노년코딩

물리 계층과 데이터 링크 계층만으로는 LAN을 넘어서 통신하기 어렵다.

** 어려운 이유 2가지.
1. 다른 네트워크까지의 도달 경로를 파악하기 어려움.
2. 모든 네트워크에 속한 모든 호스트의 위치를 특정하기 어려움.

자세히 ) 

1. 물리 계층과 데이터 링크 계층만으로는 다른 네트워크까지의 도달 경로를 파악하기 어려움.
 - 라우팅(routing) : 패킷이 이동할 최적의 경로를 결정하는 것.
 - 라우터(router) : 라우팅을 수행하는 대표적인 장비. 
** 네트워크 계층이 있어야 네트워크 간의 라우팅이 가능하다!

2. MAC 주소만으로는 모든 네트워크에 속한 모든 호스트의 위치를 특정하기 어려움.
 - MAC 주소와 IP 주소는 함께 사용되고, 기본적으로 IP 주소를 우선 활용.

IP 주소	MAC 주소
택배의 수신지 역	택배의 수신인 역할
논리 주소	물리 주소
- 유동적으로 할당. - 자동으로 할당받거나 사용자가 직접 할당.	- NIC 마다 할당되는 고정된 주소.

네트워크 계층의 핵심, 인터넷 프로토콜(IP)

인터넷 프로토콜(IP)
: 물리 계층 & 데이터 링크 계층의 한계를 극복하는 프로토콜

< IP의 공식적인 2가지 기능 >
1. 주소 지정 (IP addressing).
2. 단편화에 사용 (IP fragmentation).

** RFC 문서에서 확인 가능

RFC(Request for Comments) 문서 - 네트워크/ 인터넷 관련 신기술 제안, 의견 등을 남긴 문서. - 일부 RFC는 오늘날까지 사용되는 인터넷 표준이 됨.   >> 이러한 RFC문서에는 번호가 부여됨(ex. RFC 791)   >> "세상에서 가장 정확한 네트워크 이론 지식"   >> 새 RFC 문서로 개정 출판이 될지 언정, 폐지되거나 수정되지 않음.

자세히 >>

1. 주소 지정
- IP 주소(IPv4 주소)를 바탕으로 송수신 대상을 지정하는 것을 의미.
- 4바이트(32비트)로 하나의 주소를 표현.
- 숫자당 8비트로 표현 : 0 ~255 범위 안에 있는 4개의 10진수로 표기.
- 각 숫자는 점(.)으로 구분
  >> 점으로 구분된 8비트(0~255 범위의 10진수)를 옥텟(octet)이라 함. 
ex. 192.168.1.1 

2. 단편화
- 전송하고자 하는 패킷의 크기를 MTU 이하의 복수의 패킷으로 나누는 것.
  >> MTU(Maximum Transmission Unit)
     - 한 번에 전송 가능한 IP패킷의 최대 크기.
     - IP 패킷의 헤더도 MTU 크기에 포함.
     - 일반적인 MTU 크기는 1500바이트, MTU 크기 이하로 나누어진 패킷은 수신지에 도착하면 다시 재조합.

IPv6
: IP주소 부족문제를 해결하기 위해 나온 프로토콜. 

IPv6
-  IPv6은 16바이트(128비트)로 주소를 표현할 수 있고, 콜론(:)으로 구분된 8개의 그룹의 16진수로 표기.
- 이론적으로 할당 가능한 Ipv6 주소는 2의 128승으로 사실상 무한에 가까운 수 할당 가능.

IPv6의 단편화

- IPv6는 단편화 확장 헤더를 통해 단편화가 이루어짐.
- 단편화 확장 헤더에도 다음 헤더 필드가 있음.
  >> 예약됨(reserved)과 예약(res) 필드는 0으로 설정되어 사용되지 않음.
  >> 단편화 오프셋(fragment offset)과 M 플래그(M flag), 식별자(Identification) 필드.

단편화 오프셋	- 전체 메시지에서 현재 단편화된 패킷의 위치(IPv4의 단편화 오프셋 필드와 유사)
M 플래그	- 1일 경우 더 많은 단편화된 패킷이 있음을 의미, - 0일 경우 마지막 패킷(IPv4의 MF 플래그 필드와 유사)
식별자	- 동일한 메시지에서부터 단편화된 패킷임을 식별(IPv4의 식별자 필드)

참고 RFC 공식 문서 링크

https://datatracker.ietf.org/

스위치

허브의 충돌 문제
- CSMA/CD로 어느 정도 완화할 수 있었지만... 보다 근본적인 해결 방법이 있다.
- 전달받은 신호를 수신지 호스트가 연결된 포트로만 내보내고, 전이중 모드로 통신하면 된다!

** 이를 위한 장비가 바로 스위치(switch - (2 계층에서 사용한다 하여)L2 스위치를 지칭한다 생각해.) 
- 허브와는 달리 특정 MAC 주소를 가진 호스트에만 프레임 전달 가능.
- 전이중 모드 통신 지원
 >> CSMA/ CD 프로토콜이 필요하지 않음.

스위치의 주요 기능

1. 스위치의 MAC 주소 학습 기능.
 >> 전달 받은 신호를 원하는 포트로만 내보냄.
 >> 포트별로 콜리전 도메인이 나누어지기에 충돌 위험이 감소.

자세히 )
1. 스위치의 MAC 주소 학습 기능(MAC address learning)
- 특정 포트와 해당 포트에 연결된 호스트의 MAC 주소와의 관계를 기억.
- 원하는 호스트에만 프레임을 전달.
- MAC주소 테이블(MAC address table)
 >> 스위치 포트와 연결된 호스트의 MAC 주소 간의 연관 관계를 나타내는 정보.
- MAC 주소 학습 : 프레임 내 "송신지 MAC 주소" 필드를 바탕으로 이루어짐. 

MAC 주소테이블을 어떻게 생성하고 관리할까? 3개의 용어를 학습해 보자.
플러딩	허브처럼 모든 포트로 프레임 전송.  - 호스트 A가 호스트 C에게 프레임을 전송하면,
포워딩과 필터링	- 스위치는 호스트 B, D가 연결된 포트로는 내보내지 않도록 필터링(filtering)을 하고, - 호스트 C가 연결된 포트로 프레임을 포워딩(forwarding)함
에이징	- 만약 MAC 주소 테이블에 등록된 포트에서 일정 시간 동안 프레임을 받지 못하면 해당 항목은 삭제. - 일정 시간 동안 "송신지 MAC 주소"가 ab:cd:ac:cd:00:01인 프레임을 1번 포트에서 못 받으면 이 항목은 삭제.

참고 ) 브리지
- 브리지(bridge)는 데이터 링크 계층의 스위치와 유사한 장비
 >> 네트워크 영역을 구획하여 콜리전 도메인을 나누거나 네트워크를 확장.
 >> 브리지는 앞서 설명한 스위치의 기능들도 제공. (MAC 주소를 학습, 포워딩, 필터링) 
- 다만 단일 장비로서의 브리지는 스위치에 비해 사용 빈도가 줄어드는 추세.
- 일반적으로 스위치의 기능이 더 다양하고 성능도 우수하기 때문. 
But, 브리지라는 용어는 여기저기서 사용됨.
- 개념으로서의 브리지는 자주 사용된다! 그렇기 때문에 개념으로서는 알아둬.

2. 스위치의 VLAN 기능.
 >> 논리적으로 LAN을 분리하는 가상의 LAN, VLAN 구성 가능.

자세히 ) 
2. 스위치의 VLAN 기능.
- VLAN(Virtual LAN) - 한 대의 스위치로 가상의 LAN을 만드는 방법.
 >> 불필요한 트래픽(허브, 스위치의 플러딩)으로 인한 성능 저하 방지. 
* VLAN의 주요 의의
- "한대의 물리적 스위치라 해도", "마치 여러 대의 스위치가 있는 듯이", "호스트의 물리적 위치와 관계없이" 만드는 가상의 LAN.  
- VLAN은 사실상 다른 LAN : 서로 다른 네트워크로 간주, 브로드캐스트 도메인 달라짐.

** VLAN의 종류 2가지.
1. 포트 기반 VLAN(port based VLAN) - 정적 VLAN
 - 스위치의 포트가 VLAN을 결정하는 방식.
 - 특정 포트에 VLAN을 할당한 뒤, 해당 포트에 호스트를 연결하여 VLAN에 참여.
  >> 호스트 A와 B는 VLAN2를 할당한 포트에 연결되어 있으므로 같은 LAN에 속한 셈.
  >> 호스트 C는 VLAN3에 속해 있으므로 호스트 A, B와는 다른 LAN에 속한 셈. 

2. MAC 기반 VLAN(MAC based VLAN) - 동적 VLAN
- 사전에 설정된 MAC 주소에 따라 VLAN이 결정.
- 송수신하는 프레임 속 MAC 주소가 호스트가 속할 VLAN을 결정하는 방식. 

물리 계층과 데이터 링크 계층의 장비에 대해 알아보자.

네트워크 장비

물리 계층의 대표 장비 : 허브.(오늘날 네트워크에서 거의 사용 X, but  통신 특성이 스위치와 대비되는 특성을 갖고 있기 때문에 알아둬야 함.)

데이터 링크의 대표 장비 : 스위치.(오늘날 주로 사용하는 네트워크 장비)

주소개념이 있다 없다로 특징이 나뉨.

** 물리 계층에는 주소 개념이 없다!

>> 단지 호스트와 통신 매체 간의 연결과 통신 매체상의 송수신이 이루어질 뿐.

>> 물리 계층 장비는 송수신되는 정보에 대한 어떠한 조작(송수신 내용 변경)이나 판단도 할 수 없음. 

** 데이터링크 계층에는 주소 개념이 있다!!

>> MAC 주소.

>> 데이터 링크 계층 이상 장비들은 송수신지 특정 할수 있음(특정 가능), 송수신 정보에 대한 조작 가능!

허브
: 물리 계층의 허브(hub)

- 여러 대의 호스트를 연결하는 장치.
- 리피터 허브(repeater hub) 혹은 이더넷 허브(Ethernet hub). 
- 포트(port) : 커넥터를 연결할 수 있는 연결 지점.

< 허브의 특징 >
1. 받은 정보는 모든 포트로 내보냄.
- 정보에 대한 어떠한 조작도 판단도 하지 않음(물리 계층 장비니까)
- 전달받은 신호를 다른 모든 포트로 그대로 다시 내보냄
  >> 데이터 링크 계층에서 패킷의 MAC주소를 확인하고 자신과 관련 없는 주소는 폐기. 
*불필요한 트래픽이 너무 많아진다는 문제점이 있음.

2. 반이중 통신을 한다. (한 번에 하나씩의 메시지만 주고받을 수 있음. 동시에 메시지 전해지면 충돌!)
- 반이중 통신(half duplex) 모드 : 마치 1차선 도로처럼 송수신을 번갈아 가면서 하는 통신 방식. (ex. 무전기)
- 전이중 통신(full duplex) 모드 : 송수신을 동시에 양방향으로 할 수 있는 통신 방식. (ex. 전화기)

참고 ) 또 다른 물리 계층 장비, 리피터(repeater)
- 허브 이외에 물리 계층의 대표적인 장비.
- 전기 신호가 감소하거나 왜곡되는 것을 방지하기 위해 전기 신호를 증폭시켜 주는 장비.
- 리피터는 물리 계층의 장비이므로 신호에 대한 어떠한 판단이나 조작을 하지 않음.
 >> 그저 신호를 증폭시키기만 함. 주소 개념 없음.
- 허브는 리피터의 기능을 포함하는 경우가 많음.

허브의 특징이 야기하는 문제, 충돌(collision)!!
- 동시에 허브에 신호를 송신하면 충돌(collision, 콜리전)이 발생.
- 허브에 호스트가 많이 연결되어 있을수록 충동 발생 가능성이 높음.

* 충돌이 발생할 수 있는 영역 : 콜리전 도메인(collision domain)
- 허브에 연결된 모든 호스트는 같은 콜리전 도메인에 속함.
- 당연히 충돌을 피해야 한다 -> 콜리전 도메인은 작아야 한다!

콜리전 도메인으로 인한 충돌의 해결 방법.

1. CSMA/CD 프로토콜 사용.  or 2. 다른 장비(스위치) 사용.

CSMA/CD
- 반이중 이더넷 네트워크에서 충돌을 방지하는 대표적인 프로토콜.
 >> (반이중) 이더넷을 대표하는 송수신 방법. 

CSMA / CD
: Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection

Carrier Sense
1) 캐리어 감지
- 통신 매체의 현재 사용 가능 여부 검사 : 메시지를 보내기 전 현재 전송 중인 것이 있는지를 먼저 확인. 

Multiple Access
2) 다중 접근
- 복수의 호스트가 부득이 동시에 네트워크에 접근할 때 : 충돌 발생. 

Collision Detection
3) 충돌 검출
- 전송 중단, 충돌 발생을 알리는 잼 신호(jam signal) 보냄.
- 임의의 시간 동안 기다린 뒤에 재전송하게 됨. 

NIC와 케이블

NIC(Network Interface Controller)
: 호스트와 통신 매체를 연결하고, MAC 주소가 부여되는 네트워크 장비.

케이블(cable)
: NIC에 연결되는 물리 계층의 유선 통신 매체.
- 트위스티드 페어 케이블.
- 광섬유 케이블. 

NIC
: NIC는 호스트의 "귀"와 "입"

- NIC는 네트워크 인터페이스 카드, 네트워크 어댑터, LAN 카드, 네트워크 카드, 이너넷 카드(이더넷 네트워크의 경우) 등 다양한 명칭으로 불림.

- 호스트를 네트워크(LAN)에 연결하는 장비.

>> 호스트와 유무선 통신 매체를 연결.

>> 통신 매체 신호와 컴퓨터가 이해하는 정보 상호 변환. (호스트가 네트워크를 통해 송수신하는 정보는 NIC를 거치게 됨. 네트워크 인터페이스(network interface) 역할을 수행.)

- 유의 할 점 : NIC는 MAC 주소를 인식!

>> 자신과는 관련 없는 수신지 MAC 주소가 명시된 프레임 폐기.

>> FCS 필드를 토대로 오류를 검출해 잘못된 프레임을 폐기.

NIC 속도와 성능의 관계
- NIC마다 지원되는 속도가 다르다는 점에 유의.
 >> NIC의 지원 속도는 10Mbps부터 100Gbps에 이르기까지 NIC마다 다름.
 >> 네트워크 속도에 영향을 끼침. 
 >> (내장된 NIC가 있어도) 높은 대역폭에서 많은 트래픽을 감당해야 하는 환경에서는 고속 NIC 추가적으로 증설하기도 함.

케이블
- 트위스티드 페어 케이블(twisted pair cable)

- 구리선으로 전기 신호를 주고받는 통신 매체.

- 생김새 = 커넥터 + 케이블 본체

(* 커넥터 : 주로 활용되는 커넥터는 RJ-45, * 케이블 본체 : 구리 선이 두 가닥씩 꼬아진 형태.)

* 구리선은 노이즈에 민감.
- 차폐(shielding) - 구리 선 주변을 감싸 노이즈를 감소시키는 방식.
- 브레이드 실드(braided shield) 혹은 포일 실드(foil shield)
>> 차폐에 사용된 그물 모양의 철사와 포일. 

* 실드에 따른 트위스티드 페어 케이블의 분류
- STP(Shielded Twisted Pair) : 브레이드 실드로 감싼 케이블.
- FTP(Foil Twisted Pair) : 포일 실드로 노이즈를 감소시킨 케이블.
- UTP(Unshielded Twisted Pair) : 아무것도 감싸지 않은 구리 선만 있는 케이블. 

자세히 >>
* 실드에 따른 트위스티드 페어 케이블의 분류
- XX에는 케이블 외부를 감싸는 실드의 종류(하나 혹은 두 개)
- Y에는 꼬인 구리 선 쌍을 감싸는 실드의 종류.

XX/YTP

>> U : 실드 없음. >> S : 브레이드 실드. >> F : 포일 실드.

>> S/FTP 케이블 - 케이블 외부 : 브레이드 실드 / 꼬인 각 구리 선 쌍 : 포일 실드. >> F/FTP 케이블 - 케이블 외부와 각 구리 선 쌍을 모두 : 포일 실드. >> SF/FTP 케이블 - 케이블 외부 : 브레이드 실드와 포일 실드 / 각 구리선 쌍 : 포일 실드. >> U/UTP 케이블 - 아무것도 감싸지 않은 케이블.

본체에 써있으니 굳이 잘라서 확인 할 필요 없음.

* 카테고리에 따른 트위스티드 페어 케이블의 분류
- 카테고리가 높을 수록 
1. 지원 가능한 대역폭이 높아짐.
2. 송수신 할 수 있는 데이터의 양이 많아짐.
3. 일반적으로 더 빠른 전송이 가능함. 

케이블
- 광섬유 케이블

- 빛(광신호)을 이용해 정보를 주고받는 케이블.

- 전기 신호를 이용하는 케이블에 비해 속도도 빠르고, 먼 거리까지 전송이 가능.

- 노이즈로부터 간섭받는 영향되 적으므로 대륙 간 네트워크 연결에도 사용. 

- 생김새 = 커넥터 + 본체

>> 커넥터 종류 다양함(LC 커넥터, SC 커넥터, FC 커넥터, ST 커넥터) 

* 광섬유 케이블 
- 광섬유 케이블 본체 내부는 머리카락과 같은 형태의 광섬유로 구성.
>> 광섬유는 빛을 운반하는 매체.
>> 광섬유 중심에는 코어(core) - 코어는 광섬유에서 실질적으로 빛이 흐르는 부분.
>> 코어를 둘러싸는 클래딩(cladding) - 빛이 코어 안에서만 흐르도록 빛을 가두는 역할. 

* 광섬유 케이블 종류(코어의 지름에 따라)
  >> 싱글 모드 광섬유 케이블(SMF, Single Mode Fiber)
  >> 멀티 모드 광섬유 케이블(MMF, Multi Mode Fiber) 

싱글 모드 광섬유 케이블	- 코어 지름이 8~10㎛. - 코어의 지름이 작으면 빛의 이동 경로가 하나 이상을 갖기 어려움; "모드(mode)가 하나(single)" - 장점 : 신호 손실이 적기에 장거리 전송에 적합. - 단점 : 멀티 모드에 비해 일반적으로 비용이 높음. - 싱글 모드 케이블은 파장이 긴 장파장의 빛을 사용.
멀티 모드 광섬유 케이블	- 코어의 지름이 50 ~ 62.5㎛로 싱글 모드보다 큼. - 빛이 여러 경로로 이동할 수 있음 : "모드(mode)가 여러 개(multi)" - 멀티 모드는 싱글 모드보다 전송 시 신호 손실이 클 수 있기에 싱글모드에 비해 장거리 전송에는 부적합. - 멀티 모드 케이블은 싱글 모드에 비해 단파장의 빛을 사용.

* 케이블 색상으로 분류하는 싱글 모드와 멀티 모드
- 싱글 모드 광섬유 케이블의 본체는 대부분 노란색과 파란색.
- 멀티 모드 광섬유 케이블은 오렌지색과 아쿠아색. 

이더넷(Ethernet)

이더넷이란?
- 현대 LAN, 특히 유선 LAN 환경에서 가장 대중적으로 사용되는 기술.
- 다양한 통신 매체의 규격, 송수신되는 프레임의 형태, 프레임을 주고받는 방법 등이 정의된 기술
>> 물리 계층과 데이터 링크 계층이 밀접하게 연관된 이유. 

** 유선 LAN 환경은 대부분 이더넷을 기반으로 구성된다!
- 물리 계층에서는 사용되는 케이블과 같은 연결 매체는 이더넷 규격을 따른다.
- 데이터 링크 계층에서 주고받는 프레임은 이더넷 프레임의 형식을 따른다. 

국제 표준으로써의 이더넷
- 이더넷은 IEEE 802.3이라는 이름으로 국제 표준이 됨.
- IEEE 802.3 == 이더넷 관련 다양한 표준의 모음이다라고 이해하면 됨.
>> IEEE 802.3은 이더넷 관련 표준을 만드는 작업 그룹(전문가 단체)을 의미하기도 함. 

** 오늘날에도 이더넷은 발전 중이며, 새로운 표준들이 생기는 중이다. ** 이더넷(IEEE 802.3)관련 표준 : 802.3 뒤 버전을 나타내는 알파벳으로 표현(ex. 802.3u, 802.3ab)

이더넷 표준에 따라 지원되는 네트워크 장비, 통신 매체의 종류, 전송 속도 등이 달라짐!

이더넷 표기 방식
: 전송속도 BASE - 추가특성

통신매체의 종류

이더넷 프레임

(데이터링크 계층) 이더넷 네트워크에서 주고받는 프레임
- 캡슐화를 거쳐 송신됨 : 상위 계층 정보 + 헤더 + 트레일러
>> 헤더 - 프리앰블, 수신지 MAC 주소, 송신지 MAC 주소, 타입/길이
>> 페이로드 - 데이터
>> 트레일러 - FCS
- 역캡슐화를 거쳐 수신됨
>> 헤더, 트레일러 제거 후 상위 계층으로 올려 보냄. 

이더넷 외의 기술은 없는가?? >> 토큰 링 방식

트래픽(traffic)이란?

- 네트워크 내의 정보량.
- 트래픽은 주로 노드에서 측정 : "특정 시점에 노드를 경유하는 정보량"
- 과도한 트래픽이 야기하는 문제 : 과부하(성능 저하) 발생.

네트워크 성능 지표

캡슐화와 역캡슐화
- 캡슐화 : 계층 별 프로토콜의 목적과 특징에 부합하는 헤더(+ 트레일러) 추가되는 과정을 의미.
- 역캡슐화 : 계층 별 프로토콜의 목적과 특징에 부합하는 헤더 제거해 나가는 과정을 의미.

송신 과정에서 캡슐화, 수신 과정에서 역캡슐화
- 메시지는 송신지 입장에서는 가장 높은 계층에서부터 가장 낮은 계층으로 이동.
- 메시지는 수신지 입장에서는 가장 낮은 계층에서부터 가장 높은 계층으로 이동.

*  캡슐화에서 한 단계 위의 계층에 해더와 페이로드를 더한 값은 바로 아래 계층의 페이로드가 됨. 

< 캡슐화 >
- 상위 계층으로부터 내려받은 패킷을 페이로드로 삼아, 프로토콜에 걸맞은 헤더(혹은 트레일러)를 덧붙인 후 하위 계층으로 전달.
- 상위 계층의 패킷은 하위 계층에서의 페이로드로 간주.

< 역캡슐화 >
- 캡슐화 과정에서 붙였던 헤더(및 트레일러)를 각 계층에서 확인한 뒤 제거하는 과정.

PDU(Protocol Data Unit)
: 각 계층에서 송수신되는 메시지의 단위
- 현재 계층의 PDU = 상위 계층 데이터 + 현재 계층의 프로토콜 헤더(및 트레일러)

네트워크 참조 모델
: 통신이 이루어지는 각 과정을 계층으로 나눈 구조.

>> 네트워크를 통해 송수신하는 과정
- 정형화된 여러 단계가 있다.
- 이 단계는 계층적으로 표현 가능하다.

통신 과정을 계층적으로 나눈 이유

1. 네트워크 구성과 설계가 용이.
2. 네트워크 문제 진단과 해결이 용이.

대표적인 네트워크 참조 모델

1. OSI 모델 (OSI 7 계층)
2. TCP/IP 모델(TCP/IP 4 계층)
3. TCP/IP 모델 확장 버전

OSI 모델	TCP/IP 모델	TCP/IP 모델 확장
물리 계층 (최하위 계층)	네트워크 액세스 계층	물리계층
데이터 링크 계층		데이터 링크 계층
네트워크 계층	인터넷 계층	네트워크 계층
전송 계층	전송 계층	전송 계층
세션 계층	응용 계층	응용 계층
표현 계층
응용 계층

OSI 모델
: 국제 표준화 기구 ISO에서 만든 네트워크 참조 모델

TCP/IP 모델

- TCP/IP 4 계층

- 인터넷 프로토콜 스위트(internet protocol suite)

- TCP/IP 프로토콜 스택(protocol stack)

* TCP/ IP 모델 계층에서는 물리계층에 해당하는 계층이 없음. 확장된 버전에서 다룸.