[물리 계층과 데이터 링크 계층] 이더넷(Ethernet)

 

1. 이더넷(Ethernet)

 이더넷(Ethernet)은 로컬 영역 네트워크(LAN)에서 컴퓨터 간의 데이터 통신을 위한 표준 프로토콜이다. 1970년대에 로버트 멧칼프(Robert Metcalfe)가 제록스(Xerox)에서 개발한 이 기술은 컴퓨터와 기타 네트워크 장치를 연결하고 데이터를 효율적으로 전송하는 방법을 정의한다. 이후 1983년, IEEE(미국 전기전자학회)에서는 이더넷 기술을 공식 표준으로 채택하여 IEEE 802.3이라는 표준으로 제정했다. IEEE 802.3은 유선 네트워크의 물리 계층과 데이터 링크 계층을 정의하며, 여러 이더넷 변형에 대한 표준 규격을 포함하여 장치 간의 호환성을 보장한다.

 

 오늘날 우리가 사용하는 대부분의 유선 네트워크는 IEEE 802.3 표준에 기반하여 작동하며, 이를 통해 안정적이고 고속의 데이터 전송이 가능하다. IEEE 802.3 표준은 초기의 10Mbps 전송 속도부터 시작해 현재는 수백 Gbps까지 지원하도록 발전하여, 데이터 센터와 고속 네트워크에서도 핵심적인 역할을 수행하고 있다.

 

2. 통신 매체 표기

 이더넷 표준 규격에 따라 구현된 통신 매체는 통신 매체의 속도와 특성을 파악하기 위해 다음과 같이 표기한다.

• 전송 속도 : 숫자로 표기되며, 기본적으로 Mbps 속도를 의미한다.

10	10Mbps
100	100Mbps
1000	1000Mbps(1Gbps)
2.5G	2.5Gbps
5G	5Gbps
10G	10Gbps
40G	40Gbps
100G	100Gbps

• BASE(BASEband) : 변조 타입(Modulation type)으로 비트 신호로 변환된 데이터를 통신 매체로 전송하는 방법을 의미한다.

BROAD	브로드밴드(BROADband)
PASS	패스밴드(PASSband)

• 추가 특성(Additional distinction) : 통신 매체의 특성으로 전송 가능한 최대 거리, 물리 계층 인코딩, 레인 수가 명시된다.

C	동축 케이블
T	트위스트 페어 케이블
S	단파장 광섬유 케이블
L	장파장 광섬유 케이블

 

3. 이더넷 프레임

• 프리앰블(Preamble) : 이더넷 프레임의 시작을 알리며, 첫 7바이트(10101010), 마지막 바이트(10101011) 값을 가진다. 또한, 프리앰블은 프레임의 동기화를 위해 사용된다.
• 송/수신지 MAC 주소 : 물리적 주소인 MAC 주소는 데이터 링크 계층의 핵심으로 네트워크 인터페이스마다 부여되는 6바이트(48비트) 길이의 주소로 나타낸다.
• 타입(Type)/길이(Length) :  필드 값이 1500 이하인 경우 프레임의 크기를 나타내고, 1536 이상일 경우에는 타입을 나타내는 데 사용된다. 타입에서 이더넷 프레임이 어떤 정보를 캡슐화했는지를 나타내는 정보를 이더타입(Ethertype)라고 한다. 이더타입은 IPv4, IPv6, ARP, VLAN 등 다양한 프로토콜을 담을 수 있다.

0800	IPv4
86DD	IPv6
0806	ARP
8100	VLAN

• 데이터(Data) : 데이터의 최대 크기는 1500바이트로, 46바이트 이하인 경우에는 0으로 채워진 패딩(Padding)이 사용된다.
• FCS(Frame Checks Sequence) : 이더넷 프레임에 오류가 있는지 확인하는 필드로, 순환 중복 검사(Cyclic Redunancy Check, CRC)가 사용된다.

CRC	송신지는 프리앰블을 제외한 나머지를 이용하여 CRC 값을 계산하여 FCS 필드에 명시함 수신지는 수신한 프레임에서 프리앰블과 FCS 필드를 제외한 나머지를 이용하여 계산함 이를 통해 FCS 필드 값을 비교함

 

4. 이더넷의 발전과 변형

Fast Ethernet (100Mbps)	1995년에 발표된 Fast Ethernet은 초창기 10Mbps 속도의 한계를 극복하기 위해 등장했으며, 최대 100Mbps 속도를 지원함. 이는 대부분의 기업과 학교 네트워크에서 널리 사용되며, 이더넷의 대중화를 크게 이끌었음
Gigabit Ethernet (1Gbps)	1999년에 IEEE 802.3ab 표준으로 제정된 기가비트 이더넷은 1Gbps의 전송 속도를 제공함. 이는 데이터 전송 속도의 큰 도약을 이루었고, 데이터 센터, 엔터프라이즈 네트워크, 고속 인터넷 연결에서 일반적으로 사용됨.
10 Gigabit Ethernet (10Gbps)	2002년에 제정된 IEEE 802.3ae는 10Gbps 전송 속도를 지원함. 10GbE는 데이터 센터와 고속 네트워크 백본에서 특히 중요하게 사용되며, 대용량 데이터를 빠르게 전송해야 하는 환경에 최적화됨.
PoE (Power over Ethernet)	이더넷 케이블을 통해 전력과 데이터를 동시에 전송할 수 있는 기술로, 추가 전원 공급이 어려운 IP 카메라, VoIP 전화기 등에서 널리 사용됨. IEEE 802.3af와 802.3at 표준으로 정의된 PoE는 기존의 이더넷 케이블을 이용해 손쉽게 네트워크 장비를 연결하고 전력을 공급할 수 있도록 함.

 

5. IEEE 802.3의 최근 발전

 IEEE 802.3 표준은 이더넷의 다양한 속도와 요구사항을 반영해 계속해서 확장되고 있다. 최근 네트워크의 대역폭 요구와 효율성을 높이기 위해 IEEE는 여러 최신 표준을 도입하였다.

IEEE 802.3bz (2.5G/5G Ethernet)	2016년에 채택된 이 표준은 2.5Gbps와 5Gbps 속도를 지원하여 기존 Cat5e나 Cat6 케이블을 교체하지 않고도 더 높은 속도로 업그레이드할 수 있는 효율적인 방법을 제공함. 주로 사무실, 학교, Wi-Fi 네트워크 업링크에서 많이 사용됨.
IEEE 802.3by (25G Ethernet)	2016년에 제정된 25G 이더넷 표준은 대역폭 효율을 극대화하고, 특히 데이터 센터의 요구를 반영하여 높은 성능과 효율성을 제공하는 데 중점을 둠. 이는 기존의 10G와 40G 사이의 대역폭 공백을 메우며, 데이터 센터에서 비용 효율적인 연결 방안을 제공함.
IEEE 802.3cd (50G/200G/400G Ethernet)	데이터 센터의 고속화와 폭증하는 데이터 전송 요구를 반영해, 2018년에 50G, 200G, 400G 이더넷 표준이 도입되었음. 400G 이더넷은 최신 데이터 센터와 고속 백본 네트워크에서 핵심적인 역할을 하며, 클라우드 서비스 제공자, 대규모 데이터 센터 환경에서 주로 사용됨.