[IT] 데이터통신 - 이더넷(Ethernet) 이란 무엇인가? (IEEE 802.3 Standard)

노트북에 연결된 UTP 케이블

 

1. 이더넷이란 무엇인가

 

 가. 이더넷의 역사

 이더넷(Ethernet)은 1973년 미국의 제록스 PARC(Palo Alto Research Center)에서 로버트 멧칼프(Robert Metcalfe)에 의해 개발되었다. 이후 1980년에 DEC, 인텔, 제록스 사에 의해 처음으로 "The Ethernet, A Local Area Network. Data Link Layer and Physical Layer Specifications, Version 1.0" 표준이 정립됐다. 1980년대, IEEE는 LAN 기술 표준화를 위한 802 프로젝트를 시작하였고, 이더넷은 1983년에 IEEE 802.3으로 표준화되었다.

 

 초기 이더넷은 10Mbps의 전송속도를 기준으로 설계되었으나 토큰 링, 토큰 버스, FDDI 방식과 경쟁을 하면서 100Mbps로 발전하였다. 이후 ATM LAN을 비롯한 고속 LAN 기술과 경쟁하면서 1Gbps으로, 인터넷 트래픽에 급증에 따라 LAN뿐만 아니라 MAN과 WAN까지 아우를 수 있는 10Gbps 이더넷까지 발전하였다. 오늘날에는 40, 100Gbps 이더넷 기술까지 개발되어 사용되어 LAN과 WAN을 아우르며 널리 사용되고 있고, 400Gbps 이더넷 기술이 개발 중이다. 또한 최근 클라우드 기술의 보급으로 데이터센터를 위한 25, 50Gbps 이더넷과 무선 LAN을 위한 2.5Gbps 이더넷 등이 개발되는 등 고속화와 다양화가 동시에 이뤄지고 있다.

 

 

 나. 특징

 - 비연결성 : 통신을 시작하기 전 사전호출이나 연결 설정이 없이도 데이터를 교환할 수 있다. 단순히 목적지를 향해 주소를 포함하고 있는 프레임을 전송하고, 프레임에 손실이 발생해 폐기하는 경우 수신측이 이를 검출해 송신측에게 재전송을 요청하게 된다.

 

 - 비신뢰성 : 프레임이 전송 중에 손상되더라도 이것을 발견하고 프레임을 폐기 후 재전송하는 등의 오류제어의 역할은 이더넷보다 상위 수준의 프로토콜에서 수행된다.

 

 - 단순함, 저비용 : 이더넷은 매체접근 기능이 NIC(Network Interface Card)에 집중되며, 버스 혹은 스타 토폴로지와 같은 중앙집중식 구성으로 단순하여 제어방식을 최소화할 수 있고, 경제적이다.

 

 - 부호화(Encoding) 방식 : 10Mbps 이더넷에서는 맨체스터 방식이 사용된다. 맨체스터 방식은 신호 자체가 동기화 정보를 전달하므로 신뢰성이 높지만 전송률을 높이기에는 부적합하다. 전송속도가 향상되면서 100Mbps 이더넷부터는 4B/5B, 8B/10B, 64B/66B 등의 부호화 방식을 사용한다.

 

 

 

2. 이더넷의 구조

 이더넷은 OSI 7계층에서 1, 2계층인 물리계층, 데이터링크 계층에 해당된다. 데이터링크 계층은 2개의 서브레이어로 나뉘는데 상부의 LLC(Logical Link Control)와 하부의 MAC(Media Access Control)이다. 이더넷은 MAC과 물리계층을 규정하는 표준이며, LLC는 1, 2계층의 종류에 관계없이 3계층에 공통적인 논리 인터페이스를 제공하기 위해 존재한다.

 

 

 가. 데이터링크 계층

 - MAC : IEEE 802.3 표준에서 규정되며, 다중점에서의 매체접근을 제어한다. 이더넷에서는 CSMA/CD 방식을 사용한다. 그 외 토큰 버스(802.4)와 토큰 링(802.5) 방식에서는 토큰 통과(Token Passing) 방식이 사용된다.

 - LLC : IEEE 802.2 표준으로 규정되며, 하부의 MAC 부계층과 3계층(네트워크 계층)과의 접속을 담당한다. 링크를 통한 데이터 교환 절차를 규정하여 다양한 MAC 방식 간의 차이를 보완하는 역할을 한다. 또한 오류제어를 통해 신뢰성을 확보한다.

 

 

 나. 물리계층

 물리계층은 사용되는 매체의 종류와 그 길이, 인코딩 방식 등을 규정한다. PCS, PMA, PMD, AN는 물리매체에 의존적인 부계층이고, RS는 물리매체에 의존하지 않는 부계층이다.

 

 - RS(Reconciliation Sublayer) : MAC 부계층과 물리계층 간의 논리적인 신호 매핑을 위한 조정기능을 수행한다.

 

 - MII(Medium Independent Interface) : 여러 물리매체와 기능들에 공통적인 논리 인터페이스이다. 물리매체에 의존하지 않도록 공통적인 논리 인터페이스를 데이터링크 계층에 제공한다.

 

 - PCS(Physical Coding Sublayer) : 전송속도별로 적절한 부호화(encoding) 및 복호화(decoding)를 수행한다. 매체사용감지(Carrier Sensing) 및 충돌 검출(Collision Detection) 신호를 생성한다.

 

 - PMA(physical Medium Attachment) : PCS 부호화 신호를 직렬화해 실제 물리 신호로 변환하여 PMD로 전달한다. 또한 수신된 직렬 데이터 스트림을 복원하여 재구성한다.

 

 - PMD(Physical Medium Dependent) : 실제 물리매체에 적합한 물리적 신호를 만들어서 송수신한다. 일반적으로 트랜시버(Transceiver)를 의미한다.

 

 - AN(Auto Negotiation) : 서로 다른 전송속도(10/100/1000Mbps 등) 혹은 전송방식(Half/Full-duplex) 등이 혼재된 경우 서로 능력 정보를 주고받아 양단간의 전송방식을 자동적으로 설정한다.

 

 - MDI(Medium Dependent Interface) : 커넥터와 같은 실제 전송매체와의 접속부 인터페이스이다.

 

 

 

3. 전송방식 및 프레임구조

 이더넷 기술이 발전하면서 여러 변경사항(전송속도, 물리매체 등)이 있었지만 호환을 위해 공통적으로 MAC 프로토콜, 이더넷 프레임 포맷, 프레임 길이 등을 동일하게 유지하였다.

 

 가. Half-duplex 전송방식

 둘 이상의 단말이 공유매체를 통해 Half-duplex 방식으로 통신을 하게 될 경우 어느 단말이 언제 어떻게 공유매체를 이용할지 약속된 규칙이 없다면 필연적으로 충돌이 발생할 수밖에 없다. 이더넷에서는 Half-duplex 방식을 사용하는 경우 매체제어접근(MAC, Media Access Control) 방식으로 CSMA/CD 프로토콜을 사용한다. CSMA/CD는 약어에서 보듯이 3가지 기능이 합쳐진 프로토콜이다. 이를 각각 살펴보면,

 

 - Carrier Sense(CS) : 각 단말은 공유매체가 사용 중인지 여부를 감지한다. 매체의 전압의 변화를 통해 사용여부는 쉽게 확인할 수 있다.

 

 - Multiple Access(MA) : 다수의 단말이 공유매체를 두고 서로 경쟁하며 나누어 사용하는 방식을 의미한다. 매체가 사용 중이지 않을 때에는 언제든 전송을 시작할 수 있다.

 

 - Collision detect(CD) : 만약 두 단말 간의 충돌이 발생하게 된다면 두 신호가 서로 간섭을 일으켜 송수신된 데이터를 읽을 수 없게 된다. 따라서 프레임이 완전히 전송되기 전에 충돌이 발생하였음을 감지하면 그 프레임의 전송을 멈추고, 임의의 시간만큼 대기한 후에 다시 재전송을 시도하게 된다.

 

 충돌감지의 특성 때문에 CSMA/CD 프로토콜을 사용할 경우 슬롯 시간에 따라 프레임의 최소 길이와 전송매체의 길이가 규정된다. 단말은 충돌이 발생할 경우 프레임 전송을 완료하기 전에 충돌을 감지하여 전송을 멈추어야 하기 때문에 프레임의 전송 시간은 적어도 최대 전파 시간의 2배의 값을 가져야 한다. 이런 제약 때문에 기존의 10Mbps에서 더 높은 전송속도의 이더넷 표준을 정할 때에 프레임의 최소 길이를 동일하게 유지할 경우 전송매체의 길이가 매우 짧아지는 문제가 발생하게 된다. 표준간의 상호운용성(interoperability)을 확보하기 위해서는 동일한 프레임 최소 길이를 사용해야 한다. 이를 해결하기 위해 반송파 확장(Carrier Extention) 기법 등을 이용하여 프레임의 크기를 키워서 전송하는 방식을 사용하게 되는데 자세한 사항은 1Gbps 이더넷 항목에서 설명하였다.

 

 나. Full-duplex 전송방식

 각 단말이 물리매체를 공유하지 않고, 서로 점대점(point-to-point)로 연결되어 Full-duplex 방식으로 통신을 한다면 전송매체를 사용하기 위해 경쟁하거나 사용여부를 감지할 필요가 없다. 또한 충돌이 발생하지 않으므로 충돌감지도 필요가 없어진다. 즉, Full-duplex 방식에서는 CSMA/CD 프로토콜이 사용되지 않는다. 프레임의 크기가 작더라도 패딩하지 않고 전송할 수 있으며, 전송매체의 최대길이도 충돌감지가 아닌 신호감쇠에 따라서 결정된다. 또한 송수신이 동시에 가능하기 때문에 더 효율적으로 통신이 가능하다.

 

 기존의 Half-duplex에서는 비연결성 특성을 가졌지만 Full-duplex에서는 오류제어와 흐름제어를 제공하기 위한 MAC control 부계층이 MAC과 LLC 부계층 사이에 추가되었다. 1Gbps 이더넷부터는 거의 대부분 Full-duplex를 사용하며, 10Gbps 이더넷은 Half-duplex를 지원하지 않고 오로지 Full-duplex 방식만을 사용할 수 있다. 여러 단말을 다중 접속하기 위해서는 허브(L1)가 아닌 2계층 장비인 이더넷 스위치를 사용하여야 한다.

 

 다. 이더넷 프레임

 - Preamble(PRE) : 7Bytes. 0과 1을 반복하는 내용으로 구성된다. 수신 단말에 프레임이 도착하였음을 알려주는 역할을 하며, 물리계층에서 추가되어 수신 단말이 정확히 동기화할 수 있도록 타이밍 펄스를 제공한다.

 

 - Start-of-Frame Delimiter(SFD) : 1Byte. Preamble과 구분되는 비트조합으로 프레임의 시작을 알려주는 역할을 한다. 마지막 두 비트가 '11'이다.

 

 - Destination Address(DA) : 6Bytes. 프레임을 수신하는 단말의 MAC 주소다.

 

 - Source Address(SA) : 6Bytes. 송신 단말의 MAC 주소다.

 

 - Length/Type : 2Bytes. 데이터의 길이와 타입을 지정한다.

 

 - Data : 최소 46Bytes에서 최대 1,500Bytes의 크기. 만약 데이터의 크기가 최소기준을 만족시키지 못하면 남은 공간을 0으로 패딩(padding)하여 전송한다. 수신측에서는 원래 데이터의 길이를 알고 있어 패딩을 제거할 수 있다. 반대로 최대기준을 만족시키지 못하면 둘 이상의 프레임으로 조각화 및 캡슐화가 이뤄져야 한다. 데이터 필드는 IEEE 802.2 표준에서 LLC 프레임으로 규정되며, MAC의 상위 계층인 LLC의 헤더를 포함하고 있다. 최대크기는 1,500Bytes이나, 비표준 방식으로 데이터의 크기를 9,000Bytes까지 늘려 사용하는 점보 프레임 방식이 기가급 이더넷에서 사용되기도 한다.

 

 - Frame Check Sequence(FCS) : 4Bytes. CRC-32 방식으로 프레임의 오류를 검출한다.

 

 라. 주소지정(addressing)

 이더넷 네트워크 내에서 각 단말은 NIC(Network Interface Card)를 가지고 있다. NIC는 장치간 식별을 위해 6Bytes의 링크층 주소를 단말에 제공한다. 이를 MAC 주소라고 하며, 각 바이트를 콜론으로 분리해 16진수로 표기하는 방식을 사용한다.

 

 MAC 주소에서 앞의 3Bytes는 OUI(Organiztionally Unique Identifier)라고 하며, 제조회사 등을 식별하는 내용을 담고 있다. 뒤의 3Bytes는 제조회사에서 개별적으로 붙이는 주소이다. MAC 주소는 그 경우의 수가 매우 많아 유일한 값을 가지며, 이런 이유로 NIC 내의 ROM에 MAC 주소를 영구기록한다. MAC 주소는 가장 왼쪽에 위치한 비트의 값을 통해 그 형태를 구분한다. 가장 좌측 비트에 따라 그 값이 0이면 Unicast, 1이면 Multicast, 주소값이 FF-FF-FF-FF-FF-FF이면 Broadcast이다.

 

 

 

4. 이더넷의 진화

 

 가. 1세대, 10Mbps Ethernet

 이더넷이 사용한 최초의 물리매체는 굵은 동축케이블이었다. 이처럼 초기에는 케이블 위주의 버스 토폴로지 방식(10Base5, 2)을 사용했지만, 이후 UTP 케이블을 사용하여 허브를 중심으로 연결하는 스타 토폴로지 방식(10BASE-T)으로 변화하였다. 물리적으로는 배선형태가 변화했지만 허브는 1계층에서 동작하므로 논리적으로는 여전히 버스형 구조를 유지하였다.

 

 기술의 발전과 더불어 표준에도 여러 차례 변경이 있었는데, 그 중에서 가장 대표적인 것이 2계층 장비인 브리지(bridge)와 스위치(switch)의 사용이다. 단말이 많은 네트워크의 경우 하나의 매체의 대역폭을 서로 공유해서 사용하면 전송속도가 낮아지게 된다. 그런 경우 브리지를 사용해 네트워크를 분할하여 운영하면 각각의 네트워크에 연결된 단말의 수가 줄어들어 전송속도가 높아지는 효과를 얻을 수 있다. 스위치는 브리지의 개념을 확대한 것으로 대역폭을 단말과 스위치 사이에만 공유하여 사용한다. 스위치를 사용할 경우 10BaseT에서는 Full-duplex 전송방식을 사용할 수 있다. 현재는 10Mbps 이더넷은 거의 사용하지 않는다.

 

 다음은 10Mbps 이더넷의 물리계층에 대한 내용이다.

 

 - 10Base5 : 굵은 동축케이블을 공유매체로 사용하며, 공유매체의 길이는 최대 500m, 단말과의 송수신 케이블은 최대 50m까지 사용할 수 있다. 버스 토폴로지를 이용한다.

 

 - 10Base2 : 얇은 동축케이블을 공유매체로 사용하며, 공유매체 길이는 최대 185m이다. 버스 토폴로지를 이용한다.

 

 - 10Base-T : UTP Cat.3 2선형식을 사용하며, 전송길이는 100m이다. 물리적으로 스타 토폴로지를 이용하는데 사용되는 허브는 물리계층에서 동작하므로 공유매체와 동일한 역할을 수행한다. 즉, 모든 충돌은 허브 내에서 발생하게 된다.

 

 - 10Base-F : 광케이블 2선형식을 사용하며, 전송길이는 2km이다. 스타 토폴로지를 이용한다.

 

 

나. 2세대, 100Mbps Fast Ethernet

 FDDI와 같은 고속의 토큰 링 통신방식 등이 등장하면서 이더넷도 전송속도를 100Mbps까지 올려야 했다. 기존의 이더넷과 호환되기 위해서 MAC 부계층을 그대로 유지하여 동일한 MAC 주소 체계와 프레임 형식을 갖는다. 전송속도가 10배 증가하면서 전송매체 길이도 1/10로 줄어들어야 했는데 이런 이유로 동축케이블을 이용한 버스 토폴로지 방식이 배제되었고, 오로지 스타 토폴로지만을 사용하게 되었다. 또한 전송속도가 10/100Mbps로 이원화 되어 장비들이 동작모드를 설정할 수 있도록 AN(Auto Negotiation) 기능이 추가되었다. 물리계층에는 부호화 방식이 맨체스터 방식이 아닌 4B/5B 방식이 사용되었다.

 

 다음은 100Mbps 이더넷의 물리계층에 대한 내용이다.

 

 - 100Base-TX : UTP 혹은 STP를 2선형식으로 사용한다. 전송길이는 100m이다.

 

 - 100Base-FX : 광케이블을 2선형식으로 사용한다. 전송길이는 185m이다.

 

 - 100Base-T4 : UTP를 4선형식으로 사용한다. 전송길이는 100m이다.

 

 

다. 3세대, 1Gbps Ethernet

 1998년에 802.3z 표준으로 정의되었으며, WAN에서 파생된 LAN 기술인 ATM LAN을 밀어내고 고속 LAN 시장을 석권하였다. 주소길이, 프레임 형식, 프레임의 최대, 최소 길이를 유지하여 기존의 이더넷과의 호환성을 확보하였다. 전송방식에서 Half-duplex와 Full-duplex 모드를 모두 지원하지만 거의 대부분 Full-duplex가 사용되고 있다.

 

 - Half-duplex 전송방식

 기존의 이더넷에서 프레임의 최소길이는 64Bytes(512bits)인데 1Gbps에서 슬롯시간은 0.512us로 10Mbps Ethernet에 비해 1/100만큼 줄어들어 동일한 최소길이를 유지하게 될 경우에 충돌을 감지하지 못하는 문제가 발생한다. 충돌감지를 만족하는 매체길이는 25m로 사용환경이 크게 제한된다. 이런 이유로 최소길이를 512Bytes(4096bits)로 증가시켜 충돌감지 문제를 해결하였으며, 기존의 이더넷과의 호환성을 위해 512Bytes보다 작은 프레임의 경우 Carrier Extention 기법을 사용하여 프레임의 끝에 특별한 형태의 확장비트를 추가하여 512Bytes로 프레임 크기를 맞춘다. 기존 최소길이에 비해 8배가 증가했으므로 전송길이도 8배 증가한 최대 200m까지 증가시킬 수 있어 단말에서 허브까지는 그 절반인 100m의 전송길이를 적용할 수 있다.

 

 Carrier Extention 기법은 프레임의 길이가 512Bytes보다 작은 경우 필요없는 비트가 추가되어 전송속도가 감소하고, 대역폭이 낭비되는 단점을 가지고 있다. 이를 해결하기 위해 Frame Bursting 기법이 사용되는데 첫번째 프레임을 충돌없이 전송하고 난 이후에는 다른 단말과 경쟁없이 매체를 사용할 수 있으므로 다수의 프레임 사이에 확장비트를 추가해 하나의 프레임인 것처럼 만들어 전송하는 것이다.

 

 - Full-duplex 전송방식

 Full-duplex에서는 단말이 허브(L1)가 아닌 스위치(L2)에 연결되어 충돌이 발생하지 않는다. 따라서 CSMA/CD 프로토콜이 사용되지 않으므로 충돌감지를 위한 전송길이 제한이 없다는 뜻이다. 전송길이는 오로지 신호감쇠에 따라서 결정되어 기존의 반이중 방식보다 더 먼 거리까지 데이터 전송이 가능하다. Carrier Extention 기법을 사용할 필요가 없으므로 프레임의 최소길이도 기존의 64Bytes를 사용한다.

 

 다음은 1Gbps 이더넷의 물리계층에 대한 내용이다.

 

- 1000Base-SX : 전송매체로 단파장(Shortwave) 광케이블을 2선형식으로 사용하며, 전송길이는 550m이다.

 

- 1000Base-LX : 전송매체로 장파장(Longwave) 광케이블을 2선형식으로 사용하며, 전송길이는 5km이다.

 

- 1000Base-CX : 전송매체로 STP를 2선형식으로 사용하며, 전송길이는 25m이다.

 

- 1000Base-T4 : 전송매체로 UTP를 4선형식으로 사용하며, 전송길이는 100m이다.

 

 

 

라. 4세대, 10Gbps Ethernet

 전세계적으로 네트워크 및 인터넷 트래픽이 급증하면서 이더넷의 전송속도와 길이를 늘려서 LAN뿐만 아니라 MAN이나 WAN에서도 사용하는 것에 대한 수요가 생기기 시작했다. 이에 2000년 1월에 IEEE P802.3ae에 대한 태스크포스가 구성되었고, 2002년 6월에 10Gbps 이더넷에 대한 표준인 802.ae가 공식 승인되었다.

 

 10Gbps 이더넷은 오로지 전이중 전송방식만을 지원하여 1Gbps까지 지원되던 Half-duplex 전송방식을 지원하지 않게 되었으며, 이에 따라 CSMA/CD 프로토콜도 사용되지 않는다. 충돌 검출이 사라지면서 전송매체의 길이에 대한 제약도 줄어들어 최대 40km까지 지원하게 되었다. 또한 물리계층에서 전송매체로 오로지 광케이블(ISO/IEC 11801)만을 사용하도록 규정했다. 기존의 이더넷과의 호환성을 위해 주소길이, 프레임 형식, 프레임의 최대, 최소 길이를 유지하였다. 기존 WAN의 기술표준인 SONET의 프레임 형식인 STS-192c을 지원한다.

 

 

마. 5세대, 40/100Gbps Ethernet

 2010년에 IEEE 802.3ba 표준으로 개발되었다. 기존의 이더넷과의 호환성을 갖추고 있으며, 동시에 두 개의 속도를 규정하는 최초의 표준이다. 링크 집성(Link Aggregation) 방식을 크게 단순화하여 효율적인 고속 데이터전송이 가능하다.

 

 

 

5. 참고문헌

 

1) Behrouz A. Forouzan, “데이터통신과 네트워킹” 5th Edition, McGraw-Hill Korea, 2013

2) 이동은, 조상엽, “IEEE 802.3ae 10Gb/s 이더넷의 표준화 동향”, 대한전자공학회, 2002년

3) 차재복, 정보통신기술용어해설, http://www.ktword.co.kr

4) 디지털 데일리, “‘10G 다음은 25G’…데이터센터 100G 전환 대비 25G 이더넷 움직임 주목”, 2014년 8월 13일, http://www.ddaily.co.kr/news/article.html?no=121429

5) Stephen Lawson, “속도 이상을 노린다! 이더넷 신기술 4종”, CIO코리아, 2014년 10월 21일, http://www.ciokorea.com/news/22699

6) IEEE-SA, “IEEE 802.3™-2012”, http://standards.ieee.org/about/get/802/802.3.html

7) 시스코위키, “Ethernet Technologies”, 2009, http://docwiki.cisco.com/wiki/Ethernet_Technologies

8) 위키피디아, “Ethernet”, 2016, https://en.wikipedia.org/wiki/Ethernet

9) EE Times Asia, “IEEE certifies 40-/100Gbit/s Ethernet standard”, 2010년 6월 29일, http://www.eetasia.com/ART_8800610868_499488_NT_c37bbb78.HTM

10) The National Museum of American History, “Ethernet Prototype Circuit Board”, http://americanhistory.si.edu/collections/search/object/nmah_687626