이더넷이란?

원문: baeldung, “What Is Ethernet?“

1. 소개

이 튜토리얼에서는 이더넷(Ethernet)과 이를 통해 이루어지는 데이터 전송에 대해 알아보겠습니다.

2. 이더넷이란?

이더넷은 근거리 통신망(LAN) 또는 광역 네트워크(WAN) 내에서 장치들이 데이터를 주고받고 통신하기 쉽게 만들어 주는 널리 사용되는 기술입니다. 컴퓨터, 프린터, 서버는 물론 스마트 홈 기기까지도 이더넷으로 연결됩니다. 가정이나 사무실처럼 제한된 공간 내에서 PC, 서버, 프린터 등의 장치를 연결해주는 기본적인 네트워킹 기술입니다.

이더넷은 장치 간 데이터 패킷을 전송하는 표준화된 규칙을 제공함으로써 효율적인 통신을 보장하고 혼선을 방지합니다. 사용하는 케이블 종류와 장비에 따라 다양한 속도를 제공하며 일반적으로 알려진 100 Mbps에서 초고속인 100 Gbps를 넘어서는 속도까지 지원합니다.

이더넷은 현대 네트워크의 중추로 오늘날 연결된 세상의 기반이 되어 기기 간 원활한 소통을 가능하게 해주는 핵심 기술입니다.

3. 이더넷의 종류

이더넷은 발전을 거듭해 오면서 서로 다른 전송 속도와 매체 사양을 갖춘 다양한 유형이 등장하게 되었습니다. 이더넷 표준은 데이터 전송에 사용하는 케이블의 종류에 따라 달라지며 각 케이블은 지원하는 이더넷 속도 또한 서로 다릅니다. 대표적인 이더넷 유형은 다음과 같습니다.

4. 이더넷을 통한 데이터 전송

이더넷에서의 데이터 전송은 네트워크 내 장치 간의 통신을 가능하게 해주는 일련의 잘 정의된 절차와 프로토콜을 통해 이루어집니다. 이제 이더넷에서 데이터가 어떻게 전송되는지를 간단히 살펴보겠습니다.

4.1. 데이터 캡슐화

전송할 데이터는 프레임(frame)이라는 단위로 나뉘게 됩니다. 각 프레임은 헤더(header)와 페이로드(payload, 실제 데이터)로 구성되어 있습니다. 헤더에는 출발지 및 목적지의 MAC(Media Access Control, 매체 접근 제어) 주소, 페이로드의 종류를 나타내는 이더타입(EtherType), 그 외 제어 정보 등이 포함됩니다. 다음 이미지는 프레임에 담기는 다양한 정보를 나타냅니다.

프리앰블(Preamble)은 7바이트로 구성된 필드이며 0과 1이 번갈아 나오는 패턴을 갖습니다. 프레임이 곧 시작된다는 것을 스테이션에 알리는 역할을 합니다. 또한 송수신 측 간의 비트 동기를 가능하게 합니다.

SFD(Start Frame Delimiter)는 1바이트 필드로 항상 10101011로 설정되며, 이더넷 프레임의 시작을 나타내어 수신 장치로 하여금 전송 받을 새 프레임의 처리를 준비하도록 합니다.

목적지 주소(destination address)는 수신 장치의 MAC 주소입니다.

출발지 주소(source address)는 송신 장치의 MAC 주소를 담은 6바이트 필드입니다.

Length 필드는 페이로드의 총 바이트 수를 나타냅니다. 수신 장치는 이 Length 필드를 활용해 프레임 전체가 정상적으로 수신되었는지를 확인하며 이를 통해 데이터의 완전성과 정확성을 보장합니다.

페이로드 즉, 데이터 섹션은 프레임의 핵심 부분으로 실질적인 정보를 담고 있습니다.

순환 중복 검사(CRC) 기법을 이용하는 프레임 검사 시퀀스(FCS)는 4바이트 필드입니다. 에러를 검출하는 중요한 메커니즘입니다.

4.2. MAC 주소

이더넷 네트워크에 연결된 모든 장치는 고유한 식별자인 MAC 주소를 갖고 있습니다. MAC 주소는 이더넷 프레임에서 출발지와 목적지 장치를 식별하는 데 핵심적인 역할을 합니다. 장치는 수신한 프레임의 목적지 MAC 주소를 확인하여 해당 프레임을 수신해야 할 대상이 자신인지 판별할 수 있습니다.

4.3. 스위칭(Switching)

현대의 이더넷 네트워크에서는 기존의 허브(hub) 대신 스위치(switch)가 일반적으로 사용됩니다. 스위치는 데이터 트래픽을 더 똑똑하고 효율적으로 처리합니다. 프레임의 MAC 주소를 검사하여 해당 프레임을 목적지 장치에만 정확히 전달합니다. 이러한 방식은 충돌을 줄이고 네트워크의 전반적 성능을 향상시킵니다.

4.4. 전파(Propagation)

프레임은 물리적인 케이블이나 무선 채널과 같은 네트워크 매체를 따라 흘러갑니다. 네트워크에 연결된 다른 장치들은 이 프레임을 수신하게 되며 목적지 MAC 주소를 비교하여 해당 프레임이 자신에게 온 것인지 확인합니다.

4.5. 목적지 장치에서의 처리

프레임을 수신한 목적지 장치는 해당 프레임을 처리하여 데이터를 추출하고 그 내용에 따라 적절한 동작을 수행합니다. 예를 들어 해당 데이터를 애플리케이션에 전달하거나, 다음 네트워크 홉(hop)으로 전달하는 등의 처리가 이루어질 수 있습니다.

5. PoE(Power over Ethernet)

PoE 기술은 하나의 이더넷 케이블로 데이터와 전력을 동시에 전송할 수 있게 해줍니다. 덕분에 VoIP폰 같은 인터넷 전화, 무선 액세스 포인트(WAP), 보안 카메라 등 네트워크 장비에 별도의 전원 코드가 필요하지 않게 된 것입니다.

케이블 내부에서는 데이터와 전력이 각기 분리된 와이어 쌍을 통해 전송되어 서로 간섭하지 않도록 합니다. 사용되지 않는 선으로 전력을 공급하여 데이터와 전력의 통합 전송이 구현되는 것입니다. PoE를 지원하는 장치는 이더넷 케이블로부터 전력을 공급받을 수 있는 메커니즘을 내장하고 있으며 보통 PoE 호환 네트워크 인터페이스를 갖추고 있습니다.

PoE의 장점은 배선이 간소화된다는 점과 설치가 쉬워진다는 점에 있습니다. 특히 천장에 설치하는 장치의 경우 이 장점이 극대화됩니다. 별도의 전원 공급 장치나 전선이 필요 없어 자재와 인건비를 절감할 수 있으며 전원 콘센트가 부족하거나 설치가 어려운 장소에서도 장비를 쉽게 배치할 수 있습니다.

적절한 PoE 솔루션을 선택하려면 연결할 장치들의 전력 요구량과 네트워크 인프라의 지원 수준을 함께 고려해야 합니다.

다음의 주요 PoE 표준을 비교해 확인해 보세요.

6. 네트워크 토폴리지

네트워크 토폴로지란 네트워크 내에서 장치들이 어떻게 배치되고 구조되는지를 나타냅니다. 장치 간의 연결 구조와 데이터가 어떤 경로를 따라 흐르는지를 정의하는 개념인 것입니다. 대표적인 네트워크 토폴로지는 다음과 같습니다.

버스(Bus)형은 하나의 주요 도로같은 구조입니다. 단순하지만 여러 장치가 동시에 통신하려 하면 병목 현상이 생기기 쉽습니다. 스타(Star)형은 모든 장치가 하나의 중앙 허브에서 갈라져 나가듯 연결되는 형태로 신뢰성과 확장성이 뛰어나기 때문에 현대 네트워크에서 가장 보편적인 구조입니다. 트리(Tree)형은 여러 개의 스타형이 연결되어 더 큰 네트워크를 이룬 모습을 떠올리면 이해가 쉽습니다. 보다 규모가 크고 복잡한 네트워크에 적합합니다. 마지막으로 링(Ring)형은 마치 순환 고속도로처럼 연결되어 모든 장치가 차례대로 통신할 수 있습니다. 다만 한 곳이라도 단선이 발생하면 전체 통신 흐름이 영향을 받을 수 있습니다.

네트워크 토폴로지는 네트워크의 규모, 사용 장치 유형, 확장 가능성, 장애 허용성등의 다양한 요소를 고려하여 결정해야 합니다.

7. 적절한 이더넷 유형 선택하기

네트워크에 가장 적합한 이더넷 유형을 선택하려면 요구 사항과 네트워크의 특성을 종합적으로 고려해야 합니다. 다음은 현명한 선택을 위한 주요 고려 사항입니다.

7.1. 데이터 전송 속도와 케이블 종류

네트워크에서 요구하는 데이터 전송 속도를 먼저 판단해야 합니다. 이더넷 표준은 10 Mbps에서 400 Gbps까지 다양한 속도를 지원하므로 현재뿐 아니라 향후 필요까지 고려하여 적절한 속도를 선택하는 것이 좋습니다.

또한 기반 시설이 어떤 종류의 케이블을 지원할 수 있는지도 중요한 고려 요소입니다. 보통 TP 케이블은 짧은 거리용으로 많이 사용되며, 광섬유 케이블은 더 먼 거리와 높은 전송 속도에 적합합니다.

7.2. 네트워크 토폴로지와 거리

네트워크 토폴로지는 적절한 이더넷 유형을 선택하는 데 핵심적인 역할을 합니다. 네트워크 내 케이블과 장치의 배치, 그리고 데이터가 흐르는 경로에 직접적인 영향을 미치기 때문입니다. 또 다른 중요한 요소는 전송 거리입니다. 데이터가 전송되어야 하는 거리를 충분히 평가해야 합니다. 일반적으로 광섬유 케이블은 TP 케이블에 비해 더 먼 거리까지 전송할 수 있습니다.

7.3. 장치 호환성과 향후 확장성

선택하려는 이더넷 표준이 네트워크에 연결될 장치들(컴퓨터, 스위치, 라우터 등)과 호환되는지 반드시 확인해야 합니다. 일부 구형 장비는 낮은 속도의 이더넷만 지원할수도 있습니다.

또한 네트워크가 앞으로 데이터 트래픽이 늘어나거나 장치가 추가될 상황을 감안해 확장 가능한 이더넷 표준을 선택하는 것이 좋습니다. 이렇게 하면 빈번한 업그레이드를 피할 수 있고 네트워크를 미래에도 안정적으로 유지할 수 있습니다.

7.4. 비용 산정

도입하려는 이더넷 표준을 구축하는 데 수반되는 비용을 평가해야 합니다. 고속 이더넷 기술이나 광섬유 기반 인프라는 일반적으로 저속 이더넷이나 기반 인프라에 비해 더 높은 비용이 들 수 있습니다. 따라서 예산 제약을 고려하여 적절한 기술을 선택해야 합니다.

7.5. PoE 요구 사항

PoE 기술로 이더넷 케이블을 통해 장치에 전력을 공급할 계획이 있다면 선택하려는 이더넷 표준이 필요한 전력 수준을 지원하는지 반드시 확인해야 합니다. IP 카메라, 전화기, 무선 액세스 포인트 등 PoE를 사용하는 장치들이 요구하는 전력량을 고려하세요.

8. 이더넷의 미래

이더넷의 미래는 밝습니다. 점점 다양해지고 방대해지는 연결 수요를 충족시키기 위해 지속적인 진화를 이어나가고 있습니다. 예상되는 미래 이더넷의 전반적인 트렌드와 가능성은 다음과 같습니다.

광섬유 기술은 앞으로의 이더넷에서 중요한 역할을 할 것으로 보입니다. 광학 기술의 발전은 광섬유의 속도와 효율성을 높여 더 빠른 데이터 전송을 가능하게 합니다.

IEEE 802.3bz 와 같은 새로운 표준의 개발은 자외선 통신을 위해 더 높은 주파수 대역을 탐색하고 있으며 앞으로 테라비트급 속도에 도달할 가능성도 있습니다.

스마트 스위치와 네트워크 운영 체제(NOS)는 AI와 머신러닝 기능을 통합하여 트래픽 관리, 혼잡 제어, 자가 복구 기능을 갖춘 보다 지능적인 네트워크 환경을 실현해 나가고 있습니다.

9. 결론

이 글에서는 현대 네트워크의 중추인 이더넷이 어떻게 장치 간의 원활한 통신을 가능하게 하는 일련의 정의된 절차와 프로토콜을 기반으로 작동하는지를 살펴보았습니다. 또한 네트워크의 요구 사항에 맞는 적절한 이더넷 유형을 선택하는 방법에 대해서도 알아보았습니다.