물리 계층(L1), 데이터 링크 계층(L2)이 하는 일

이번 글에서는 물리 계층(L1), 데이터 링크 계층(L2)에 대해서 알아보겠습니다.

L1 - 물리 계층

L1에는 케이블, 리피터, 허브가 있습니다. L1은 실제로 데이터를 물리적으로 전송해주는 역할을 합니다.  

데이터는 디지털이지만 디지털은 물리적으로 보낼 수 없습니다. 

즉 디지털 데이터가 아날로그로 변환되고 이것을 전기신호, 전자기파(가시광선, 전파 등)로 보내는 것입니다.

케이블

이렇게 데이터를 보내는 것은 케이블을 통해서 가능합니다. 케이블은 UTP 케이블, 동축 케이블, 광 케이블이 있습니다.

UTP 케이블은 현재 가장 많이 사용되며 흔히 볼 수 있는 랜선이라고 생각하시면 됩니다.  

동축 케이블은 반이중 통신이고 설치가 어렵고 비싸기 때문에 잘 사용하지 않습니다.

광 케이블은 빛을 이용하기 때문에 더 많이 빨리 보낼 수 있으며 보통 해저 케이블이 광 케이블입니다.

리피터

케이블로 연결된 두 컴퓨터가 거리가 멀어지면 아날로그 신호는 왜곡될 수 있습니다.

리피터는 거리가 멀어져 신호가 망가지기 전에 중간에서 왜곡된 신호를 다시 원래 신호로 복원하고

약해진 신호를 증폭해주는 역할을 합니다.

허브

여러 컴퓨터로 네트워를 만들 때 여기 있는 컴퓨터 모두를 서로 케이블로 연결하는 것은 현실적으로 불가능합니다.  

컴퓨터가 서로 통신하기 위해 직접 케이블로 연결하는 것이 아니라 중간에 있는 허브에 케이블로 연결합니다.

허브에는 랜선을 꽂을 포트가 있으며 리피터의 역할도 합니다.

MAC 주소와 상관없이 단순히 물리 신호를 브로드 캐스팅하기 때문에 허브가 많아지면 충돌이 발생하기 쉽습니다. 

이렇게 충돌이 발생할 수 있는 영역을 콜리전 도메인이라고 합니다.

허브에서 자신에게 전송되는 데이터가 없어질 때까지 기다리고 데이터를 보내는 것을 CSMA/CD 라고 합니다.

 

L2 - 데이터 링크 계층

L2에는 랜카드, 이더넷, 스위치가 있습니다.

랜카드

랜카드는 Network Interface Card라고 불리는 하드웨어 장치입니다.

메인보드에 내장되어 있거나 추가 슬롯에 연결하여 사용합니다.

랜카드는 디지털 데이터를 아날로그 데이터로 바꾸고 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 바꾸는 역할을 합니다.

또한 랜카드에는 전세계에서 유일한 고유의 주소인 MAC 주소가 있습니다.

이 MAC 주소로 받은 데이터의 목적지 MAC 주소가 자신의 MAC 주소와 일치하지 않으면 버리고 일치하면 

CPU에게 알려줍니다.  

이더넷

L2에서는 기기에 MAC 주소를 부여해 원하는 기기에만 데이터를 전송할 수 있습니다.

이때 L2에서 가장 많이 사용하는 프로토콜이 이더넷입니다.

 

Preamble + SFD는 프레임 앞에 붙고 랜카드에게 이더넷 프레임이 시작한다는 사실을 알려줍니다.

패킷은 네트워크 계층에서 받은 (네트워크 헤더 + 트랜스포트 헤더 + 애플리케이션 헤더 + 데이터) 입니다.

이더넷 트레일러(FCS)는 이 프레임 손상됐는 지를 체크합니다.

여기서 이더넷 헤더에 대해 조금 더 알아보겠습니다.

 

이더넷 헤더

이더넷 헤더는 위 그림과 같은데 Destination Address와 Source Address는 각각 수신처의 MAC 주소 + 송신처의 MAC 주소를

나타내며 48비트로 구성되어 있습니다. 48비트 중 앞 24비트는 제조사 코드를 부여합니다. 

MAC 주소는 유무선 랜카드 뿐만 아니라 공유기(라우터), 스위치에 할당되어 기기를 구분하는 역할을 합니다.

Length/Type은 상위 계층의 프로토콜이나 프레임의 데이터 길이를 나타내며 16비트로 구성됩니다.   

이더넷 헤더는 총 48비트 + 48비트 + 16비트로 112비트 입니다.

스위치

앞에서 말한 것처럼 허브는 들어온 데이터를 브로드 캐스팅하는 기능만 있습니다.

스위치는 허브에 CPU, 메모리를 추가해서 만들었습니다.

스위치는 브로드 캐스팅하는 것을 줄여 불필요한 트래픽을 줄여 콜리전 도메인을 나눌 수 있습니다.

스위치는 메모리에 MAC 주소 테이블을 가지고 있는데 여기에 주소를 넣는 것을 learning이라고 합니다.

처음에는 스위치에 주소가 없기 때문에 브로드 캐스팅합니다 (Flooding)

스위치에 해당 MAC 주소가 있다면 브로드 캐스팅하지 않고 바로 전송합니다 (Forwarding)

스위치 없이도 통신할 수 있다고 판단하면 Filtering 하고 시간이 오래지나 테이블에 많은 데이터가 저장된다면 

Aging 타이머로 자동 제거할 수도 있습니다.

스위치의 한계

스위치에 메모리가 있기 때문에 브로드 캐스팅을 줄여주지만 전혀 하지 않는다고 말할 수는 없습니다.

스위치와 연결된 영역을 브로드 캐스트 도메인이라고 부릅니다.

브로드 캐스트 도메인은 근거리 네트워크 LAN 영역이라고도 부릅니다.

스위치를 늘리면 콜리전 도메인은 나눌 수 있지만 브로드 캐스트 도메인은 달라지지 않습니다.

브로드 캐스트 도메인에 컴퓨터가 많아지면 여전히 쓸모 없는 트래픽이 많아집니다.

이러한 한계로 라우터가 등장하였습니다. 라우터는 L3 - 네트워크 계층에 해당하는 개념으로 다음 글에서 설명하겠습니다.

 

출처 : 그림으로 쉽게 배우는 네트워크 (인프런 - 감자), 성공과 실패를 결정하는 1%의 네트워크 원리