데이터 링크 계층
프레임(Frame)이라는 단위로 데이터를 전송하는 계층이다. 주요 기능은 오류 검출 및 복구, 흐름 제어, 프레임의 순서 보장, 중복 제거 등이다.
주요 서비스 유형
1. 비연결형 서비스 - 연결 설정 없이 데이터를 전송하므로 신뢰성을 보장하지 않는다.
2. 비연결형 + 확인 응답 서비스 - 수신자가 데이터를 수신한 후 송신자에게 응답을 보낸다. 체크섬 정보를 함께 전달하여 수신자가 오류 여부를 확률적으로 검증한다. 확률적인 방식이므로 완전하지 않으며, 지연이 발생할 수 있다. 데이터 링크 계층에서 검출하지 못한 오류는 상위 계층에서 검증하게 된다. 다중 검증을 통해 네트워크의 신뢰성이 향상된다.
3. 연결형 + 확인 응답 서비스 - 연결을 설정한 후 데이터를 전송하며, 손실이나 중복 없이 정확한 전송을 보장한다.
데이터링크 레이어에서 하는 일
오류 복구
프레임 전송 후 응답이 없거나 오류가 감지되면 해당 프레임을 재전송한다.
프레임을 구분하기 위해 시퀀스 번호를 사용한다.
효율적 전송
여러 프레임을 한 번에 전송하여 속도를 향상시킨다.
이 과정에서도 오류 복구, 순서 보장, 중복 제거가 일어나며, 시퀀스를 이용해 선택적 재전송이 이루어진다.
채널
여러 사용자가 통신을 위해 공유하는 매개체(대체로 케이블)를 말한다. 동시 사용에 의한 충돌을 최소화해야 한다.
이상적인 채널 할당은 충돌이 없고 사용자가 많아져도 효율이 떨어지지 않는다.
충돌 전략
* 정적 할당 - 사용자가 전체 자원의 일부를 독점한다. 주파수 분할, 시간 분할 방식 등이 있다. 비활성 사용자에게 자원이 할당되면 자원 낭비가 발생할 수 있다.
* 동적 할당 - 사용자의 요구가 있을 때 자원을 할당한다. 충돌 가능성이 있으므로 효율성과 유연성이 요구된다.
* 이상적 할당 - 사용자 간 충돌이 없고, 사용자가 많아도 자원 효율이 높은 방식이다.
실제 적용되고 있는 방법
Multiple Access Protocols (다중 접근 프로토콜)
CSMA/CD - 이더넷 유선 네트워크에서 사용되며, 전송 전에 채널 상태를 확인하고 충돌이 감지되면 전송을 중지하고 랜덤한 시간 후 재전송한다.
CSMA/CA - 무선 네트워크에서 사용된다. 물리적으로 충돌 감지가 어려워 충돌을 회피하는 방식으로 동작한다. 전송 중인 신호가 있는지 확인하고, 전송 허가를 받아야 한다 (RTS - 전송 준비 알림 / CTS - 수신 준비 알림).
토큰 링 방식 - 토큰이 네트워크를 순환하며, 토큰을 받은 노드만 데이터 전송 권한을 가진다. 전송이 끝나면 토큰은 다시 네트워크를 순환한다.
TDMA - 주어진 시간에만 데이터를 전송하는 방식이다. 여기서 말하는 주어진 시간은 각 노드가 할당받은 시간 슬롯을 의미한다.
CDMA - 각 사용자가 고유한 코드를 사용해 데이터를 인코딩하여 동시에 통신할 수 있다. 단, 직교성을 유지하기 어려워 구현이 복잡하다.
전송상태 확인(Carrier Sense) - 전송 중인 신호가 있는지를 확인하는 것. 유선의 경우 채널 상태는 케이블에 흐르는 전기 신호를 감지하여 판단한다.
이더넷 - 유선 네트워크에서 가장 널리 쓰이는 표준
모든 컴퓨터가 동일한 케이블을 공유한다.
목적지 MAC 주소를 사용하며, 이는 스위치의 특정 포트에 매핑된다.
허브
허브는 CSMA/CD 프로토콜을 사용한다. 전송 전에 채널 상태를 확인하고, 충돌이 발생하면 즉시 전송을 중단한 뒤 랜덤한 시간 후에 재전송한다.
과거에는 허브를 사용해 모든 기기가 하나의 케이블을 공유하고, 모든 기기가 모든 데이터를 수신했다. 각 기기는 프레임의 목적지 MAC 주소가 자신의 것과 일치하는 경우에만 데이터를 처리했다.
그러나 이러한 방식은 충돌이 빈번하고 네트워크 부하가 증가할수록 성능 저하가 심해지는 문제가 있어, 현재는 거의 사용되지 않는다.
스위치
내부에 MAC 주소 테이블을 관리한다. 데이터를 수신하면 목적지 MAC 주소를 확인하고 해당 포트로만 데이터를 전송한다.
초기에는 MAC 주소 테이블이 비어 있지만, 송신자가 통신을 시작하면 해당 포트와 MAC 주소가 테이블에 등록된다.
목적지 MAC 주소가 없거나 브로드캐스트 주소인 경우, 모든 포트로 데이터를 전송한다.
내부 네트워크(LAN)의 통신을 관장하며, 별도의 주소를 가지지 않는다. 단지 내부 랜선들을 관리하는 장치이다. 스위치는 상위 계층에서 별도로 인식되지 않으며, 단순히 MAC 주소 기반으로 프레임을 전달하기 때문에 transparent device라고 불린다.
흐름 제어 기능은 없으며, 단순히 목적지 MAC 주소를 기준으로 포트를 연결한다.
각 포트가 독립적으로 연결되어 있어 물리적인 간섭이 없다.
여러 단말기가 동시에 한 기기로 데이터를 전송하면, 내부의 버퍼 큐를 통해 처리된다.
버퍼가 가득 차면 이후 프레임은 폐기되며, 이때 TCP와 같은 상위 프로토콜이 이를 감지하고 재전송을 요청한다.
재전송 관리는 스위치의 역할이 아니며, 상위 계층이 담당한다.
네트워크 구분
내부/외부 네트워크 여부는 목적지 IP에 서브넷 마스크를 적용해 판단한다.
내부 네트워크 통신 시, 목적지 IP의 MAC 주소를 찾기 위해 ARP(Address Resolution Protocol)를 통해 브로드캐스트가 수행되며, 수신 기기는 자신의 MAC 주소를 응답으로 보낸다. 이 정보를 기반으로 통신이 이루어진다.
외부 네트워크와 통신 시, 게이트웨이가 수신자가 된다. 네트워크 설정 시 지정된 게이트웨이의 IP 정보를 이용해 MAC 주소를 알아낸 뒤, 데이터는 실제 목적지 IP를 헤더에 포함한 채 게이트웨이로 전송된다. 게이트웨이는 이를 기반으로 인터넷 통신을 수행한다.
무선인터넷
무선랜 - 무선랜 802.11은 물리 계층과 데이터링크 계층의 MAC 계층 일부를 포괄하는 무선 LAN 통신 규격이다.
운영모드로는 인프라스트럭처모드 - AP(Access Point)를 중심으로 한 구조(WiFi), 애드혹 모드 - AP없이 단말간 직접 통신이 있다.
용어
AP(access point) - 유선 네트워크를 무선 네트워크로 변경시켜주는 기기
랜선을 PC에 직접 꽂은 경우
랜선을 통해 라우터(공유기)에 연결됨
라우터의 DHCP 기능으로 IP가 자동 할당됨
해당 PC는 네트워크를 단독으로 사용
같은 랜선을 AP에 꽂은 경우
AP가 그 랜선을 통해 유선 네트워크에 연결
AP는 자신이 직접 사용하지 않고, 무선 기기들의 중계자 역할을 수행
AP에 연결된 무선 기기들 각각이 라우터로부터 IP를 개별적으로 할당받음
비콘 - AP가 주기적으로 방송하는 프레임. 기기가 무선랜을 스캔할 때 이를 수신하여 SSID, 지원 속도, 보안 방식 등의 정보를 파악함
hop
패킷이 한 네트워크 장치에서 다음 장치로 전달되는 단계.
한 홉을 지날 때마다 MAC 프레임이 새로 생성됨 (출발지는 프레임을 생성하는 지점이므로 hop으로 세지 않음)
데이터 변조 방식
DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum)
각 비트를 pseudorandom한 칩 시퀀스로 변환되어 송신됨
신호 확산으로 간섭과 도청에 강함
802.11b
OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)
전체 대역폭을 여러 좁은 부채널로 나눠 동시에 전송
멀티패스 간섭에 강함, 고속 전송 가능
802.11a/g/n/ac/ax
MIMO(Multiple Input Multiple Output)
여러 개의 송수신 안테나 사용 → 동시 스트림 전송
데이터 속도와 신뢰성 향상
802.11n 이후
무선랜의 계층구조
물리 계층
기능: 신호 인코딩/디코딩, 주파수 선택, 전송률 설정
변조 방식: DSSS, FHSS, OFDM 등
데이터 링크 계층의 일부
Media Access Control 계층
기능: 채널 접근 제어, ACK 처리
접근 방식 - 충돌 감지할 수 있는 이더넷과 다르게 충돌 회피(CSMA/CA)를 사용. -> 충돌을 감지할 수 없기 때문에 ACK 프레임을 통한 신뢰성 확보가 필요함
Logical Link Control 계층
기능: IP 계층과 인터페이스 제공
프레임 전송 절차
1. 전송할 프레임이 생김
2. 채널이 DIFS(Distributed Interframe Space) 동안 비어 있는지 확인
3. 비어 있다면, 백오프 타이머 시작 (random time 선택)
4. 백오프 타이머가 0이 되면 프레임 전송
5. 수신 측은 SIFS(Short IFS) 후 ACK 전송
6. ACK 수신 실패 시 재전송
충돌 회피 알고리즘 - 백오프 알고리즘
프레임 전송 전에 무작위로 정한 시간만큼 기다리는 백오프 방식 사용
전송에 실패할수록 더 오래 기다리게 됨
제한점
2.4GHz 대역은 전자레인지, 블루투스 등과 간섭이 심함
전파 손실, 멀티패스 효과, 기기의 이동성 등으로 인해 전송 품질이 지속적으로 변동
전송률 적응(Rate adaptation), 에러 복구, 재전송 전략이 필수
프레임 구조
Frame Control - 프레임의 정체성과 동작 방식을 정의하는 핵심
어떤 종류의 프레임인지 (데이터/제어/관리)
재전송된 프레임인지 여부
암호화 여부, 순서 중요 여부 등
이 필드가 없으면 수신자는 이 프레임을 해석할 방법이 없음
Duration - 무선 채널을 얼마나 오랫동안 점유할지 알려주는 타이머 역할
다음 프레임(예: ACK)까지의 시간을 포함해 계산
주변 장치들은 이 값을 보고 그 시간만큼 기다림 → 가상 충돌 회피용 (NAV)
Address 1 / 2 / 3 - 송신자, 수신자, 목적지 또는 중간 경유지(AP)의 MAC 주소
무선은 이더넷처럼 1:1 단순 연결이 아니라, 다단계 전송이 많음
예: 송신자는 모바일 단말, 수신자는 AP, 최종 목적지는 외부 서버
Sequence Control - 프레임 중복 여부를 식별하고, 순서를 추적
전송 실패 시 프레임을 재전송하게 되는데, 수신자는 중복 여부를 이걸로 판단
단편화된 경우에도 어떤 순서인지 구분 가능
Data - 실제 유저 데이터 or 관리 메시지 내용
상위 계층(IP 등)의 패킷이 들어있음
관리 프레임이면 연결 요청, 인증 정보 등 제어 데이터가 포함될 수 있음
FCS (Frame Check Sequence) - 프레임 전체에 대한 오류 검출
수신 측에서 프레임 손상 여부 확인
유선 이더넷과 동일한 CRC32 방식 사용
802.11이 제공하는 서비스(기능)
Association (연결) - 단말이 AP에 처음 접속할 때 사용
단말이 AP의 비콘(beacon) 프레임이나 질의로부터 AP의 정보를 수집
AP가 지원하는 속도, 보안 방식, QoS 등 파악
단말은 association request를 보냄 → AP는 accept 또는 reject
연결이 완료되어야 실제 데이터 통신이 가능
Reassociation (재연결) - 단말이 다른 AP로 이동할 때 사용 (로밍)
ESS(Extended Service Set, 여러 AP가 하나의 무선랜을 이루는 것) 내에서 단말이 AP 간 전환 시 사용
기존 연결을 끊지 않고, 새로운 AP와 빠르게 재연결
데이터 유실 없이 handoff 가능 (단, 802.11은 best-effort라 완전 보장은 아님)
Disassociation (연결 해제) - 단말이나 AP가 연결을 종료할 때 사용
단말이 네트워크를 떠나기 전에 명시적으로 해제
AP도 자체 사유(예: 유지보수)로 연결을 끊을 수 있음
Authentication (인증) - AP와 단말 간 상호 신뢰를 확인
초기 802.11은 open system or shared key 방식 사용
현재는 802.1X 기반 인증 또는 WPA/WPA2/EAP 등이 실제 사용
인증을 통과해야만 association이 가능
Privacy - 무선 데이터에 대한 암호화 제공. 초기에는 WEP을 사용했으나, 현재는 WPA, WPA2와 같은 보안 프레임워크를 통해 인증과 암호화를 함께 수행함
데이터 전송 중 제3자 도청 방지
QoS (Quality of Service) - 서비스 품질 보장 (속도, 지연 등)
예: 음성/영상 트래픽에 우선순위 부여
802.11e 확장에서 세부 QoS 메커니즘이 정의됨