[Network] 네트워크 용어의 정리와 OSI의 데이터링크(L2) 계층

🔊 해당 포스팅은 인프런 강의 널널한개발자님의 외워서 끝내는 네트워크 핵심이론 - 기초 내용을 공부하면서 배운 내용을 저만의 방식으로 재정리하고자 하는 목적 하에 작성되는 포스팅입니다. 아래 포스팅에서 사용되는 모든 자료는 제가 직접 재구성했음을 알립니다.

 

이번 포스팅에서는 네트워크를 이해하기 위해 사전에 학습해야 할 관련 용어에 대한 정리와 OSI 계층 기준의 L2 Layer인 데이터링크 계층에서 알아두어야 할 개념에 대해 살펴보자. OSI 계층에 대해서는 예전 포스팅을 참조해보자.

 

컴퓨터 간에는 어떻게 통신을 가능하게 하는 걸까?

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1. OSI 7 Layer 개념에 대응되는 구현체(Implementation)

OSI 7 계층은 어떠한 실체가 있는 구현체가 아닌 추상화된 개념에 해당한다. 예를 들어서, 프로그래밍 언어라는 것은 추상화된 개념이고 어Python, C++, Go, Rust 등 특정 프로그래밍 언어는 구현체이다. 이처럼 네트워크에서 OSI 7 계층은 일종의 추상화된 개념이기 때문에 각 계층에 대해서 실질적으로 구현된 구현체가 존재한다. 아래 그림을 살펴보자.

 

컴퓨터 구조 - 네트워크 개념 - 네트워크 구현체 - 식별자

 

위 그림에서 컴퓨터 구조는 예전 운영체제 관련 포스팅에서 소개한 대략적인 구조이다. 각 구조가 어떤 OSI 계층에 해당하는 지는 위 그림에서 설명해 놓았다. 우리가 주목할 부분은 [추상화 개념 - 구현체]에 대한 대응 관계이다. 먼저 데이터링크 계층은 이더넷(Ehternet)이라고 불리는 구현체이다. 다음은 네트워크 계층의 구현체는 우리가 흔히 부르는 인터넷이다. 그리고 전송(Transport) 계층의 구현체는 TCP, UDP이고, 세션 계층에서는 SSL 또는 TLS이다. 마지막으로 응용(Application) 계층의 구현체는 HTTP이다.

 

그리고 또 한 가지 중요하게 볼 부분은 식별자 부분이다. 우리 대한민국에도 사람을 구분(식별) 하기 위해 붙이는 식별자로써 주민등록번호가 있다. 이처럼 구현체에도 식별자가 존재한다. 물리 계층의 구현체인 이더넷의 식별자는 MAC 주소이다. MAC 주소는 하드웨어 장치인 NIC(보통 LAN이라고 불리는)의 주소이다. 다음으로 네트워크 계층의 구현체인 인터넷의 식별자는 IP 주소다. IP 주소는 잘 아는 것처럼 인터넷을 사용하는 컴퓨터 즉, 호스트(HOST)에 대한 식별자이다. 마지막으로 전송 계층의 구현체인 TCP, UDP에서는 포트(PORT) 번호가 식별자이다. 

2. 네트워크에 연결된 컴퓨터, HOST

개발을 조금이라도 해본 사람들은 호스트라는 단어를 꼭 들어봤을 것이다. 이 호스트라는 단어에는 다양한 의미가 붙겠지만, 여기서는 네트워크 관점에서 호스트를 어떻게 정의하는지 알아보자. 

 

호스트란, 네트워크가 연결된 컴퓨터를 의미한다. 여기서 컴퓨터라고 했지만 이 컴퓨터라는 단어에는 데스크톱, 노트북, 모바일 기기, 태블릿 PC 등이 모두 해당된다. 그리고 호스트는 세부적으로 아래와 같은 개념으로 나뉜다. 

 

HOST는 End-point 와 Switch로 나뉜다

 

호스트는 크게 엔드포인트와 스위치로 나뉜다. 하나씩 살펴보자. 먼저 스위치는 네트워크 그 자체를 이루는 호스트를 의미한다. 즉, 네트워크의 확장과 같은 행위를 위해 존재하는 호스트이다. 주로 인프라에 해당하는데 라우터, 프록시 서버, 인그레스 네트워크 서버 등이 해당된다. 반면에 엔드포인트는 네트워크의 이용 주체가 되는 호스트를 의미한다. 대표적인 예시로 우리에게 가장 익숙한 Cilent 사이드 서버 Server 사이드 서버, 비트토렌트와 같이 데이터 소비자이면서 제공자 역할도 하는 Peer가 있다. 또한 엔드포인트는 우리가 흔히 이야기하는 '단말기'를 의미한다. 엔드 포인트의 'End'가 '종단'이라는 의미를 갖기 때문에 그렇다.

 

스위치의 역할에 대해서 좀 더 세부적으로 알아보자. 이해하기 쉽게 강의에서 소개하는 것처럼 네트워크를 고속도로로 비유해서 이해를 해보자. 현재 출발지는 A, 도착지는 B라고 해보자. A → B로 이동하는 주체는 자동차이다. 그러면 우리는 자동차를 몰고 A에서 B로 가는 방법을 어떻게 알아낼까?

 

 

출발지에서 도착지로 가는 경로가 위처럼 있다고 해보자. 우리는 이동하면서 주황색 동그라미로 표시된 부분인 일명 '교차로' 부분에서 어디로 가는 것이 도착지로 가는 방향인지 방향을 정할 것이다. 그런데 교차로에서 임의로 방향을 정하는 것이 아닌 지도를 보건, 이정표를 보건 어떠한 근거에 의해서 방향을 정할 것이다. 

 

이를 네트워크에 비유하면, 교차로가 바로 스위치가 된다. 교차로에서 특정 방향을 선택하는 것을 스위칭이라고 한다. 그리고 교차로에서 특정 방향을 선택할 때 근거로 활용하는 이정표나 지도가 도착지를 식별하는 식별자와 (L3 계층이라면) Routing Table이 된다. 위 고속도로인 네트워크가 L3 계층이라고 한다면 교차로는 L3 스위치가 된다. L3 스위치의 대표적인 것이 라우터(Router)이다. 그리고 고속도로 위를 다니는 자동차는 네트워크 위에서 유통되는 데이터 단위로서 L3 계층에서는 패킷(Packet), L2 계층에서는 프레임(frame)이 있다.

 

고속도로와 네트워크 비유에 대응 관계를 표현하면 위와 같다

 

이정표, 지도는 어떤 계층인지에 따라 달라진다. 만약 L2 계층이라면 MAC 주소가, L4 계층이라면 포트 번호가, L7 계층이라면 HTTP에 담긴 정보를 근거로 한다.

 

참고로 고속도로에서 실제로 이동할 때 최단경로를 찾는 것처럼 네트워크에서도 이동 시 비용을 고려해야 한다. 당연히 비용은 쌀수록 좋으며 이 네트워크 이동 비용을 Metrics 값이라고도 한다는 점을 알아두자.

3. NIC와 L2 계층

이번 목차에서는 L1, L2 계층에 공통적으로 속하는 하드웨어 장치인 NIC(Network Interface Card)에 대해 간략히 알아보자. 위에서 알아본 것처럼 NIC은 하드웨어이다. 대표적인 예시로 LAN 카드가 그것이다.

 

출처 : 나무위키

 

NIC을 구분하는 식별자는 MAC 주소이다. 또한 하나의 PC에는 여러 개의 NIC을 가질 수 있다. 우리가 지금 사용하고 있는 노트북에는 무선 LAN 카드가 기본적으로 하나 장착되어 있다. 그리고 NIC에는 규모에 따라 WAN, MAN, LAN으로 나뉘기도 한다.

 

NIC은 규모에 따라 WAN, MAN, LAN으로 구분되기도 한다

 

참고로 NIC에 대한 기호는 아래와 같다.

 

NIC 기호

 

우리에게 익숙한 NIC은 LAN 카드이다. 주변에서 쉽게 찾아볼 수 있는 LAN은 아래이다. 대부분 각자 집에는 아래와 같이 LAN이 구성되어 있을 것이다.

 

일반적인 집에 구성된 LAN 형태

 

이제 그러면 L2 계층에서 알아두어야 할 스위치 종류들에 대해서 알아보자. 

3-1. 직접 End-point와 연결! L2 Access Switch

L2 계층에는 L2 Access Switch라는 것이 존재한다. 해당 스위치는 직접적으로 단말기 즉, End-point 호스트와 연결시키는 스위치이다. 해당 스위치는 MAC 주소를 식별자로 하여 원하는 곳으로 스위칭을 한다. 

 

L2 Access Switch 제품 중 하나

 

위 사진이 바로 L2 Access Switch 허브이다. 저 구멍에 LAN 케이블을 꽂음으로써 직접적으로 End-point 호스트와 연결이 가능하다. 그리고 여기서 용어 몇 개에 대해 알아두어야 할 필요가 있다. 아래 그림을 통해 익혀두자.

 

Link-Up vs Link-Down vs Up-link

 

헷갈리지 말아야 할 점은 Link-Up과 Up-link이다. Link-Up은 L2 Access Switch가 연결이 정상일 경우를 의미하지만, Up-link은 추후에 배울 L3 계층의 스위치인 Router와의 연결을 의미한다.

3-2. L2 Access Switch를 모아서 스위칭! L2 Distribution Switch

다음에 알아볼 스위치 종류는 L2 Distribution Switch라는 것이다. 해당 스위치는 이름의 'Distribution' 키워드가 있는 것으로 유추해볼 수 있듯이 L2 Access Switch 라는 장치 여러 개를 모아서 스위칭하기 위한 용도의 스위치 장치이다. 해당 스위치에서는 VLAN(Virutal LAN) 기능을 제공한다. 보통 사무실 건물 하나에 인터넷을 설치할 경우, L2 Access Switch는 각 방에 설치하고, L2 Distribution Switch는 각 층에, L3 계층 스위치인 Router를 건물에 하나만 설치한다고 한다. 두 스위치 간의 차이점을 좀 더 직관적으로 이해하기 위해서 아래 그림을 보자.

 

4. BroadCast(브로드캐스트)

브로드캐스트 통신이란, 네트워크로 연결된 모든 PC들에게 데이터를 통신하는 것을 의미한다. 이러한 브로드캐스트 통신은 네트워크 통신의 효율을 떨어뜨린다. 왜냐하면 브로드캐스트 통신 중일 때는 해당 통신이 끝날 때까지 다른 PC들 간에 통신이 불가능하기 때문이다. 따라서 브로드캐스트는 필요할 때만 하되 브로드캐스트의 범위도 최소화하는 것이 좋다. 

 

그렇다면 브로드캐스트 통신이라는 것은 어떻게 구분할까? 바로 통신의 목적지에 해당하는 MAC 주소가 모두 (이진법의) 1일 때를 의미한다. MAC 주소는 48비트 자릿수이며, 16진수로 설정되어 있다. 4비트 즉, 이진법인 ${1111}_{(2)}$를 16진수로 바꾸면 F이다. 결국, 목적지의 MAC 주소가 FF-FF-FF-FF-FF-FF 일 경우, 해당 통신은 브로드캐스트 통신임을 의미한다.

(참고로 L2 계층에서 통신의 출발지/목적지는 L2 계층의 데이터 유통 단위인 프레임에서 Header 부분에 존재한다)

5. WAN은 LAN을 가상화한 것이다?

해당 내용은 강사이신 널널한 개발자님이 네트워크 내용을 이해할 때 도움이 되는 사고 과정 하나를 알려주신 내용이다. 위에서 우리는 NIC을 규모에 따라 WAN, MAN, LAN으로 나눈다고 했다. 하지만 지금부터는 해당 내용을 신경 쓰지 말고 살펴보도록 하자. 

 

먼저 우리는 하드웨어를 Physical(물리적)이라고 하고, 소프트웨어를 Logical(논리적)이라고 부른다. 그런데, Logical의 또 다른 동의어는 Virtual(가상화)이다. 실제로 하드웨어를 소프트웨어로 구현한 것을 가상화라고 한다. 실제로 물리적인 CPU를 Machine이라고 부르는데 이 CPU를 소프트웨어로 구현할 수 있다. 그리고 이 소프트웨어로 구현된 CPU를 Virtual Machine이라고 하고, 이 VM이 바로 우리가 흔히 AWS, GCP에서 사용하는 VM 인스턴스의 'VM'과 의미와 동일하다.

 

이처럼 가상화라는 개념을 머리에 두고 아래 그림을 살펴보자.

 

WAN은 LAN 위에서 가상화된 네트워크이다

 

위 그림을 보면 우리 각자 개인 집 영역에서의 인터넷 공간이라고 부르는 LAN이라고 불리는 구현체는 L1, L2 계층에 속하며 중요한 것은 물리적으로 존재하는 하드웨어라는 것이다. 반면에, 우리가 흔히'인터넷'이라고 불리는 것은 소프트웨어에 속하는 계층에 있으며 결국, 논리적 또는 가상화를 의미한다. 이는 결국 인터넷은 실제 물리적으로 존재하는 LAN 위에서 구현된 가상 네트워크라고 할 수 있는 것이다. 이 점을 기억한다면 앞으로 나올 네트워크 내용을 보다 직관적으로 이해할 수 있다고 하니 머릿속 한켠에 넣어두도록 하자.