[정보통신공학]09 이더넷과 LAN프로토콜

정보통신공학

정보통신공학

2012. 1

2012. 1학기

학기

Chapter 10

Chapter 10

이더넷과

이더넷과 랜프로토콜

랜프로토콜

김용화

(yhkim@mmu.ac.kr)

인터넷과

인터넷과 컴퓨터

컴퓨터 네트워킹

네트워킹 기술의

기술의 발전과정

발전과정

• [그림 1-7] 인터넷과 컴퓨터 네트워킹 기술의 발전과정

무선이동네트워킹

무선이동네트워킹 기술의

기술의 발전과정

발전과정

• [그림 1-8] 무선이동네트워킹 기술의 발전과정 3

1.

LAN 프로토콜과 그 특성

2.

IEEE 802.3 이더넷 프로토콜의 구조와 특

성을 살펴서 성능을 분석

3.

고속이더넷의 프레임 구조 및 리피터의 구

조

학습

학습 목표

목표

LAN(Local Area Network)이란?

• 일반적으로 하나의 빌딩이나 대학 캠퍼스 정도의 범위 내에 있는 personal computer,

서버, 프린터, 교환장치, 워크스테이션 등이 상호 연결되어 구성된 네트워크 시스템

• 데이터 전송률:10Mbps, 100Mbps(Fast Ethernet), Gigabit Ethernet(1Gbps)

• LAN 프로토콜 : IEEE 802.3 이더넷 프로토콜, IEEE 802.5 토큰링 프로토콜, IEEE 802.4 토큰버스 프로토콜 등

LAN의 분류

• 미디어공유(media shared) LAN : 노드( 호스트 컴퓨터 혹은 라우터 등)들이 동일한

전송 미디어를 사용해서 데이터를 전송하는 LAN • 스위치(switched) LAN : 노드들이 스위치의 특정한 링크에 의해 연결되어 데이터를 전송하는 LAN

LAN

LAN 프로토콜과

프로토콜과 그

그 특성

특성

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표준화 기구중에 하나인 IEEE (Institute of Electrical and Electronics

Engineers)에 있는 802 working group에서 정의한 표준안

PHY 계층: 전기, 기계적인 특성 ( 사용되는 동선 타입이나, 신호의 형

태, 코드화 비트의 형태 등)

DLL(Data Link Layer): MAC 부계층과 LLC 부계층으로 나누어 지며,

이 계층은 에러없이 패킷을 전송하는 기능

•

MAC 부계층 : 공유 미디어에 대한 액세스의 조정(regulation)기능.

•

LLC 부계층 : 공유 미디어의 액세스의 감독 기능.

IEEE 802 LAN

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LAN

LAN의

의 구성형태

구성형태

• LAN의 특성 : 네트워크의 전송매체와 구성형태(topology)에 의하여 결정. • 일반적으로 성형, 버스형, 링형 등이 있음. • 성형(star) 토폴로지 • 각 노드가 중앙 스위치에 직접 연결되는 형태로 구성. • 어느 한 노드에서의 전송은 중앙노드로 입력되고, 중앙 노드에서 모든 링크로 재전송. • 장점 • 각 노드의 연결은 하나의 링크와 I/O 포트만을 요구하므로 설치비용이 저렴. • 하나의 링크가 끊어져도 이는 다른 링크에 영향을 주지 않으므로 안정성 측면 유리. • 접속하는 링크가 서로 독립적이어서 노드의 확장성 측면에서 유리. • 단점 • 중앙 노드, 즉 제어장치에 문제가 발생하면 네트워크 전체가 문제 • 버스형이나 링형에 비해 링크의 연결이 많아짐. • 데이터 양이 많아지면 지연시간이 길어짐.

버스

버스(bus)

(bus) 토폴로지

토폴로지

• 모든 노드가 적절한 인터페이스를 통하여, 선형 전송미디어에 직접 부착하여 구성. • 한 노드에서 데이터는 양방향으로 전송되고 다른 모든 노드에서 수신. • 장점 • 설치가 간단하고 비용이 저렴. • 확장성 양호, 한 노드의 에러가 다른 노드에 영향을 주지 않아 안정성이 향상. • 연결에 필요한 링크의 길이 최소화. • 단점 • 노드수가 증가하면 네트워크 성능이 떨어짐. • 링크의 길이가 길어지면 신호의 감쇄현상으로 중계기를 사용해야 함. • 둘 이상의 노드가 동시에 신호를 전송하게 되면 충돌현상이 발생하므로 데이터 양이 많아지거나 노드 수가 증가하면, 충돌현상이 빈번해져서 네트워크의 성 능이 떨어짐.

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링

링(ring)

(ring)형

형 토폴로지

토폴로지

• 네트워크가 닫혀진 링 형태로 구성 • 링크는 한쪽 방향으로 전송이 가능하도록 구성. • 패킷에는 데이터의 전송측 및 목적지 주소, 제어정보가 들어있어서 패킷이 링 을 돌다가 목적지 노드에 도착하면 데이터를 지역 버퍼(local buffer)에 복사. • 패킷은 링을 따라 계속 돌다가 전송측 노드에서 제거. • 장점 • 구조가 간단하여 설치와 재구성이 용이. • 성형보다 링크의 길이를 줄일 수 있어서 경제적 • 문제가 발생했을 경우 링의 복구를 신속하게 할 수 있음. • 단점 • 제어 절차가 복잡. • 한 노드의 오류는 링 전체에 영향을 줌--> 이중링 구조를 사용하여 보완

LAN

LAN의

의 특성

특성(1)

(1)

• 처리율(Throughput) • 처리율은 단위시간당 링크가 처리할 수 있는 데이타량. • 전송측이 10Mbps의 전송율을 갖을 때, MAC프로토콜이 65%의 효율을 갖는경 우  LAN에서의 처리율은 6.5Mbps가 됨. • 미디어 공유 이더넷에서 처리율이 6.5Mbps이고 호스트 컴퓨터의 수가 7개일 때, 10M 바이트의 파일을 전송하기 위한 평균시간은 약 86초가 됨. • 시간 지연성(latency) • 하나의 패킷을 네트워크 인터페이스(Network Interface)에서 목적지 컴퓨터까 지 전송하는데 걸리는 시간. • 매체액세스 시간, 전송시간, 대기시간 (Queueing Time), 전파시간 (Propagation Time)

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LAN

LAN의

의 특성

특성(2)

(2)

• 보안성(security) • 데이터의 보안은 외부로부터 시스템을 보호하거나, 데이터의 유출에 따 른 대처방안 • 직접 전송케이블에 연결하여 데이터를 유출하는 경우('tap') 동선보다 는 광섬유(fiber)를 사용하는 경우가 우수한 보안특성. • 네트워크 상에서 이동하는 패킷을 읽는 'snooping'이 흔한 공격방법 • 일반적으로 스위치 LAN이 미디어 공유LAN 보다 보안에 우수함. • 신뢰성(reliability) • 노드나 링크에 이상이 발생했을 경우 동작이 중지되지 않고 계속 유지될 수 있도록 하는 특성.

LAN

LAN의

의 특성

특성 비교

비교

• sh.10은 “공유(shared) Mbps 이더넷”을 의미, sw.10은 “switched 10-Mbps의 이더넷” , TR.16은 “16Mbps 토큰링” • 처리율 부분에서 n10은 10Mbps의 n배를, n100는 100Mbps의 n배수를 말함 (이때 n의 범위는 1에서 노드수의 반 사이 값) • snooping은 sh.10, sh.100, TR.10, 에서 보안성을 유지하기가 어렵다는 의미.

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IEEE 802.3 LAN

IEEE 802.3 LAN 프로토콜

프로토콜

• “이더넷(Ethernet)”이란?

• CSMA/CD 프로토콜을 사용하는 버스 토폴로지를 사용하는 LAN을 말함.

• CSMA (Carrier Sense Multiple Access) 방식

• 데이터 전송을 원하는 스테이션 : 전송 채널을 살펴서 사용중인가 여부를 검 사. • 전송 채널(미디어)이 사용중이 아니면(idle 상태) 전송시도. • 만일 사용 중(busy 상태)이면 얼마동안 기다렸다가 다시 전송을 시 도. • 데이터 패킷을 전송한 후에는 ACK 전송을 위해서 필요한 시간간격 동안을 기다림. • 시간 간격은 최대 왕복전파지연과 수신 스테이션이 ACK을 전송하기 위해 채널을 액세스하는 시간을 고려함. • CSMA 방식의 단점 : 전파 지연시간 내에 두개 이상의 스테이션들이 동시에 전송을 개시하는 경우, 전송 패킷간의 충돌(collision)이 발생한 다는 점.

CSMA/CD

CSMA/CD 방식

방식

• CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection)는 CSMA 프로토콜을 발전시킨 것으로, 전송중에 계속해서 전송미디어를 검사함 으로써 충돌에 의한 전송낭비를 줄임. • CSMA/CD 프로토콜은 CSMA에서 다음과 같은 규칙이 추가됨. • 규칙1. 전송하는 도중 충돌이 발생한 것을 감지하면, 짧은 신호(jam)를 보 내서 모든 스테이션에 충돌이 일어난 것을 알림. • 규칙2. 충돌신호를 보낸 다음, 적당한 시간을 기다린 후에 CSMA를 사용 하여 재전송.

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충돌감지시간

충돌감지시간

• 충돌감지시간: 2개의 스테이션이 네트워크상에서 가장 멀리 떨어져 있을 때 충돌이 발생한 경우, 충돌을 감지하는 시간은 전파지연의 2배가 될 수 있음. • 데이터 영역의 minimum length: 46바이트

IEEE 802.3

IEEE 802.3 프레임

프레임 구조

구조(1)

(1)

• 프리앰블 (preamble): 모든 프레임 앞에 위치. 각 MAC장치의 수신회로가 실제 프레임 내용을 수신하기 전에 비트동기화를 수행함.

• SFD (start of frame delimiter): 비트 패턴은 “10101011”로서 유효한 프레임의 시작임을 수신기에게 알림.

• 목적지주소, 근원지주소(DA, SA): 48비트로 구성되어 있고, 목적지주소의 첫

번째 비트는 개별주소인지 그룹에 속한 주소인지를 지시( 방송형 : 모든 비트를 1로 셋)

• 길이표시자(LEN): 데이터영역의 바이트수 표시.

• DSAP and SSAP : 전송측 혹은 수신측 스테이션의 프로토콜 스택을 식별하기 위해서 LLC에 의해 사용되어지는 주소.

• DSAP 첫번째 비트는:프레임이 개별사용(individual) 혹은 그룹사용 (group)인지를 알려줌.

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IEEE 802.3

IEEE 802.3 프레임

프레임 구조

구조(2)

(2)

• CONT(control) : HDLC의 제어 영역를 구분.

• I-frame(정보:사용자 데이터), S-frame(감시 및 감독: ACK, 흐름제어,에러 제어 등을 위해 사용), U-frame(무번호: 세션관리)

• Data영역 : 사용자 데이터(상위 계층으로 부터 encapsulated)

• 최소 46 바이트 (최대 : 1500 bytes)

• PAD(옵션): 데이터 영역값이 최소 프레임길이 보다 작을 때 임의로 채워지는 값.

• CRC (Cyclic Redundancy Check): 에러검출을 위한 CRC값.

CSMA/CD

CSMA/CD 동작

동작(operation)

(operation)

• 비트 스트림을 전송하면서 동시에 트랜시버는 충돌이 일어났는지를 검출하 기 위해 수신 신호를 모니터링. • 충돌이 검출되지 않았다면, 전체 프레임을 전송하고, FCS 영역을 전송한 후 에 MAC장치는 새로운 프레임의 도착을 기다림. • 만약 충돌이 검출되면, 잼(jam)신호를 생성하여 모든 디바이스(DTE)에게 방송함으로써 충돌이 발생했음을 알림. • MAC장치는 프레임의 전송을 중지하고, 임의의 선택된 짧은 시간동안 기다 린 후에 재전송을 시도. • 프레임의 재전송은 시도제한(attempt limit)으로 알려진 규정된 최대수까지 시도.

• 재전송의 스케줄링은 이진지수 백오프(Binary Exponential backoff)라 불리

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CSMA/CD

CSMA/CD 동작

동작 ((Backoff

Backoff operation)

operation)

• 2대의 스테이션이 충돌했다면 각각은 같은 임의의 시간 후에, 다시 전송을 시도 • 또 다시 충돌이 발생했다면, 두번째 충돌 후에 각각은 임의로 슬롯타임의 수 를 기다림. • 세번째 충돌이 발생했다면 (이것이 일어날 확률은 1/4), 보다 많은 슬롯을 기 다리기 위해서, 다음시간은 0에서 23_{-1 시간 간격 사이에서 랜덤(random)하} 게 선택. • 10번째는 이 수식에 의하여, 충돌에서 1023슬롯시간이 최대 기다리는 시간. • 16번째의 시도에서 충돌이 발생하게 되면 시스템은 최종적으로 오류 보고

고속이더넷

고속이더넷 기술

기술

• 고속이더넷(fast ethernet) 기술은 기존의 이더넷의 전송속도를 보다 유연하 게 100 Mbps로 향상시킨 것 • 고속이더넷에 관한 연구는 1992년경에 시작되어 1995년에 이르러 표준화가 완료 • 이후 고속이더넷 기술을 보다 더 발전시킨 초고속(기가비트) 이더넷 개발. • 보다 빠르고 효율적인 데이터링크 계층의 기능을 다시 설계함으로써 고속이 더넷을 구현하는 방법 사용.

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고속이더넷

고속이더넷 기술

기술 :

: 프레임의

프레임의 구성

구성

• 목적지 주소: 프레임을 받게 되는 노드의 주소 • 전송측 주소: 프레임을 보내는 노드의 주소 • L/T(Length/Type Field): 데이터가 보내지는 형태

• 프레임체크 일련번호(FCS, frame check sequence): 프레임이 목적

지 노드에 정확하게 전송되었는지를 체크해주는 부분

고속이더넷

고속이더넷 기술

기술 :

: MAC

MAC 주소체제

주소체제

• I/G 비트: 개별 또는 그룹 주소 표시영역 • 0 → 개별 주소 (MAC 주소) • 1 → 그룹 주소 (멀티캐스트 주소, 기능 주소) • U/L비트: 범용 또는 지역관리 표시영역.

• OUI(Organizationally Unique Identifier): IEEE에서 네트워 크 어댑터의 제조업자와 인터페이스 제조업자에게 할당.

• OUA(Organizationally Unique Addresses): 제조회사가 노드 에 지정할 수 있는 숫자

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고속이더넷

고속이더넷 기술

기술 ::동작원리

동작원리

• 고속이더넷의 MAC 부계층은 프레임을 전송하기 전에, 전송미디어상의 신 호 상태를 탐지 • 물리계층에서 캐리어를 감지하면, 캐리어가 있다는 것을 MAC 계층으로 알 림. • MAC 계층에서는 미디어상의 다음 프레임이 전송되기 전 마지막으로 전송 되는 프레임 사이에 해당하는 최소시간 동안만 대기  이 시간을 IPG(Interpacket Gap)라고 함. • [그림설명] ①번 프레임이 전송된 후에 LAN상의 모든 노드는 전송하기 전 IPG 시간을 기다림. ③번 프레임이 끝난 후 IPG 시간이 지나서야 다른 노드 에서 프레임을 보낼 수 있음.

고속이더넷의

고속이더넷의 처리율과

처리율과 효율

효율

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고속이더넷

고속이더넷 리피터

리피터

• 리피터(repeater)는 거리가 증가할수록 감쇄되는 신호를 재생시키는 장치 • 서로 분리된 동일 LAN에서 거리를 연장하거나, 접속되는 세그먼트의 수를 증가 시키기 위해 사용 • Repeater의 연결

전이중방식

전이중방식 리피터

리피터

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요

요약

약

•

LAN은 비교적 근거리의 컴퓨터간에 데이터 전송을 하기 위한 네

트워크 시스템이다.

•

이더넷 기술은 IEEE(Institute of Electrical and Electronics

Engineers) 802.3 표준안으로 승인된 기술이다.

•

LAN 프로토콜에는 이더넷(ethernet) 표준인 IEEE802.3

CSMA/CD 표준, IEEE 802.5 토큰 링 표준, IEEE 802.4 토큰버

스 표준 등이 있다.

•

CSMA방식이란, 데이터 전송을 원하는 스테이션이 먼저 전송 채

널을 살펴서 채널이 휴지상태일 때 데이터의 전송을 시도하는 경

쟁 방식이다.

•

CSMA/CD 방식은 CSMA프로토콜의 비효율성을 개선한 것으로,

충돌에 의한 전송 낭비를 줄일 수 있도록 구성한다.

요약

요약

• IEEE 802.3 프레임의 구조와 동작에 대하여 살펴보았다. • DA(목적지주소)와 SA(전송측주소)는 48비트로 구성되어 있고, 첫 번 째 비트는 개별주소인지 그룹에 속한 주소인지를 알려준다. • CSMA/CD 방식의 재전송의 스케줄링은 이진지수 백오프(binary exponential backoff)라고 불리는 과정에 의해 조정된다. • 고속이더넷 기술은 기존의 이더넷의 전송속도를 100 Mbps로 향상시 킨 것이다.