Chapter13 Wired LANs: Ethernet

cf) simplex, half-duplex, full-duplex

 

이더넷 프로토콜

데이터 링크 계층과 물리 계층은 근거리 통신망과 광역 통신망의 영역이다. 이것은 우리가 이 두 계층을 논의할 때 그것들을 사용하는 네트워크에 대해 이야기 하고 있음을 의미한다.

 

IEEE프로젝트 802

• 1985년 IEEE Computer Society에서 시작하여 다양한 제조업체의 장비 간 상호 통신을 가능하게 하는 표준을 설정했다.
• 주요 LAN 프로토콜의 물리적 계층 및 데이터 링크 계층의 기능을 지정한다.
• 802 표준과 TCP/IP 프로토콜 제품군의 관계

 

이더넷의 발전

•  이더넷은 1970년대에 Robert Metcalfe와 David Boggs가 개발하였다.
• 이더넷은 4세대를 거쳤다
  • 표준 이더넷(10Mbps)
  • 고속 이더넷(100Mbps)
  • 기가비트 이더넷(1Gbps)
  • 10기가비트 이더넷(10Gbps)

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표준 이더넷(Standard Ethernet)

데이터 속도가 10Mbps인 원래의 이더넷 기술을 표준 이더넷이라고 한다. 대부분의 구현이 이더넷 발전에서 다른 기술로 이동했지만 표준 이더넷에는 발전와중에도 변겨오디지 않은 몇가지 기능이 있다. 먼저 표준 이더넷에 대해 알아보겠다.

 

 

특성

비연결 서비스(Connectionless service)

• 연결 설정, 종료 없음
• 이전 또는 다음 프레임과 독립적인 각 프레임
• 흐름 제어 없음

신뢰할수 없는 서비스

• CRC-32를 통해 발견된 손상된 패킷은 자동으로 폐기된다.
• 그것을 알아내는 것은 상위 프로토콜의 의무이다.

 

이더넷 프레임

 

 

주소지정(Addressing)

• 이더넷 네트워크의 각 스테이션(PC,워크스테이션,프린터)에는 자체 네트워크 인터페이스 카드(NIC)가 있다.
  NIC는 스테이션 내부에 장착되며 스테이션에 링크 계층 주소를 제공한다.
  이더넷 주소는 6바이트(48비트)이며 일반적으로 바이트 사이에 콜론이 있는 16진수 표기법으로 작성된다.
  예를 들어 아래 그림은 이더넷 MAC 주소를 보여준다.

• 예시 47:20:1B:2E:08:EE 는 온라인에서 아래와 같이 전송된다.
  • 주소는 왼쪽에서 오른쪽으로, 바이트 단위로 전송된다. 각 바이트에 대해 아래와 같이 비트 단위로 오른쪽에서 왼쪽으로 전송된다.
   

 

접근 방법(Access Method)

• Broadcast 네트워크에서 CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)
  • 듣기전에 말한다.
  • 발신자는 송신 중 다른 사람의 신호가 있는지 모니터링하여 충돌을 감지할 수 있다.
  • 즉, '대충 알아서 눈치껏 통신하자' 라는 방식의 프로토콜이다
  • 참고: https://security-nanglam.tistory.com/193
   

 

구현

표준 이더넷은 여러가지 구현을 정의했지만 1980년대에는 그 중 4개만 대충화 되었다.

아래 표는 표준 이더넷 구현에 대한 요약을 보여준다.

• 10Base5(Thicknet)
  • 최초의 이더넷 사양
  • 굵은 동축 케이블을 이용한 버스 토포롤지
  • 탭을 통한 트랜시버 이용
  • 반이중(Half-duplex)
   

• 10Base2(Thinnet)
  • 얇고 유연한 동축 케이블
  • 스테이션 내부에 설치된 네트워크 인터페이스 카드(NIC)의 일부인 트랜시버
  • 10Base5보다 비용 효율적
  • 반이중(Half-duplex)
   

• 10Base-T
  • 연선 케이블(전이중;full-duplex)에서 두 쌍의 와이어를 통해 패시브 허브에 연결된 스타 토폴로지
    • PC -> hun: pair2(pin1,2)를 통해서
    • hub -> PC: Pair3(pin3,6)을 통해서
  • 연선 케이블의 길이 제한: 100m
  • 허브에서 충돌발생
   

 

• 10Base-F
  • 두개의 광섬유 케이블(전이중;full-duplex)을 통해 패시브 허브에 연결된 스타 토폴로지
  • 허브에서 충돌 발생

• 표준 이더넷에서 인코딩

 

표준의 변경(Changes in the Standard)

Bridged Ethernet

• 스테이션당 대역폭 증가
• 충돌 도메인 분리

 

Switched Ethernet

• 스위치카 중앙에 있는 스타토폴리지
• 링크의 전체 대역 폭을 스테이션과 스위치 간에 공유한다.
• N개의 충돌 도메인으로 분할된다.
• 프레임은 스위치의 버퍼에 저장된다.
• 반이중(Half-duplex)

Full-duplex switched Ethernet(전이중 스위치 이더넷)

• 스위치와 스테이션 사이의 송수신을 위한 별도의 링크
• 스위치의 버퍼
• 충돌없음
• CSMA/CD 필요없음

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고속인터넷(Fast Ethernet)

1990년대에 이너넷은 전송 속도를 100Mbps까지 끌어올리며 비약적인 발전을 이뤘고, 차세대 이더넷은 패스트 이더넷이라 불렸다. 고속 이더넷의 설계자는 표준 이더넷과 호환되도록 만들어야 했다. MAC 하위 계층은 변경되지 않았다. 그러나 전송 속도에 의존하는 표준 이더넷의 기능은 변경되어야 했다.

 

접근방법(Acess Method)

CSMA/CD에서 충돌감지

• 전송 중 기타 신호 감지

고속 이더넷의 목표: 100Mbps 데이터 속도

• 최소 프레임 크기가 여전히 512비트이고 10배 더 빠르게 전송되는 경우
  -> 충돌을 10배 더 빨리 감지해야함
  ->전파 속도가 변하지 않기 때문에 네트워크의 최대 길이는 10배 더 짧아야 함
  
  

두가지 해결방법

1. 패시브허브(passive hub)와 더 짧은 링크가 있는 스타토폴로지
2. 프레임을 저장하기 위한 버퍼와 프라이빗한 각 호스트에 대한 전이중 연결
   • CSMA/CD필요없음
    

 

물리적 계층

• Machester 인코딩: 100Mpbs데이터속도에 대한 200Mbaud 신호 속도 -> 트위스트 페어 케이블에 부적합
• 100Base-TX and 100Base-FX
  • MLR-3 및 NRZ-I 인코딩에서 0의 긴 시퀀스에 대한 동기화 문제를 해결하기 위한 4B/5B

• 100Base-T4
  • 100Base-TX에는 새로운 Category 5 UTP 케이블이 필요하다.
  • 100Base-T4는 4쌍의 UTP 선을 사용한다.
    • 한쌍은 TX, 한쌍은 RX
    • 나머지 두쌍은 RX 또는 TX로 negotiation -> 복잡하다!
  • 8B/6T 인코딩
    • 한쌍의 Cat 3 UPT 와이어가 3쌍에 대해 25Mbaud -< 75Mbaud로 처리
    • 6 신호 요소로 인코딩된 8 데이터 요소 -> 75Mbaud에서 100Mbps

고속 이더넷 구현 요약

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기가비트 이더넷(Gigabit Ethernet)

훨씬 더 높은 데이터 속도에 대한 요구로 인해 기가비트 프로토콜(1000Mbps)이 설계되었다.

IEEE 위원회는 이를 표준 802.3z라고 부른다. 기가비트 이더넷의 목표는 데이터 속도를 1Gbps로 업그레이드 하는 것이었지만 주소 길이, 프레임 형식, 최대 및 최소 프레임길이는 동일하게 유지했다.

 

MAC Sublayer(MAC 부계층)

이더넷 진화의 주요 고려 사항은 MAC 하위 계층을 그대로 유지하는 것이었다.

그러나 1Gbps의 데이터 속도를 달성하는 것은 더이상 불가능했다.

 

-> 기가 비트 이더넷은 전이중 연결을 통해 모든 컴퓨터 또는 다른 스위치에 연결된 중앙 스위치를 채택한다.

 

-> 충돌이 발생하지 않으며 케이블의 최대 길이는 케이블의 신호 감쇠에 의해 결정된다.

 

 

물리 계층(Physizal Layer)

1000Base-SX(short-wave) & 1000Base-LX(long-wave) & 1000Base-CX(STP)

• 맨체스터 인코딩에는 2Gbaud가 필요하므로 NRZ 채택
•  8B/10B는 0 또는 1의 긴 시퀀스를 방지하여 비트를 동기화하는데 사용된다. (결과 스트림은 1.25Gbps이다.)
• 송신용 와이어(광섬유 또는 STP)한쌍과 수신용 와이어 한쌍

1000Base-TX

• 송신용 전선 2쌍과 수신용 전선2쌍
• 각 쌍은 500Mbps를 처리해야한다. Cat 6 UTP로 업그레이드 해야 함

1000Base-T

• 전이중 모드에서 동시에 4쌍 모두 사용
  • 발신사에 의한 에코 제거
• 4D-PAM5; 회선당 250Mbps

기가비트 이더넷 구현 요약

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10기가비트 이더넷(10-Gigabit Ethernet)

• 10기가 비트 이더넷은 전이중 모드에서만 작동하므로 경합이 필요하지 않다.
  (CSMA/CD는 10기가비트 이더넷에서 사용되지 않는다.)
• 아래 4가지 구현이 가장 일반적이다.

 

 

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부록: Twisted-Pair Wiring

 

배선표준

Rj45(Registerd Jack standard number 45)

• 8P8C 물리적 커넥터의 용도를 지정한다.
• 두가지 배선 표준 정의
  • T-568a
  • T-568b
   

MDI vs MDI-X

• 한 반향으로 신호를 보내는데 사용되는 각 쌍의 전선
• 100Base-TX에서는 실제로 두쌍(pair2&3)만 사용됨
  • 네으퉈크 인터페이스 카드(NIC)의 두가지 구성
    • MDI(Media Dependent Interface): Pair2(핀1,2)의 TX, Pair3(핀3,6)의 RX
    • MDI-X(Media Dependent Interface Crossover): Pair3의 TX, Pair2의 RX
     

 

PC용 MDI, 스위치/허브용 MDI-X

PC-Switch-PC

PC-PC

 

Straight Through vs Crossover Wiring

 

Connection Overview(연결 개요)