1. 유선 LAN(IEEE802.3)
1.1. IEEE802.3 프로토콜
1.2. 트위스트 페어 케이블
1.3. 광섬유 케이블
1.4. 통신 방식
2. 무선 LAN(IEEE802.11)
2.1. 주파수 대역
2.2. 변조 방식
2.3. 무선 LAN의 통신 방식
2.4. 고속화 기술
2.5. 기타 무선 프로토콜
1. 유선 LAN(IEEE802.3)
이더넷의 기원 : 1960년대 후반 ~ 1970년대 전반에 구축된 ALOHAnet
패킷 전송 효율을 위해 CSMA/CD 구조를 사용하는데, 이 구조가 이더넷의 기초
1970년대 후반 DEC, Intel, Xerox가 공동으로 이더넷을 개발
1.1. IEEE802.3 프로토콜
실무에서는 IEEE802.3xx처럼 부르지 않음
aaBASE-bb와 같이 프로토콜의 개요를 사용
aa에는 통신 경로의 전송 속도,
bb에는 사용하는 전송 매체
Ex) IEEE802.3an > 10BASE-T
네트워크에서는 2개의 케이블을 사용한다(트위스트 페어 케이블, 광섬유 케이블)
10은 10Mbit/sec의 전송속도를, BASE는 데이터를 변조하지 않고 그대로 보내는 베이스밴드 전송기술을 의미한다.
종종 bb 자리에 TX가 나오는 경우가 있는데, 이는 미국표준규격인 ANSI인 X 시리즈 표준을 의미한다.
└ Ex.1) 100BASE-TX, FDDI의 표준인 ANSI X3T9.5의 케이블 규격을 사용한다는 의미
└ Ex.2) 1000BASE-TX, 10기가 파이버채널의 표준인 ANSI X3.230의 케이블 규격을 사용한다는 의미
1.2. 트위스트 페어 케이블
xxBASE-T 혹은 xxBASE-TX와 같이 T가 붙어있는 프로토콜에서 사용하는 케이블
└ 구리선으로 만들며 구리선으로 만드는 케이블은 이외에도 동축 케이블이 있다.
└ T는 Twisted Pair의 앞글자를 딴 것이다.
TP Cable
└ 꼬임쌍선이라고 불리는 형태
└ 8가닥의 구리선을 2가닥씩(Pair) 꼬아서(Twisted) 하나로 묶은 케이블
└ 단일 선의 경우 주변에 자기장이 생겨 간섭을 발생시키기에 간섭을 최소화하기 위해 꼬아서 사용
└ 분류 : 실드, 핀 할당, 카테고리
1.2.1. 실드에 따른 분류
UTP(Unshielded Twisted Pair)
└ 소위 말하는 LAN 케이블
└ 다루기도 쉽고, 가격도 저렴하다.
└ 통신 거리는 약 100m 정도, 100Mbps
└ 낙뢰와 다른 전선의 영향을 잘 받아 건물 내 케이블로 사용
FTP(Foiled Twisted Pair)
└ UTP에 실드 처리를 한 케이블
└ 전자파 장애와 기타 간섭을 UTP보다 덜 받는다.
└ 통신 거리는 약 150m 정도, 150Mbps
└ 공장용으로 FTP를 쓰면서 PC와 통신 장비 연결은 UTP로 변환하는 것이 적절
STP(Shield Twisted Pair)
└ FTP 내선에 한 번 더 실드 처리를 한 케이블
└ 선이 두껍고 비싸다. 다른 간섭으로부터 가장 자유로운 케이블
└ 통신 거리는 약 150m 정도, 150Mbps
└ 정밀기기, 공장 자동화 기기 연결에 사용
1.2.2. 커넥터 핀 할당에 따른 분류
RJ-45
└ TP 케이블의 커넥터
TP 케이블
└ 백등, 등, 백녹, 녹, 백청, 청, 백갈, 갈의 8가지 색상이 존재
└ 등은 주황색, 녹은 초록색, 청은 파랑색, 갈은 갈색
└ 백등 대신 흰색/주황색이나 주황색/흰색으로 표기하기도 함(백녹, 백청, 백갈도 동일)
└ 주황: 송신 케이블, 초록: 수신 케이블, 파랑: 전화 케이블, 갈: 기타 케이블
└ 실제 네트워크 통신에서 1 2 3 6번 케이블을 사용하여 10BaseT나 100BaseT의 속도를 냄
└ 8가닥을 모두 써서 1000BaseT의 속도도 낼 수 있다.
// 10BASE-T나 100BASE-TX 사용 시, 연결하는 물리 포트 타입에 따라 구분되는 케이블
// 물리 포트는 MDI와 MDI-X 포트 2종류
스트레이트 케이블(Straight Cable)
└ 1번부터 8번까지 순서대로, 백등 - 등 - 백녹 - 청 - 백청 - 녹 - 백갈 - 갈 순으로 커넥터에 연결한다.
└ 백녹 - 녹 - 백등 - 청 - 백청 - 등 - 백갈 - 갈 순으로 연결한 스트레이트 케이블도 있다.
└ 커넥터에 연결한 송신과 수신의 케이블이 같은 케이블을 말한다.
└ 서로 다른 타입의 물리 포트를 연결할 때 사용한다. (Ex. PC와 L2 스위치를 연결)
크로스 케이블(Cross Cable)
└ 위에서 언급한 스트레이트 케이블의 두 가지 종류를 각각 한 개씩 연결한 케이블이다.
└ 커넥터에 연결한 송신과 수신의 케이블이 다른 케이블을 말한다.
└ 둘이 같은 타입의 물리 포트를 연결할 때 사용한다. (Ex. 스위치와 스위치를 연결)
MDI 포트
└ 1 2번 핀을 송신, 3 6번 핀을 수신으로 사용
└ PC, 서버의 NIC, 라우터, 방화벽, 부하 분산 장치의 물리 포트
└ 8개의 핀 중 4개의 핀만을 사용하기 때문에 전송 속도가 10BASE나 100BASE로 느리다.
MDI-X 포트
└ 1 2번 핀을 수신, 3 6번 핀을 송신으로 사용
└ L2 스위치, L3 스위치의 물리 포트
└ 8개의 핀 중 4개의 핀만을 사용하기 때문에 전송 속도가 10BASE나 100BASE로 느리다.
// 1000BASE-T, 2.5/5BASE-T, 10GBASE-T 등의 높은 처리량을 위한 경우 8가닥을 모두 사용한다.
// 송수신 핀을 구분하지 않고 2핀을 1쌍으로 송수신한다. 이때 하이브리드 회로라는 회로에서 송수신 데이터를 분리한다.
// 연결 시 자동으로 포트 타입을 식별해 전환하는 Auto MDI/MDI-X 기능을 표준으로 탑재한다.
// 포트 타입에 관계없이 스트레이트 케이블만으로 접속할 수 있다.
1.2.3. 카테고리에 따른 분류
1.3. 광섬유 케이블
xxBASE-SX/SR 혹은 xxBASE-LX/LR과 같은 프로토콜에서 사용하는 케이블
└ 유리로 만들며 광섬유 케이블에는 단일 모드와 다중 모드가 있다.
└ 플라스틱 섬유, 폴리머 섬유로 만든 광섬유도 있지만 일반적인 광섬유는 고순도의 석영 유리이다.
└ S는 Short wavelength의 준말로, 단파장(850nm 혹은 1310nm)의 레이저를 사용하며 '다중모드'에 사용된다.
└ L은 Long wavelength의 준말로, 장파장(1550nm 혹은 1310nm)의 레이저를 사용하며 '단일모드'에 사용된다.
└ X는 1000BASE의 기가비트 이더넷을 의미한다.
└ R은 10GBASE의 10Giga 이더넷을 의미한다.
광섬유 케이블은 빛의 굴절률이 다른 유리를 2층 구조로 만들어 빛을 가두는 케이블이다.
이때 빛의 굴절률이 높은 부분을 코어(Core), 빛의 굴절률이 낮은 부분을 클래딩(Cladding)이라고 한다.
└ 이때의 굴절률은 상대적으로 높고 낮음이지 절대적인 굴절률이 아니다.
└ 분류 : 케이블, 커넥터
1.3.1. 케이블에 따른 분류
다중 모드 광섬유 케이블
└ 코어의 지름 : 50µm 혹은 62.5µm
└ 10GBASE-SR이나 40GBASE-SR 등의 단파장 빛을 사용하는 프로토콜에서 이용
└ 코어의 지름이 넓어 빛의 전송로가 여러 갈래로 분산된다.
└ 전송로가 여러 개라서 가격이 비교적 저렴하고 다루기 쉬워, LAN과 같은 근거리 통신(최대 550m)에서 사용
단일 모드 광섬유 케이블
└ 코어의 지름 : 8µm ~ 10µm
└ 1000BASE-LX이나 10GBASE-LR 등의 장파장 빛을 사용하는 프로토콜에서 이용
└ 코어의 지름이 좁고 코어와 클래딩의 굴절률 차를 적절하게 조절하여 빛의 전송로가 하나이다.
└ 전송로가 단일로 설계되어 장거리와 대용량 전송(최대 70km)이 가능
25GBASE-SR/LR까지는 2가닥을 하나의 그룹으로 묶어서 사용한다.
└ 1가닥은 송신용, 다른 1가닥은 수신용이다.
└ 송수신 관계가 성립해야 통신이 가능하므로, 한 쪽이 송신의 역할을 한다면 다른 쪽은 수신의 역할을 한다.
└ 양쪽 모두 송신 혹은 수신 상태라면 링크업이 되지 않는다.
└ 링크업(Link-Up) : 통신 가능한 상태가 되는 것
MPO 케이블
(Multi-fiber Push On)
12가닥이나 24가닥을 하나로 묶은 케이블
40GBASE-SR48, 100GBASE-SR4, 100BASE-SR10 등에 사용
└ 대용량의 데이터를 고속을 전달하기 위해서
└ 다량의 케이블을 사용하는 것
왼쪽의 사진과 같은 경우에는 10Gbps의 빛을 4가닥을 송신,
4가닥은 수신으로 총 8가닥을 사용하여 통신한다.
1.3.2. 커넥터에 따른 분류
SC 커넥터
└ Push-Pull 구조의 커넥터(플러그를 눌러서 고정하고 쉽게 빠지는 구조)
└ 서버 랙 사이를 연결하는 패치 패널이나 미디어 컨버터 연결에 사용
└ 장점 : 다루기 쉽고 가격이 저렴하다.
└ 단점 : 플러그가 크다.
LC 커넥터
└ RJ-45와 마찬가지로 눌러서 고정하고 작은 돌기를 누르면서 당겨 빼는 구조
└ SC 커넥터보다 크기가 작아, 장치에 더 많이 연결할 수 있다.
└ 서버나 스위치에 붙이는 10GBASE-SR/LR의 SFP+ 모듈에 사용한다.
└ 40GBASE-LR4의 QSFP+ 모듈에 사용한다.
MPO 커넥터
└ MPO 케이블의 양끝에 장착하는 커넥터
└ SC 커넥터와 동일한 Push-Pull 구조
└ 40GBASE-SR4의 QSFP+ 모듈에 사용(12가닥의 커넥터를 사용한다.)
└ 100GBASE-SR4의 QSFP28 모듈에 사용(12가닥의 커넥터를 사용한다.)
└ 100GBASE-SR10의 CXP 모듈에 사용(24가닥의 커넥터를 사용한다.)
사용하는 프로토콜과 기기에 따라서 케이블과 커넥터를 선택한다.
- 10GBASE-SR의 SFP+ 모듈이 탑재된 스위치 2대를 상호 연결하려고 한다.
- 10GBASE-SR이므로 다중 모드 케이블을 선택한다.
- SFP+ 모듈이 탑재되었으므로 LC 커넥터를 선택한다.
1.4. 통신 방식
반이중화 통신(Half Duplex)
└ 1차선 양방향 도로마냥 송신할 때와 수신할 때의 상황에 맞춰, 전환하면서 사용하는 방식
└ 송신할 때는 수신할 수 없고, 수신할 때는 송신할 수 없다.
└ 송신 도중 수신을 한다면 충돌이라고 판단해 Jam 신호라는 특수한 비트 패턴을 송신한다.
└ Jam 신호를 받으면 무작위 시간만큼 기다린 후 패킷을 재송신한다.
└ 이런 구조를 CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)라고 한다.
└ 10Gbps 이상의 프로토콜에서는 사용하지 않는다.
└ 충돌 발생 시 무작위 시간동안 대기해야 해서 고속 통신에 적합하지 않다.
전이중화 통신(Full Duplex)
└ 송신 전용 전송로와 수신 전용 전송로가 있어 송수신을 동시에 하는 방식
└ CSMA/CD 구조가 필요하지 않다.
자동 협상(Auto Negotiation)
└ 물리 포트에서 사용하는 프로토콜과 통신 방식을 자동으로 식별하는 기능
└ Auto Negotiation 기능이 있는 물리 포트는 연결 시 FLP(Fast Link Pulse) 패턴을 사용한다.
└ 이를 통해 자신이 사용하는 프로토콜과 통신 방식을 상대측 물리 포트와 교환한다.
└ 이때 한 쪽만 기능이 있거나 FLP 신호가 오지 않는다면 자동으로 반이중화 통신을 선택한다.
└ 우선 순위 : 속도가 빠를수록, 전이중화 > 반이중화
2. 무선 LAN(IEEE802.11)
IEEE802.3(유선 LAN)처럼 프로토콜에 따라 주파수, 변조 방식, 사용하는 기술에 따라 뒤에 영문이 붙인다.
2.1. 주파수 대역
무선 LAN은 2.4GHz 혹은 5GHz 대역을 채널(Channel)이라는 형태로 나누어 사용한다.
2.4GHz 주파수 대역
└ ISM 대역(ISM 밴드)라고 불린다. (Industry-Scirence-Medical: 산업-과학-의료 등에 쓰이는 주파수)
└ 20MHz씩 13개의 채널로 나누어서 사용한다.
└ 전파 특성상 장애물에 강해 옥내외에서도 사용 가능하다.
└ 전파 간섭(전자레인지나 아마추어 무선)이 발생하면 연결이 끊기거나 패킷이 손실되기도 한다.
└ 동시 사용 채널이 적어(1ch이라면 6ch과 11ch) 혼선이 발생할 수 있다.
5GHz 주파수 대역
└ W52, W53, W56의 3개의 주파수 대역으로 구성된다.
└ W52, W53은 20MHz씩 4개의 채널, W56은 20Mhz씩 11개의 채널로 나누어서 사용한다.
└ 사용 가능 채널도 많고, 동시 사용도 가능해 깨끗한 환경이 가능하다.
└ 전파 특성상 장애물에 약해 옥외 사용에는 제한이 있다.
└ 옥외에서는 W56만 사용 가능하다.
액세스 포인트 배치
└ 하나의 액세스 포인트가 통신을 커버할 수 있는 범위를 셀(Cell)이라고 부른다.
└ 셀(Cell)의 크기는 안테나의 형태과 개수, 주파수 대역 등에 따라 다름
└ 셀(Cell)의 중심(=액세스 포인트)에서 멀어질수록 전파가 약하고 속도가 느려짐
└ 액세스 포인트를 효율적으로 설치하려면 오른쪽 그림처럼 틈이 생기지 않게 설치하는 게 좋다.
└ 혼선이 발생하지 않게 3개의 채널로 틈이 없게 구성했다.
2.2. 변조 방식
변조
└ 0과 1로 이루어진 디지털 데이터를 아날로그 전파로 변환하는 것
└ 무선 LAN은 두 번의 변조를 통해 빠르고 안정적인 데이터 송수신을 지향한다.
└ 1차 변조를 통해 데이터를 전파로 보낼 수 있게 바꾼다.
└ 2차 변조를 통해 전파가 노이즈(간섭)에 의해 변형되지 않도록 바꾼다.
1차변조
└ 프로토콜의 속도와 관련이 있다.
└ 일정 주파수로 된 기준 파형인 '반송파'를 만든다.
└ 전파의 진폭을 바꾸거나 전파의 각도를 어긋나게 한다.
└ 디지털 데이터를 조합해 '변조파'를 만든다.
└ 방식 : BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM, 256QAM
└ BPSK(Binary Phase-Shift Keying) : 한 구간의 주파수를 0 또는 1로(1bit)로 표현하는 방식
└ QPSK(Quadrature Phase-Shift Keying) : 한 구간의 주파수를 2bit로 표현하는 방식
└ QAM(Quadrature Amplitude Modulation) : 위상과 진폭을 이용해 bit로 표현하는 방식
└ 16QAM은 4bits, 64QAM은 6bits, 256QAM은 8bits로 표현하는 방식
2차 변조
└ 2차 변조 방식과 주파수 대역의 조합에 따라 무선 LAN 프로토콜을 정리 가능
└ 방식 : DSSS, OFDM, MIMO-OFDM
└ DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum) : 각 데이터에 특정 코드를 XOR하여 변환하는 방식, 저속
└ OFDM(Orthogonal Frequency Division multiplexing) : 함수의 직교성을 이용해 주파수 간격을 최소화하는 방식, 고속
└ MIMO-OFDM(Multiple Input Multiple Output OFDM) : OFDM의 심층 방식, OFDM보다 고속
2.3. 무선 LAN의 통신 방식
무선 LAN 단말은 송수신에서 같은 채널을 사용한다 > 반이중화 통신을 사용
└ 충돌을 하면 안 되기 때문에 CSMA/CD 방식이 아니라 CSMA/CA 구조를 사용
└ CSMA/CA(CSMA with Collision Avoidance)
└ CSMA/CD는 충돌한 직후에 무언가를 시도하는 것
└ CSMA/CA는 충돌하기 전에 무언가를 시도하는 것
└ 이때 송신하는 단말은 반드시 1대이다. (빠르게 통신하여 동시에 통신하는 것처럼 보인다. cf. TSS)
1. 전송하기 전에 우선 대기한다. 다른 단말이 전파를 사용하는지 확인한다.
└ 대기 시간 : DIFS(DCF InterFrame Space)
└ 확인 처리 : Carrier Sense
2. 아무도 사용하지 않으면(한가함 상태:Idle), 무작위 시간동안 대기한다.
└ 무작위 대기 시간 : Back Off
3. 무작위 대기 시간이 가장 짧은 단말부터 전송한다.
└ 나머지 단말은 보류(바쁨 상태:Busy)
4. 액세스 포인트는 대기 상태에서 '전송 받음'이라는 응답을 전송한다.
└ 대기 시간 : SIFS(Short InterFrame Space), 위의 대기 시간과는 다른 용어를 사용한다.
5. 모든 단말이 응답을 받았다면 1~4단계를 반복한다.
2.4. 고속화 기술
직접파 : 전송 안테나에 곧바로 들어오는 전파
반사파 : 벽이나 다른 장애물에 반사되어 시간차를 두고 들어오는 전파
다중 경로 간섭 : 직접파와 반사파의 차이로 인해 어긋나거나 겹쳐서 파형이 일그러지는 현상
가드 인터벌(Guard Interval)
└ 다중 경로 간섭을 줄이는 기술
└ 전파의 가장 마지막 일정 부분을 복사하여 전파의 앞에 붙인다.
└ 앞뒤 전파가 겹치더라도 본래 전파를 알아낼 수 있어, 간섭 영향을 줄일 수 있다.
숏 가드 인터벌(Short GI)
└ 가드 인터벌에서 전파를 복사하는 시간을 줄인 기능
└ GI는 800nms, Short GI는 400nms가 소요
└ IEEE802.11n에서 선택 기능으로 추가
└ IEEE802.11n의 1공간 스트림당 최대 전송 속도는 65Mbps인데, 이 기능 사용 시 72.2Mbps(1.1배 향상)
채널 본딩(Channel Bonding)
└ 인접 채널을 동시에 사용해 전송 속도를 향상하는 기술
└ 채널 폭을 2배로 만든다면(20MHz > 40MHz), 전송 속도도 2배가 됨(65Mbps > 130Mbps)
└ 채널 본딩을 하면 하나의 액세스 포인트가 여러 채널을 이용할 수 있다.
└ 이 때문에 반드시 5GHz 대역을 사용해야 한다.
MIMO(Multi Input Multi Output)
└ 공간 스트림을 동시에 사용해 전송 속도를 높이는 기술
└ 공간 스트림(Space Stream) : 무선 LAN에서의 비트 전송로
└ IEEE802.11n에서 최대 4개의 공간 스트림을, IEEE802.11ac에서 최대 8개의 공간 스트림을 사용 가능
└ 4공간 스트림을 사용한다면, 전송 속도도 4배가 됨(65Mbps > 260Mbps)
빔 포밍(Beam Forming)
└ 무선 LAN 단말에서 Pin Point(특정 위치)로 전파를 보내는 기능
└ 전파의 위상 제어를 통해 지향성(방향성)을 만든다.
└ 속도도 증가하고, 간접이 줄어 품질도 증가한다.
└ 단 무선 LAN 단말에서 직접 설정해야 한다.
2.5. 기타 무선 프로토콜
블루투스(Bluetooth)
└ IEEE802.15.1에서 표준화된 근거리 무선 통신 프로토콜
└ 2.4GHz 대역을 79개 채널로 나누어 사용한다.
└ 1초에 1,600회의 속도로 채널을 바꾸며 통신하는 FHSS 변조 방식을 사용
└ FHSS(Frequency Hopping Spread Spectrum) : 정해진 시간에 따라 주파수를 이동하며 통신하는 방법
└ AFH 방식으로 에러가 많이 발생하는 채널을 검출한다. 해당 채널을 배제하여 간섭을 최소화한다.
└ AFH(Adaptive Frequency Hopping) : AFH 알고리즘으로 패킷 처리량이 적은 채널을 배제하는 방법
지그비(Zigbee)
└ IEEE802.15.4에서 표준화된 단거리 무선 통신 프로토콜
└ 대기 전력 사용량이 낮아 IoT에서 이용(필요할 때만 통신)
└ 블루투스와 유사하게 2.4GHz를 16개의 채널로 나누어 사용한다.
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