이더넷 물리적 계층 (Ethernet Physical Hierarchy) (1) - Ethernet, Cable, Frame, CSMA/CD

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Ethernet

IEEE 802.2, 802.3에서 정의된 LAN에서 사용되는 Physical 계층, Link-Layer 계층 Protocol이다.^[각주:1]

특히 IEEE 802.3에는 Ethernet Speed, Cable 등 Physical 계층과 Ethernet Frame Format, 전송방식 등 Link-Layer 계층의 일부가 정의되어 있다.

현재 Ethernet은 LAN(Local Area Network)이외에 수십 km이상인 제품들까지 있어 MAN(Metropolitan Area Network)에서도 사용된다.

Ethernet 물리 계층 표준

위에서 말한 신호 변환방식, 속도, LAN에서 사용되는 커넥터 및 케이블 종류 등을 정의한다. 가장 기본적인 몇 가지를 확인해본다.

1. 10BaseT : 4가닥, UTP(Unshielded Twisted Pair) 케이블 사용하는 10Mbps, 최대 100m 전송거리. Base는 Baseband 신호 사용, T는 꼬임선.
2. 100BaseT : 4가닥, UTP 케이블 사용, 100Mbps, 최대 100m 전송거리. Fast Ethernet. 100메가 광랜. 가장 많이 사용함.
3. 1000BaseT : 8가닥 꼬임 케이블 사용, 1Gbps, 최대 100m 전송거리. Gigabit Ethernet. 1기가 광랜.

1. 1000BaseSX : 광케이블 사용, 1Gbps, 최대 550m 전송거리. S : Short Range.
2. 1000BaseLX : 광케이블 사용, 1Gbps, 최대 5km 전송거리. L : Long Range.
3. 10GBaseSR : 광케이블 사용, 10Gbps, 최대 300m 전송거리 (케이블에 따라 다르다.). 텐지 이더넷이라고 부름.
4. 10GBaseLR : 광케이블 사용, 10Gbps, 최대 25km 전송거리 (케이블에 따라 다르다.). 텐지 이더넷이라고 부름.

1. 40GBASE-T : 8가닥 꼬임 케이블 사용, 40Gbps, 최대 30m 전송거리.
2. 100GBASE-ER4 : 광케이블 사용, 100Gbps, 최대 40km 전송거리.

Ethernet Cable

TP(Twisted Pair)과 광케이블이 있다.

1. TP(Twisted Pair) : 우리가 가장 많이 사용하는 케이블이다. TIA(Telecommunications Industry Association)^[각주:2]에서 만든 카테고리 5, 5e, 6, 6a, 7, 7a, 8 등으로 표시한다. 현재 100Mbps는 Cat.5, 1Gbps는 Cat.5e를 주로 사용.

TP 케이블은 차폐가 되어있는 STP(Shielded), 되어있지 않는 UTP(Unshielded) 케이블이 있으며 우리는 UTP를 거의 많이 사용.

2. 광케이블 : Laser의 파장(850, 1310, 1550nm 등), 전송모드(Multimode & Singlemode), 지름(9, 50, 62.5미크론 등)에 따라 속도, 전송거리가 달라진다. 지름이 작을수록 전송거리가 길어짐.

Cable 연결하기

주로 RJ45 커넥터를 이용해서 연결하며, 8개의 핀을 사용한다. 각각 별개의 색깔이 있으며 TIA/EIA-568-A(T568A), B(T568B)가 따로 있음.

T568B / T5868A

T568B : 백등, 등, 백녹, 청, 백청, 녹, 백갈, 갈

T568A : 백녹, 녹, 백등, 청, 백청, 등, 백갈, 갈

주로 T568B를 기준으로 삼으며, 12345678로 기준을 잡는다.

T568A는 1번과 3번, 2번과 6번을 바꾸는 36145278을 사용한다.

Cable의 연결 방식에 따라 사용하는 용도가 다르다.

• T568B - T568B Cable : 다이렉트 케이블이라고 부르며 ROUTER <-> SWITCH , SWITCH <-> PC를 연결하는데 사용한다.
• T568B - T568A Cable : 크로스오버 케이블이라고 부르며 SWITCH <-> SWITCH, ROUTER <-> ROUTER, PC <-> PC를 연결하는데 사용한다.
• T568B - B865T Cable : 롤오버 케이블이라고 부르며 PC <-> CONSOLE PORT에 연결한다.

이더넷 MAC 서브 계층

IEEE 802.3 MAC Sublayer - Ethernet의 프레임 포맷, 동작 방식, 충돌감지 및 재전송 방식 등을 정의한다.^[각주:3]

• Ethernet Frame Format

프리엠블	SOF	목적지 MAC	출발지 MAC	길이/타입	데이터	FCS
7	1	6	6	2	46-1500	4

1. 프리엠블 (Preamble)

10101010이 반복되는 7바이트 길이의 필드. 수신측에게 0과 1을 제대로 구분할 수 있도록 동기 신호(Synchronization Signal)제공

2. SOF (Start Of Frame)

마지막 비트가 1인 10101011의 값을 가지며, 프레임의 시작을 알리는데 사용

3. 목적지 MAC (Destination Mac)

도착지의 MAC Address가 적혀있다. MAC Address의 48비트 중 첫 번째 Bit가 0이면 유니캐스트, 1이면 멀티캐스트, 전부 1이면 브로드캐스트 주소로 작동한다.

4. 출발지 MAC (Source MAC)

출발지의 MAC Address가 적혀있다. 항상 유니캐스트로 작동한다.

5. 길이/타입 (Length/Type)

이더넷 프레임의 데이터 필드 길이나 상위 계층에서 사용하는 프로토콜의 종류를 표시한다.

6. 데이터 (Data)

최소 46바이트, 최대 1500바이트가 들어가 있다. 46바이트 이하이면 의미없는 비트를 Padding하여 46바이트로 만들어 전송한다.

7. FCS (Frame Check Sequence)

목적지 MAC Address 필드부터 데이터 필드까지 에러 발생 여부를 확인한다.

CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection)

Duplex Mode에 따라 Half & Full로 나뉘어진다.

• Half Duplex : 프레임의 송신, 수신을 동시에 할 수 없음. 즉, 송신 중에는 수신이 불가능. 수신 중에는 송신이 불가능.

1) Carrier Sense : 현재 케이블 상에 전송되고 있는 프레임이 있는지 확인함. 프레임이 없을 시 자신의 프레임을 케이블상으로 전송함.

2) Multiple Access : 언제라도 Carrier Sense를 한 다음 자신의 프레임을 전송할 수 있다.

3) Collision detection : Half Duplex는 1번과 2번, CSMA후 충돌발생 여부를 확인함. 재충돌시 일정시간 뒤 다시 전송하며, 재충돌을 최소화 하기 위해서 Backoff 알고리즘을 이용한다.

Half Duplex는 CSMA/CD 동작방식을 사용한다.

• Full Duplex : 프레임의 송신, 수신을 동시에 할 수 있음. 즉, 송신 중에도 수신이 가능함.

-> 송신, 수신이 서로 다른 채널을 통하여 이루어진다. 즉, 충돌 발생 염려가 없고 충돌 감지도 하지 않는다. Half Duplex보다 속도가 2배가 더 빠르며, 10BaseT 이상의 모든 상위 전송속도 Ethernet에서는 Full Duplex를 지원한다.

1. http://www.ieee802.org/3/ [본문으로]
2. https://www.tiaonline.org/ [본문으로]
3. http://www.ieee802.org/3/as/public/0503/4d0_1_CMP.pdf [본문으로]