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컴퓨터 공학 기초/네트워크

[컴퓨터 네트워크] 5-1 MAC 계층과 LLC 계층의 역할과 이더넷 전송 방식 이해하기

by Lawrence_Cha 2025. 4. 13.

 

1. MAC 계층과 LLC 계층의 구분

1-1. MAC 계층 (매체 접근 제어)

MAC 계층은 말 그대로 전송 매체에 언제 접근할 수 있는지를 제어하는 기능을 담당합니다.
LAN 환경에서 여러 호스트가 동일한 네트워크 자원을 공유하고 있기 때문에, 동시에 전송이 발생할 경우 충돌(Collision) 이 생길 수 있습니다. 이 충돌을 제어하고 효율적으로 데이터를 전송하도록 하는 것이 MAC 계층의 역할입니다.

  • 이더넷 환경: 공유 버스를 사용하는 구조로, 동시에 전송이 발생하면 충돌이 발생하며, 이를 CSMA/CD 방식으로 감지하고 처리합니다.

토큰 링 환경: 링 형태의 구조로, 데이터 전송 권한을 가진 토큰(Token) 을 소유한 호스트만 전송할 수 있어 충돌을 방지합니다.

1-2. LLC 계층 (논리 링크 제어)

LLC 계층은 물리적 매체와는 무관하게, 상위 계층(네트워크 계층)과의 연결을 관리하는 역할을 수행합니다.
이 계층은 주로 WAN 환경에서의 데이터 링크 계층 기능을 담당하며, 다양한 MAC 프로토콜 위에서 일관된 인터페이스를 제공합니다.

MAC과 LLC계층의 관계


2. IEEE 802 시리즈와 MAC 프로토콜

IEEE 802 시리즈는 LAN 및 MAN을 위한 네트워크 표준을 정의하는 시리즈입니다. 각 시리즈는 특정 MAC 방식에 해당합니다.

IEEE 표준 MAC 방식 설명
802.3 CSMA/CD 이더넷 기반 충돌 감지 방식
802.4 토큰 버스 논리적 링 구조를 갖는 버스 네트워크
802.5 토큰 링 물리적 링 구조, 충돌 없는 데이터 전송

또한, IEEE 802.2는 LLC 계층을 정의하며, 이 모든 MAC 방식의 상위 계층에서 공통적으로 작동하는 프로토콜을 제공합니다.

IEEE802 시리즈의 계층구조
공유버스에서 데이터 전송


3. CSMA/CD와 이더넷의 동작 원리

3-1. CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection)

이더넷은 대표적인 공유 매체 기반 네트워크입니다. 여러 호스트가 동시에 데이터 전송을 시도하면 충돌이 발생할 수 있으며, 이를 제어하기 위해 CSMA/CD 방식을 사용합니다.

  • Carrier Sense: 전송 전에 매체에 신호가 있는지 감지
  • Multiple Access: 여러 호스트가 동일한 매체를 공유
  • Collision Detection: 충돌이 감지되면 전송을 중지하고 일정 시간 대기 후 재전송

이 방식은 단순하지만, 네트워크에 연결된 장비가 많아지거나 전송 거리가 길어질수록 충돌 가능성이 커지는 단점이 있습니다.

3-2. 다양한 CSMA 방식

방식  특징
1-persistent 채널이 유휴 상태일 때 바로 전송
Non-persistent 채널이 유휴가 아니면 일정 시간 기다렸다가 다시 감지
p-persistent 유휴 상태일 때 확률 p로 전송, 슬롯 기반 환경에 적합

4. 토큰 기반 MAC 방식

4-1. 토큰 버스 (Token Bus)

  • 물리적으로는 버스 구조이나, 논리적으로는 링 구조를 가짐
  • 네트워크 상의 호스트는 토큰이라는 제어 프레임을 주고받으며 전송 권한을 획득
  • 토큰이 없는 상태에서는 전송 불가, 충돌이 원천적으로 방지됨

토큰 버스

4-2. 토큰 링 (Token Ring)

  • 물리적 링 구조
  • 호스트는 대기 모드전송 모드 사이를 오가며 동작
  • 대기 모드: 수신한 프레임을 바로 다음 호스트로 전달
  • 전송 모드: 토큰을 획득하면 데이터 전송 가능
  • 데이터는 링을 한 바퀴 돌아 송신 호스트에게 되돌아오며, 정상 수신 여부 확인 후 프레임을 회수하고 토큰을 다시 릴리즈함

토큰 링


5. 이더넷 기술과 프레임 구조

5-1. 이더넷 연결 방식

  • 트랜시버: 호스트를 전송 매체에 물리적으로 연결하는 장치로, 충돌 감지 기능 포함
  • 리피터: 신호를 증폭하여 더 먼 거리로 전달 가능
  • 허브: 단순히 신호를 모든 포트로 브로드캐스트하는 장치 (공유 매체)
  • 스위치 허브: 목적지 MAC 주소에 따라 특정 포트로만 프레임을 전송, 충돌 최소화대역폭 향상

이더넷의 연결

5-2. MAC 프레임 구조 (Ethernet Frame)

필드  설명
Preamble 송수신 클록 동기화 (7바이트)
Start Delimiter 프레임 시작 알림 (1바이트)
Destination Address 수신 MAC 주소 (6바이트)
Source Address 송신 MAC 주소 (6바이트)
Length/Type 데이터 길이 또는 상위 프로토콜 구분
Data + Padding 실제 전송 데이터 (46~1500바이트)
Checksum (FCS) 오류 검출용 CRC 값 (4바이트)

이러한 구조에서 LLC 계층은 주로 Data 필드에 해당하며, MAC 계층은 그 외의 정보들을 추가하여 전송 안정성을 보장합니다.

이더넷 프레임 구조
LLC 프레임 캡슐화


요약

  • 데이터 링크 계층은 MAC 계층과 LLC 계층으로 나뉘며, MAC은 매체 접근 제어, LLC는 논리적 연결 제어를 담당
  • IEEE 802 시리즈는 다양한 MAC 프로토콜 표준을 정의
  • CSMA/CD, 토큰 버스, 토큰 링은 대표적인 LAN의 MAC 프로토콜
  • 이더넷 프레임은 정해진 형식의 헤더와 트레일러를 갖추며, 충돌 제어 및 오류 검출을 위한 기능 포함
  • 스위치 허브는 전송 효율성을 높이는 핵심 장비로, 오늘날 대부분의 LAN 환경에서 사용