[Network] 근거리 네트워크(LAN, Local Area Network)

근거리 네트워크란?

빌딩이나 건물 내로 한정된 네트워크를 ‘근거리 통신망(LAN)’ 이라고 칭한다. 또한, 대학 내 캠퍼스 처럼 가까운 지역에 한정된 통신망을 말한다.

사설망으로 구축하여 하나의 메인 서버에 연결 된 모든 장치가 LAN을 공유한다 → 브로드캐스팅

LAN 특징

1. 단일 기관이 소유
2. 좁은 구간에서 통신하기 때문에 고속 통신 가능, 지연 시간 저하
3. 확장성 좋음
4. 서버를 활용하여 데이터 관리 용이 등

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LAN의 전송 방식

베이스 밴드 방식(baseband)

• 컴퓨터에서 나오는 디지털 신호를 그대로 전송하는 방식
• 하나의 케이블로 단일 통신 채널 사용 → 신호가 하나이므로 모뎀X, 경제적
• 채널이 하나라 충돌 방지를 위한 다중화 방식 채용
• 단거리 통신에 사용

ex) 이더넷

 

브로드 밴드 방식(broadband)

디지털 신호를 아날로그 신호로 변조해서 보내는 방식

• 변조된 신호를 제한된 주파수를 동축 케이블을 통해 전송매체에 전송
• 하나의 케이블로 다수 통신 채널 형성
• 모뎀 필요, 경제적X 하지만 전송거리 늘릴 수 있음
• 장거리 아날로그, 디지털 통신에 사용

ex) 케이블 TV

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매체 접근 제어(MAC,Media Access Control) 방식

LAN 에서는 여러대의 컴퓨터가 하나의 통신 회선을 공유하므로 데이터를 전송할 때 전송 매체의 접속을 제어하지 않으면 데이터 충돌 발생 → 데이터 충돌을 방지하기 위한 규칙 혹은 방식 필요 → MAC

매체 접근 제어 - 경쟁방식

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

네트워크에서 충돌을 감지하고 처리하는 방식 → 이더넷과 같은 유선 네트워크에서 사용

1-1. CSMA/CD의 핵심 원리

1. 반송파 감지(carrier sense):

  - 네트워크의 노드들이 데이터를 송신하려고 시도 → 네트워크 채널이 사용중인지 확인

  - 네트워크 채널이 사용중이 아니라면, 데이터 송신 시작 (다른 노드가 사용중이라면 대기)

  - 네트워크상에서 다른 네트워크가 데이터를 전송중이라면, 반송파를 발산하고 데이터 전송시도 중단 및 대기

2. 다중 접속(multiple access)

  - 네트워크상 다중 노드가 동시에 접근 가능 → 충돌 가능성 존재

3. 충돌 감지(collision detection)

  - 데이터 전송 중, 충돌이 발생했는지 확인(여기서 충돌은 두개 이상의 노드가 데이터를 동시에 전송하려다 신호가 겹쳐 데이터가 손상됨을 의미)

1-2. CSMA/CD의 동작 과정

1. 대기 및 감지 :
   1. 데이터 전송 요청 받음 → 네트워크 채널로 전송 준비(반송파 감지)
   2. 채널이 비어 있다면 채널 이용 및 데이터 전송
   3. 채널이 사용중이라면 반송파를 송출하여 이미 점유중인 노드가 데이터 전송을 끝낼 때 까지 대기상태 진입
2. 데이터 전송:
   1. 채널이 비어있다면 데이터 전송
   2. 이때, 데이터를 연속적으로 전송해보며 매체에 충돌이 있는지 지속적으로 감지
3. 충돌 감지
   1. 만약 충돌이 발생했다면, MAC 계층은 충돌감지 알고리즘으로 충돌 인지
   2. 충돌 발생시 송신중이던 신호와 충돌 신호가 겹쳐 왜곡 되는데, 이때 왜곡 된 신호를 감지
4. 충돌 처리
   1. 충돌을 감지하면 데이터를 보내던 모든 노드는 송신을 중단하고 잼신호(충돌 신호, jamming signal)를 다른 모든 노드들에게 이를 전송.
   2. 이후 일정 시간 대기(백오프 알고리즘)이후 다시 전송 시도
   3. 대기 시간은 랜덤하게 설정되고, 충돌이 지속적으로 발생하면 대기 시간은 점차 증가
5. 재전송:
   1. 대기 시간이 지나면, 채널을 다시 감지하고 비점유 중이라면 데이터를 재전송
   2. 이때, 충돌이 발생하지 않는다면 데이터는 성공적으로 전송됨

CSMA/CD의 장점

1. 프로토콜 구현이 쉬움으로 가격이 저렴하다.
2. 채널이 수동적 → 어느 한 기기가 고장나도 다른 통신에 지장 없음.

CSMA/CD의 단점

1. 전송 지연으로 거리 제약 존재
2. 통신량이 증가하면 충돌 횟수 증가 → 채널 점유율이 높아 지연 시간 예측 불가

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매체 접근 제어 - 토큰 제어 방식

CSMA/CD 방식과 다르게 충돌을 피하기 위한 메커니즘

토큰 이라는 데이터 전송 권한을 통해 오직 토큰을 소유한 노드만 데이터 전송이 가능하다

1. 토큰 링 방식(Token Ring)

노드들이 링형으로 연결되어 있으며, 토큰을 통해 전송 권한을 차례대로 소유하여 데이터를 전송하는 방식

1-1. 토큰 링 방식의 동작원리

1. 노드들은 링 형태로 연결 되어 있고, 이 네트워크 상에는 데이터 전송 권한인 토큰이 단 하나만 존재.
2. 토큰을 소유한 노드는 데이터 전송이 가능한 상태. 데이터는 목적지 노드로 링을 통해 전달 되고, 목적지에 도달하여 수신이 확인 되면, 데이터 제거.
3. 데이터 전송이 끝난 노드는 토큰을 다음 노드에게 전달.
4. 이러한 전송 권한(토큰)을 통해 충돌을 미연에 방지한다.
5. 만약 네트워크 상에서 토큰이 손실되거나 손상되면, 토큰을 재생성 하는 메커니즘을 통해 토큰을 다시 만들어 네트워크 동작 유지

2. 토큰 버스 방식(Token Bus)

이더넷 + 토큰 링

토큰 링 기반의 통신 방식이지만, 네트워크 구조가 논리적 버스 구조로 연결되어 있음

즉 버스형 네트워크 + 토큰 제어 기반 방식을 적용한 방식

원리는 토큰 링 방식과 동일하다 → 토큰을 소유한 노드만 데이터 전송 권한 있음

토큰 제어 방식의 단점

1. 토큰이 각 노드에 순차적으로 할당 되기 때문에, 모든 노드가 데이터를 전송하는데까지 시간이 오래걸림
2. 노드가 많을 수록 대기시간이 길어질 수 있다.
3. 각각 링형과 버스형 토폴로지에 의존하므로 유연성이 낮아짐

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이더넷(Ethernet)

LAN 표준 네트워크 기술, 우리가 LAN 케이블을 본체에 연결하여 사용하는 네트워크가 이더넷

이더넷 종류

• 10Base-5: 동축 케이블 기반 이더넷, 최대 500m 전송 가능.
• 10Base-2: 얇은 동축 케이블 기반, 최대 200m 전송 가능.
• 10Base-T: UTP 케이블을 사용, 100m 범위 내에서 10Mbps 전송.
• 100Base-TX: 100Mbps 전송 속도를 지원하는 UTP 케이블 기반 이더넷.

고속 이더넷

• 100Mbps 속도의 이더넷으로, IEEE 802.3u 표준에 따라 개발됨.
• 주로 UTP 케이블을 사용하여 사무실 및 기업 네트워크에서 널리 사용.
• 100Base-TX, 100Base-FX 등의 표준이 존재하며, 각기 다른 전송 매체를 사용.

기가비트 이더넷

• 1Gbps 전송 속도를 지원하는 이더넷.
• 1000Base-SX, 1000Base-LX, 1000Base-CX 등의 표준이 있으며, UTP 및 광섬유 케이블을 사용하여 1Gbps 속도로 데이터 전송 가능.

FDDI(Fiber Distributed Data Interface)

• 광섬유를 사용한 고속 LAN 기술로, 링 구조를 기반으로 하며 100Mbps 전송 속도를 지원.
• 고속 이더넷 기술이 나오기 전에 사용되었으며, 안정성과 내구성이 뛰어남.