[네트워크] 물리 계층과 데이터 링크 계층 - 이더넷과 네트워크 장비

2026-02-13

혼자 공부하는 네트워크 책을 읽으면서 배운 점을 정리합니다. 네트워크의 가장 하위 계층인 물리 계층과 데이터 링크 계층은 실제 데이터 전송의 기반이 된다. LAN 내에서 호스트들이 올바르게 정보를 주고받기 위한 이더넷 기술과 다양한 네트워크 하드웨어의 동작 원리에 대해 정리한다.

1️⃣ Ethernet 기술

Ethernet의 개념

Ethernet은 물리 계층과 데이터 링크 계층에서 LAN 내의 호스트들이 정보를 주고받을 수 있게 해주는 기술이다. 통신 매체를 통해 신호를 송수신하는 방법, 데이터 링크 계층에서 주고받는 Frame의 형식 등이 정의되어 있다. 현대 대부분의 유선 LAN은 Ethernet을 기반으로 구현되어 있다.

1-1 Ethernet 표준 (IEEE 802.3)

Ethernet은 IEEE 802.3이라는 이름으로 국제 표준화되어 있다. 서로 다른 제조사의 네트워크 장비가 문제없이 호환되는 이유는 모두 동일한 표준을 준수하기 때문이다.

표준	명칭	속도
IEEE 802.3	Ethernet	10Mbps
IEEE 802.3u	Fast Ethernet	100Mbps
IEEE 802.3z/ab	Gigabit Ethernet	1Gbps
IEEE 802.3ae	10 Gigabit Ethernet	10Gbps
IEEE 802.3ba	100 Gigabit Ethernet	100Gbps

Ethernet 표준에 대해 기억해야 할 핵심

오늘날 대부분의 유선 LAN 장비는 특정 Ethernet 표준을 따른다
Ethernet 표준에 따라 통신 매체의 종류, 신호 송수신 방법, 최대 지원 속도가 달라진다

1-2 Ethernet Frame

Ethernet Frame은 Ethernet 기반 네트워크에서 주고받는 데이터 단위다. 오늘날 주로 사용되는 Ethernet Frame은 Ethernet II Frame이라고도 부른다.

Frame의 구조

헤더	페이로드	트레일러
Preamble(8B), 수신지 MAC(6B), 송신지 MAC(6B), Type/Length(2B)	Data (46~1500B)	FCS (4B)

Preamble

Preamble은 송수신지 동기화를 위한 8바이트 크기의 정보다.

첫 7바이트: 10101010
마지막 바이트: 10101011

수신지는 이 비트 패턴을 통해 Ethernet Frame이 수신되고 있음을 인식한다.

송수신지 MAC 주소

MAC Address는 Frame에서 가장 중요한 정보다. 6바이트(48비트) 길이로, 콜론(:)으로 구분된 12자리 16진수로 표현된다.

// MAC 주소 예시
ab:cd:ab:cd:00:01

> 💡 MAC 주소와 네트워크 인터페이스
> MAC Address는 물리적 주소라고도 불리며, 네트워크 >인터페이스마다 하나씩 부여된다. 네트워크 인터페이스는 네트워크를 향하는 통로로, 일반적으로 NIC(Network Interface Controller)가 담당한다. 따라서 NIC가 여러 개인 경우 한 호스트가 여러 개의 MAC 주소를 가질 수 있다.

💡 MAC 주소와 네트워크 인터페이스

MAC Address는 물리적 주소라고도 불리며, 네트워크 인터페이스마다 하나씩 부여된다. 네트워크 인터페이스는 네트워크를 향하는 통로로, 일반적으로 NIC(Network Interface Controller)가 담당한다. 따라서 NIC가 여러 개인 경우 한 호스트가 여러 개의 MAC 주소를 가질 수 있다.

Type/Length

Type/Length 필드는 값의 크기에 따라 의미가 달라진다.

1500 이하 (0x05DC): Frame의 크기
1536 이상 (0x0600): 캡슐화된 상위 계층 프로토콜 타입
- IPv4: 0x0800
- ARP: 0x0806

Data

Data 필드에는 상위 계층으로 전달할 페이로드가 포함된다. 최대 크기는 1500바이트로 제한되며, 이를 초과하는 데이터는 여러 패킷으로 나뉘어 전송된다.

💡 MTU (Maximum Transmission Unit)

1500바이트는 Ethernet Frame으로 전송 가능한 최대 데이터 크기이자, 네트워크 계층 패킷의 최대 크기를 나타내는 중요한 기준이다. 이를 MTU라고 한다.

FCS (Frame Check Sequence)

FCS는 트레일러로, Frame의 오류 검출을 위한 필드다. CRC(Cyclic Redundancy Check) 값이 명시된다.

송신지: 데이터에 대한 CRC 값을 계산하여 전송
수신지: 수신한 데이터의 CRC 값을 계산하고 전달받은 값과 비교
두 값이 일치하면 오류가 없다고 판단

2️⃣ 통신 매체

통신 매체는 네트워크 성능의 기본이 된다. 호스트가 아무리 빠르게 데이터를 처리할 수 있어도, 통신 매체의 성능이 뒷받침되지 않으면 전체 네트워크 속도는 제한된다.

유선 매체

2-1 Twisted Pair Cable

Twisted Pair Cable은 가장 대표적인 유선 매체다. 구리선을 통해 전기적으로 신호를 주고받으며, 두 가닥(pair)씩 꼬아져 있는(twisted) 구조를 가진다.

Category	전송 속도
Cat5	100Mbps
Cat5e	1Gbps
Cat6	1Gbps
Cat6a	10Gbps
Cat7	10Gbps
Cat8	40Gbps

Shielding (차폐)

트위스티드 페어 케이블은 전기 신호로 통신하기 때문에 Noise에 취약하다. 이를 방지하기 위해 케이블을 철사나 포일로 감싼다.

실드 표기법: [외부]/[내부]TP

U: 실드 없음 (Unshielded)
S: 브레이드 실드 (Braided Shield)
F: 포일 실드 (Foil Shield)

// 실드 타입 예시
- S/FTP: 외부는 브레이드 실드, 내부 구리선은 포일 실드
- F/FTP: 외부와 내부 모두 포일 실드
- U/UTP: 실드 없음

케이블 종류

STP (Shielded Twisted Pair): 브레이드 실드 사용
FTP (Foil Twisted Pair): 포일 실드 사용
UTP (Unshielded Twisted Pair): 실드 미사용

무선 매체

2-2 전파와 WiFi

전파는 약 3kHz~3THz 사이의 진동수를 갖는 전자기파다. 무선 LAN에서 가장 대중적으로 사용되는 기술은 WiFi로, IEEE 802.11 표준을 따른다.

WiFi 세대

세대	표준 규격
Wi-Fi 7	IEEE 802.11be
Wi-Fi 6	IEEE 802.11ax
Wi-Fi 5	IEEE 802.11ac
Wi-Fi 4	IEEE 802.11n

주파수 대역과 채널

WiFi는 주로 2.4GHz와 5GHz 주파수 대역을 사용한다. 같은 주파수 대역에서 여러 무선 네트워크가 존재할 수 있으므로, 신호 간섭을 방지하기 위해 Channel이라는 하위 주파수 대역으로 세분화된다.

2.4GHz 대역의 비중첩 채널

1, 6, 11번 채널은 서로 주파수가 중첩되지 않음
비중첩 채널을 사용하면 신호 간섭으로 인한 성능 저하를 방지할 수 있음

💡 AP와 SSID

AP(Access Point)는 무선 통신 기기를 연결해 무선 네트워크를 구성하는 장비다. 일반적인 무선 공유기가 AP의 역할을 담당한다. AP를 중심으로 구성된 무선 네트워크를 Service Set이라고 하며, 이를 식별하는 정보가 SSID(Service Set Identifier)다. 흔히 WiFi 이름으로 사용되는 것이 바로 SSID다.

3️⃣ 네트워크 장비

NIC (Network Interface Controller)

3-1 NIC의 역할

네트워크 상에서 노드와 통신 매체가 연결되는 지점을 Network Interface라고 한다. NIC는 네트워크 인터페이스를 담당하는 하드웨어로, 다음과 같은 별칭으로도 불린다.

네트워크 인터페이스 카드
네트워크 어댑터
LAN 카드
Ethernet 카드

NIC의 기능

통신 매체의 신호를 호스트가 이해하는 Frame으로 변환
호스트의 Frame을 통신 매체의 신호로 변환
MAC 주소를 기반으로 잘못 전송된 패킷 확인

3-2 NIC의 동작 방식

NIC는 일반적인 입출력 장치와 동일하게 동작한다.

// NIC 동작 과정
1. 사용자 프로그램에서 송수신 시스템 콜 호출
2. 커널 모드로 전환
3. NIC를 통한 송수신 수행 (DMA 지원)
4. 완료 시 인터럽트를 통해 CPU에 알림

💡 NIC Teaming/Bonding

여러 물리적 NIC를 하나의 고속 NIC처럼 구성하는 기술이다.

Teaming: Windows 운영체제 용어

Bonding: Linux 운영체제 용어

RAID와 유사하게 여러 NIC를 묶어 송수신 성능을 향상시키고, 하나의 NIC에 문제가 발생해도 안정적으로 통신할 수 있다.

Hub와 Switch

3-3 Hub (물리 계층)

Hub는 물리 계층의 대표적인 네트워크 장비로, 여러 호스트를 연결하는 장치다. Repeater Hub 또는 Ethernet Hub라고도 부른다.

Hub의 특징

전달받은 신호를 모든 포트로 내보냄
- 신호에 대한 어떠한 조작이나 판단도 하지 않음
- 단순히 모든 포트에 신호를 복제
반이중(Half-Duplex) 모드로 통신
- 송신과 수신을 동시에 수행할 수 없음
- 무전기처럼 한 쪽이 송신할 때 다른 쪽은 수신만 가능

💡 Collision Domain (충돌 도메인)

Collision은 여러 호스트가 동시에 Hub로 메시지를 전송할 때 발생하는 문제다. Hub는 반이중 모드로 통신하므로, Hub에 연결된 모든 호스트가 하나의 Collision Domain을 형성한다.

3-4 Switch (데이터 링크 계층)

Switch는 Hub의 한계를 보완하기 위한 네트워크 장비다. L2 Switch라고도 부른다.

Switch의 특징

목적지 포트로만 신호 전달을 통해 불필요한 트래픽 감소
동시 송수신 가능
전화기처럼 양방향 통신 가능
각 포트가 독립적인 Collision Domain 형성

MAC Address Learning

Switch가 목적지 포트를 파악할 수 있는 이유는 MAC Address Learning 기능 때문이다.

// MAC 주소 학습 과정
1. 수신한 Frame의 송신지 MAC 주소 확인
2. "포트 번호 - MAC 주소" 매핑 정보 저장
3. MAC Address Table 생성
4. 이후 해당 MAC 주소로 전송 시 테이블 참조

MAC Address Table 예시

Port	MAC Address
1	aa:bb:cc:dd:ee:01
2	aa:bb:cc:dd:ee:02
3	aa:bb:cc:dd:ee:03

VLAN (Virtual LAN)

VLAN은 같은 Switch에 연결된 호스트를 여러 논리적 네트워크로 분리하는 기능이다.

VLAN의 효과

같은 물리적 Switch 내에서 복수의 논리적 네트워크 구성
서로 다른 VLAN 간 Broadcast Domain 분리
VLAN 간 통신은 네트워크 계층 이상의 장비 필요

// VLAN 구성 예시
VLAN 1: Host A, B, C, D
VLAN 2: Host E, F, G, H, I

// VLAN 1의 브로드캐스트는 VLAN 2에 도달하지 않음
// 서로 다른 VLAN 간 통신은 L3 장비(라우터) 필요

4️⃣ 전이중 vs 반이중 통신

통신 모드의 이해

모드	설명	비유	대표 장비
`Half-Duplex`	송신과 수신을 번갈아 수행	무전기	Hub
`Full-Duplex`	동시 송수신 가능	전화기	Switch

Half-Duplex의 문제점

한 번에 하나의 호스트만 전송 가능
동시 전송 시 충돌 발생
전체 네트워크 성능 저하

Full-Duplex의 장점

동시 양방향 통신으로 효율성 향상
Collision 문제 해결
높은 처리량(Throughput) 달성

난너의오른팔 🧑‍💻