Link Layer (in TCP/IP 4 Layers)

2023.04.13 - [Network/Network 스터디] - Application Layer (in TCP/IP 4 Layers)

2023.04.29 - [Network/Network 스터디] - Transport Layer (in TCP/IP 4 Layers)

2023.05.11 - [Network/Network 스터디] - Network Layer (in TCP/IP 4 Layers)

Application Layer (in TCP/IP 4 Layers)

 

Transport Layer (in TCP/IP 4 Layers)

 

Network Layer (in TCP/IP 4 Layers)

이전 포스팅에서는 TCP/IP 4계층의 응용, 전송, 네트워크 계층을 다루었다.

이번 포스팅에서는 네트워크 계층 아래에 위치하는 링크 계층에 대해 다룰 예정이다.

 

링크 계층(Link Layer)

링크 계층은 네트워크 계층과 물리 계층 사이에 위치하는 계층으로 프레임화, 링크 접속, 오류 검출 및 정정, 신뢰적 통신 등의 서비스를 제공한다. (이에 대해서는 아래에서 더 자세히 다룰 것)

앞서 다룬 응용 계층, 전송 계층, 네트워크 계층이 호스트의 소프트웨어(CPU, OS)에서 작동하는 것과 달리 링크 계층은 소프트웨어와 NIC(네트워크 인터페이스 카드, 컨트롤러)라 불리는 하드웨어에서 나뉘어 작동한다. 이렇게 구성되어 있는 이유는 결국 통신이 전기 신호(물리적 신호)로 이루어지기 때문에 계층 상의 어느 한 지점에서는 하드웨어와 소프트웨어를 잇는 가교 역할을 수행해야하고 그 역할을 링크 계층이 수행하기 때문이다.

프레임화

앞서 다룬 계층들의 PDU(Protocol Data Unit)를 리마인드 해보자. 

전송 계층은 세그먼트였다. 응용 계층에서 건네받은 메시지를 세그먼트 헤더와 함께 감싸서 생성하는데, 이 때 송수신 측의 포트 번호가 함께 포함된다.

네트워크 계층은 데이터그램이였다. 전송 계층에서 건네받은 세그먼트를 데이터그램 헤더와 함께 감싸서 생성하고, 이 때 송수신 측의 IP 주소가 함께 포함되는 형태였다.

포스팅에서 다루는 링크 계층은 프레임이라는 PDU를 갖는다. 이에는 송수신 측의 MAC 주소, 타입(네트워크 계층 프로토콜 종류), 데이터(네트워크 계층에서 수신한 데이터그램) 등이 포함된다. 프레임은 64바이트라는 최소 크기 제한을 가지는데, 이에 대한 이유는 아래에서 다룰 것이다. 프레임 헤더의 크기는 18바이트이기 때문에, 만약 네트워크 계층에서 수신한 데이터그램이 46바이트보다 작다면 패딩을 통해 46바이트를 맞춰준다.

오류 검출 및 정정

링크 계층은 오류 검출을 위해 CRC라는 방법을 사용한다. 이 방식을 사용하면 더 정확한 오류 검출이 가능해지고 이를 토대로 정정까지 가능하다.

전송 계층과 네트워크 계층에서 사용되는 체크섬 방식과는 조금 대조적이다. 대신 CRC 방식이 그만큼 더 무겁고 느리다.

전송 계층과 네트워크 계층은 소프트웨어 위에서 작동하기 때문에 더 가볍고 빠른 체크섬 방식을 채택한 것이고, 네트워크 계층은 전용 하드웨어를 구성할 수 있기 때문에 더 복잡한 연산이 필요한 CRC 방식을 채택할 수 있었던 것이다.

다중 접속 문제 및 프로토콜

링크 계층 간의 통신은 전기 신호를 통해 이루어진다. 하나의 링크(가령 유선 네트워크)에 단 2대의 호스트만 연결되어 있는 상황을 예로 들어보자. 송신측 호스트는 전기 신호를 케이블에 흘려보내고 이를 수신측이 받게 된다. 1대1로 통신을 수행하는 것이다. (점대점 링크)

만약 이 링크에 호스트가 1대 더 추가된다면? 송신 측이 수신 측과 1대1로 전기 신호를 주고 받을 수 있을까? 이는 불가능하다. 하나의 호스트에서 흘려보내는 전기 신호는 링크 내 모든 호스트에 전파된다. (브로드캐스트 링크) 이러한 환경에서 조정이 없을 경우, 전기 신호는 서로 간섭(충돌)을 일으키므로, 링크는 마치 시장통처럼 왁자지껄한 상태가 되어 그 누구도 정확한 통신을 수행할 수 없을 것이다.

이를 다중 접속 문제라고 한다. 그리고 이를 해결하기 위한 다중 접속 프로토콜들이 존재한다.

채널 분할 프로토콜

특정 링크에 존재하는 노드(호스트)들의 수가 N이고, 해당 링크의 전송률을 R이라고 할 때 채널 분할 프로토콜은 모든 노드들이 동일한 R/N 대역폭을 갖도록 하는 프로토콜이다. 이를 위해 시 분할 방식과 주파수 분할 방식을 사용할 수 있다.

시 분할 방식은 특정 단위 시간을 N개의 시간 슬롯으로 분할한 뒤 각 시간 슬롯을 링크 내 노드들에게 할당하는 방식으로 작동한다. 

주파수 분할 방식은 하나의 링크를 주파수로 나눈다. (하나의 주파수는 R/N의 대역폭을 가짐) 그 후 이를 모든 노드에 할당하는 방식으로 작동한다.

채널 분할 프로토콜은 충돌을 방지하고 모든 노드들에게 공평하게 대역폭을 분할한다는 장점을 갖는다. 하지만 이 방식은 프레임을 전송하고자하는 노드가 단 하나일 때도 R/N 대역폭 밖에 사용하지 못한다는 단점이 존재한다.

랜덤 접속 프로토콜 (CSMA/CD)

랜덤 접속 프로토콜은 링크 내 모든 노드들이 최대 대역폭을 사용하여 프레임 전송을 시도한다. 이 경우 충돌이 문제가 된다. 특정 노드가 하나의 프레임을 전송하는 과정에서 충돌을 감지하게 되면 그 즉시 전송을 중지한다. 기존에 프레임 전송이 얼마가 이루어졌던지 전송을 일괄적으로 취소하는데, 그 이유는 전기 신호가 아무리 빛의 속도로 전파되어도 결국은 속도가 존재하는 물리적인 매체이기 때문에 송신 측 노드에서 충돌을 감지하는 순간에는 이미 그 사이의 링크에는 충돌이 이미 발생하고 있는 것이기 때문이다. 

전송이 취소된 노드는 전송을 다시 시작해야 하는데 전송이 취소된 순간부터 랜덤 시간 이후에 전송을 재개한다.

랜덤 접속 프로토콜에는 다양한 방법론이 존재하지만, 여기에서는 CSMA/CD 방식을 다루겠다. 

CSMA/CD 방식에서 CS란 Carrier Sense를 의미한다. 이는 신호 감지로 표현할 수 있는데, 보내야 할 프레임이 존재하는 노드는 링크 상에 흐르는 전기 신호가 있는지 감지하고, 없다면 프레임 전송을 시작하는 것을 의미한다. 

하나의 프레임을 전송하는 과정에 충돌이 감지되면 그 즉시 전송을 중지한다. 이를 CD, Collision Detection이라고 한다.

이후 앞서 언급한 것처럼 충돌이 발생한 노드들은 각자 무작위 시간 이후에 전송을 처음부터 다시 시작한다. 이 때 각 노드들이 대기하는 시간은 완전 무작위는 아니고, 어느 정도 작은 시간 범위 내에서 결정된다. 그러다가 CD가 반복적으로 발생하면 이는 링크가 혼잡하다는 증거이므로 점점 대기 시간 범위가 늘어나게 된다. 

통신 과정 (ARP)

링크 계층에서 프레임을 송신하는 과정은 다음과 같다. 

1. 프레임을 전송할 노드의 MAC 주소 획득
   • 네트워크 계층으로부터 데이터그램을 수신
   • 데이터그램의 목적지 IP 주소를 이용하여 다음 목적지 노드 MAC 주소를 얻어오는 과정이 필요
   • 이를 획득하기 위해 ARP 프로토콜을 사용
   • ARP 프로토콜은 ARP 테이블을 유지하며 이에는 {IP 주소 : MAC 주소}의 데이터 구조가 포함
   • 만약 ARP 테이블에 목적지 IP 주소에 대한 MAC 주소가 없을 시 이를 획득하기 위해 링크 내 모든 노드로 ARP 요청을 브로드캐스팅
   • 자신의 IP와 동일한 ARP 요청을 수신한 노드는 ARP 응답을 생성하여 자신의 MAC 주소를 반환
   • 이를 통해 브로드캐스팅을 수행한 노드는 ARP 테이블을 갱신
2. 프레임 생성
   
   • 앞서 획득한 목적지 MAC 주소를 이용하여 프레임 헤더를 생성하고 데이터그램과 합쳐서 프레임 생성
3.  다중 접속 프로토콜을 활용하여 프레임 송신

스위치

스위치란 링크 계층에서 동작하는 장비로, 링크 계층에서 발생하는 다중 접속 문제를 완화하기 위해 등장했다.

다중 접속 문제를 완화하기 위한 다양한 프로토콜이 존재하지만, 이는 단순히 최악의 상황인 충돌을 방지하기 위한 방법이고 각 노드가 전체 대역폭을 전부 활용하기가 어렵다는 문제는 여전히 존재했다. 

스위치는 이러한 환경 속에서 모든 노드와 점대점 링크를 맺는 방식으로 문제를 해결했다. 하나의 스위치에는 노드와 연결을 위한 다수의 인터페이스가 존재하고 이들은 각각 하나의 노드와 점대점 링크를 형성한다. 점대점 링크이기 때문에 스위치와 연결된 각 노드는 R의 100% 대역폭을 활용하여 프레임을 전송할 수 있다. 

자가학습

이제 스위치와 송신 측 노드가 점대점 링크를 맺는 것은 알겠는데, 그렇다면 스위치가 어떻게 프레임을 올바른 수신 측 노드에 보내주는 것일까? 이를 위해 스위치는 스위치 테이블이라는 것을 유지하고, 이를 관리하기 위해 자가학습이라는 방식을 사용한다.

스위치 테이블은 {스위치 인터페이스 : MAC 주소}의 데이터 구조를 갖는다.

송신 측에서 프레임 전송을 위해 링크로 전기 신호를 흘려보내면 이를 스위치가 감지한다. 이를 감지한 스위치 인터페이스가 0이라고 가정하면, 스위치는 인터페이스 0과 송신 측 노드가 연결되어 있다는 사실을 알게 된다. 스위치는 이를 활용하여 스위치 테이블을 갱신한다. 그 후 프레임 헤더의 수신 측 MAC 주소를 확인한다. 만약 스위치 테이블에 수신 측 MAC 주소가 존재한다면 해당하는 인터페이스로 프레임을 흘려보낸다. 이 때 스위치 테이블에 수신 측 주소가 없다면, 이 때는 모든 인터페이스로 전기 신호를 흘려보내어 프레임을 브로드캐스팅한다. 링크 상에 수신 측이 존재한다면 송신 측에 응답 프레임을 보낼 것이고, 이 과정에서 스위치는 수신 측의 MAC 주소와 인터페이스를 테이블에 반영하는 식이다.

스위치 vs 라우터

스위치와 라우터를 표로 비교하면 다음과 같다.

	스위치	라우터
동작 계층	링크 계층	네트워크 계층
목적지 결정법	플러딩	라우팅 알고리즘(LS, DV 등)
캐싱 테이블	스위치 테이블	라우팅 테이블