Network Access Layer - TCP/IP Layer 1

TCP/IP 모델의 최하위 계층으로, OSI 7계층의 물리 계층(Physical Layer)과 데이터 링크 계층(Data Link Layer)을 포함한다.

• 주요 역할
  • 논리 주소(IP)를 물리 주소(MAC)로 변환하고, 에러 제어 및 흐름 제어
  • 소프트웨어적인 데이터(패킷)를 전기 신호로 변환하여 물리적 매체를 통해 실제로 전송하는 역할
  • 각 장비들은 MAC 주소를 가지고 통신하며, 하나의 컴퓨터에 여러 개의 NIC(Network Interface Card) 존재 가능
• 전송 단위: 프레임(Frame)
• 식별자: MAC 주소(Media Access Control Address)
• 주요 프로토콜: Ethernet, Wi-Fi(802.11), PPP

이더넷

가장 대표적인 LAN 통신 기술로 데이터를 프레임이라는 단위로 캡슐화하여 전송하며, 각 필드는 데이터의 무결성과 목적지 도달을 보장한다.

| Preamble(8) | Dest MAC(6) | Source MAC(6) | EtherType(2) | Payload(46~1500) | FCS(4) |

• Preamble: 1과 0이 반복되는 비트열로, 수신 측과 송신 측의 클럭 동기화를 맞추고 프레임의 시작을 알림
• Destination MAC: 수신자의 물리적 주소 (6바이트)
• Source MAC: 송신자의 물리적 주소 (6바이트)
• EtherType: 상위 계층의 프로토콜 타입(IPv4, IPv6, ARP 등)을 식별 (0x0800: IPv4)
• Payload: 상위 계층(IP 계층)에서 내려온 데이터. 최소 46바이트에서 최대 1500바이트(MTU)
  • 데이터가 46바이트보다 작으면 패딩(Padding)을 채워 최소 길이를 맞춤
• FCS (Frame Check Sequence): 데이터 전송 중 에러 발생 여부를 확인하기 위한 CRC 값

네트워크 장비(Hardware)

TCP/IP 1계층에서 사용되는 네트워크 장비로는 허브(Hub)와 스위치(Switch)가 있다.

• 허브: OSI 1계층 장비로, 단순히 들어온 신호를 증폭하여 연결된 모든 포트로 전송
  • MAC 주소: 데이터 링크 계층이 아니기 때문에 MAC 주소 개념 X
  • 브로드캐스팅: 목적지를 확인하지 않고 모든 포트로 신호를 보냄 (Flooding)
  • 충돌 도메인(Collision Domain): 허브에 연결된 모든 장비는 하나의 충돌 도메인에 속하여, 장비가 많아질수록 통신 속도가 급격히 저하
  • Half-Duplex: 송신과 수신이 동시에 불가능하며, 충돌 위험이 있음
• 스위치: OSI 2계층 장비로, MAC 주소를 인식하여 목적지 포트로만 데이터를 전송
  • MAC 주소 테이블: 포트와 MAC 주소의 매핑 정보를 저장하여 관리
  • Full-Duplex: 송신과 수신을 동시에 수행 가능
  • 충돌 도메인 분리: 각 포트가 독립적인 충돌 도메인을 가짐
  • MAC 주소 학습 / VLAN 지원 / 충돌 X
  • 스위치의 종류
    • L2 Access switch
      • End-Point와 직접 연결되는 스위치
      • Mac 주소를 기반으로 스위칭
      • 대략 사무실 방 단위
    • L2 Distribution switch
      • L2 Access switch를 연결하는 스위치
      • VLAN(Virtual LAN) 기능 제공
      • 대략 사무실 층 단위

허브와 스위치의 차이점을 정리하여 표로 나타내면 아래와 같다.

특성	허브	스위치
동작 계층	Physical (L1)	Data Link (L2)
주소 할당	없음 (MAC 주소 없음)	MAC 주소 사용하여 특정 포트로 전송
통신 방식	Half-Duplex(한 번에 한 방향)	Full-Duplex(동시 송수신)
전송 방식	Flooding (단순 복제)	Unicast / Multicast / Broadcast
트래픽 관리	모든 포트로 브로드캐스트	특정 포트로 트래픽 직접 전달
대역폭	모든 포트가 대역폭 공유 (1/N)	각 포트가 독립적 대역폭 보장
보안	패킷 스니핑에 취약	상대적으로 안전 (목적지로만 전송)
충돌 처리	CSMA/CD[1]	충돌 없음
MAC 주소 학습[2]	X	O
VLAN 지원[3]	X	O

1. CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)

이더넷의 반이중(Half-Duplex) 통신 환경(주로 허브)에서 충돌을 제어하는 알고리즘이다.

• Carrier Sense: 회선이 사용 중인지 감시
• Multiple Access: 비어 있으면 누구나 데이터 전송 가능
• Collision Detection: 전송 중 충돌이 감지되면 즉시 전송을 중단하고 잼(Jam) 신호를 보냄
• Backoff: 랜덤한 시간(Binary Exponential Backoff)만큼 대기 후 재전송 시도

2. MAC 주소 학습 기능

연결된 디바이스의 MAC 주소를 학습하고, 해당 MAC 주소를 가진 디바이스가 연결된 포트로만 프레임을 전송한다.

1. 플러딩: 허브와 같이 스위치에 연결된 모든 포트로 프레임을 전송
2. 포워딩과 필터링: 수신한 프레임의 목적지 MAC 주소를 참조하여 정확한 포트로 프레임을 전송하고, 해당 MAC 주소를 가진 디바이스가 연결된 포트로만 프레임을 전송
3. 에이징: 일정 시간 동안 프레임을 수신하지 못한 포트의 MAC 주소를 삭제

3. VLAN

물리적인 스위치 연결과 상관없이 논리적으로 네트워크(브로드캐스트 도메인)를 분할하는 기술이다.

• 목적: 보안 강화, 불필요한 브로드캐스트 트래픽 차단, 네트워크 관리 효율성 증대
• 802.1Q (Tagging): 이더넷 프레임의 Source MAC과 EtherType 사이에 4바이트의 VLAN 태그를 삽입하여 패킷이 어느 VLAN 소속인지 구분
• Trunk Port: 여러 VLAN의 트래픽을 하나의 물리적 링크로 전송하기 위해 사용하는 포트(스위치 간 연결에 주로 사용)

스위치의 동작 원리

스위치는 들어오는 프레임의 MAC 주소를 보고 다음 행동을 결정한다.

flowchart TD
    Start[프레임 수신] --> Learn{Source MAC 학습}
    Learn -->|테이블에 없음| Add[MAC 테이블에 Source MAC와 포트 등록]
    Learn -->|테이블에 있음| Update[Aging Time 갱신]
    Add --> CheckDest{Dest MAC 확인}
    Update --> CheckDest
    CheckDest -->|테이블에 있음| Forward[해당 포트로만 전송 - Unicast]
    CheckDest -->|테이블에 없음| Flood[들어온 포트 제외 모든 포트로 전송 - Flooding]
    CheckDest -->|브로드캐스트 주소 FF:FF . . .| Flood

1. Learning (학습): 프레임의 출발지(Source) MAC 주소를 읽어, 해당 주소가 어떤 포트에 연결되어 있는지 MAC 테이블에 기록
2. Flooding (플러딩): 목적지(Destination) MAC 주소가 테이블에 없거나 브로드캐스트 주소인 경우, 유입된 포트를 제외한 모든 포트로 프레임 전송
3. Forwarding (전송): 목적지 MAC 주소가 테이블에 존재하면, 해당 포트로만 프레임 전송
4. Filtering (필터링): 목적지 포트 외의 다른 포트로는 프레임이 가지 않도록 방지
5. Aging (에이징): 테이블의 공간 효율성을 위해 일정 시간 동안 통신이 없는 MAC 주소 삭제

참고자료

• 외워서 끝내는 네트워크 핵심이론 - 기초
• 현실 세상의 컴퓨터 공학 지식 - 네트워크