LAN은 Local Area Network의 약자로, 장비들을 네트워크로 연결하고자 하는 기관에서 소유한다. 내부망의 통신 부하가 더 크기 때문에, LAN은 WAN보다 큰 용량을 가진다.
Topology(토폴로지)는 디바이스나 스테이션 등이 상호 연결된 네트워크 연결 형태를 의미한다. 버스, 트리, 링, 스타 4가지가 대표적이고, 스위치를 중심으로 연결하는 스타 토폴로지가 가장 대중적이다.
LAN 프로토콜 구조
물리, MAC, LLC(논리적 링크 제어)
IEEE 802 참조 모델
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최하위 계층은 OSI 모델의 physical layer에 해당하고 [신호의 부호화/복호화] [프리앰블 생성/제거(동기화)] [비트 송수신]의 기능을 포함
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전송 매체와 토폴로지에 대한 규격을 포함: OSI 모델 최하위 계층보다 로우레벨이지만, LAN 설계에 있어 전송 매체와 토폴로지 선택이 매우 중요하기 때문.
•
data link layer: physical layer 위에 LAN 사용자에게 서비스를 제공하는 기능이 있음
◦
MAC(Medium access control)
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전송할 때는 주소와 오류검출필드와 함께 데이터를 프레임으로 바꿈
▪
수신할 때는 프레임을 분해하여 주소 인식과 오류 검출
▪
LAN 전송 매체에 대한 접근 제어
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LLC(Logical Link control)
▪
상위 계층에 대한 인터페이스를 제공하고, flow control과 error control을 수행
◦
구분의 이유
▪
공유 매체에 대한 접근을 관리하는 데 필요한 논리는 기존 2계층 데이터 링크 제어에서 찾기 힘듬
▪
같은 LLC에 대해 다양한 MAC 선택 가능
상위 계층의 데이터 → LLC에 전달
→ 헤더에 제어 정보 첨부 + PDU(protocol data unit, LLC 프로토콜 데이터 단위) 생성 + 제어 정보로 LLC 프로토콜 작업
→ 전체 PDU를 MAC 계층에 전달
→ 패킷 앞뒤에 제어 정보를 붙여 MAC 프레임 형성
→ 프레임의 제어 정보가 MAC 프로토콜 작업에 필요
LLC: Logical Link Control
중간의 교환 노드 없이 두 스테이션 사이에서 링크 수준의 PDU 전송에 관여
다중접속 기능과 링크의 공유 매체 특성을 지원해야 함(주 노드가 없음)
MAC 계층으로 인해 링크 접근의 상세함에서 해방되어 있음
주소와 관련하여 LLC 사용자(발신지, 목적지) 명시
사용자 == 상위계층 프로토콜 또는 스테이션의 네트워크 관리 기능
LLC 사용자 주소 == OSI 용어로 SAP(서비스 접속점)이라고 함
HDLC를 따라 만들어서 기능과 형식이 비슷함
차이
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연결방식: HDLC의 balanced mode 이용
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번호를 붙이지 않는 PDU를 사용하여, 확인응답 없는 비연결 서비스 사용
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LSAP를 사용해 multiplexing 허용
MAC 프레임 형식
MAC 계층은 LLC 계층으로부터 데이터 블록을 받아, 매체 접근과 관련된 기능을 수행하고 데이터를 전송함. 계층에 맞는 PDU를 사용하여 기능 구현. PDU == MAC FRAME
정확한 MAC 프레임의 형식은 실제 사용하는 프로토콜에 따라 차이
MAC 프레임 구조 / 형식
MAC 제어: MAC 프로토콜의 기능을 수행하는 데 필요한 프로토콜 제어 정보(우선순위 수준 등)
목적지 MAC 주소: LAN에서의 목적지 | 발신지 MAC 주소: LAN에서의 발신점
LLC: 바로 위 계층으로부터의 LLC 데이터
CRC: FCS(프레임 검사 비트열, 순환 중복 검사 비트열). 오류 검출 코드.
오류 검출 뿐 아니라 손상된 프레임의 재전송을 통해 복구.
MAC addresses
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32-bit IP address: nw-layer address for interface
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layer 3 forwarding을 위해 사용됨
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MAC address:
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LAN에서의 물리적 종착점에 사용됨
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48-bit MAc address(for most LANs)
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LAN에서 unique한 32-bit IP address도 가지고 있음.
ARP: address resolution protocol
ARP table: LAN 위의 각 IP 노드(Host, Router)는 table을 가짐
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IP/MAC address는 <IP address; MAC address; TTL> 형태로 매핑
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TTL(Time To Live): time after which address mapping will be forgotten
Bus Topology
무선 LAN의 특징과 일부 유사하고, 무선 LAN 접속 프로토콜의 핵심 요소는 버스 토폴로지에서 진화
특징
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모든 스테이션이 tap이라 불리는 인터페이스 하드웨어를 통해 버스(선형 전송 매체)에 직접 부착됨
•
스테이션 
탭 양방향 동작으로, 데이터를 버스로 보내거나 버스에서 데이터를 받을 수 있음
탭 양방향 동작으로, 데이터를 버스로 보내거나 버스에서 데이터를 받을 수 있음•
어느 스테이션에서 전송을 보내든, 전송이 양방향으로 매체 길이만큼 전파되면서 다른 스테이션이 받게 됨.
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버스의 양 끝에는 신호를 흡수함으로써 버스에서 신호를 제거하는 terminator 존재
문제
1.
어느 한 스테이션에서 보낸 것은 다른 모든 스테이션에서 받을 수 있기 때문에, 누구에게 보내는 것인지 알리는 방법이 필요.
⇒ 프레임 구조로 해결: 데이터를 수신할 곳을 알려주는 기법
2.
둘째, 전송을 제어하는 기법이 필요
•
버스에 있는 2개의 스테이션이 동시에 전송할 경우, 신호가 겹쳐서 뒤섞임.
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어느 스테이션이 오랜 시간동안 계속 전송하려고 하는 경우(독점) 문제 발생.
⇒ 스테이션들이 협력하여 전송할 순서를 정함
해결
•
스테이션은 프레임으로 데이터를 전송
•
각 프레임은 스테이션이 보내려는 데이터 부분과, 제어 정보를 담은 프레임 header로 구성
•
버스 상의 스테이션은 유일한 주소(identifier, 식별자)를 할당받고, 헤더에는 프레임의 목적지 주소 존재.
Star Topology
각 스테이션이 공통된 central node에 연결되어 있음(두개의 점대점 링크)
•
central node 동작방식
1.
중앙 노드가 브로드캐스트 방식으로 동작: 어느 스테이션에서 노드로 프레임을 보내면, 이를 다른 모든 링크로 다시 보냄
물리적 모양은 star, 논리적으로는 bus
한번에 한 스테이션만이 성공적 전송 가능
⇒ 이 경우 중앙 노드 == Hub
2.
중앙 노드가 프레임의 교환장치 역할: 들어오는 프레임은 노드의 버퍼에 저장하고, 목적지 스테이션으로 나가는 링크로만 보냄
Hub
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star 형식에 activecentral element
•
각 station은 hub에 2개의 Line으로 연결됨
•
repeater 처럼 동작
•
100m로 길이 제한, opticalfiber은 500m 정도
•
물리적으로 star, 논리적으로 bus
Ethernet Switch
Link Layer device로, active role을 가짐
•
store, forward Ethernet frames
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frame을 선택적으로 forward할 수 있음. CSMA/CD를 사용해서 access segment에 접근
•
transparent: hosts들이 switch의 존재를 모름.
•
plug-and-play, self-learning: configure될 필요가 없음
이점
1.
접속된 장치의 SW나 HW의 변경 없이, 버스 LAN이나 허브 LAN을 2계층 스위치 LAN으로 바꿀 수 있음. 이더넷 LAN의 경우, 접속 장치는 LAN에 접근하기 위해 이더넷 매체 제어 프로토콜을 계속 사용. 접속된 장치의 입장에서 접근 논리가 바뀌지 않음.
2.
2계층 스위치가 접속된 모든 디바이스를 수용할 만큼 용량이 있다고 가정할 때, 접속된 각각의 장치는 기존 LAN의 전체 용량과 동일한 전용 용량을 가짐.
EX) 2계층 스위치가 20Mbps의 처리율을 유지할 수 있을 때, 각 장치는 10Mbps의 전용 용량을 가짐(연결 디바이스 2개)
3.
2계층 스위치는 쉽게 확장됨
스위치 종류
1.
Store-and-forward Switch
: 입력선으로부터 프레임을 받아 잠시 저장 후, 적합한 출력선으로 전송
: 지연(delay)를 유발하지만, 네트워크 전체의 무결성(integrity)를 끌어올림
2.
Cut-Through switch
: 목적지 주소가 MAC 프레임의 시작 부분에 있다는 것을 이용해서, 목적지 주소를 인식하자마자 들어오는 패킷을 적합한 출력선으로 바로 repeat.
: 효율은 좋지만(처리율 측면에서), 재전송 전에 CRC 검사를 할 수 없기 때문에 불량 프레임을 전달할 위험이 있음.
Switch: multiple simultaneous transmissions
•
host는 이미 dedicate되어 있고, switch로의 direct connection
•
buffer에 있는 packet을 스위칭
•
imcoming link를 모두 활용함
◦
no collision: full duplex
◦
each link is its own collision domain
•
switching: collision 없이 동시에 transit 가능
Switch forwarding table
각 스위치는 스위치 테이블을 가지고 있고, 라우팅 테이블과 유사함
구조: (host의 MAC 주소, reach host와의 interface, time stamp)
Self-Learning
호스트들이 어떤 인터페이스를 통해 Reach하는지 학습함
테이블에 sender/location pair를 저장해 줌
Bridges, 브릿지
서로 같은 종류의 LAN을 연결하는 데 유용.
같은 프로토콜을 사용하는 LAN을 연결하는 데 사용되도록 설계됨.
장점: 신뢰성, 성능, 보안, 배치
기능
•
수신한 프레임의 형식이나 내용을 바꾸지 않고 추가적인 내용을 헤더에 넣지도 않음.
•
프레임은 단순히 LAN에서 LAN으로 복사하여 repeat
•
최대 수요를 수용할 수 있을 만큼 충분한 버퍼 공간을 확보해야 함. 프레임이 재전송하는 속도보다 더 빨리 도착할 수 있음.
•
경로 배정과 관련된 기능이 있어야 함. 어떤 프레임을 전달하기 위해 각 네트워크에 있는 주소를 알고 있어야 함. 많은 브릿지로 연결한 2개 이상의 LAN은 존재할 수 있는데, src에서 dst로 가는 경로에서 여러개의 브릿지를 통해 전달 가능.
•
하나의 브릿지로 두 개 이상의 LAN 연결 가능
Switch vs Bridge
Bridge | Switch |
Frame Handling done in SW | Performs frame forwarding in HW |
Analyzes and forwards on frame at a time | Can Handle Multiple frames at a time |
Uses store-and-forward operation | Can have cut-through operation |
Switch vs Router
Router | Switch |
3계층 | 2계층 |
routing algorithm으로 ip address를 계산 | self-learn, flooding Mac address 학습 |
common:
1.
store-and-forward
2.
forwarding table 가짐
Virtual LAN(VLANs)
물리적 장치의 이동이나 분리 없이 소프트웨어로 하나의 LAN에서 구현되는 논리적인 부그룹
사용자 스테이션과 네트워크 장치들을 물리적인 LAN에 관계없이 하나의 브로드케스트 도메인으로 묶는 것
LAN 스위치에서 구현되고, MAC 계층에서 기능함
목적: 해당 VLAN 내로 트래픽을 격리시키는 것.
다른 VLAN 끼리 연결하기 위해서 라우터가 필요하거나, 스위치의 부분 기능으로 구현할수도
Port-Based
스위치 포트가 그룹화되어 있음
스위치: 두가지 유형의 포트를 가짐
•
트렁크 포트: 2개의 스위치 사이를 연결
•
종단 포트: 스위치에 각 말단 시스템을 연결
장점: 쉽게 설정 가능
단점: 종단 장치의 포트번호가 변경되면 관리자가 VLAN 멤버 설정을 다시 해 줘야 함
•
traffic isolation: 격리된 포트 번호들 사이에서만 포트 통신 가능
•
dynamic membership: 포트들이 VLANS 통해 dynamic하게 assign
•
forwarding btw VLANs: 라우팅을 통해(혹은 다른 스위치들을 통해) 구현됨
spanning multiple switches
•
trunk port: 여러개의 물리적인 스위치들 위에 정의된 VLANs 사이에서 프레임이 오감
VLAN Frame Format