
• CD(Collision detect) : 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.

CSMA 방식은 기본적으로 둘 이상의 호스트에서 동시에 채널의 유휴 상태를 확인할 가능성이 있다. 따라서 여러 호스트가 동시에 채널을 사용할 수 있다고 판단하고, 이런 상황이 자주 발생하면 프레임 전송 과정에서 충돌이 발생할 가능성도 커진다. 공유 버스에서 충돌이 발생하면 해당 프레임의 내용이 깨지고, 각 호스트에서 전송한 데이터의 내용이 변형되어 프레임을 더 전송하는 것이 의미 없다. 따라서 향상된 방식인 CSMA/CD에서는 충돌 감지(Collision Detection) 기능을 사용해 충돌 여부를 확인한다. 일단 호스트가 충돌을 감지하면 진행 중인 프레임의 전송을 중지한다.

이더넷의 연결

만약 두 대의 컴퓨터가 동시에 검사하여 통신망이 사용 중이지 않다는 것을 확인하고 동시에 전송하게 되면 충돌이 발생한다. 데이터를 보내려는 컴퓨터가 먼저 통신망이 사용 중인지 아닌지 검사한 후에 비어 있을 때 데이터를 보낸다. 전송로가 비어있는지의 여부 등 상태를 스스로 검출하고 통신망이 사용 중이면 일정시간을 기다린 후 다시 검사하는데, 통신망이 사용 중인지는 전기적인 신호로 확인할 수 있다. 데이터를 전송한 컴퓨터는 자신의 데이터가 손상되지 않았는지를 확인하여 손상이 있으면 다시 전송하게 된다. 이때 두 컴퓨터의 재전송이 동일한 시간 후에 일어나면 다시 충돌이 발생하므로 재전송 시간은 일정한 방법에 의해 변경된다. 즉, 충돌을 검출했을 때는 일정시간 기다렸다가 전송로가 비어있을 때에 송신을 한다. 따라서 네트워크에서 두국이 동시에 패킷을 전송할 경우에 발생하는 패킷의 충돌로 인해 낭비되는 대역폭을 크게 줄일 수 있다.

우측 그림은 이더넷 방식을 이용하는 고전적인 랜의 접속 방법을 보여준다. 별색의 굵고 긴 전송 케이블로 된 전송 매체에 트랜시버(Transceiver) 장비로 보조선을 연결해 각 호스트를 연결한다. 트랜시버는 호스트를 전송 케이블에 연결하기 위한 송수신 장치로, 전송 선로의 신호를 감지하는 기능과 함께 충돌 현상을 감지하는 기능도 제공한다. 임의의 트랜시버가 충돌을 감지하면 이를 특정 신호의 형태로 변환해 전송 케이블에 다시 전송해야 한다. 이 기능을 사용해 트랜시버는 충돌 발생을 알려줌으로써 무의미한 데이터 전송을 억제한다. IEEE 802.3 표준안은 전송 케이블의 최대 길이를 일정하게 제한하는데, 이는 케이블의 거리가 너무 길면 신호 감쇄 현상에 의해 오류가 발생할 가능성이 높아지기 때문이다. 또한 케이블에 연결되는 호스트 간의 거리 간격도 일정 범위 이내로는 연결할 수 없도록 되어 있다.

이더넷 케이블 하나에 연결되는 호스트 수가 증가하면 케이블 두 개로 나누어 연결해야 한다. 두 케이블은 리피터를 사용해 연동함으로써 논리적으로 하나의 케이블처럼 동작할 수 있다. 리피터는 단순히 신호를 증폭하여 이웃하는 케이블로 넘겨주는 기능을 한다. 예를 들어, 그림의 왼쪽 케이블에서 전송되는 신호는 리피터에 의해 오른쪽으로 전달되고, 반대 방향으로도 신호를 증폭해 전달한다.

프레임

이더넷 프레임(Ethernet Frame)

상위 계층인 LLC에서 내려온 프레임을 상대 호스트에 전송하려면 맥 계층에서 정의된 프레임 구조에 맞게 포장해야 한다. 맥 계층 프로토콜에 정의된 맥 헤더와 트레일러 정보를 추가한 것을 맥 프레임(MAC Frame)이라고 하며, 이더넷 프로토콜에서는 이더넷 프레임이라고 한다. 맥 프레임은 LLC 계층에서 보낸 모든 정보를 전송 데이터로 취급하며, 데이터의 앞에는 헤더가, 뒤에는 트레일러가 위치한다. 우측 그림은 이더넷 프로토콜에서 사용하는 이더넷 프레임의 구조다. 필드의 크기 단위는 바이트다. 송신 호스트 주소(Source Address)와 수신 호스트 주소(Destination Address) 필드는 2바이트나 6바이트 중 선택할 수 있으며 데이터와 패드 필드는 가변 길이를 지원한다. 이더넷 프레임의 데이터 필드 왼쪽에 위치한 필드는 헤더에 속하고, 오른쪽은 트레일러에 속한다. 헤더와 트레일러에서 정의한 필드의 의미는 다음과 같다.

• 프리엠블(Preamble) : 7바이트 크기로, 수신 호스트가 송신 호스트의 클록과 동기를 맞출 수 있도록 시간 여유를 제공하는 것이 목적이다. 각 바이트는 10101010 비트 패턴을 포함한다.

• 시작 구분자(Start Delimiter) : 프레임의 시작 위치를 나타낸다. 프리엠블 필드와 구분해 값이 10101011이다.

• 송신 호스트 주소/수신 호스트 주소(Source Address/Destination Address) : 맥 계층에서는 호스트를 구분하는 고유의 맥 주소를 사용한다. 주소 값은 일반적으로 랜 카드에 내장되어 제공된다. 두 필드는 전송되는 프레임의 송신 호스트와 수신 호스트 주소를 표현한다. 수신 호스트 주소는 최상위 비트가 1이면 그룹 주소를 의미하고, 0이면 일반 주소다. 그룹 주소에는 특정 그룹에 속한 호스트에 프레임을 전송하는 멀티캐스팅과 네트워크에 연결된 모든 호스트에 전송하는 브로드캐스팅이 있다. 브로드캐스팅에서는 주소부의 모든 비트가 1이다. 송신 호스트 주소에서 최상위 비트는 0으로 지정된다. 현재 구현되어 사용되는 이더넷 프로토콜은 모두 6바이트 주소를 지원한다.

• 길이(Length) : 데이터 필드에 포함된 가변 길이의 전송 데이터 크기를 나타내며, 최대값은 1,500이다.

• 체크섬(Checksum) : 데이터 전송 과정에서 데이터 변형 오류의 발생 여부를 수신 호스트가 확인할 수 있도록 송신 호스트가 값을 기록해준다.

OSI 7계층 모델에서는 데이터 전송 시, 최상위 계층인 응용 계층에서 시작해 물리 계층까지 내려오는 과정에서 각 계층의 프로토콜이 정의한 헤더 정보를 계속 추가한다. 위 그림의 이더넷 프레임에서 데이터 필드를 제외한 필드가 MAC 계층에서 추가하는 정보다. 네트워크 계층에서 전송할 데이터는 LLC 계층으로 내려오면서, LLC 헤더 정보를 추가해 LLC 프레임이 된다. LLC 프레임은 다시 MAC 계층으로 내려오는데, 이 과정에서 맥 헤더와 맥 트레일러 정보를 추가한다. 이때 LLC 계층에서 보낸 LLC 헤더와 LLC 데이터는 맥 계층에서 데이터로 취급되기 때문에 맥 프레임의 데이터 필드에 기록된다. 이후 맥 계층에서는 맥 프레임을 물리 계층을 사용하여 수신 호스트에 전송한다.

허브

허브와 스위치

CSMA/CD 방식에서 트랜시버를 이용해 전송 케이블에 호스트를 연결하는 방식은 더 이상 사용하지 않는다. 대신 허브라는 박스 형태의 장비에 잭을 사용해 호스트를 연결하기 때문에 랜 케이블의 구성이 이전보다 간단해졌다. 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.

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.

허브로 연결된 네트워크상에서는 한 컴퓨터에서 주고받는 데이터가 같이 연결된 컴퓨터에 모두 전달된다. 이 데이터는 맨체스터 코드를 사용하여 인코딩된다. 그래서 컴퓨터의 개수가 많아진다면 충돌의 발생 빈도수가 높아져 속도가 느려진다. 이 때문에 최근에는 데이터가 필요한 컴퓨터에만 전송하는 이더넷 스위치를 많이 사용한다. 대부분의 허브는 충돌을 탐지하기 위해 반이중(half duplex)만을 지원하는 데 반해, 대부분의 이더넷 스위치는 전이중 방식을 지원한다.

허브의 성능 문제를 개선한 스위치 허브도 많이 보급되는 추세다. 위 그림은 이더넷 환경에서 사용하는 공유 버스, 일반 허브, 스위치 허브의 차이점을 설명한다. (a)는 공유 버스 구조를 사용하는 이더넷의 전형적인 원리를 보여준다. 임의의 호스트에서 전송한 프레임은 버스에 연결된 모든 호스트에 전송되고, 목적지의 주소에 해당하는 호스트만 프레임을 수신한다. 일반적으로 CSMA/CD 방식에서는 10Mbps의 전송 속도를 지원한다.

그림 (b)와 같은 허브 구조에서는 박스 형태의 장비에 호스트를 연결하는 다수의 포트를 지원하므로, 각 호스트는 허브에 스타형으로 연결된다. 임의의 호스트에서 전송한 프레임을 허브에서 수신해 허브에 연결된 모든 호스트에 전달한다. 그런데 외형적으로는 스타형이지만, 허브의 내부 동작은 공유 버스 방식으로 이루어지므로 여러 호스트가 동시에 프레임을 전송하면 충돌이 발생할 수 있다. 허브 구조의 LAN에서는 전체 전송 용량이 각 호스트를 연결하는 전송 선로 용량의 제한을 받는다. 따라서 그림처럼 허브의 최대 전송 용량은 10Mbps로 제한된다.

스위치

이더넷 스위치(Ethernet Switch)는 이더넷 네트워크에서 여러 대의 컴퓨터와 네트워크 장비를 연결해주는 장치로서, 전이중 통신 방식이 가능하여 네트워크 속도가 향상된다. 그림 (c)에 보이는 스위치 허브(Switch Hub)는 일반 허브와 형태 및 목적이 거의 동일하지만, 훨씬 향상된 네트워크 속도를 제공한다. 이는 각 컴퓨터에서 주고 받는 데이터가 허브처럼 다른 모든 컴퓨터에 전송되는 것이 아니라, 데이터를 필요로 하는 컴퓨터에만 전송되기 때문에 가능하다. 중앙에 위치한 허브에 스위치 기능이 있어 임의의 호스트에게서 수신한 프레임을 모든 호스트에 전송하는 것이 아니고, 해당 프레임의 목적지로 지정한 호스트에만 전송한다. 따라서 이들 사이의 프레임 전송이 진행되고 있어도, 허브처럼 병목 현상이 쉽게 생기지 않아 다른 호스트끼리 프레임을 전송할 수 있다. 또한 대부분의 이더넷 스위치는 전이중 통신방식을 지원하기 때문에 송신과 수신이 동시에 일어나는 경우 훨씬 향상된 속도를 제공한다.

스위치는 이 기능을 수행하기 위해 각 컴퓨터의 고유한 aor 주소를 기억하고 있어야 하며, 이 주소를 통해 어떤 데이터가 어디로 전송되어야 하는지 판단해야 한다. 하지만 스위치를 이용하는 경우도 대량의 동보발송이나 스위치의 처리용량을 초과하는 데이터 흐름에 대해서는 취약할 수밖에 없으므로 커다란 네트워크의 경우는 가상 랜(VLAN) 스위치나 라우터 등을 이용해 네트워크 자체를 분리해야 한다. 스위칭 허브(switching hub), 포트 스위칭 허브(port switching hub)라고도 불린다. 예를 들어, (c)의 호스트 a가 호스트 b로 프레임을 전송하는 동안에 다른 호스트가 프레임을 전송할 수 있다. 따라서 전체 전송 용량이 증가하는 효과가 생긴다. 스위치 허브의 장점을 정리하면 다음과 같다.

• 스위치 허브가 자신에게 연결된 호스트를 모두 수용할 수 있는 충분한 전송 용량을 지원하면 각 호스트는 할당된 랜 전송 용량을 모두 사용할 수 있다.
• 일반 허브를 스위치 허브로 교체하는 과정에서 연결된 호스트는 하드웨어나 소프트웨어를 교체할 필요가 없다.

확장

캐리어 이더넷

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 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 연결성을 제공하기 위해 이더넷 프로토콜을 확장하는 자연스러운 방법으로 이더넷이 도입되었다.

이더넷은 본래 캠퍼스, 기업이나 가정 등 근거리의 랜 영역에 주로 사용되는 기술이었으나 플러그 앤 플레이(plug and play)와 같은 단순함, 적은 설치 비용 및 쉬운 운용 등을 장점으로, 통신 사업자 및 운용자(carrier)의 고유영역인 맨(MAN)/왠(WAN)에서도 사용 가능한 메트로 이더넷(Metro Ethernet) 및 캐리어 이더넷(CE, Carrier Ethernet)으로 빠른 속도로 진화 발전하고 있는 상황이다. 캐리어 이더넷은 탄력성, 신뢰성, 확장성, 관리성 등과 같은 특징을 중요시하는 통신 사업자 환경에서 이더넷 기반 서비스를 제공할 수 있는 확장된 이더넷 기술을 의미한다. 이더넷 전송 용량의 급속한 증가는 랜과 왠간 액세스 속도 차이를 급속하게 줄이는 결과를 가져와, 그렇지 않아도 대역폭 제한과 유연성 결여로 문제가 되던 전통적인 라스트마일왠(last mile WAN) 서비스를 대체하는 것을 시작으로 결국에는 순수 이더넷 왠 전송(pure Ethernet WAN transport) 기술로 캐리어 이더넷이라는 새로운 이더넷 적용 분야가 등장하게 되었다.

이름에서 알 수 있듯이 통신 사업자들은 캐리어 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 캐리어 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.

참고자료

• Challoner, Jack, 〈Ethernet〉, 《1001 inventions that changed the world》, 마로니에북스, 2010-01-20
• 박기현, 〈Chapter 05 MAC 계층 - 02 이더넷〉, 《쉽게 배우는 데이터 통신과 컴퓨터 네트워크》, 교보문고, 2013-09-10

같이 보기

• 캐리어 이더넷

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