[네트워크] LAN 프로토콜 정리: Ethernet과 CSMA/CD 이해하기

LAN 프로토콜

LAN(Local Area Network)은 가까운 지역을 연결한 근거리 네트워크를 의미한다.  

집, 학교, 회사, 카페처럼 비교적 좁은 범위 안에서 장치들이 연결된 네트워크가 LAN이다.

 

LAN 안에서는 컴퓨터, 스마트폰, 프린터, 서버 같은 장치들이 서로 데이터를 주고받는다.

 

이때 LAN에서 데이터를 어떤 형식으로 보내고, 누가 언제 데이터를 보낼 수 있는지 정하는 규칙이 필요하다.

 

대표적인 LAN 프로토콜이 Ethernet이다.

 

Ethernet

Ethernet은 가장 널리 사용되는 LAN 기술이다.

유선 LAN 환경에서 장치들이 데이터를 주고받기 위한 대표적인 방식이라고 볼 수 있다.

 

우리가 흔히 말하는 랜 케이블을 꽂아 인터넷을 사용하는 방식도 대부분 Ethernet 기반이다.

 

Ethernet은 OSI 7계층에서 주로 데이터 링크 계층과 물리 계층에 해당한다.

물리 계층
전기 신호, 케이블, 커넥터 등 실제 전송 방식

데이터 링크 계층
프레임 형식, MAC 주소, 오류 검출 등

 

Ethernet은 단순히 케이블만 의미하는 것이 아니다.

 

어떤 형식의 프레임으로 데이터를 보낼지, MAC 주소를 어떻게 사용할지, 같은 네트워크 안에서 어떻게 데이터를 전달할지 등을 포함하는 LAN 기술이다.

Ethernet에서 사용하는 주소: MAC 주소

Ethernet에서는 같은 LAN 안의 장치를 식별하기 위해 MAC 주소를 사용한다.

 

MAC 주소는 네트워크 인터페이스에 부여되는 하드웨어 주소이다.

 

예를 들어 컴퓨터의 유선 랜 카드, 노트북의 Wi-Fi 어댑터 같은 네트워크 장치마다 MAC 주소가 있다.

 

IP 주소가 네트워크 계층에서 사용하는 논리적 주소라면, MAC 주소는 데이터 링크 계층에서 사용하는 물리적 주소에 가깝다.

같은 LAN 안에서 데이터를 보낼 때 Ethernet은 목적지 MAC 주소를 이용해 프레임을 전달한다.

Ethernet 프레임

Ethernet에서 주고받는 데이터 단위를 프레임(frame)이라고 한다.

상위 계층에서 내려온 IP 패킷은 Ethernet 프레임의 데이터 부분에 담긴다.

Ethernet 프레임에는 실제 데이터뿐만 아니라 목적지 MAC 주소, 출발지 MAC 주소, 오류 검출 정보 등이 포함된다.

 

간단히 보면 다음과 같다.

목적지 MAC 주소
프레임을 받을 장치의 MAC 주소

출발지 MAC 주소
프레임을 보낸 장치의 MAC 주소

타입
데이터 부분에 어떤 프로토콜의 정보가 들어 있는지 표시

데이터
상위 계층에서 내려온 실제 데이터

FCS
프레임에 오류가 있는지 확인하기 위한 값

 

FCS는 Frame Check Sequence의 약자이다.
수신 측은 FCS를 이용해 프레임이 전송 중 손상되었는지 확인할 수 있다.

Ethernet의 기본 동작

같은 LAN 안에서 컴퓨터 A가 컴퓨터 B에게 데이터를 보낸다고 하자.

 

컴퓨터 A는 데이터를 Ethernet 프레임으로 만든다.

프레임에는 목적지 MAC 주소와 출발지 MAC 주소가 들어간다.

그다음 프레임이 LAN으로 전송된다.

 

스위치가 있는 네트워크라면 스위치는 목적지 MAC 주소를 보고 해당 장치가 연결된 포트로 프레임을 전달한다.

 

스위치는 MAC 주소 테이블을 사용해 어떤 MAC 주소가 어느 포트에 연결되어 있는지 기억한다.

그래서 목적지 장치가 있는 방향으로만 프레임을 보낼 수 있다.

과거 Ethernet의 문제: 충돌

오늘날에는 스위치 기반 Ethernet이 일반적이지만, 초기 Ethernet 환경에서는 여러 장치가 하나의 통신 매체를 함께 사용하는 경우가 많았다.

 

예를 들어 여러 컴퓨터가 하나의 케이블이나 허브에 연결되어 있다고 하자.

이 경우 한 순간에 하나의 장치만 데이터를 보내는 것이 안전하다.

 

만약 두 장치가 동시에 데이터를 보내면 신호가 섞인다.
이를 충돌(collision)이라고 한다.

 

충돌이 발생하면 정상적인 데이터 전송이 어려워진다.

그래서 Ethernet에서는 충돌을 줄이고 처리하기 위한 방법이 필요했다.

 

이때 사용된 방식이 CSMA/CD이다.

CSMA/CD

CSMA/CD는 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection의 약자이다.

 

뜻을 나누어 보면 다음과 같다.

Carrier Sense
누가 전송 중인지 먼저 감지한다.

Multiple Access
여러 장치가 같은 통신 매체를 공유한다.

Collision Detection
충돌이 발생했는지 감지한다.

 

CSMA/CD는 여러 장치가 같은 전송 매체를 함께 사용할 때, 충돌을 감지하고 다시 전송하기 위한 방식이다.

 

쉽게 말하면 다음과 같다.

먼저 듣고
비어 있으면 말하고
동시에 말해서 충돌하면
잠깐 기다렸다가 다시 말한다

 

CSMA/CD 동작 과정

CSMA/CD의 동작 과정은 다음과 같다.

1. 전송 매체가 사용 중인지 확인한다.
2. 아무도 전송 중이 아니면 데이터를 전송한다.
3. 전송 중 충돌이 발생하는지 감지한다.
4. 충돌이 발생하면 전송을 중단한다.
5. 잠시 기다린 뒤 다시 전송을 시도한다.

 

조금 더 자세히 보면 다음과 같다.

1. 전송 매체 확인

장치는 데이터를 보내기 전에 먼저 전송 매체를 감지한다.

다른 장치가 이미 데이터를 보내고 있다면 기다린다.

이 부분이 Carrier Sense이다.

2. 데이터 전송

전송 매체가 비어 있다고 판단되면 장치는 데이터를 전송한다.

하지만 이 시점에도 충돌 가능성은 남아 있다.

왜냐하면 두 장치가 거의 동시에 “비어 있다”고 판단하고 동시에 전송을 시작할 수 있기 때문이다.

3. 충돌 감지

데이터를 보내는 동안 장치는 충돌이 발생했는지 계속 확인한다.

충돌이 발생하면 전송 중인 신호가 정상적이지 않게 된다.

장치는 이를 감지하고 충돌이 발생했다고 판단한다.

이 부분이 Collision Detection이다.

4. 전송 중단과 재시도

충돌이 감지되면 장치는 전송을 중단한다.

그 뒤 바로 다시 보내지 않는다.
여러 장치가 동시에 다시 보내면 또 충돌할 수 있기 때문이다.

그래서 각 장치는 임의의 시간 동안 기다린 뒤 다시 전송을 시도한다.

이때 기다리는 시간은 충돌이 반복될수록 점점 길어질 수 있다.

CSMA/CD가 필요한 환경

CSMA/CD는 여러 장치가 같은 통신 매체를 공유하는 반이중 Ethernet 환경에서 필요했다.

반이중 통신은 송신과 수신을 동시에 할 수 없는 통신 방식이다.

 

초기 Ethernet이나 허브 기반 네트워크에서는 여러 장치가 같은 충돌 영역을 공유했다.

이런 환경에서는 동시에 전송하면 충돌이 발생할 수 있으므로 CSMA/CD가 필요했다.

스위치 기반 Ethernet과 CSMA/CD

오늘날의 Ethernet 환경에서는 대부분 스위치를 사용한다.

스위치는 장치마다 별도의 포트를 제공한다.

 

또한 대부분 전이중 통신을 지원한다.

전이중 통신은 송신과 수신을 동시에 할 수 있는 방식이다.

 

스위치 기반 전이중 Ethernet에서는 충돌이 거의 발생하지 않는다.

각 장치가 스위치와 독립적인 링크를 사용하기 때문이다.

 

그래서 현대적인 스위치 기반 Ethernet 환경에서는 CSMA/CD가 거의 사용되지 않는다.

다만 CSMA/CD는 초기 Ethernet의 동작 원리를 이해하는 데 중요한 개념이다.

허브와 스위치의 차이

CSMA/CD를 이해하려면 허브와 스위치의 차이를 함께 보면 좋다.

허브는 들어온 신호를 모든 포트로 뿌리는 장비이다.

 

허브에 연결된 장치들은 같은 충돌 영역을 공유한다.

 

그래서 두 장치가 동시에 전송하면 충돌이 발생할 수 있다.

 

반면 스위치는 목적지 MAC 주소를 보고 필요한 포트로만 프레임을 전달한다.

 

스위치는 포트별로 충돌 영역을 나눌 수 있고, 전이중 통신을 지원하므로 충돌 문제가 크게 줄어든다.

CSMA/CD와 CSMA/CA

CSMA/CD와 비슷한 개념으로 CSMA/CA가 있다.

 

CSMA/CD는 충돌을 감지하는 방식이다.

반면 CSMA/CA는 충돌을 회피하는 방식이다.

 

CSMA/CA는 주로 무선 LAN, 곧 Wi-Fi에서 사용된다.

무선 환경에서는 충돌을 감지하기 어렵다.

그래서 충돌이 난 뒤 감지하기보다는, 충돌이 일어나지 않도록 미리 조심하는 방식이 필요하다.

 

Ethernet에서는 전통적으로 CSMA/CD가 사용되었고, Wi-Fi에서는 CSMA/CA가 사용된다고 이해하면 된다.

Ethernet과 CSMA/CD 정리

Ethernet은 대표적인 유선 LAN 기술이다.

Ethernet은 같은 LAN 안에서 장치들이 데이터를 주고받기 위한 프레임 형식, MAC 주소 사용 방식, 전송 규칙 등을 정의한다.

Ethernet에서 주고받는 데이터 단위는 프레임이다.

Ethernet 프레임에는 목적지 MAC 주소, 출발지 MAC 주소, 타입, 데이터, FCS 등이 포함된다.

 

MAC 주소는 같은 LAN 안에서 장치를 식별하기 위한 주소이다.

초기 Ethernet처럼 여러 장치가 같은 통신 매체를 공유하는 환경에서는 충돌이 발생할 수 있었다.

 

CSMA/CD는 이런 충돌을 처리하기 위한 방식이다.

CSMA/CD는 먼저 전송 매체가 비어 있는지 확인하고, 비어 있으면 전송하며, 충돌이 발생하면 이를 감지하고 잠시 기다린 뒤 다시 전송한다.

 

오늘날에는 스위치 기반 전이중 Ethernet이 일반적이기 때문에 CSMA/CD가 실제로 사용되는 경우는 많지 않다.

 

하지만 Ethernet이 어떻게 충돌을 다루었는지 이해하는 데 중요한 개념이다.