자격증/정보통신기사

기본이론 - 정보통신기기(3) - L2/L3, CSMA, VLAN, 패킷교환

슈케르 2025. 5. 7. 20:46
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중요한 개념과 단어 설명은 TTA 한국정보통신기술협회 및 용어 설명 사이트를 참고하였습니다.

https://terms.tta.or.kr/main.do

http://www.ktword.co.kr/index.php

Wiki(https://www.wikipedia.org/)와 copilot의 도움도 받았음을 밝힙니다.

 

<목차>

  1. L2 Switch
  2. L3 Switch
  3. CSMA
  4. VLAN
  5. 데이터 전송방식
  6. 패킷교환 방식

1. L2 Switch (Layer 2 Switch, 2계층 스위치)

  - L2 스위치는 통상 그냥 스위치라고도 하며, 계층 2에서 동작하는 스위치를 의미함

    또한, `스위칭 허브`에다가 고급기능을 부가한 고가형 장비를 의미하기도 함
  - 각 포트들은 계층 2 에서 각각의 MAC 주소를 갖게됨

  - 수신된 MAC 프레임의 목적지 주소를 보고 빠르게 출력 포트를 찾아서 포워드시킴
  - 오늘날의 LAN Switch 장비들은 대부분의 허브들을 대체 함

  - L2 스위치의 기능

    * 러닝(learning) : 출발지 주소가 MAC table에 없으면 MAC주소 저장

    * 플로딩(flooding) : 목적지 주소가 MAC table에 없으면 전체 포트에 전달

    * 포워딩(forwarding) : MAC 테이블에 목적지 주소가 있을 경우 해당 포트로 프레임 전달

    * 필터링(filtering) : 출발지, 목적지가 동일 네트워크에 존재 시 다른 네크워크로 전파 차단

    * 에이징(aging) : MAC table의 주소는 일정 시간 후 삭제

  - 메시지 단위 : 프레임   

2. L3 Switch (Layer 3 Switch)

  - Layer 2 스위치 기능과 Layer 3 라우터 기능 모두를 갖춘 장비
  - 라우터를 스위치 내에 수용시켜 계층 3 (네트워크 계층)에서 동작시킨 장치 
  - 사실상, 빠른 동작을 하는 라우터 정도로 이해해도 무방

  - 메시지 단위 : 프레임, 패킷

  -  라우터 및 L3 스위치 비교
    * 라우터      : 소프트웨어 기반의 라우팅을 함
    * L3 스위치 : 하드웨어 기반의 라우팅을 함
     - CPU 에 의한 소프트웨어적인 라우팅이 아닌, ASIC 기반의 고속의 라우팅 수행

 

3. CSMA (Carrier Sense Multiple Access, 반송파 감지 다중 접속)

  - 각 노드들이 프레임을 전송하려고 공유 매체(반송파)에 접근하기 전에 먼저 매체가

    사용중인지 확인(Carrier Sensing)하며 다중접속(Multiple Access)하는 방식

  - 작동방식 :

    * 패킷의 송출을 개시하기 직전에 채널이 사용중(busy)인지 아닌지(idle)를

      반송파 검출(Carrier Sense)에 의하여 조사. 

      즉, Listen Before Talk (LBT, `말하기 전에 듣기`)
      ==> 만일 채널이 비어 있으면, 자신의 패킷을 송출 전송하고 사용중이면,

            채널이 빌 때까지 합리적인 방식(행동양식)으로 기다림

 

  *  CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection, 충돌 검출)

    * 유선 LAN 방식 중 반이중 방식의 이더넷(Ethernet)에서 

       각 단말이 신호 전송을 위해 전송 공유 매체에 규칙있게 접근하기 위한

       매체 엑세스 제어 방식, 확장성이 매우 우수하다.

 

이더넷 프레임 포맷, IEEE 802.3

 

    * 채널 사용중 검출 및 전송

      ** Listen Before Talk (LBT)

        - 충돌을 감소시키기 위해 패킷의 송출을 개시하기 직전(송신 요구시)에

          채널이 사용 중인가 아닌가를 신호 검출(Carrier Sensing)에 의하여 조사
       - 만일 채널이 비어 있으면 자신의 패킷을 송출 전송
      ** Listen While Talk (LWT)
       - 송출 중에도 송신측은 지속적으로 충돌 감지(Collision Detection)를 함
      ** 충돌 검출후 재전송 전에 임의 백오프 대기
       - 충돌 발생을 알고난후 재전송을 확률적으로 정해지는 시간 만큼 잠시 중지 후 시도 

 

  *  CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance, 충돌 회피)

      ** 충돌회피 작동방식
        - 자신의 데이터를 송신하기 전에 무선매체를 살피고 (Listen)

          회선이 비어있다고 판단되면 (캐리어 센싱)
          일단 정해진 시간 만큼은 기다리며 (IFS)
          이때 난수를 발생시키고 그 값 만큼 기다림
       -  무선매체가 사용중이면 점차 그 간격을 늘려감 (이진 지수 백오프)
       - 즉, 랜덤화한 구분된 시간(경쟁윈도우) 후에 전송매체가 미사용으로 판단한 경우에만 전송

 

4. VLAN

  2계층(데이터링크 계층) 상에서 논리적이고 유연한 망을 구성 가능케 하는 가상 LAN

  (IEEE 802.1Q 규격)
  - 물리적인 배선 구성에 제한을 받지 않음
  - 네트워크내 구성 단말의 추가,삭제,변경 용이
  - 물리적으로 떨어져있는 노드들을 자유롭게 그룹 단위로 묶을 수 있음

  - 각 VLAN별로 브로드캐스트 도메인을 융통적으로 설정되게 함 
    즉, 1개의 VLAN = 1개의 논리적 브로드캐스트 도메인 = 1개의 논리적 네트워크 
              = IP 서브넷(Subnet) = 1개의 VLAN ID
    이로써, 1 이상 다수의 스위치로, 복수의 가상 LAN들을 다룰 수 있게 됨

 

<VLAN 별로 멤버쉽/그룹핑 (Membership) 하는 방식>

물리적,수동적 구분 : 물리적인 포트에 의한 (Port-based) VLAN
       1계층(물리계층)에서 포트 단위로 만, 단말의 멤버쉽 구분 관리
       VLAN 수 만큼, 포트,케이블들을 따로따로 준비해야 함
논리적,능동적 구분 : MAC 주소에 의한 VLAN
       2계층(데이타링크계층)의 MAC 주소에 의해, 단말의 멤버쉽 구분 관리
IP 주소에 의한 VLAN
       3계층 (망계층)의 IP 주소에 의해, 단말의 멤버쉽 구분 관리
       하나의 스위치 상에서도 여러 논리적 IP 서브 네트워크 구분 가능
프로토콜에 의한 VLAN (Protocol based VLAN)
       1~3계층 기능들을 모두 사용하여, 단말의 멤버쉽 구분 관리
       프로토콜 종류 뿐만 아니라, MAC 주소나 포트번호 모두 사용

 

5. 데이터 전송방식

  a) WDM (Wavelength Division Multiplexing, 파장분할 다중화방식)
     - 서로 다른 파장의 여러 광 신호들을 여러 파장대역을 통해 단일 광섬유로 동시에 전송
     - 하나의 광섬유에 입력 채널 신호들을 각기 다르게 할당된 채널 파장대역을 통해
       동시에 전송하는, `광 다중화 방식`
     - 각 입력 채널 마다 다른 각각의 파장대역을 할당하게 됨
     - 광섬유 저손실 파장대역(특히,1550nm)을 여러 좁은 채널 파장대역으로 분할시킴 

     - 채널수가 적은 순서대로 (파장의 간격이 좁은 순서)

       CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing)
       Dense WDM (DWDM)

       UDWDM

                         

 

  b) Full-Duplex (전이중 전송방식)
     - 데이타 전송의 흐름 방향이 항상 양 방향으로 동시에 전송이 가능함
     - 전용으로 할당된 채널을 통해, 양단간 점대점(point-to-point) 연결에 의해

       동시적 양방향 통신이 가능함을 의미

  c) Half-Duplex (반이중 전송방식)

     - 양쪽의 통신 교신자가 모두 전송할 수 있으나 어느 특정 시각에서는 한 방향으로 만 전송이 가능한 것


  ※ 데이터링크계층(2계층)은 병렬 전송 보다는 직렬 전송 방식을 주로 사용하고,
      이는 크게 비동기식, 동기식 으로 구분됨 

 

  d) 동기식 전송 (Synchronous Transmission) 방식

    - 각 문자 간격이 항상 규칙적 이려면 송신기 및 수신기 클럭이 장시간 동안 동기상태에

      있도록 추가적인 비용 요구됨
    - 매 문자 마다의 동기에 따른 부담이 별로 없어 고속 전송이 가능

  e) 비동기식 전송 (Asynchronous Transmission)  방식
    - 만약 전송된 데이터의 각 문자 간격이 불규칙하다면 이때 각각의 문자는 비동기식 방식으로 전달되며,
      수신기는 새로이 수신된 문자의 시작에서 매번 재 동기하여야 함
    - 매번 동기에 따른 부담으로 인해 저속 전송에 많이 쓰임 (UART, RS-232C)등

 

  ※ 비동기식 전송 및 동기식 전송 차이
     - 비동기 통신 : start 비트 와 stop 비트로 구분 (수신되는 매 바이트 마다 동기화 필요)
     - 동기 통신   : 별도 클럭(타이밍) 신호선을 갖거나, 망 동기 등으로 동기 유지 (Clock-based)

     - 동기/비동기 혼합형 : 두 가지의 장점을 결합한 것. 송신측과 수신측이 동기 상태에 있어야 한다.

 

6. 패킷교환방식 (Packet Switching System)

  축적 교환 방식의 일종으로서, 메시지 교환 방식이 전문(電文)을 완전히 축적한 다음 송출하는 데 반하여 모든 전문을 패킷 단위(예로서 최대 1,000비트 정도)로 분할하여 이 단위마다 수신인의 주소, 그 밖의 제어 정보를 부가하여 전송하는 방식. 회선 교환에 가까운 즉시성과 부호, 전송 속도의 투명성이 있다.

     - 메시지교환과 회선교환의 장점을 결합하고,
     - 두 방식의 단점을 최소화시킨 교환기술

 

  1) 가상 회선(Virtual Circuit) 방식  : 연결지향성, 길고 연속적인 전송에 효율적. 

        - 연결 설정 단계가 존재한다.

        - 패킷 도착 순서가 송신 순서와 일치한다. 전송속도가 빠르다.
        예)  X.25,  Frame Relay,  ATM 등

  2) 데이터그램 (Datagram) 방식 : 비연결형, 짧은 전송에 적합

        - 패킷 도착 순서가 송신 순서와 다르다. 전송속도가 느리다.
        예) 인터넷, 라우터

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