[e-koreatech/네트워크기초] 04. 근거리 통신망(LAN)

LAN의 정의 및 특징

1. 근거리 통신망(LAN)의 정의와 특징

근거리 통신망(LAN : Local Area Network)

- 여러 대의 컴퓨터와 주변장치 등이 통신 네트워크를 구성하여 통신하는 망

- 학교, 건물, 사무실, 대학 등과 같이 비교적 가까운 거리에 한정되어 있는 망

근거리 통신망의 특징

- 네트워크 내의 다양한 자원을 서로 공유하고 필요한 정보를 서로 교환할 수 있는 사설 네트워크

* 단일 기관의 소유

* 네트워크 구성의 최소의 단위

* 다양한 통신장치와의 연결성

* 네트워크 확장 및 재배치 용이

* 다양한 데이터 처리(데이터, 음성, 영상 등)

* 네트워크 내의 어떤 기기간에도 전송이 가능

* MAN, WAN의 구성요소

* 데이터 전송에 대한 높은 신뢰성

근거리 통신망의 도입효과

- 분산처리의 실현

* 현재의 집중 처리 방식에서 업무별 분산 처리 가능

* 고가의 대형 시스템을 중저가의 중소형 시스템으로 대체 이용 가능

- 통합된 네트워크 관리

- 고속의 데이터 전송

- 자원 공유

* 주변장치, 소프트웨어, 자료의 공유 가능

- 효과적인 시스템 이용

* 파일 전송에 의한 데이터 교환 가능

- 통신기기간 통신

* 통신기기를 연결하여 데이터의 전송 및 파일 서버의 프로그램, 프린터 주변기기 공유

2. 근거리 통신망(LAN)의 등장배경

1970년대 초

- 미국의 제록스(Xerox)사의 PARC에서 LAN에 대한 학문적 연구로부터 시작

1976년

- 미국의 제록스(Xerox)에서 발표한 이더넷(Ethernet) 이후 급속한 발전을 가져옴

- 전송속도 : 3Mbps

1979년

- 미국의 제록스(Xerox)에서 전송속도 10Mbps를 발표함으로써 표준화가 활성화함

1980년

- 9월에 이더넷(Ethernet) 표준규격 버전 1.0이 발표됨으로써 본격적인 발전 시작

3. 근거리 통신망(LAN)의 발전과정

1950년대 ~ 1960년대 전반

- Batch처리 방식(전형적인 Local Batch)

: 기간이나 양을 정해서 데이터를 수집한 후 일괄적으로 처리하는 방식

ex) OMR 카드

1960년대

- 컴퓨터 처리 속도의 비약적인 발전

- 멀티 프로그램이 가능한 운영체제 등장

- 컴퓨터와 터미널 간의 온라인이용

- 컴퓨터 이용의 공간적 제약을 벗어남

1970년대

- 컴퓨터 이용에 대한 수요가 더욱 다양화되고 증진됨

- 다양한 기술과 저렴한 가격의 미니 컴퓨터가 장착

- 대용량 디스크와 주변장치들의 공유 필요

- 데이터의 중복, 제한된 연산능력, 한정된 컴퓨터 자원 등의 문제점을 보완하기 위해 컴퓨터간의 통신 필요성 증대로 통신장비 및 통신 S/W 개발

- 고도의 조직적인 네트워크 필요성 등장(원거리 통신망(WAN)의 출현배경)

- 분산처리 체계의 확립

1980년대

- 개인용 컴퓨터 대량 보금(비전문가의 컴퓨터 이용시대)

- 사무실, 공장, 실험실 등에서 다양한 정보 처리 수요 폭발

- 모든 부서에서 컴퓨터 설치, 설치된 컴퓨터 및 주변기기와 타사무자동화 기기들간의 통신 처리 필요성

- 기기들간에 신속하고 용이하며 신뢰성 있는 정보를 교환할 수 있는 체계의 필요성 증대

→ LAN이 등장하게 되는 배경 형성

1990년대 ~ 현재

- 인터넷의 대중적 보급

4. 근거리 통신망(LAN)의 구성요소

근거리 통신망 구성요소

- 여러개의 근거리 통신망을 상호 접속하여 하나의 통신망으로 형성하기 위해서 사용되는 장비는 전송매체, 네트워크 인터페이스 카드, 리피터, 허브, 브리지, 라우터, 게이트웨이 등이 있음

- LAN과 WAN을 서로 연결하기 위해서는 LAN의 구성요소들 중 리피터, 브리지, 라우터, 게이트웨이를 사용하여 서로 다른 LAN들을 연결

→ 이러한 장비들을 인터네트워킹 장비라 부름

전송 매체

- 트위스트 페어 케이블(Twisted Pair Cable)

- 동축 케이블(Coaxial Cable)

- 광섬유 케이블(Optical Fiber Cable)

근거리 통신망 구성요소

- NIC(Network Interface Card)

: 일명 LAN Card라고 불림

: 컴퓨터를 전송매체에 연결해주는 장치

: 디지털 정보를 전기신호로 변환, 충돌을 회피하여 신호를 케이블로 전송

: 데이터 전송은 패킷(Packet) 단위로 전송

: 전송매체의 종류, 접속형태(Topology), 액세스 방식에 영향을 끼침

: Ring, Bus 접속형태 등을 복합적 연결 가능

- 리피터(Repeater)

: 증폭기 역할

: 거리가 증가할수록 감쇄되는 신호를 재생시키는 장치

- 허브(Hub)

: 네트워크 케이블 집중장치

: 중앙의 제어장치를 중심으로 Point-to-Point 연결을 위한 장치

* 종류

□ 더미 허브(Dummy Hub) : 단순한 연결 기능

□ 인텔리전트 허브(Intelligent Hub) : 네트워크 관리 기능이 추가

- 브리지(Bridge)

: LAN과 LAN을 연결하여 신호를 교환하여 주는 역할

: OSI 7 Layer 2계층인 Data-Link Layer를 사용

: 분리된 장소에 설치된 두 개 이상의 LAN을 연결하여 하나의 LAN처럼 보이게 함

- 라우터(Router)

: 다른 망을 연결하기 위해 반드시 필요

: 데이터를 발신지로부터 여러 링크를 통하여 목적지까지 전달하는 책임을 가지는 OSI 7 Layer 3계층인 Network Layer 기능을 수행

: 원거리의 연결(LAN/MAN/WAN) 가능

: 라우팅 테이블(Routing Table)을 만들어서 데이터 운반

- 게이트웨이(Gateway)

: 다른 종류의 통신망 사이에 메시지를 전달할 수 있도록 해주는 장치

: 다른 종류의 서로 다른 네트워크의 특성을 상호 변환시켜 호환성 있는 정보를 전송할 수 있게 해주는 장치

5. 근거리 통신망(LAN)의 전송방식

베이스 밴드(Base Band)

- 컴퓨터나 통신장치의 디지털 출력신호를 변조하지 않고 전송로를 이용하여 그대로 전송하는 방식

- 디지털 신호를 사용하여 변조하지 않음

- 송수신 장치가 간단하고, 소요비용 저렴

- 한번에 하나의 신호만 전송 가능

- 1Km ~ 2Km 정도로 거리가 제한되어 있고, 그 이상 거리는 리피터(Repeter)를 사용

- 전송매체는 트위스트 페어 케이블, 동축 케이블을 많이 사용

- 주로 BUS 전송형태의 통신망이 많이 쓰임

브로드 밴드(Broad Band)

- 디지털 데이터를 모뎀을 이용하여 아날로그 데이터로 변조하여 전송하는 방식

- 아날로그 신호를 전송하며, 주파수 분할 다중화(FDM) 방식을 사용

- 동시에 여러 정보 전송 가능(다기능 네트워크)

- 정보의 흐름이 한 방향으로만 이루어짐

- 케이블 설계가 복잡하여 설치 비용이 높고, 유지보수가 상대적으로 어려움

- CATV에 사용 가능하고 대역폭이 넓음

- 주로 토큰 버스와 트리 접속형태의 통신망이 많이 쓰임

베이스 밴드 방식과 브로드 밴드 방식의 비교

IEEE의 LAN 표준안

1. LAN의 표준화

LAN의 표준화

- IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers) 표준화 프로젝트(1985년 설립)

- 프로젝트 802와 OSI 모델과의 관계 : 데이터 링크계층(Data-link Layer)을 논리링크제어(LLC)와 매체접근제어(MAC)으로 두 서브계층으로 나눔

* 매체접근제어(MAC : Medium Access Control)은 전송매체의 종류에 따라 데이터 전송이 가능하도록 프레임의 전송을 담당

* 논리링크제어(LLC : Logic Link Control)은 데이터 링크 설정, 관리, 해제 등의 기능을 수행

- LAN에서는 물리계층(Physical Layer)과 데이터 링크계층(Data-link Layer)만 규정

프로젝트 802.

- 두 서브계층 논리링크제어(LLC)와 매체접근제어(MAC)로 나뉨

- 인터네트워킹 관련 부분을 포함하고 있는데 프로토콜이 서로 다른 통신망들 사이의 호환성을 보장하고 데이터를 교환하는 것을 허용

- 프로젝트 802의 강점은 모듈성

- LAN 관리에 필수적인 기능들을 나누어서 일반화가 가능한 부분을 표준안으로 만들 수 있음

- 각 네트워크에 특정한 부분을 별도로 분리시킬 수 있음

2. 논리링크제어(LLC)

논리링크제어(LLC : Logic Link Control)

- 상위계층과 인터페이스 기능을 수행함과 동시에 링크 제어기능인 오류제어 및 흐름제어를 함

- 논리적 링크 제어의 데이터 단위는 프로토콜 데이터 유닛(PDU)

프로토콜 데이터 유닛(PDU : Protocol Data Unit)

- HDLC와 유사한 4개의 필드로 구성

프로토콜 데이터 유닛의 형식

논리링크제어의 3가지 서비스

- 비확인 비연결형 서비스

: 논리적 연결 설정 하지 않고 흐름제어나 오류제어를 수행하지 않음

: 신뢰성 있는 높은 데이터 전달이 보장되지 않음

: 논리적 링크 제어의 상위 계층에서 오류제어 및 흐름제어 기능이 제공되는 경우 사용

: 물리적인 전송매체의 신뢰성이 우수하므로 대부분의 LAN에서 채택하여 사용

- 연결형 서비스

: HDLC에서 제공하는 서비스와 유사

: 데이터 전송 전에 논리적인 연결 설정

: 흐름제어와 오류제어 기능 수행

: 신뢰성 있는 데이터 전달 가능

- 확인 비연결형 서비스

: 논리적인 연결을 설정하지 않음

: 수신측으로부터 확인 응답을 통하여 전송 실행

: 신뢰성 있는 데이터 전달 가능

LAN의 기술

1. CSMA/CD

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

- IEEE 802.3 표준으로 정의된 네트워크에서 사용

- OSI 7 Layer에서 데이터 링크 계층의 매체접근제어(MAC)에서 동작

- 전송 기회를 잡기 위한 경쟁(contention) 방식

CSMA/CD의 진화된 과정

동작절차

① A에서 C로 데이터 전송

② A가 보낸 데이터가 C로 전송되기 전에 C가 데이터 전송을 시작 

③ C의 충돌을 감지하고 충돌신호를 모든 호스트들에게 전송

④ A는 충돌신호를 감지하고 전송을 중단한 후 회선이 깨끗해질 때까지 기다린 다음 데이터 전송을 다시 함

→ 만약, 연속적인 충돌이 16번 이상 생긴다면 각 장치는 데이터 전송을 포기하고 다른 명령이 오기를 기다림

CSMA/CD 장점

- 통신량이 적을 때 최적의 성능 발휘

- 한 개의 장치에 고장이 발생해도 전체 네트워크 내의 장치의 통신에 영향을 주지 않음

CSMA/CD 단점

- 통신량이 많을 때 충돌회수가 증가하면서 이용률이 떨어지고 지연시간의 예측 불가능

CSMA/CD(IEEE 802.3) MAC 프레임 구조

- 프리앰블(Preamble)

: 첫 번째 필드

: 0과 1을 반복하는 7바이트 포함

: 수신측에 프레임 도착 통지, 타이밍 및 시작 동기화

- 시작 프레임 지시기(Start Frame Delimiter)

: 프레임 시작을 알림

- 목적지 주소(Destination Address)

: 목적지의 물리 주소

- 발신지 주소(Source Address)

: 발신지의 물리 주소

- 타입(Type)

: 프레임에 저장된 데이터 유형

- 데이터(Data)

: 논리링크제어로부터 받은 데이터

: 46 ~ 1500 bytes 사이

- CRC(Cyclic Redundancy Check)

: 오류 검출

2. 토큰 패싱

토큰 패싱(Token Passing)

- 송신권을 부여하는 신호인 토큰(Token)이라는 데이터를 순환하여 순차적으로 옮겨가면서 전송하는 방식

- 토큰을 가진 통신장비만 송신 가능

- CSMA/CD와 같은 충돌은 발생하지 않음

- 네트워크의 접속형태에 따라 토큰 링 방식과 토큰 버스 방식으로 구분

토큰 패싱의 특징

- 데이터 전송에 있어서 충돌발생이 없으며, 확실한 데이터 전송이 이루어짐

- 주기적으로 데이터 전송이 이루어지므로 데이터 전송속도 제어 가능

- 전송량이 많은 네트워크에서 더욱 효율적

토큰 패싱의 단점

- 통신장비 수가 많아서 토큰의 순회시간이 길어지게 되면 네트워크의 속도 저하

- 토큰이 유실되었을 때 무한히 기다려야 함

토큰 버스(Token Bus)

- IEEE 802.4 표준으로 정의된 네트워크에서 사용

- 충돌에 따른 지연시간 떄문에 사용

- 물리적으로는 버스형, 논리적으로 토큰을 이용한 링형(Ring using token)이 있음

- 중요도가 다른 장치들 간에 일정한 시간 내에 정보 교환이 가능하기 때문에 공장자동화와 프로세스 제어에 많이 사용

토큰 버스의 특징

- 토큰을 사용함으로써 충돌 가능성 제거

- 스테이션 간의 우선 순위 설정 가능

- 부하가 큰 경우 CSMA/CD보다 성능 우수

토큰 버스의 단점

- 논리적으로 링 형태로 작동하기 떄문에 복잡

 토큰 링(Token Ring)

- 1984년 IBM에 의해서 개발

- OSI 7 Layer에서 데이터 링크 계층의 매체접근제어(MAC)에서 동작

- 논리적인 링의 접속형태

- 전송속도는 4Mbps 및 16Mbps

- 전송제어기법은 토큰 패싱 기법 사용

- IEEE 802.5의 표준으로 정의된 네트워크에서 사용

토큰 링의 장점과 단점

- 장점 : 각 스테이션에 공정한 접속 기회를 제공하며 우선 순위를 두어서 통신량의 조절 가능

- 단점 : 토큰 관리 필요

토큰 링의 동작절차

① 토큰은 링형 구조에서 전송할 컴퓨터를 기다리면서 돌고 있다.

② 컴퓨터 A는 컴퓨터 D에게 전송하기 위해 토큰을 받은 후 데이터를 컴퓨터 D에게로 전송한다.

③ 데이터를 받은 컴퓨터 D는 데이터를 복사한 후, 데이터를 다시 링형 구조로 보내지게 되어 링을 따라 돈다.

④ 링을 따라 돌다가 컴퓨터 A에 도착하여 전송이 성공적으로 이루어졌음을 알린다.

※ CSMA/CD와 토큰 패싱의 비교

3. 이더넷

이더넷

- IEEE의 802.3 표준의 기초

- 근거리에 위치한 사용자 기기 및 컴퓨터 간의 데이터 전송이 가능

- 데이터 전송을 제어하는 기법은 CSMA/CD을 사용

- 데이터의 전송 능력에 따라 10Mbps와 100Mbps로 구분

- 이더넷 사양은 OSI 참조 모델의 물리적 계층과 데이터 링크 계층과 같은 기능을 수행

- 현재 가장 널리 사용되는 네트워크의 연결방법

이더넷의 종류

- 이더넷의 접속 형태 : X Base Y

* X : 전송속도를 나타냄

* Base or Broad : 베이스밴드 전송방법 혹은 브로드밴드 전송방법을 나타냄

* Y : 전송 가능한 세그먼트의 거리를 나타냄

4. 스위칭 LAN

스위칭 LAN(Swiching Local Area Network)의 도입배경

- 기존 이더넷의 문제점

: 다중매체 접속 방법

: 물리적으로는 스타형이며 논리적으로는 버스형

: 하나의 스테이션이 프레임을 보내면 나머지 모든 포트로 프레임 전송

: 두 스테이션이 동시에 프레임을 보내면 충돌 발생

스위칭 LAN

- 스위칭 LAN은 기존의 네트워크를 연결해주는 허브를 스위치로 바꾸어 두 통신 사용자에게 독립적인 통신매체의 사용을 보장하는 방법

- 허브를 스위치로 대체

- 두 통신 사용자에게 독립적인 통신매체의 사용을 보장하는 방법

- 충돌이 발생하지 않음

5. 고속 이더넷

고속 이더넷

- 이더넷 기술을 계승한 것으로 전송 매체 상의 데이터 전송 속도를 100Mbps로 고속화한 LAN

- 100Mbps로 동작

- 표준안의 총괄적인 명칭은 100BASE-T

- 100BASE-T 옵션은 모두 802.3 MAC 프로토콜과 프레임 형식을 사용

- 모든 100BASE-T 규격은 10BaseT의 성형 토폴로지와 유사

- 전송 매체의 종류에 따른 다수의 대체 방안을 정의

고속 이더넷의 종류

- 100Base-TX

: 모든 노드들이 연결된 형태

: 문제해결이 쉽고 오류에 강함

: 여분의 경로로 인해 오류의 영향을 적게 받음

- 100Base-FX

: 두 개의 광섬유 케이블 사용

: 신호방식은 NRZI

: 스테이션과 허브간의 최대 간격은 2000m

- 100Base-T4

: 기존의 전화선을 이용하여 고속 이더넷 구현

: 4쌍의 카테고리 3 UTP 케이블 사용

: 각 방향으로 동시에 3쌍이 데이터 전송에 사용(2쌍은 양방향, 1쌍은 단방향)

: 각 쌍에 33.66Mbps 씩 전송

6. 기가비트 이더넷

기가비트 이더넷

- 1995년 후반, IEEE802.3 위원회는 이더넷 구성 형태에서 초당 기가비트의 속도로 데이터를 전달하는 방법 연구

- 새로운 매체와 전송 규격이 정의되는 동안 CSMA/CD와 10Mbps의 기존 이더넷 형태를 유지

- 100BASE-T 및 10BASE-T와 호환이 가능하며 원할하게 이전 가능

- 매체 및 전송에 관한 규격은 광섬유를 사용하여 광 채널의 물리 계층의 규격을 도입하여 사용

- 고속 이더넷의 중추적인 역할로 주로 사용