3. 근거리 통신망

3. 근거리 통신망 (LAN): 우리 동네 네트워크의 모든 것

LAN(Local Area Network)은 집, 사무실, 캠퍼스와 같이 제한된 지역 내의 장치들을 연결하는 네트워크입니다. 이번 글에서는 LAN을 구성하는 다양한 기술과 장비의 동작 원리를 자세히 살펴보겠습니다.

 

4. IEEE LAN 표준: 통신의 규칙

LAN 기술은 IEEE(국제전기전자공학회)에서 정의한 802 시리즈 표준을 따릅니다. 이 표준 덕분에 서로 다른 제조사의 장비들이 문제없이 통신할 수 있습니다.

IEEE 802 표준 구조: LLC와 MAC

IEEE 802 표준은 OSI 2계층인 데이터 링크 계층을 두 개의 하위 계층으로 나눕니다.

• LLC (Logical Link Control): 상위 계층(네트워크 계층)과의 연결을 담당하며, 모든 LAN 표준에서 공통적으로 사용됩니다.
• MAC (Media Access Control): 물리적인 매체(케이블 등)에 대한 접근을 제어하는 규칙입니다. LAN 기술(이더넷, Wi-Fi 등)에 따라 각기 다른 방식이 사용됩니다.

IEEE 802.3 이더넷 표준

이더넷(IEEE 802.3)은 현재 가장 널리 쓰이는 유선 LAN 기술 표준입니다. 기술의 발전에 따라 속도가 꾸준히 향상되었습니다.

• 표준 이더넷 (Standard Ethernet): 10 Mbps
• 고속 이더넷 (Fast Ethernet): 100 Mbps
• 기가비트 이더넷 (Gigabit Ethernet): 1 Gbps (1,000 Mbps)
• 텐기가비트 이더넷 (Ten-Gigabit Ethernet): 10 Gbps

이더넷 표준의 이름에는 속도, 신호 방식, 케이블 종류에 대한 정보가 담겨 있습니다. 예를 들어 '10Base-T'의 의미는 다음과 같습니다.

10	Base	T
속도: 10 Mbps	신호 방식: Baseband (베이스밴드)	케이블 종류: Twisted-pair (꼬임쌍선)

 

5. 네트워크 토폴로지 (Topology)

토폴로지는 네트워크에 연결된 장치들의 물리적 또는 논리적 배열 구조를 의미합니다.

• 스타 (Star) 토폴로지: 중앙에 스위치(Switch)나 허브 같은 집중 장치를 두고, 모든 장치가 이 중앙 장치에 1:1로 연결되는 별 모양의 구조입니다. 현대 LAN 환경의 표준 방식입니다.
• 버스 (Bus) 토폴로지: 하나의 긴 중앙 케이블(버스)에 모든 장치가 연결되는 구조입니다. 케이블 양 끝에는 신호 반사를 막기 위한 종단 저항기(Terminator)가 필요합니다.
• 링 (Ring) 토폴로지: 모든 장치가 원형으로 이웃한 장치와 연결되어 데이터가 한 방향으로 흐르는 구조입니다.

 

6. 이더넷의 동작 원리

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

이더넷의 매체 접근 제어 방식으로, "일단 들어보고, 비었으면 보내되, 부딪히면 멈춘다"는 원리로 동작합니다.

1. Carrier Sense (채널 감지): 데이터를 보내기 전에 케이블에 신호가 흐르는지 확인합니다.
2. Multiple Access (다중 접근): 채널이 비어 있으면 누구나 데이터를 보낼 수 있습니다.
3. Collision Detection (충돌 감지): 만약 두 개 이상의 장치가 동시에 데이터를 보내 충돌이 발생하면, 이를 감지하고 전송을 즉시 중단한 뒤 임의의 시간 동안 기다렸다가 재전송합니다.

이더넷 프레임 (Ethernet Frame) 구조

데이터 링크 계층에서 데이터를 주고받는 단위로, 다음과 같은 구조를 가집니다.

Preamble	SFD	Destination MAC Address	Source MAC Address	Type	Data (Payload)	FCS
7 Bytes	1 Byte	6 Bytes	6 Bytes	2 Bytes	46 ~ 1500 Bytes	4 Bytes

• Preamble & SFD: 프레임의 시작을 알리고 수신 측이 동기화를 맞추도록 돕는 신호입니다.
• 목적지/출발지 MAC 주소: 프레임을 주고받는 장치의 고유한 물리적 주소입니다.
• 유형 (Type): 상위 계층(네트워크 계층)의 프로토콜이 무엇인지(IPv4=0x0800, ARP=0x0806 등) 알려주는 식별자입니다.
• 데이터 (Data/Payload): 실제 전달하려는 내용물 (IP 패킷)입니다.
• FCS (Frame Check Sequence): 프레임에 오류가 있는지 검출하기 위한 값으로, CRC(Cyclic Redundancy Check) 알고리즘을 사용합니다.

 

7. LAN 장비와 무선랜 기술

허브 vs. 스위치: 누가 더 똑똑한가?

구분	허브 (Hub)	스위치 (Switch)
동작 계층	1계층 (물리 계층)	2계층 (데이터 링크 계층)
전달 방식	들어온 신호를 모든 포트로 복제하여 전달 (플러딩)	MAC 주소를 학습하여 목적지 포트로만 선별적 전달
주소 참조	주소 개념 없음	MAC 주소 테이블 참조
충돌 도메인	모든 포트가 하나의 충돌 도메인에 속함	각 포트가 별개의 충돌 도메인으로 분리됨

스위치는 MAC 주소 테이블을 기반으로 학습(Learning), 전달(Forwarding), 필터링(Filtering), 플러딩(Flooding) 동작을 수행하여 허브보다 훨씬 효율적인 통신을 가능하게 합니다.

VLAN (Virtual LAN)

하나의 물리적인 스위치를 여러 개의 논리적인 네트워크 그룹으로 나누는 기술입니다. VLAN은 브로드캐스트 도메인을 분리하여 불필요한 트래픽을 줄이고 보안을 강화합니다. 서로 다른 VLAN 간의 통신을 위해서는 3계층 장비인 라우터가 필요합니다.

무선랜(WLAN)에서 CSMA/CD를 사용할 수 없는 이유

유선랜의 CSMA/CD는 효율적이지만, 눈에 보이지 않는 '공기'를 매체로 사용하는 무선랜 환경에서는 두 가지 치명적인 문제 때문에 사용할 수 없습니다.

• 충돌 감지 불가 (Collision Detection is Impossible): 유선에서는 데이터를 보내면서 동시에 케이블의 전기 신호를 들을 수 있어 충돌을 감지할 수 있습니다. 하지만 무선에서는 자신의 송신 신호가 너무 강력해서 다른 장치의 약한 수신 신호를 완전히 덮어버립니다. 이는 마치 소리를 지르면서 동시에 다른 사람의 귓속말을 들을 수 없는 것과 같은 원리입니다. 따라서 충돌이 발생해도 감지할 방법이 없습니다.
• 숨은 노드 문제 (Hidden Node Problem): 중앙의 무선 공유기(AP)를 중심으로 양 끝에 A와 C라는 장치가 있다고 가정해봅시다. A와 C는 너무 멀어서 서로의 신호는 들을 수 없지만, AP와는 통신이 가능합니다. 이 상태에서 A와 C가 동시에 AP로 데이터를 보내면 AP에서는 충돌이 발생하지만, 정작 A와 C는 서로의 존재를 모르므로 충돌이 일어났다는 사실 자체를 알 수 없습니다.

무선랜 (WLAN, IEEE 802.11)과 CSMA/CA

위와 같은 문제 때문에 무선랜(Wi-Fi)은 충돌을 감지하는 대신 미리 피하는 방식인 CSMA/CA (충돌 회피, Collision Avoidance)를 사용합니다. 데이터를 보내기 전 채널이 비어 있는지 확인하고, 비어 있더라도 바로 보내지 않고 임의의 시간을 기다린 후 전송하여 충돌 가능성 자체를 줄입니다. 또한 **RTS/CTS** 메커니즘을 사용하여 '숨은 노드 문제'를 해결하기도 합니다.