🍋네트워크 3일차(4.13) 이더넷 케이블 FastEthernet(100BaseTX)과 GigabitEthernet 토큰링(Token Ring) FDDI ATM LANE 콜리전(충돌) 도메인(collision domain) 브로드캐스트 도메인(broadcast domain) 브릿지

  간단하게 케이블을 정리하면 
▪ 데이터 전송 매체로 
유선은 크게 STP/UTP, 동축(Coaxial) 케이블, 그리고 광(Fiber Optic) 케이블이 있고, 
무선은 공기를 매체로 하므로 물리적인 실체는 없다. 
▪ 광 케이블은 광선(laser나 LED)으로 데이터를 전송한다. 점차로 무선 네트워크가 활성화 되고 있는데 빠르고 잡음 등이 없기 때문에 광 케이블에 대한 수요가 늘고 있는 추세이다. 
  광으로 데이터를 전송하므로 
EMI(Electronic Magnetic Interference: 전자기장간섭)나 
RMI(Radio Magnetic Interference: 방자기장간섭)가 없고, 전기신호도 없으므로 
ESD(Electro Static Discharge: 정전기)도 없고 보안도 탁월하다. 
▪ 동축 케이블은 RG(registered)로 분류하고, 
    STP/UTP는 CAT로 분류하며,  
    광케이블은 ST/MT 두 종류로 분류한다. 

  Ethernet Cable
  Thicknet(10Base5) : 이는 두꺼운 동축케이블(coaxial cable)을 사용해서 데이터를 전달하는데 RG-8로 정의되어 있다. 케이블이 두꺼워서 작업하기 어려우므로 현재는 거의 사용하지 않는다. 한 세그먼트 당 최대 전송거리가 500m이다. 10Mbps로 작동하며 스위치 등의 연결은 15핀 AUI(Attachment Unit Interface)를 사용한다. Vampire Tap을 사용하기도 한다.
  Thinnet(10Base2) : 이는 얇은 동축케이블을 사용해서 데이터를 전달하는데 케이블 TV나 브로드밴드의 케이블(RG-6)과 유사하지만 똑같지는 않다. 이 케이블은 RG-58로 정의되어 있으며 버스 토폴로지에서 주로 사용되고 한 세그먼트 당 최대 전송거리는 185m이다. 10Mbps로 작동하고 연결 부위는 BNC(Bayonet Neil Connector)를 사용하는데 BNC는 탈착이 용이하도록 바요네트(Bayonet) 타입으로 되어 있다.  
  10BaseT : 이는 스타 토폴로지에서 주로 사용되며 10Mbps로 작동되고 최대 전송거리는 100m이다. 연결은 허브(Hub)를 주로 사용한다. 전화선과 비슷한 케이블을 사용하는데 현재 대부분 사용하고 있는 100Mbps에서는 CAT5 케이블을 사용한다. 이 케이블은 EMI(Electronic Magnetic Interference)에 대비해서 보호막이 있고 작업하기 쉬우며 구현이 용이하다.

 

 Electronic Magnetic Interference (EMI)는 전자기적으로 발생하는 잡음 현상을 의미합니다. 이는 전자기장이 다른 장치나 시스템으로 전달될 때 발생하는 현상으로, 전자 기기의 동작을 방해하거나 손상시킬 수 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 전자 제품 설계에서 EMI를 감소시키기 위한 적절한 쉴드링 기술 및 필터링 기술을 적용해야 합니다. 또한, 전자 제품을 사용할 때 주변에 다른 전자기기가 있을 경우 서로 간섭이 발생하지 않도록 조심해야 합니다.

  FastEthernet(100BaseTX)과 GigabitEthernet : 이는 1995년 IEEE 802.3u 프로젝트로 고안되었는데 CAT3, 광케이블, 구리선 등에서 동작하는 여러 가지 버전이 있지만 표준은 CAT5이다. 기존 10BaseT에 비해서 속도는 10배 빠르고 기존 인프라 변경 없이 기존 그대로 사용할 수 있다는 장점이 있다. 연결을 허브대신 100Mbps 스위치로 바꾸기만 하면 된다. 최대 전송거리는 역시 100m이다. 
  Gigabit Ethernet은 FastEthernet 다음 버전으로 1998년 IEEE 802.3z 프로젝트로 만들었다. 1000BaseX로 광섬유를 사용한다.  

  토큰링(Token Ring)  
  토큰링 아키텍처는 IBM이 고안했으며 모든 네트워크 인터페이스 안에 리피터가 들어있다. 따라서 토큰링은 이더넷보다 구현에 비용이 더 들지만 더 안전하고 신뢰성 있고 빠르다. IEEE는 IEEE 802.5로 토큰링을 규정했다. 토큰링에서는 두 개의 인터페이스가 필요하기 때문에 토큰링용 NIC가 따로 있어야 하고 케이블은 광 케이블이나 STP를 사용하면 된다. 토큰링 역시 MAU(Multistation Access hUb)나 MSAU(MultiStation Access hUb)라는 장치로 케이블을 연결한다. 
  따라서 토큰링은 논리적으로는 링이지만 물리적으로는 스타형을 이룬다. 하지만 이더넷과 다르게 링을 타고 전달되는 프레임은 하나의 토큰(token)뿐이다. 4, 16, 100Mbps로 동작할 수 있고 CAT5 케이블을 사용할 수 있으며 네트워크 카드에는 IN/OUT 두 개 포트가 있어야 하므로 토큰링에 맞는 전용 네트워크 카드를 사용해야 한다.
=>FDDI(Fiber Distributed Data Interface) : 100Mbps LAN을 위한 사양으로 토큰링과 유사한 토큰패스를 사용하지만 광케이블에서 동작하므로 매우 빠르고 신뢰성이 높아서 서버 등을 연결해 둔 백본(backbone) 네트워크에서 주로 사용된다. 1980년대 ISO에서 정한 표준에 따르면 한 세그먼트에서 최대 2km에 달하는 긴 케이블을 한 노드에 두 개를 달 수 있다. 
  FDDI 링은 서로 반대 방향으로 도는 이중 링으로 구성되어져 있어서 1차 링(primary ring)이 고장 나도 2차 링(secondary ring)을 통해서 즉시 프레임이 반대방향으로 계속해서 흐를 수 있게 하는 DAS 장치를 사용한 래핑(wrapping) 기법이 사용된다. 따라서 네트워크 카드는 4개의 인터페이스가 있어야 한다. 데이터 전송은 단일 모드 광섬유나 다중 모드 광섬유를 통해서 이뤄지는데 단일 모드는 광원으로 Laser를 사용하고 다중 모드는 LED를 사용한다. 다중 모드에서 빛은 약간 다른 각도로 입사되기 때문에 단말기에 시차를 두고 도달되므로 다중 모드는 단거리에 좋고 단일 모드는 장거리에서 효과가 좋다. 
  FDDI는 SAS(Single Attachment Station), DAS(Dual Attachment Station), 그리고 집중화기(Concentrator) 세 가지 방식으로 연결된다. 
=>ATM(Asynchronous Transfer Mode) : ATM은 음성, 화상, 데이터를 동일한 매체를 통해서 전송하는 기법이어서 여러 종류의 데이터가 하나의 패킷 속에 존재하게 된다. ATM은 WAN 프로토콜이다. ATM은 비동기식 데이터전송 방법을 사용하므로 어느 한 스테이션이 대역폭을 독점하지 못해서 다양한 형태의 데이터를 묶어서 전송할 때 최적이다. 대역폭은 보통 초당 수 기가비트로 음성과 화상 데이터와 같은 대용량을 빠르게 전송할 수 있다. 또 이런 큰 데이터를 즉시 보내기 위해서 패킷대신 53바이트의 일정크기를 가진 단위인 53Byte 셀(cell) 단위로 전송한다. 53Byte 중에서 48Byte가 데이터이고 나머지 5Byte는 ATM 헤더이다. MTU 1500Kbps이므로 데이터의 크기가 달라지면 데이터를 규정하는 부분이 달라질 수 있다(<-runt packet, gigantic packet도 해킹에서 사용되는 패킷이다). 
==>LANE(LAN Emulation) : LANE은 WAN에서 주로 사용되는 ATM을 이더넷이나 토큰링으로 **에뮬레이트(emulate)해서 LAN에서도 사용할 수 있도록 한 기법인데, 비용이 많이 들고 설정이 복잡해서 실용성은 없는 편이다. LANE은 MAC_주소를 ATM 주소로 변환시켜서 ATM이 물리층 및 데이터링크층 캐리어로 사용되게 하므로 네트워크 아키텍처도 LAN에서 주로 사용하는 IEEE 802.3 Ethernet이나 IEEE 802.5 TokenRing이 된다. OSI 모델의 상위계층들도 ATM에서도 잘 들어맞는다. 

 

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에뮬레이트(emulate)는 원래의 시스템, 장치, 소프트웨어 등을 모방하여 동일하거나 유사한 기능을 다른 환경에서 구현하는 것을 의미합니다. 즉, 하드웨어나 소프트웨어를 다른 시스템이나 환경에서 동작하도록 모방하는 것이라고 할 수 있습니다.

▪ 콜리전(충돌) 도메인(collision domain) : 서로 직접 연결되어 있어서 한 호스트가 데이터를 전송할 때 다른 호스트들과 다투어야 하는 호스트들의 논리적 그룹이다. 충돌 도메인이 클수록 대역폭이 줄어들므로 충돌 도메인을 나누는 것이 필요하다. 하지만 허브나 리피터는 단순히 연결 장치여서 아무 도움이 되지 못하고 스위치나 브리지로 충돌 도메인을 나눈다.
▪ 브로드캐스트 도메인(broadcast domain) : 같은 브로드캐스트를 받는 노드들의 논리적 그룹이다. 이 브로드캐스트 영역이 커져도 네트워크 효율이 나빠지므로 브리지나 스위치 장비를 사용해서 충돌 도메인을 작게 분리할 수는 있지만 여전히 이들은 하나의 브로드캐스트 도메인에 속하기 때문에 스위치나 브리지는 브로드캐스트 도메인을 분할 할 수 없고, 라우터로 브로드캐스트 도메인을 나눌 수 있다. 

=>허브/리피터 : 충돌 도메인 0, 브로드캐스트 도메인 0 <- L1
    스위치/브리지 : 충돌 도메인 x, 브로드캐스트 도메인 0 <- L2
    라우터 : 충돌 도메인 x, 브로드캐스트 도메인 x <-L3

=>브로드캐스트 규모가 작을 수록 네트워크 효율이 좋아진다. 
    100대가 있는 네트워크에 라우터를 하나 넣어서 50대씩 두 개의 브로드캐스트 도메인으로 만들면 브로드캐스트 도메인은 2개가 되지만 각 브로드캐스트 규모는 100에서 50으로 줄어들어서 효율이 더 좋아진다.

 

cf. L3 스위치(스위치+라우터) 

  이더넷 허브는 신호를 증폭해서 거리를 연결시켜주는 리피터를 여러 개 묶어놓은 멀티포트 리피터로 보는 것이 가장 적절한 표현일 것이다. 물리층에서 작동하므로 리피터처럼 충돌 도메인과 브로드캐스트 도메인 크기는 허브가 있으나 없으나 그대로이다. 
  허브는 몇 가지로 나누는데, 
∎ 단지 연결만 제공하는 허브를 더미 허브(dummy hub)라고 부르고 
∎ 허브에 관리 소프트웨어를 넣어서 좀 더 효율적으로 사용하게 한 허브를 인텔리전트 허브(intelligent hub)라고 하는데 일종의 브리지와 같은 기능을 한다. 네트워크 시스템에서는 인텔리전트 허브를 많이 사용한다. 
∎ 요즘엔 허브에 빠른 스위치 기능을 추가한 스위칭 허브(switching hub)도 많이 보급되어 있다. 또 
∎ 허브를 여러 겹으로 묶어서 사용하는 스태커블 허브(stackable hub)도 있다. 

  허브는 입력 대역폭을 포트 수로 나누어서 연결된 각 노드에게 전송한다.
100M로 입력되는데 포트 4개이면 각 포트별로 25M씩 전송한다.
  하지만 스위치는 포트별로 모든 대역폭을 다 전송한다.
100M로 입력되는데 포트가 20개면 각 포트별로 100M를 전송한다.
=>100Mx20=1G는 아니다. 여전히 100M이다.  

  브리지(Bridge)
  브리지는 스위치처럼 데이터링크층에서 작동하는 장치인데 LAN 1과 LAN 2를 이어주는 역할을 해서 라우터와 비슷한 기능을 하는 것처럼 보이지만 브로드캐스트를 함께 공유하므로 라우터는 아니다. 
  대학 캠퍼스 등에서 건물 1(LAN 1)과 건물 2(LAN 2), 각 층을 이어주는 장치로 인텔리전트 허브와 더불어 이 브리지가 가장 좋을 수 있다. 브리지는 LAN 1 세그먼트에 속한 모든 노드의 MAC_주소와 LAN 2 세그먼트에 속한 모든 노드의 MAC_주소를 CAM (Content Addressable Memory) 메모리에 브리징 테이블로 가지고 있다가 LAN 1 세그먼트 내에서 송수신되는 프레임은 브리지 장치를 건너오지 못하게 하고 LAN 2로 건너갈 필요가 있는 프레임만 통과시키므로 충돌 도메인을 반으로 줄여주는 효과가 있다. 하지만 브로드캐스트 도메인은 여전히 하나이다. 노드는 다른 노드와의 연결선 상에 브리지가 있는 것을 알 수 없는데 이런 것을 네트워크나 프로그래밍에서는 투명하다(transparent)라고 한다.  
  브리지는 Learning, Filtering, Blocking, Flooding, Forwarding, 그리고 Aging 등의 과정을 통해서 프레임을 통제하는데 어느 포트가 Forwarding이거나 Blocking인 상태를 Converged(수렴) 상태이라고 부른다.

 

1. Learning: 브리지는 프레임의 출발지 MAC 주소를 기억하고, 어느 포트에서 수신되었는지도 기록합니다. 이를 통해 브리지는 네트워크 상의 모든 디바이스의 MAC 주소와 연결된 포트 정보를 파악합니다.
2. Filtering: 브리지는 프레임의 목적지 MAC 주소를 확인하여 수신된 포트를 제외한 다른 모든 포트에서 해당 프레임을 필터링합니다. 이를 통해 브리지는 프레임이 불필요하게 전파되는 것을 방지합니다.
3. Blocking: 브리지는 루프 상태를 방지하기 위해 특정 포트를 차단합니다. 브리지는 특정 프레임을 수신하면 이를 통해 루프가 발생하는지 확인하고, 루프가 발생할 가능성이 있는 포트를 차단합니다.
4. Flooding: 브리지는 목적지 MAC 주소를 파악하지 못한 경우, 모든 포트를 통해 프레임을 전송합니다. 이를 통해 목적지 MAC 주소를 가진 디바이스를 찾을 수 있습니다.
5. Forwarding: 브리지는 목적지 MAC 주소를 파악한 경우, 해당 목적지 디바이스가 연결된 포트로만 프레임을 전송합니다. 이를 통해 네트워크 성능을 최적화합니다.
6. Aging: 브리지는 일정 시간이 지나면 자동으로 기존에 학습한 MAC 주소와 포트 정보를 삭제합니다. 이를 통해 네트워크에서 발생하는 변화를 반영할 수 있습니다.

브리지에서 모든 포트가 Forwarding 또는 Blocking 상태가 되면 수렴(Converged) 상태라고 부릅니다. 이는 브리지에서 프레임 전달이 안정적으로 이루어지고 있는 상태를 말하며, 네트워크가 안정적으로 동작하고 있는 것을 의미합니다.

 

Forwarding: Forwarding은 목적지 MAC 주소를 확인한 후 해당 프레임을 목적지 디바이스가 연결된 포트로 전송하는 것을 말합니다. Forwarding은 브리지나 스위치 등의 네트워크 장비가 프레임을 전송할 수 있는 상태를 말합니다. 목적지 MAC 주소를 확인하고 포워딩을 하지 못하는 경우, 브로드캐스트 프레임을 보내거나, 다른 프레임 제어 기술을 사용합니다.

Filtering: Filtering은 프레임의 목적지 MAC 주소를 확인한 후 해당 프레임을 필요한 포트로만 전송하고, 불필요한 포트에서는 제거하는 것을 말합니다. Filtering은 네트워크에서 프레임을 제어하고 불필요한 프레임이 전파되는 것을 방지하여 네트워크 성능을 최적화합니다.

따라서, Forwarding은 목적지 디바이스로 데이터 프레임을 전송하는 것을 중점으로 한다면, Filtering은 불필요한 프레임을 걸러내고 필요한 프레임만 전송하는 것을 중점으로 합니다. Forwarding과 Filtering은 모두 네트워크 성능을 최적화하는데 중요한 역할을 합니다.