- 인터넷을 하려면 이더넷부터

최근의 컴퓨터 케이스 후면을 보면 거의 필수적으로 이더넷 포트(혹은 랜포트)가 존재합니다. 만약 이 이더넷 포트가 없다면 이 글을 볼 수 있는 기회가 없을테지요(^^;)  우리가 인터넷 익스플로러나 FTP 와 같은 클라이언트를 통해 자료를 검색, 전송, 확인하는 등의 다양한 행위들의 결과는, 바로 이 조그마한 구멍(?)을 통해서 이루어짐을 의미합니다. 전 세계 어딘가로 여행을 떠나기 위한 첫 관문이 바로 이더넷 포트인데, 과연 우리는 이에 대해 얼마나 알고 있는지 미약하나마 한번 알아보기로 하겠습니다.

이더넷(Ethernet) 이란 약속을 통해 네트워크를 구성하기 위해선, 네트워크 인터페이스 카드(NIC) 혹은 쉽게 랜카드, 이더넷 카드로 부르는 장비를 설치해야 합니다. 이 랜카드의 역할은 우리가 원하는 많은 작업결과가 여러단계를 거치게 되며, 결국 전압의 높낮이로 구별시킨후 네트워크 상에 전파시키는 역할을 하게 됩니다.

이명동인(異名同人)의 "이더넷 카드",  "랜카드", "네트웍 인터페이스 카드"

- MAC(Media Access Control)

위 그림과 같이 네트워크가 연결되어 있고 A,B,C 컴퓨터들은 각자의 랜카드가 설치되어 있다고 가정해 보면... A, B, C 가 데이터를 전송하거나 받기 위해서 혹은 자신의 존재유무를 알리기 위해서는 네트워크 상에서 구별할 수 있고 변치않는 이름이 필요하게 됩니다. 마치 우리네의 주민등록번호 처럼...

이를 위해 랜카드들은 저마다 고유한 이름이 붙어있으며, 이 이름을 MAC(Media Access Control) 주소 혹은 물리적 주소라고 부릅니다. - 주변에서 흔히 볼수있는 잡초일지라도 저마다 이름을 붙여주면 구별이 가능하지 않을까요?

윈도우즈 2000/XP에서 명령 프로프트창을 열고 "ipconfig /all" 입력

위의 이미지를 보면 알수있듯이 MAC Address(통상 "맥 주소")는 12개의 16진수로 이루어져 있습니다. - 무슨 주소가 이렇게 긴지 -_-; 컴퓨터는 알다시피 "높고", "낮음"의 전압차 즉, 2진수만을 인식하기 때문에 이를 사람들이 쉽게 구분하기 위해서, 위의 MAC 주소역시 16진수로 변환해 표현하고 있으며, 이를 2진수로 풀어본다면 총 48개로 , 48 비트임을 알 수 있습니다. - 48비트면 현재 우리가 사용하는 IP주소(IPv4는 32비트크기)보다도 엄청나게 큰 수치입니다.

자 그럼 MAC주소에 대해 요약해 보면... 이 값은 변경이 불가능한 유일한 값으로 제품의 생산시 정해지게 됩니다. 즉 지구에서 단 하나뿐인 값을 사용하고 있는 셈인데, 그렇다면 이런 의문이 생길 수도... "IP주소가 있어야 인터넷이 되지 않습니까? 어디선가 들었는데 IP주소도 유일한 값이라고 하던데... 무슨 유일한 주소가 두 개씩이나 필요한가요 ?"

- 이더넷의 약속은 CSMA/CD를 지키는 것부터....

앞선 의혹들을 풀어보려면, 일단 이더넷의 몇가시 특징을 짚고 넘어가야 합니다. 이전 페이지에서 언급된 것처럼 이더넷(Ethernet)에서는 CSMA/CD란 약속을 사용합니다. 이 CSMA/CD란 네트워크에 연결된 컴퓨터들간의 효율적인 신호전송의 한 방법으로, 이더넷이 바로 이 CSMA/CD를 사용하는 대표적인 예 입니다. 보기에는 길어도 막상 속내를 들여다 보면 아래와 같이 간단한(?) 방법으로 이루어집니다.

이처럼 CSMA/CD 방식은 여러 컴퓨터들이 단일 회선을 통해 효율적인 통신을 하기 위한 규칙으로 볼 수 있습니다. 좀더 구체적인 예를 통해 알아보도록 하면, 아래와 같은 네트웍이 구성된 환경에서 C컴퓨터는 F컴퓨터에게 데이터를 전송할 예정이며, F 컴퓨터의 IP주소를 알고 있고 가정하겠습니다.

C에서 출발한 패킷의 목적지는 F

일단 C는 전송할 데이터를 위해 몇가지 단계를 거치게 되고, F 컴퓨터의 IP주소를 전송이 준비된 데이터와 함께 준비하게 됩니다. 편지봉투에 편지지(데이타)를 넣고 겉면에 받는사람 주소(IP주소)를 적는 것과 매우 흡사합니다. (참고) 회선상에 흘러다니는 데이터를 환경에 따라 통상 프레임 혹은 패킷이란 용어를 사용합니다.

C컴퓨터는 IP주소를 편지봉투의 받는사람 주소란에 적고 다음 단계로 가게 됩니다. 다음단계에서 받는 사람의 IP주소를 보게되면, 이 IP주소를 갖는 컴퓨터가 어디에 사는지, 즉 패킷을 받을 F 컴퓨터의 물리적 위치(MAC주소)가 어디인지를 알아야 하는 상황에 부딪히게 됩니다. - 드디어 MAC주소가 빛을 볼날이...

이때 적절한 방법을 사용해 IP주소를 MAC 주소로 변경하는 과정을 거친후, 받는사람의 주소에는 IP주소가 아닌 MAC주소가 적히게 됩니다. 즉 IP 주소를 랜카드가 이해할 수 있는 물리적 주소(MAC주소)로 변환하는 과정을 거치게 됩니다.

그후 마침내 C컴퓨터의 이더넷카드(랜카드)로 전송할 패킷이 내려오게 되고, 랜카드는 이를 네트웍 회선에 흘러보내게 됩니다. 이를 통상 뿌린다고도 하는데, 네트웍에 뿌려진 데이터는 회선이 연결된 구석구석으로 펴지게 됩니다. 마치 길다란 파이프와 같아서 한쪽에서 고함을 치면 귀를 대고 있는 사람들이 모두 들을 수 있는 것에 비유할 수 있습니다.

- 이더넷에서 충돌이 발생하면...

앞서 CSMA/CD를 설명했는데 이를 현재 상황에 적용해 보면, 랜카드가 네트웍에 패킷을 뿌리기전 다른 신호(Carrier)가 있는지 검사하게 되며, 이 뿌려진 신호는 출발지 컴퓨터 C를 제외한 A,B,D,E,F 의 모든 컴퓨터들에게 전달되게 됩니다.

- 유니,멀티,브로드캐스트

C의 이더넷카드에 의해 네트워크로 뿌려진 데이터는 연결된 모든 컴퓨터들의 이더넷 카드에 전달됩니다. 이를 수신한 이더넷 카드는 전달받은 편지봉투(데이타)위에 적힌 주소(MAC 주소)를 확인하게 되는데, 자신의 MAC주소와 비교해 받을껀지 무시할 것인지 판단하게 됩니다.

위에 예를 든 것과 같이 C컴퓨터가 F로 데이터를 전달할 때 F의 MAC주소를 목적지로 하여 전달한 이런 방식을 통상 유니캐스트(혹은 싱글캐스트)라고 합니다. 즉 한 컴퓨터를 타켓으로 한다는 뜻이겠지요^^. 그밖에 브로드 캐스트, 멀티캐스트등이 존재합니다.

데이터를 수신하게되는 F 컴퓨터는 어떤 일이 일어날까요? 앞서 살펴보았지만 꼭 목적지가 자기자신(F)이 아니더라도 모든 신호들은 전달되게 되는데, 즉 A, B 컴퓨터가 둘이 속삭이고(?) 싶어도 언뜻언뜻 들리게(?) 됩니다. 이 때문에 이더넷은 구조적으로 충돌이 빈번히 발생할 수 밖에 없습니다.

- 이더넷 카드(랜카드)는 CPU에게 인터럽트를 발생시킨다

자 그럼 F컴퓨터가 수신한 데이터를 처리하는 과정을 살짝 유추해 보면, 일단 회선을 통해 데이터가 전달되게 되면 F의 이더넷카드(랜카드)는 해당 데이터의 목적지 MAC주소를 살펴본후 이것을 수신해야 하는지 여부를 판단하게 됩니다. 만약 수신해야하는 판단이 서게되면, 해당 편지봉투를 열고, 또 열고, ...여러번 열어 마침내 내용물을 판단하게 됩니다. (편지 봉투안에는 또 다른 편지봉투가 있어 몇 번이고 열어야 합니다.)

이와 동시에 이더넷 카드는 시스템에 인터럽트(interrupt)를 발생시켜 "내가 데이터를 좀 받았는데, CPU야 처리좀 해라 !" 하며 반 강제적인 요구를 하게 되며, 인터럽트가 발생하면 시스템은 인터럽트 우선순위에 따라 이를 처리하게 됩니다. - 만약 회선상에 브로드캐스트 신호가 넘쳐 난다면 충돌이 증가할 가능성이 높을뿐만 아니라 회선에 연결된 모든 시스템들은 수시로 발생하는 브로드 캐스트 신호 때문에 인터럽트를 발생시키고, 쓸대없는 CPU 자원을 소비하게 됩니다.

- 네트워크의 다양한 형태 : Bus

과거 도스(DOS)를 사용할 때만 해도 여러컴퓨터를 서로 연결하는 네트워크가 큰 주목을 받지 못했습니다. 그 당시 컴퓨터를 사용해 누군가와 접촉(?)한다는것은 일종의 특권이기도 했습니다. 그러나 지금 네트웍이 안되는 컴퓨터가 과연 컴퓨터 소리를 들을 수 있을까요? 그만큼 컴퓨터가 보급됨에 따라 혼자가 아닌 여럿이 어울려야 제 맛임을 깨닫게 되었습니다. 자 그럼 이러한 컴퓨터를 통한 네트웍을 구성하는 방법에는 어떤 것들이 있으며 무엇이 필요한지 알아보면...

가장 일반적인 네트워크의 형태는 위와 같이 중앙에 백본(Backbone)두고 호스트(혹은 노드)들을 연결한 형태입니다. 위의 그림과 같은 연결형태를 통상 버스(Bus) 라 부르는데, 회선의 양 끝에는 신호의 반송을 막기위해 터미네이터(아놀드? ^^) 혹은 접지를 시키는 것이 일반적입니다. 버스형태는 얼마전 까지만 해도 중소규모의 랜환경에 주로 사용되어왔지만 지금은 보기 드물 게 되었습니다. 매우 단순한 구조를 가지고 있지 않나요?

단점을 지적해 보면, 특정 호스트가 문제를 일으켜 요상한(?) 신호를 끊이지 않고 지속적으로 회선에 뿌리게 되면, CSMA/CD을 사용하는 이데넷의 특성 때문에 다른 호스트들은 계속 기다려야 하는 상황에 오게되고 회선을 혼자 독차지 하게 됩니다. 결국 통신을 못하게되는 일이 발생하게 되는데, 이로인해 전체 네트워크는 다운된 것과 다를바 없어집니다. 말그대로 무용지물이 되는셈이지요. 게다가 어떤 녀석이 문제를 일으켰는지도 찾기가 쉽지 않게 됩니다.

- 네트워크의 다양한 형태 : RIng

자 다음은 링(Ring) 형태를 띈 네트워크 모델이 있습니다. Bus와 마찬가지로 중앙에 백본을 두고 있지만 양끝을 서로 연결시켜 원형을 만들어 주었습니다. 링 형태를 사용하는 대표적인 네트웍크중 '토큰링(Token Ring)'이란 것이 있습니다.

토큰(Token)은 80년대까지 버스를 탈 때마다 내야했던 바로 그 토큰(현재의 회수권?)과 매우 흡사합니다. 일단 네트웍상에 하나의 토큰을 생성한 후, 이 토큰을 가진 컴퓨터만 통신할 수 있는 권한이 생기게 됩니다. 네트웍에 연결된 다른 녀석들은 손가락만 빨며(^^) 순서를 기다려야 합니다. 이후 자신의 할 일을 마쳤거나 토큰의 사용기간이 만료되면 옆의 컴퓨터로 토큰을 전달하는 방식을 취하게 됩니다.

이런 제한적인 네트워크 구조로, 버스나 추후설명할 스타구조와는 달리 이더넷의 특징인 충돌(Collision)이 발생하지 않습니다. 현재 이런 토큰링은 흔히 보긴 어렵고 몇몇 대형서버들에서 주로 사용되고 있습니다.

- 네트워크의 다양한 형태 : Star

스타 구조는 현재 가장많이 사용되고 있습니다. 게다가 대부분의 네트웍 장비들도 스타구조를 지원하고 있습니다. 허브나 스위치, 그리고 최근 인터넷의 확산으로 잘알려진 IP공유기가 바로 스타구조를 지원합니다. 가장 큰 장점으로는 아래 그림처럼 확장이 매우 간편하다는데 있습니다. 게다가 버스형태와는 달리 특정 호스트에 문제가 발생할 경우, 위치를 파악해 해결하기가 매우 간편합니다.

확장이 용이한 스타구조

최근엔 특정 호스트가 문제를 일으킬 경우 자동으로 회선에서 격리시켜주는 지능적인 장비들도 있으며, 이렇게 네트웍에서 분리해주는 기능을 오토 파티셔팅(Auto-Partitioning) 이라고 부르기도 합니다. 위에서 소개한 3가지외에 Mesh, Hybrid등의 복합적인 네트웍형태도 존재합니다.

- 서브넷(Subnet)

우리가 사용하고 있는 랜환경, 즉 이더넷에서 발생되는 모든 신호들은 각 호스트로 전달되며, 특히 브로드캐스트 신호 혹은 신호의 목적지가 자기자신인 경우는 해당 호스트들이 반드시 처리해야 한다는 사실을 알았습니다. 인터럽트가 걸리기 때문에 피할 수는 없는데... 그렇다면 과연 이 신호의 전파범위는 어디까지 일까요?

회선을 따라 전파되는 신호들의 전파범위를 적절히 제한하지 않으면 인터넷은 존재할 수가 없겠지요? 과연 어떤 방법으로 해결할까요? 일단 신호가 어디까지 전파될 것인지를 나누어야 합니다. 이렇듯 해당신호가 전달되는 범위를 일컬어 "네트워크 세그먼트" 혹은 "서브넷" 이라고 부르고 있습니다. 네트워크를 이런 세그먼트를 나누기 위해서는 보통 물리적인 장비들을 사용하거나 논리적인 방법(IP주소처럼)이 사용되곤 합니다.

서브넷으로 나누기위한 물리적 방법에는 브리지, 스위치, 라우터란 장비가 있으며, 논리적으로 나누는 방법으로는 바로 IP주소를 사용하는 것입니다. 즉 위의 그림에서 ? 표시가 된 부분에 브리지,스위치 혹은 라우터가 있다면 A,B는 독립적인 서브넷이 됩니다. 즉 설정에 따라 회선상의 신호가 전달되거나 차단되거나 하는 것이 가능합니다.

주변에서 쉽게 구할 수 있는 더미허브의 경우는 앞서 말한 신호에 대한 처리가 불가능하며 단지 신호를 재 전송하는 초보적인 수준의 장비입니다. 이 때문에 허브를 리피터(Repeater)라고 부르기도 합니다. (저는 앵무새라고 부르고 싶습니다^^) 어쨋든 현재 시장에서는 단순한 허브 보다는 저렴한 스위치 장비들이 늘어나고 있는 추세입니다.

- IP주소이야기 #1

위와 같이 물리적인 방법으로 네트웍을 나눌 수도 있지만, 좀더 유연한 방법도 함께 사용되고 있습니다. 바로 우리에게 익숙한 IP주소를 이용하고 있습니다. 32비트 IP주소(IPv4)를 사용해 밖으로 나갈지 여부를 결정하게 되는데, 이를 이해하기 위해서는 네트워크 입문서에 자주 거론되는 A 클래스니 B 클래스에 대한 이해가 필요하며, 서브넷 마스크(Subnet Mask)도 필요로 합니다.

- IP주소이야기 #2

IP주소를 두 부분, 그러니까 네트워크와 호스트 부분으로 나누는 이유는 무엇이고, 나누는 기준은 어떤 것일까요? 이미 언급하였지만 어떤 데이터(패킷)을 원하는 목적지로 전송하려할 때, 목적지의 네트워크 위치는 어디인지를 알아야 하는데, 바로 이때 IP주소의 네트워크 부분을 보고 판단하게 됩니다. 그리고 목적지 네트워크 안에 어떤 컴퓨터가 데이터를 받아야 하나? 이는 호스트 부분을 보고 판단하게 됩니다.

이렇게 두 부분으로 나누었기 때문에 IP주소를 물리주소(MAC주소)와 달리 입체적(?), 계층적 혹은 2차원적 주소로 볼 수 있습니다. 반대로 MAC주소를 평면적이라고 합니다. 말이 너무 이상하네요 -_-'; 어쨌거나 IP주소를 두 부분으로 나누게 된 것은 꽤 좋은 아이디어 같습니다.

자 그렇다면 IP주소를 두 부분으로 나누는 기준은 무엇인지 알아보도록 하겠습니다. 과거 클래스기반 IP주소에서는 기준이 딱 정해져 있었습니다. 예를 들어볼까요? A 클래스는 1.0.0.0 ~ 126.255.255.255 까지의 주소들 임을 위에서 언급했습니다. 만약 여러분들이 10.0.0.0 이란 A 클래스 주소를 공짜(?)로 얻게되었다고 가정해 보면... 일단 네트워크 부분은 10.0.0.0 에서 10 이며 호스트 부분은 0.0.0 이 되도록 이미 약속이 정해져 있습니다.

여러개의 서브넷으로 나누어야 사용 및 관리가 편리하다

이로인해 호스트 부분에는 0.0.0 ~ 255.255.255 까지 총 2²⁴ 개수 만큼 컴퓨터들을 연결할 수 있게 되며 각각 컴퓨터들에 IP를 부여할 수 있게 됩니다. 물론 1천6백만대나 되는 컴퓨터를 단일 네트워크에 연결하지는 않겠지요? 이더넷의 충돌이란 특성도 있고 공간상의 문제도 있기 때문에 앞서 말한것처럼 서브넷으로 조각조각 나누어서 관리해야 합니다. 이렇게 나누는 행위를 서브네팅(Subnetting)이라고 합니다.

클래스 기반 IP주소 체계에서 가장 작은 호스트 수를 가질 수 있는 클래스는 C 클래스입니다. 즉 2⁸-2개, 254개의 컴퓨터(호스트)에게 각각 아이피를 부여할 수 있습니다. 각 클래스 별로 연결 가능한 호스트수를 보면 A클래스: 약 1천6백만개, B클래스: 약 6만5천개, C 클래스: 254개인데, 클래스 별로 매우 큰 차이가 있음을 알 수 있습니다.

- 서브넷 마스크(Subnet Mask)

점점 IP주소가 부족해 지는 상황에서, 300개의 호스트 연결이 필요한 네트워크에 벌컥 B클래스 주소를 줄리는 만무하겠죠? 또한 A클래스의 경우 1천6백만개나 되는 호스트를들 단일 네트워크로 연결하기는 사실상 불가능하기 때문에 잘게 나누어야 하는데, 이를 위한 효과적인 방법도 필요하게 됩니다. 이 때문에 IP주소와 함께 서브넷 마스크(Subnet Mask) 란 것을 사용하게 되었습니다.

 
서브넷 마스크(Subnet mask)

클래스 기반으로 A,B,C 이렇게 나누던 방법에서, 서브넷 마스크를 통해 네트워크를 나눈는 방법의 차이는 무엇일까요? 바로 자신이 원하는 크기로 나눌 수 있다는 것입니다.

서브넷 마스크값은 IP와 동일한 32비트 값으로, 네트워크 부분과 호스트 부분을 구별하기위해 IP주소와 서브넷 마스크값을 "논리적 AND" 처리하는 방법을 사용합니다. 그 결과로 나오게 되는값을 통해 IP주소를 네트워크 부분과 호스트 부분으로 구별할 수 있게되고, 해당 데이터가 외부 네트워크로 나갈건지 여부도 판단하게 됩니다.

즉 자기자신의 네트웍부분과 전송할 패킷의 목적지 IP의 네트웍부분을 서로 비교한후 같으면 ARP를 통해 해당 목적지의 물리주소(MAC)를 알아내여, 데이터를 뿌리게 되고 (유니캐스트로), 서로 다를 경우에는 이미 정해진 출구, 즉 디폴트 게이트웨이(default gateway)로 패킷을 전달하게 됩니다 - 이때도 마찬가지로 "디폴트 게이트웨이를 가진 IP는 응답하라! 그리고 MAC주소를 즉시 알려달라! " 라는 ARP 프로토콜을 사용해 물리주소를 알아낸후 패킷을 디폴트 게이트웨이로 전달하게 됩니다. 즉 자신이 속한 네트웍에 목적지가 없는 경우겠지요. 비로서 해당 패킷이 멀고먼 여행을 떠날 첫 번째 관문에 부딪히게 되는 것이기도 합니다.

- 디폴트 게이트웨이(Default Gateway)

- 네트워크 구성의 기본 : 케이블

최근엔 데스크탑 PC에서 기가비트(Gigabit) 이더넷이라고 하여 무려 1000Mbps를 지원하는 이더넷 컨트롤러를 탑재한 메인보드가 종종 등장하지만, 현재 가장 많이 사용되는 이더넷 컨트롤러의 전송속도는 10/100Mbps입니다. 보통 랜카드를 구입할 때 "텐백(10/100) 지원하지요? " 라고 물어보기도 하자나요.

RJ-45 커넥터 모습

이런 전송속도외도 이더넷의 종류에 따라 다양한 케이블 규격이 존재합니다. 현재 10/100Mbps(혹은 기가비트이더넷에) 속도를 지원하고, 주변에서 가장 많이 사용되는 케이블은 UTP(혹은 STP) 케이블이 대표적입니다. 양쪽끝은 RJ-45 커넥터를 사용하며, 핀의 순서에 따라서 다이렉트 혹은 크로스 케이블을 구성해 사용하게 됩니다.

케이블을 나누는 또다른 방법으로는 카테고리(Category)라는 것이 있습니다. 현재 일반적인 10/100Mbps 시스템에서는 카테고리5 케이블을 사용하는데, 이러한 등급은 EIA/TIA-586 표준에 명시되어 있습니다. 우리가 사용하는 10BaseT 이더넷이 주로 카테고리5 를 지원하는 UTP 케이블입니다.

10/100Mbp에 애용되는 CATEGORY 5 지원 UTP 케이블 상자

UTP 케이블을 통한 이더넷은 약 100m의 전송거리를 지원하며, 전화기 단자보다 조금 커보이는 RJ-45 커넥터를 사용하게 됩니다. 다이렉트 케이블에서 송/수신핀의 순서를 바꾸게 되면 크로스케이블로 사용할 수 있으며 실제 송수신에 사용되는 핀은 8개중 4개만 사용하고 있습니다.

UTP 케이블 자작을 위한 도구

UTP 케이블이 사용된 예

- 허브

A에서 D로 데이터를 전송하고자 할때

허브는 단순히 중계를 해주기 때문에 신호를 각 포트로 연결된 컴퓨터들에게 모두 전달하게 됩니다. 위와같이 허브로 이루어진 네트워크를 예를 들면, A컴퓨터에 있는 사용자가 D컴퓨터에게 데이터를 전달한다고 가정해 보면, A로부터 출발된 데이터(패킷)은 허브를 통해 각 호스트들로 전파가 이루어지게 됩니다. 물론 A,B,C는 목적지 주소를 보고 "내께 아니네 !" 하며 버리지만, D컴퓨터는 목적지의 주소를 확인하고, "아! 내꺼군!" 하며 전송을 받게됩니다. (유니캐스트로 전달되었겠죠?)

앞서 이더넷의 특징이 CSMA/CD를 사용함을 알아봤습니다. 이 때문에 되도록 서로 충돌을 피하기위해 다른곳에서 회선을 사용중인지를 살피게되는 예비동작이 필요합니다. 그러나 이더넷에서 충돌은 항상 뒤따라다니는 특징을 가지고 있으며, 위와같이 허브를 통해 네트워크를 확장하게되면 각신호가 전파되는 범위가 커져, 충돌이 일어날 확률이 높아지