[데이터 통신] Wired LANs - Ethernet(이더넷)

이더넷(Ethernet)

이 페이지에서는 유선 LAN(Local Area Network)의 대표적인 기술인 이더넷(Ethernet)에 대해 다룬다. 이더넷은 오늘날 가장 널리 사용되는 LAN 기술로, 다양한 세대를 거치며 발전해왔다. 본 페이지에서는 이더넷의 프로토콜 구조, 전송 속도에따른 발전 과정, 그리고 각 세대별 특징과 구현 방식을 살펴본다.

Ethernet Protocol

이 절에서는 이더넷 프로토콜의 기본적인 구조를 소개한다. 특히 IEEE Project 802의 역할과, 이 프로젝트가 OSI 참조 모델이나 TCP/IP 모델을 대체하지 않고, 데이터링크 계층과 물리 계층의 기능을 명확히 표준화했다는 점이 강조된다. 또한 이더넷은 지금까지 총 4세대로 발전해왔으며, 각 세대는 전송 속도를 기준으로 다음과 같이 구분된다.

• Standard Ethernet: 10 Mbps
• Fast Ethernet: 100 Mbps
• Gigabit Ethernet: 1 Gbps
• 10-Gigabit Ethernet: 10 Gbps

이러한 세대들은 속도는 달라도, 대부분 공통된 프레임 형식과 주소 지정 방식을 유지해왔다.

Standard Ethernet

이 절에서는 가장 처음 등장한 표준 이더넷(10 Mbps)에 대해 설명한다. 비록 현재는 더 빠른 이더넷으로 대부분 대체되었지만, 이더넷의 기본 구조와 개념은 이 시절부터 형성되었기 때문에 여전히 중요한 의미를 갖는다. 이 절에서는 다음과 같은 주요 내용을 다룬다:

• 프레임 구조와 주소 지정 방식(MAC 주소)
• 접근 방식: CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)
• 이더넷의 효율성 및 계산 예제
• 4가지 실제 구현 방식: 10Base5, 10Base2, 10Base-T, 10Base-F
• 브리지와 스위치 도입에 따른 구조 변화 및 Full-Duplex 지원

Fast Ethernet

이 절에서는 속도가 100 Mbps로 증가된 Fast Ethernet에 대해 설명한다. 이더넷의 두 번째 세대에 해당하는 Fast Ethernet은 기존 표준 이더넷과의 호환성을 유지하면서도, 전송 속도 향상을 위한 물리 계층의 구조적 변화를 도입하였다. MAC 계층은 변경하지 않되, 충돌 탐지를 위한 네트워크 길이 조정과 효율적인 인코딩 방식 등이 특징이다.

Gigabit Ethernet

Gigabit Ethernet(1 Gbps)은 더욱 빠른 전송 속도를 요구하는 환경에서 등장하였다. 기존과 동일한 프레임 구조를 유지하면서도, MAC 계층에도 일부 수정이 가해졌다. 특히, 대부분의 구현이 Full-Duplex 통신을 전제로 하고 있으며, 이를 통해 충돌 탐지(CSMA/CD)가 불필요해진다. 이 절에서는 기가비트 이더넷의 MAC 계층의 변화, 복잡해진 물리 계층, 그리고 다양한 구현 방식들을 다룬다.

10-Gigabit Ethernet

마지막으로, 10-Gigabit Ethernet(10 Gbps)은 단순한 LAN을 넘어서, MAN(Metropolitan Area Network)에서도 활용될 수 있도록 설계되었다. 모든 구현은 Full-Duplex를 기반으로 하며, CSMA/CD는 완전히 제거되었다. 이 절에서는 대표적인 10G 구현들(10GBase-SR, LR, EW, X4 등)을 비교하고 설명한다.

Ethernet Protocol

이더넷은 로컬 네트워크(LAN)에서 가장 널리 사용되는 프로토콜이다. 이 프로토클은 데이터 링크 계층과 물리 계층에서 작동하며, 이 두 계층은 LAN과 WAN의 주요 구성 요소가 된다. 특히, 이더넷은 유선 네트워크에서 기본적으로 사용되며, 이번 장에서는 유선 네트워크 중심으로 설명한다.

이더넷은 단일한 기술이 아니라 시간에 따라 발전해온 여러 세대를 포괄하는 용어이다. 이를 이해하기 위해서는 먼저 이더넷의 표준화 배경과 이더넷 기술의 역사적 흐름을 살펴볼 필요가 있다.

IEEE Project 802

이더넷 기술의 표준화는 IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)라는 국제 기관에서 주도했다. 1985년, IEEE는 다양한 제조업체의 장비가 서로 통신할 수 있도록 하기 위해 Project 802라는 프로젝트를 시작했다. 이 프로젝트의 목적은 특정 네트워크 기술을 강제하거나 TCP/IP나 OSI 모델을 대체하는 것이 아니라, 데이터링크 계층과 물리 계층의 동작을 표준화하는 데 있었다.

Project 802는 모든 LAN 기술의 기반이 되는 표준을 마련했고, 이를 통해 이더넷 역시 체계적으로 정의될 수 있었다. 이 프로젝트는 특히 OSI 모델의 2계층(데이터링크)을 LLC (Logical Link Control)와 MAC (Medium Access Control)이라는 두 개의 하위 계층으로 나누어 표준화하였다. 이러한 구조는 LAN에서 데이터 프레임의 전송과 매체 접근을 관리하는 데 핵심적인 역할을 한다.

위 그림은 IEEE 802 표준이 OSI 모델 및 TCP/IP 모델과 어떤 관계를 갖느지를 보여준다. 그림에서는 물리 계층과 데이터 링크 계층이 IEEE 802에 의해 구체적으로 정의되며, 그 외 계층은 TCP/IP나 OSI에 의존함을 나타낸다.

Ethernet Evolution

이더넷은 단기간에 완성된 기술이 아니라, 수십 년에 걸쳐 진화해온 기술이다. 최초의 이더넷은 1970년대, Xerox PARC의 Robert Metcalfe와 David Boggs에 의해 개발되었다. 이 기술은 이후 널리 채택되었고, 네트워크 기술 발전의 핵심이 되었다.

이더넷은 전송 속도를 기준으로 다음과 같은 4세대로 구분된다. :

1. Standard Ethernet (10 Mbps) : 최초의 이더넷 기술. 상대적으로 낮은 속도지만, 이더넷 프레임 구조와 CSMA/CD 접근 방식 등 기본적인 프로토콜 구조의 기반을 형성.
2. Fast Ethernet (100 Mbps) : 전송 속도를 10배로 향상시키면서도 기존 프레임 형식과 호환성을 유지한 기술. 물리 계층에서 개선이 이루어짐.
3. Gigabit Ethernet (1 Gbps) : 대역폭이 필요한 응용을 위해 개발되었으며, 대부분의 경우 Full-Duplex 모드로 작동하여 CSMA/CD를 제거함.
4. 10-Gigabit Ethernet (10 Gbps) : LAN의 한계를 넘어, 대도시 지역 네트워크(MAN) 수준까지 확장할 수 있는 기술. 백본 네트워크로도 활용 가능

Standard Ethernet

이더넷 기술의 출발점은 10Mbps 속도를 가지는 Standard Ethernet이다. 이더넷은 수십 년에 걸쳐 발전해왔지만, 이 표준 이더넷에서 정의된 기본적인 구조, 프레임 형식, 주소 체계 등은 이후의 Fast, Gigabit, 10-Gigabit 이더넷에서도 그대로 유지되고 있다. 즉, 표준 이더넷은 이더넷 기술의 뿌리이자 근간이 된다.

Characteristics

표준 이더넷은 10Mbps의 전송 속도를 기반으로 하며, 다음과 같은 기본 특성을 가진다.

• 프레임 구조(Frame Format) : 이더넷은 데이터를 일정한 형식의 프레임에 담아 전송한다. 프레임에는 수신자와 발신자의 주소, 데이터, 오류 검출용 FCS가 포함된다.

• 프레임 크기는 최소 64바이트(= 헤더 + 데이터 + FCS)이며, 최대 1518바이트까지 허용된다.

Addressing

이더넷은 고유한 주소 체계를 가지고 있다. 각 장치(PC, 프린터, 스위치 등)는 NIC(Network Interface Card)를 통해 네트워크에 연결되며, 이 NIC는 고유한 MAC 주소(Medium Access Control Address)를 가진다. 이 MAC 주소는 6바이트(=48비트) 크기이며, 보통 16진수로 표시되고 콜론(:)으로 구분된다. 예: 47:20:1B:2E:08:EE

MAC 주소는 3가지 유형으로 분류된다:

• 유니캐스트 주소: 특정 하나의 장치를 지칭함
• 멀티캐스트 주소: 특정 그룹의 장치를 지칭함
• 브로드캐스트 주소: 네트워크에 있는 모든 장치를 대상으로 함 (FF:FF:FF:FF:FF:FF)

주소 47:20:1B:2E:08:EE를 전송할 때의 순서 : 이 주소는 6개의 바이트로 구성되며, 전송 시에는 바이트 단위로 왼쪽에서 오른쪽 순서로 전송되고, 각 바이트는 비트 단위로 오른쪽에서 왼쪽으로 전송된다.

MAC 주소를 나누는 기준

Access Method

표준 이더넷은 브로드캐스트 네트워크이다. 즉, 모든 장치가 하나의 전송 매체를 공유하기 때문에, 누가 언제 데이터를 전송할지 결정하는 방식이 필요하다.

이더넷은 이를 위해 CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) 방식을 채택한다. 구체적으로는 1-persistent CSMA/CD 방식이다.

이 방식은 다음과 같은 절차로 작동한다.

1. 전송 전, 채널이 사용 중인지 감지(carrier sense)
2. 채널이 비어있다면 즉시 전송(1-persistent)
3. 두 개 이상의 장치가 동시에 전송하면 충돌(collision) 발생
4. 충돌이 감지되면(jamming signal), 모든 장치는 전송을 중단하고 랜덤 시간 대기 후 재시도한다.

이 방식은 간단하면서도 적당한 성능을 제공하지만, 네트워크가 혼잡해질수록 충돌이 많아져 효율이 떨어질 수 있다.

Efficiency of Standard Ethernet

이더넷의 효율성은 네트워크가 얼마나 효과적으로 데이터를 전송하는지를 수치로 나타낸 것이다. 공식적으로는 다음과 같이 정의된다.

Efficiency = 1/(1 + 6.4a)

예제 :

• 전송 속도 : 10Mbps
• 매체 길이 : 2500m
• 프레임 크기 : 512비트
• 전파 속도 : 2 x 10⁸m/s

이 경우, 전파 지연과 충돌 처리 시간 등을 고려했을 때, 효율성은 약 39%로 계산된다. -> 이는 사용 중인 시간의 약 61%가 충돌 처리 등으로 낭비되고 있다는 의미이다. 따라서 효율성을 개선하려면 네트워크 혼잡을 줄이거나 충돌 감지를 없애는 방식(FD 등)을 도입해야 한다.

Implementation

표준 이더넷은 다양한 물리적 구현 형태를 가질 수 있는데, 그 중에서도 다음 네가지 구현 방식이 가장 널리 사용된다.

Changes in the Standard

표준 이더넷은 시간이 흐르면서 몇 가지 구조적 변화를 통해 고속 이더넷으로의 진화 기반을 마련했다. 그 중 가장 큰 변화는 스위칭 기술의 도입이다.

• Bandwidth Sharing 제거 : 예전에는 여러 장치가 하나의 매체를 공유했지만, 스위치 도입으로 각 포트가 고유한 링크를 가지게 되었다.

• 브리치와 스위치 도입 : 브리지는 충돌 도메인을 분리하여 네트워크 효율을 개선할 수 있다.

• Collision Domain 축소 : 스위치를 사용하면 충돌이 일어날 수 있는 구간이 줄어든다.

• 스위치 기반 이더넷(Switched Ethernet) : 각 장치가 별도 포트를 사용하므로 충돌이 발생하지 않는다.

• Full-Duplex 지원 : 송신과 수신이 동시에 가능하여 충돌 자체가 발생하지 않는다. (CSMA/CD) 불필요

이러한 변화는 이후 등장하는 Fast Ethernet, Gigabit Ethernet의 기반이 되었으며, 현재 대부분의 이더넷 환경은 이러한 스위치 기반 구조와 Full-Duplex를 사용하고 있다.

Fast Ethernet

이더넷 기술은 시간이 지남에 따라 더 높은 전송 속도를 요구받게 되었고, 1990년대에 등장한 Fast Ethernet은 이러한 요구에 응답한 기술이다. Fast Ethernet은 기존 표준 이더넷보다 10배 빠른 100 Mbps의 속도를 제공하면서도, 기존의 이더넷과 상호 호환성을 유지하고자 설계되었다.

Fast Ethernet은 표준 이더넷이 가지고 있던 핵심 구조를 유지하면서도, 고속 데이터 전송을 위해 물리 계층과 일부 제약 조건들을 조정하였다. 이 절에서는 Fast Ethernet에서의 접근 방식과 물리 계층의 변화, 그리고 구현 방식을 자세히 설명한다.

Access Method(접근 방식)

Fast Ethernet은 CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) 접근 방식을 유지한다. 이는 표준 이더넷과 동일한 MAC 계층 구조를 사용하며, 데이터 전송 전에 매체의 사용 여부를 감지하고, 충돌이 발생하면 이를 탐지하여 재전송하는 방식이다.

그러나, 전송 속도가 10배 빨라졌기 때문에 CSMA/CD가 제대로 작동하려면 몇 가지 조건이 변경되어야 한다:

• 최소 프레임 크기와 충돌 탐지 거리 : CSMA/CD의 핵심 원리는 전송이 시작된 후에도 충돌이 발생할 수 있다는 사실을 전제로 한다. 즉, 프레임을 전송하는 동안 충돌이 발생하면 이를 감지하고 중단할 수 있어야 한다.
  • 프레임 크기가 작을수록, 충돌이 발생할 수 있는 시간도 짧아 진다.
  • 그러나 전송 속도가 10배 빨라졌기 때문에, 같은 크기의 프레임이 10배 빨리 전송되므로, 충돌을 감지하기 위한 시간(즉, 네트워크 전파 거리)을 10배 줄여야 한다.
  • 결론 : Fast Ethernet에서도 프레임 최소 크기를 그대로 유지하려면, 네트워크 최대 길이를 줄여야 한다.

Physical Layer(물리 계층)

Fast Ethernet의 높은 속도를 지원하기 위해 물리 계층에서는 여러 가지 기술적 변화가 도입되었다. 특히, 신호 인코딩 방식과 케이블 유형의 변화가 중요하다.

인코딩 방식 : Fast Ethernet은 더 높은 속도에서 안정적인 데이터 전송을 위해 인코딩 방식을 새롭게 설계하였다.(신호 안정성과 오류 감지 능력 향상)

• 4B/5B 인코딩 : 4비트 데이터를 5비트로 치환하여 전송. 오류 검출 용이
• NRZI(Non-Return-to-Zero Inverted) : 0은 상태 변화 없음, 1은 상태 변화, 신호 전환을 통해 클럭 동기화 보장

• 대부분의 Fast Ethernet은 100Base-TX 방식으로 구축된다.
• 스타 토폴로지가 기본이며, 중앙에 스위치 또는 허브를 두고 각 장치들이 개별 케이블로 연결된다.
• UTP 케이블은 설치가 쉽고 저렴하여 널리 사용되며, 광섬유는 더 먼 거리에서 유용하다.

Fast Ethernet의 의의 : Fast Ethernet은 단순히 속도를 높이는 것 이상의 의미를 가진다. 기존 이더넷광의 호환성 유지라는 큰 틀 아래에서, MAC 계층은 그대로 유지하고, 물리 계층만 교체하거나 개선함으로써, 기존 네트워크 장비 및 소프트웨어와의 상호 운용성을 보장했다. 이를 통해 Fast Ethernet은 1990년대와 2000년대 초반에 폭넓게 도입되었고, 오늘날에도 일부 중소규모 네트워크나 특수 장비에서 여전히 사용되고 있다.

## Gigabit Ethernet Fast Ethernet 이후, 네트워크 환경에서는 더욱 빠른 데이터 전송 속도를 요구하게 되었고, 그 결과 등장한 기술이 Gigabit Ethernet이다. 이더넷의 세 번째 세대에 해당하는 Gigabit Ethernet은 초당 1기가비트(1000 Mbps)의 전송 속도를 제공하며, 고속 통신이 필요한 기업, 서버, 데이터센터 등의 환경에서 널리 사용된다.

이 절에서는 Gigabit Ethernet의 MAC 계층의 변화, 물리 계층 구조, 그리고 구현 방식을 중심으로 설명한다.

MAC Sublayer(MAC 서브 계층)

이전까지의 이더넷 발전에서는 MAC 계층을 가능한 한 변경하지 않고 속도만 높이는 방향이었지만, Gigabit Ethernet에서는 속도가 대폭 향상되면서 더 이상 기존 MAC 계층을 그대로 유지하기 어려워졌다. 따라서 일부 조정이 불가피했다.

Half-Duplex vs Full-Duplex

현실에서는 대부분의 Gigabit Ethernet 장비가 Full-Duplex 모드만을 지원하므로, Half-Duplex 모드는 이론적 설명 수준에 머물러 있다.

Full-Duplex 모드에서는 두 장치가 동시에 송신과 수신을 하기 때문에, 충돌이 발생할 가능성이 없고, 따라서 CSMA/CD 프로토콜이 더 이상 필요하지 않다. 이는 네트워크 성능을 비약적으로 향상시키는 주요 요인이며, 이더넷 기술의 구조적인 전환점이 된다.

Physical Layer(물리 계층)

Gigabit Ethernet의 높은 전송 속도를 구현하기 위해 물리 계층에서도 다양한 변화와 복잡성이 추가되었다. 특히 인코딩 방식, 전송 매체, 구현 기술이 다양해졌으며, 다양한 환경에 맞게 여러 표준이 제정되었다.

인코딩 방식

이러한 인코딩 방식은 높은 전송 속도에서 신호 품질을 유지하고, 클럭 동기화 및 오류 검출을 가능하게 한다.

다양한 구현 방식 : Gigabit Ethernet은 다양한 매체와 환경을 지원하기 위해 여러 구현 표준을 제공한다. 이들은 IEEE 802.3z 및 802.3ab 표준에 정의되어 있다.

• 대부분의 기업 환경에서는 1000Base-T가 가장 널리 쓰인다.
• 데이터 센터나 백본망에서는 광섬유 기반의 LX/SX 방식이 활용된다.

Gigabit Ethernet의 의의 : Gigabit Ethernet은 단순한 속도 증가를 넘어, 이더넷 기술에 있어서 질적인 전환점을 의미한다

• Full-Duplex 전송을 통해 충돌과 그에 따른 CSMA/CD의 종말을 맞이함
• 다양한 매체를 통해 다양한 거리와 목적에 유연하게 대응 가능
• 기존 이더넷 프레임 구조를 유지하며 상위 계층과의 호환성 확보
• 높은 속도임에도 불구하고 상대적으로 낮은 비용으로 구현 가능

이러한 이유로 Gigabit Ethernet은 오늘날 대부분의 고속 LAN 환경에서 사실상 표준 기술로 자리 잡았다.

10-Gigabit Ethernet

10-Gigabit Ethernet은 이더넷 기술의 네 번째 세대로, 이름 그대로 초당 10기가비트(10 Gbps)의 속도를 제공한다. 이는 기존의 1 Gbps 기반 Gigabit Ethernet보다 10배 더 빠른 속도이며, 단순한 LAN을 넘어서 대도시 통신망(MAN: Metropolitan Area Network)이나 백본 네트워크에서도 사용될 수 있도록 설계되었다.

10-Gigabit Ethernet은 고속성과 더불어 광범위한 네트워크 환경에서 안정적인 전송을 목표로 한다.

고속 네트워크를 위한 설계 목적

• 기존 이더넷 기술과 프레임 구조 호환성 유지
• 전송 속도 10Gbps 제공
• Full-Duplex 전용 모드 도입(CSMA/CD 제거)
• 광선유 기반 백본망, 데이터 센터, ISP 간 연결 등 고속 통신 백본 구축

Implementation(구현 방식)

• CSMA/CD 제거 : 10-Gigabit Ethernet은 오직 Full-Duplex 모드만을 지원한다. 다시 말해, 두 장치가 동시에 송신과 수신을 할 수 있기 때문에 충돌(Collision)이 발생하지 않으며, 따라서 CSMA/CD 접근 방식은 완전히 제거되었다. 이는 네트워크의 효율성과 신뢰성을 극대화하는 방향으로 작용한다. 결과적으로 10-Gigabit Ethernet은 기존 이더넷 기술의 한계를 뛰어넘는 고성능 전송 환경을 제공한다.

구현 표준 : 10-Gigabit Ethernet은 다양한 전송 거리와 환경에 대응하기 위해 여러 가지 표준 구현 방식을 정의하고 있다. 각 표준은 사용되는 매체(광섬유 등)와 적용 목적에 따라 구분된다.

각 구현 방식은 특정 환경에 따라 선택되며, 특히 광섬유 매체를 사용하는 방식이 대부분이다. 이는 고속 전송에서 전기적 간섭(EMI)에 강하고, 장거리 전송이 가능하기 때문이다.

10-Gigabit Ethernet 특징

10-Gigabit Ethernet은 단순한 LAN 기술이 아닌, 백본 네트워크 및 대규모 네트워크의 중추 기술로 자리 잡고 있으며, 앞으로도 더욱 빠른 속도의 이더넷 기술로 발전할 수 있는 기반이 된다.