ChronoVoyager의 탐험 일지

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.

2. IEEE 802 시리즈와 MAC 프로토콜

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

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

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

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

4-2. 토큰 링 (Token Ring)

• 물리적 링 구조
• 호스트는 대기 모드와 전송 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

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 최소화 및 대역폭 향상

5-2. MAC 프레임 구조 (Ethernet Frame)

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

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

데이터 링크 계층은 네트워크 계층과 물리 계층 사이에서 데이터의 전송 신뢰성을 확보하는 중요한 계층으로, 내부적으로는 MAC(Media Access Control) 계층과 LLC(Logical Link Control) 계층으로 구분된다. 이 글에서는 MAC 계층의 역할과, 대표적인 MAC 방식인 이더넷(Ethernet)의 작동 원리를 중점적으로 살펴본다.

1. MAC 계층과 IEEE 802 표준

1.1 데이터 링크 계층의 세분화

데이터 링크 계층은 데이터 전송의 제어와 오류 감지, 물리 매체 접근 제어를 위해 두 개의 하위 계층으로 나뉜다.

• MAC 계층 (Media Access Control)
  데이터 전송 시 누가, 언제 물리 매체에 접근할지를 제어하며, 충돌 회피 및 재전송 기능을 담당한다.
• LLC 계층 (Logical Link Control)
  네트워크 계층과의 인터페이스를 제공하고, 오류 제어나 흐름 제어를 수행한다.

• 

이러한 구조는 IEEE 802 시리즈 표준에 명확히 정의되어 있으며, 각 기술에 따라 별도의 MAC 계층 표준이 마련되어 있다.

2. 공유 매체 접근 방식: CSMA/CD

공유된 전송 매체에서는 다수의 호스트가 동시에 데이터를 송신할 수 있다. 이때 충돌이 발생할 가능성을 최소화하고, 발생한 충돌에 대해 효과적으로 대응하기 위해 CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) 방식이 사용된다.

2.1 CSMA/CD의 개요

• Carrier Sense: 전송 매체 사용 여부를 사전 감지
• Multiple Access: 모든 노드가 매체에 접근 가능
• Collision Detection: 충돌 발생 시 이를 감지하고, 재전송 처리 수행

이더넷은 이러한 CSMA/CD 방식 기반으로 설계되어 있으며, 이는 공유 환경에서 충돌을 제어하는 핵심 기술이다.

2.2 다양한 CSMA 변형 방식

3. 이더넷(Ethernet)과 MAC 구조

3.1 이더넷의 프레임 구조 및 캡슐화

이더넷에서 송수신되는 데이터는 프레임(Frame) 단위로 구성되며, MAC 계층에서 다음과 같은 정보가 추가된다.

• 출발지 및 목적지 MAC 주소
• 타입 필드 (상위 계층 프로토콜 식별)
• 오류 검출 코드 (CRC 등)

이러한 MAC 프레임은 LLC 계층의 데이터 부분을 감싸는 형태로 구성되며, 전송 오류나 충돌에 대한 제어를 포함한다.

3.2 이더넷 전송 구조: 허브와 스위치

• 허브(Hub)
  단순 신호 증폭 및 분배 기능을 수행하며, 연결된 모든 포트로 데이터를 브로드캐스트한다. 내부 구조는 공유 버스 기반이다.
• 스위치(Switch)
  목적지 MAC 주소를 기반으로 프레임을 특정 포트에만 전송하는 장비이다. 포트 간 충돌을 방지할 수 있어 고속의 네트워크 환경 구성에 적합하다.

4. 토큰 기반 MAC 방식

토큰(Token) 방식은 네트워크 내 노드 간의 질서 있는 통신 순서를 보장하기 위해 사용됩니다. 이 방식에서는 전송 권한을 나타내는 토큰이라는 특수한 제어 프레임이 네트워크를 순환하며, 해당 토큰을 보유한 노드만 데이터 전송이 가능합니다. 이로써 충돌 없이 안정적인 전송이 가능해집니다.

4.1 토큰 버스 (Token Bus)

토큰 버스는 논리적으로는 링 구조, 물리적으로는 버스형 구조를 따릅니다.
즉, 물리적인 연결은 선형적인 버스 형태로 되어 있지만, 논리적으로는 특정 순서에 따라 토큰이 순환합니다.

• 전송 권한 제어 방식: 토큰은 논리적으로 정해진 순서대로 노드 간에 전달되며, 토큰을 받은 노드만 데이터 전송이 가능합니다.
• 충돌 방지: 한 번에 하나의 노드만 전송할 수 있기 때문에 충돌이 발생하지 않습니다.
• 적용 사례: 산업 자동화 시스템, 초기 LAN 구조 (예: IEEE 802.4 표준)

항목	설명
논리적 구조	링 형태
물리적 구조	버스 형태
충돌 가능성	없음
단점	토큰 분실, 복구 지연 시 네트워크 성능 저하 가능

4.2 토큰 링 (Token Ring)

토큰 링은 물리적 구조와 논리적 구조 모두 링 형태로 이루어진 네트워크입니다. 각 노드는 인접한 노드와 직접 연결되어 있으며, 토큰은 일방향으로 순환합니다.

• 전송 권한 제어 방식: 토큰을 수신한 노드가 전송 권한을 가지며, 데이터를 보낼 필요가 없으면 그대로 다음 노드로 토큰을 전달합니다.
• 충돌 회피: 하나의 토큰만 존재하기 때문에 동시 전송이 불가능, 즉 충돌이 원천적으로 발생하지 않습니다.
• 프레임 전파 방식: 데이터 프레임은 링을 따라 전송되며, 수신 노드가 확인하고 해당 데이터를 회수하는 구조입니다.
• 대표 표준: IEEE 802.5

항목	설명
논리/물리 구조	모두 링 형태
전송 권한	토큰을 보유한 노드
충돌 가능성	없음
단점	노드 고장 시 전체 네트워크 영향, 구조 변경 어려움

CSMA/CD vs. 토큰 방식 비교

요약

• 데이터 링크 계층은 물리 매체 접근을 제어하는 MAC 계층과, 상위 계층과의 연계를 담당하는 LLC 계층으로 구성된다.
• CSMA/CD는 공유 매체 환경에서 충돌을 감지하고 복구하는 이더넷의 핵심 기술이다.
• 이더넷의 구조는 외형상 스타형이지만, 허브 사용 시 내부적으로는 공유 버스 방식으로 동작하며, 스위치 사용 시에는 충돌 없이 개별 전송이 가능하다.
• 이러한 MAC 계층의 설계와 프로토콜은 IEEE 802 표준 시리즈에 따라 엄격히 규정되어 있으며, 오늘날 대부분의 유선 LAN 환경은 이더넷 기반으로 구성되어 있다.