1. 개요

- link 계층보다 상위 계층에서 네트워크 통신을 이야기할 땐, 한 호스트/라우터에서 다른 호스트/라우터로의 통신이 ‘이쪽에서 저쪽으로 패킷을 보내면 저쪽에서 패킷을 받을 수도 있고 중간에 유실될 수도 있다’라는 식으로 이야기해왔으나, 실제로는 고려해야 할 문제가 더 많다. 예를 들어, 하나의 게이트웨이에 여러 호스트들이 연결돼 있는 네트워크에서는(이런 네트워크를 LAN, local area network라 한다), 한 호스트에서 발송한 전기신호가 게이트웨이에 연결된 모든 호스트에 전달되게 된다. (이런 현상이 일어나는 매체를 broadcast medium이라 한다.) 이는 각 호스트와 게이트웨이 사이 경로를 여러 호스트가 공유하기 때문인데, 이러한 방식으로 네트워크가 구현되어 있기 때문에, 여러 호스트에서 동시에 전기 신호를 송신하는 경우 게이트웨이는 이들 신호가 중첩된 전기신호를 수신하여 다른 라우터로 전달해야 할 정확한 메시지를 파악하지 못하는 일이 발생한다. (이를 collision이라 한다.) 따라서 link 계층에서는 이러한 문제를 해결하는 것(이를 medium access control 또는 MAC이라 한다)이 중요한 과제가 된다.

2. MAC protocol

1) channel partitioning

- TDMA(time division multiple access): 한 주기를 호스트 수만큼 나누어, 각 시간단위를 각 호스트에게 할당하여 그 시간에는 그 호스트의 패킷만 전송하는 방식의 프로토콜이다. 당장 전송할 패킷이 없는 호스트에게도 시간 할당이 이루어지기 때문에, 그 시간 동안은 게이트웨이가 아무 패킷도 전송하지 않아 자원 낭비가 발생한다.

- FDMA(frequency division multiple access): 각 호스트가 사용하는 주파수 대역을 달리하여, 각 주파수 대역을 사용하는 호스트가 유일하게 주파수 대역을 할당하는 방식의 프로토콜이다. TDMA와 마찬가지로, 당장 전송할 패킷이 없는 호스트에게도 주파수 대역 할당이 이루어지기 때문에 그 주파수 대역은 아무도 사용하지 않는 자원 낭비가 발생한다.

- CDMA(code division multiple access): 각 호스트마다 고유의 코드를 할당하여, collision이 발생한 전파를 미리 할당된 코드와 연산하여 그 전파에서 그 호스트로 전송한 메시지를 추출해내는 방식의 프로토콜이다.

2) random access

- Ethernet, Wi-Fi 등이 사용하는 방식의 MAC protocol로, channel partitioning이 특정 자원을 각 호스트에게 독점적으로 할당하여 collision 발생을 원천 차단하는 방식이라면 randome access는 전송할 패킷이 있는 호스트가 일단 즉각적으로 패킷을 전송하게 하여 collision 발생을 일단 감수하되 나름의 방식으로 이를 극복한다.

- randome access는 channel partitioning에 비하면 자원 낭비가 없다는 장점이 있지만, 네트워크의 호스트가 늘어나면 늘어날수록 그에 비례하여 전송 속도가 느려진다는 단점이 있다.

- CSMA(carrier sense multiple access): 현재 네트워크 상의 다른 호스트 중에 패킷을 전송한 호스트가 없어질 때까지 기다렸다가 아무도 없을 때 패킷을 전송하는 방식(listen before transmit)의 프로토콜이다. 이 방식을 사용하더라도 collision 문제가 발생할 수 있는데, 현재 네트워크 상에 패킷을 전송한 호스트가 없다고 판단해 패킷을 전송했는데 바로 정확히 그 시점에 다른 호스트가 패킷을 전송하는 경우가 있을 수 있기 때문이다.

- CSMA/CD(collision detection): CSMA와 마찬가지로 listen before transmit을 하되, collision이 발생했음을 감지하면 각 호스트는 즉시 전송을 멈춘다. 그리고는 다음과 같은 절차를 따라 재전송을 수행한다.

(1) 현재까지 발생한 collision 횟수가 n이라 할 때, {0, 1, 2, …, \(2^(n-1)\)} 이라는 집합에서 무작위로 하나의 숫자를 고른 후 그 시간만큼 기다렸다가 재전송한다. (이를 binary backoff라 한다.)

(2) 또 다시 collision이 발생했다면 또 즉시 전송을 멈추고 (1)단계로 돌아간다.

  • collision이 발생했다는 사실을 알 수는 있지만 그것이 몇개의 호스트가 동시에 충돌한 것인지는 알 수 없으므로, 기다리는 시간을 정확히 알 방법이 없다. 따라서 일정 범위 내 숫자를 무작위적으로 고를 수밖에 없는데, 처음에는 일단 가장 낙관적인 상황(collision의 원인인 호스트가 하나뿐)이라고 추측하고 대기 시간을 골랐다가 그 후 재차 collision이 발생했으면 그때부터 점차 collision 원인으로 추측되는 호스트 개수를 늘려나간다는 것이 binary backoff의 기본 아이디어다.

3) taking turns

- 게이트웨이에 패킷을 전송할 독점권을 각 호스트에게 돌아가며 부여하는 방식으로, 마스터가 전송할 패킷이 있는 호스트를 조사하여 그 호스트에게 독점권을 부여하는 방식(polling)과 네트워크 상에서 바로 인접한 호스트에게 독점권을 차례대로 양도하는 방식(token-passing)이 있다. token-passing은 네트워크 상의 어느 한 호스트만 고장나도 전체 시스템이 망가지고, polling도 마스터가 고장나면 전체 시스템이 망가진다는 단점이 있다.

3. 이더넷 프레임의 헤더

- 이더넷 프레임의 헤더에는 다음과 같은 필드가 있다.

  • source MAC 주소

  • destination MAC 주소: 패킷과 달리, 그 프레임이 바로 도착할 게이트웨이의 MAC 주소가 적히게 된다.

  • type: 안에 들어있는 패킷의 프로토콜 타입(주로 IP)을 나타낸다.

  • CRC: 프레임의 끝부분에 에러체크 등의 목적으로 데이터가 적히게 된다.

- MAC 주소는 컴퓨터의 랜카드나 라우터 같은 네트워크 접속 장치가 처음 제조사에서 제조될 때 고정되는 그 기기의 고유 식별값으로, broadcast가 일어나는 LAN 환경에서 같은 LAN에 속한 각 장치들이 서로를 식별할 수 있게 하기 위해 사용되는 값이다. 이더넷에서는 source와 destination을 식별하는 고유값으로 각 장치의 MAC 주소를 사용한다. (따라서, 같은 LAN에 속한 두 호스트의 MAC 주소가 서로 동일하다면 둘 중 한 쪽만이 정상적인 인터넷 통신이 가능하다.) MAC 주소는 48비트로 이루어져 있으며, 앞자리 24비트는 제조사의 고유 식별값이고 뒷자리 24비트는 그 제조사에서 제조된 그 제품 고유 식별값이다.

- broadcast medium에서는 데이터를 전송하는 동안 collision이 발생하지 않았다면 데이터가 문제 없이 게이트웨이에 잘 전달됐다고 볼 수 있으므로, 이더넷은 TCP에서와 같이 별도의 ACK 메시지가 존재하지는 않는다. 단, 만약 전송하는 프레임 길이가 너무 짧으면, 이쪽 호스트(A)에서는 전송이 다 끝났는데 그 게이트웨이에 연결된 다른 호스트(B)가 A가 프레임을 전송했다는 사실을 모르고 따로 프레임을 발송해 게이트웨이가 A의 프레임을 다 받아들이기 전에 B의 프레임과 A의 프레임이 collision을 일으키는 경우가 발생할 수도 있다. 이러한 문제가 발생하지 않으려면 각 호스트가 발송하는 프레임의 길이가 너무 짧지만 않으면 된다. 이더넷의 경우 이러한 문제에 대비하여 최소 프레임 길이를 64B로 두고 있다.

4. ARP(address resolution protocol)

1) ARP 테이블을 통한 IP 주소 - MAC 주소 매핑

- 각 호스트/라우터는 내부적으로 ARP 테이블을 두고 있는데, 이 테이블은 그와 인접한 다른 호스트/라우터의 IP 주소에 대응되는 MAC 주소가 적혀 있다. 구체적으로 ARP 테이블을 다음과 같이 사용하여 network 계층으로부터 전달받은 패킷을 그것의 dest IP 주소가 있는 곳으로 전송한다.

(1) 패킷을 network 계층으로부터 전달받았을 때, link 계층에서는 그 패킷 헤더에 있는 dest IP 주소에 대응되는 MAC 주소를 ARP 테이블에서 찾아내 이를 프레임의 dest MAC 주소에 적어 LAN으로 브로드캐스트 한다.

(2) 호스트가 브로드캐스트 한 프레임은 서브넷 내 모든 호스트/라우터에 전달된다. 이때 만약 이를 수신한 호스트/라우터의 MAC 주소가 그 프레임에 적힌 dest MAC 주소와 일치한다면 그 호스트/라우터는 그 프레임을 network 계층으로 올려 보낸다. (일치하지 않는다면 폐기한다.)

2) ARP 테이블을 채우는 절차

- 패킷을 보내려고 하는 dest IP 주소에 대응되는 MAC 주소가 ARP 테이블에 없는 경우에는, 다음 절차를 거쳐 ARP 테이블을 채운다.

(1) 호스트/라우터는 ARP request라는 프레임에 dest IP 주소를 적어 브로드캐스트 한다.

(2) 이를 수신한 호스트/라우터는 자신의 MAC 주소를 그 헤더에 적은 프레임을 반환한다.

(3) 그 프레임을 수신한 호스트/라우터는 그 헤더에 적인 MAC 주소를 보고 이를 ARP 테이블의 빈칸을 채운다.

3) ARP 테이블의 특성

- ARP 테이블은 캐시 테이블에 해당하며, ARP 테이블에 저장된 정보는 일정 시간(그 항목의 TTL값)이 지나면 사라진다.

5. 스위치

- 예전에는 LAN의 각 호스트 사이에 아무런 장치 없이 유선 케이블이 연결돼 있어 LAN에 속한 호스트끼리는 무조건 collision의 가능성이 있었는데, 요즘은 웬만하면 중간에 스위치라는 장치를 두어 collision domain을 분리하고 있다. 스위치의 각 포트에는 각 호스트와 연결되는 케이블이 각각 꽂혀 있어, 스위치는 각 호스트에서 오는 전기신호를 받아 다른 호스트로 이를 전송하는 기능이 있다.

- 스위치는 내부적으로 스위치 테이블을 두고 있는데, 이 테이블은 각 MAC 주소에 해당하는 호스트가 몇번 포트에 연결되어 있는지가 적혀 있다. 스위치는 호스트로부터 수신한 프레임의 dest MAC 주소에 대응되는 포트 번호를 스위치 테이블에서 찾아내 그 프레임을 그 포트로 전송한다.

- 스위치 테이블은 다음 알고리즘을 통해 채우게 된다.

  • 스위치가 수신한 프레임의 헤더 내 source MAC 주소가 스위치 테이블에 없는 경우: 스위치 테이블에 그 MAC 주소의 포트 번호를 그 프레임을 전송한 포트번호로 적는다. (스위치가 스위치 테이블을 채우는 방식은 이처럼 단순하게 그 자신으로 들어오는 프레임의 내용을 읽고 그 내용을 스스로 채우는 방법이 전부다. 따라서 이 알고리즘의 이름을 self-learning이라 한다.)

  • 프레임을 보내려 하는 dest MAC 주소에 대응되는 MAC 주소가 스위치 테이블에 없는 경우: 스위치는 프레임을 모든 포트에 전송한다(flooding). (이쪽에서 프레임 전송이 있었으면 그쪽으로 도달하는 프레임 전송이 또 올 것이고, 그때 저 dest MAC 주소에 대응되는 포트번호가 스위치 테이블에 채워질 것이다. flooding은 무한히 일어나는 사건은 아닌 것이다.)