컴퓨터 네트워크 제 2 장 고속 LAN & 기가 비트 이더넷 담당교수 : 천 성 광.

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1 컴퓨터 네트워크 제 2 장 고속 LAN & 기가 비트 이더넷 담당교수 : 천 성 광

2 목차 2.1 LAN 스위칭의 개요 2.2 공유 LAN과 스위칭 LAN 2.3 스위치 2.4 고속 이더넷
2.5 기가 비트 이더넷의 개요 2.6 기가 비트 이더넷의 구조

3 2.1 LAN 스위칭의 개요 최근 네트워크를 실시간으로 사용하고자 할 경우 혹은 대용량의 데이터 전송하는 경우에는 기존의 공유매체를 사용하는 LAN은 적절하지 못하였다. 각각의 LAN 세크먼트를 스위치의 포트에 연결한 것이 LAN 스위칭이다. 각각의 LAN 세크먼트는 독립적인 LAN으로 동작하며, 충돌 도메인 또한 각각의 LAN 세그먼트로 한정되게 된다. 또한 스위치의 처리 속도 면에서 기존의 브리지나 라우터를 능가한다. ASIC 기술의 발전으로 스위칭을 CPU가 아닌, ASIC이라는 하드웨어가 수행하게 함으로써, 스위칭 속도를 획기적으로 향상시킬 수 있었다.

4 2.2 공유 LAN과 스위칭 LAN CSMA/CD 스위칭 LAN

5 2.3 스위치(1/7) 대칭 스위치 비대칭 스위치 동일 대역폭을 가진 LAN 세그먼트에 대한 스위칭

6 2.3 스위치(2/7) 스위치의 구성 요소 전송 로직 입출력 포트

7 2.3 스위치(3/7) 전송로직 필터/전송 로직 학습 로직 스위치에 수신되는 모든 프레임의 운명을 결정
스테이션들의 MAC 주소와 송신지 주소 테이블의 위치 정보를 모을 수 있게 하는 역할

8 2.3 스위치(4/7) 포트 인터페이스 송신지 주소 테이블 물리적인 포트로의 논리적인 인터페이스
테이블은 스테이션의 MAC 주소의 리스트와 해당 MAC 프레임을 수신한 가장 최근의 포트로 구성

9 2.3 스위치(5/7) 입출력 포트 네트워크를 연결할 때, 다양한 물리적 인터페이스에 상관없이 기본적인 스위치의 전송 로직은 바뀌지 않아도 된다. 엑세스(access) 네트워크 업 링크(network uplink)

10 2.3 스위치(6/7) 스위칭 방법에 따른 스위치의 분류 Cut-Through 스위치
전체 프레임이 수신되기를 기다리는 것 대신에 프레임의 송신지 및 수신지 주소를 얻기 위해 프레임의 첫 번째 몇 바이트만을 읽는다. 즉 프레임의 중계 시간을 최소화한 방식 Interim Cut-Through 스위치 Cut-Through 스위치의 단점 중 크기가 작은 런트 프레임의 중계를 막는 기능을 보강한 스위치 Store-and-Forward 스위치 프레임을 전송하기 전에 전체 프레임을 수신하는 방식으로 기존의 브리지와 거의 같은 방식으로 스위칭

11 2.3 스위치(7/7) 크로스바(Cross-bar) 구조 공유 메모리(Share memory) 구조
점대점 연결을 최적화하기 위해 설계된 것으로, 마치 여러 개의 도로가 하나의 교차로를 지나는 형태와 유사 공유 메모리(Share memory) 구조 입력 버퍼들이 하나의 주 메모리에 있는 구조 고속버스(High-speed Bus) 구조 스위칭 ASIC 칩들 사이에 고속의 데이터 버스가 연결 Non-blocking 스위치

12 2.4 고속 이더넷(1/4) 개요 기존 이더넷의 전송 속도를 향상시키기 위해 나타난 기술로 1970년대 중반에 설계
이더넷 프로토콜을 사용하여 데이터 전송 속도를 100Mbps로 향상 시킨 이더넷 표준의 확장

13 2.4 고속 이더넷(2/4) 구조

14 2.4 고속 이더넷(3/4) 특징 및 응용 네트워크의 수용 범위는 리피터, 스위치 및 브리지와 같은 네트워킹 장비로 연결된 두 종단 스테이션 사이의 거리 전파 지연(Propagation Delay) 네트워크 내에서의 이러한 전파 지연은 비트 타임(Bit Time)으로 측정된다. 리피터의 종류 100BaseTX 혹은 100BaseT4 100BaseFX 리피터가 없는 호스트 간의 연결 100m 412m 한 대의 Class I 리피터 200m 272m 한 대의 Class II 리피터 320m 두 대의 Class II 리피터 205m N/A

15 2.4 고속 이더넷(4/4) 네트워크 구성 요소 비트 타임 두 개의 TX NIC 혹은 두 개의 FX NIC 100
두 개의 T4 NIC 138 한 개의 TX NIC와 한 개의 T4 NIC 127 한 개의 FX NIC와 한 개의 TX NIC 100미터의 Category-3 UTP 114 100미터의 Category-4 UTP 100미터의 Category-5 UTP 111 100미터의 STP 412미터의 광 케이블 미터당 1 혹은 412 Class I 리피터 140 Class II 리피터 92

16 2.5 기가 비트 이더넷의 개요(1/6) 기가 비트 이더넷의 등장 배경 기가 비트 이더넷의 표준화
- 큰 대역폭을 지원할 수 있는 고속의 네트워킹 기술 필요 - 멀티미디어 데이터 활성화로 인한 서비스 품질(QoS:Quality of Service) 지원 기가 비트 이더넷의 표준화 - 1996년 5월 IEEE 802.3z 기가 비트 이더넷 태스트 포스(task force) 가 설치 - GEA(Gigabit Ethernet Alliance) : 1996년 5월에 설립된 주요 네트 워크 및 서버 업체들의 모임으로 IEEE 표준화 활동 지원과 기가 비트 이더넷 표준화 에 대한 연구

17 2.5 기가 비트 이더넷의 개요(2/6) 표준화된 물리층 규격 : ANSI NCITS T11(구 ANSI X3T11) 파이버 채널(Fibre Channel) 규격 예) FC-1(파이버 채널-1) : 8B/10B 부호화/복호화 FC-0(파이버 채널-0) : 전송매체, 커넥터, 신호방식 등

18 2.5 기가 비트 이더넷의 개요(3/6) 3가지 1000BASE-X 표준화
- 1000Base-SX (S : Short Wavelength) : 멀티모드 광섬유 상에서 단파장(850nm) 레이저를 사용하여 송수신 한다. - 1000Base-LX (L : Long Wavelength) : 멀티모드 광섬유와 싱글모드 광섬유 상에서 장파장(1300nm) 레이저를 사용하여 송수신 한다. - 1000Base-CX (C : Coax) : 2심 동축케이블을 사용하는 단거리 접속용 구리선 방식이다. - 1998년 6월 표준화 완료 1000BASE-T 표준화 - 4쌍(Pair)의 카테고리 5 UTP 케이블(최대 100m) 사용 - IEEE 802.3ab 태스크 포스에서 표준화 진행 → 1999년 3월 완료

19 1000BASE-CX Shileded Balanced Copper 기가 비트 미디어 독립 인터페이스 (GMII) (선택적)
2.5 기가 비트 이더넷의 개요(4/6) 1000BASE-CX Shileded Balanced Copper 1000BASE-SX Fiber Optic 1000BASE-T UTP 카테고리 5 기가 비트 미디어 독립 인터페이스 (GMII) (선택적) 인코딩/디코딩 SMF-3km 50u MMF-550m 62.5u MMF-440m 매체 접근 제어 (MAC) 전이중 혹은 반이중 1000BASE-LX 25m 802.3z 802.3ab 1000BASE-X 8B/10B 인코딩/디코딩 62.5u MMF-260m 100m

20 2.5 기가 비트 이더넷의 개요(5/6) 기가 비트 이더넷의 특징 1Gbps 속도에서 전이중, 반이중 통신 방식 지원
IEEE 프레임 형태를 그대로 사용 이더넷 네트워크 상호 운영 시 프레임의 변환이 필요 없음 기가 비트 이더넷 프레임 형식 CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection) 이용 최소한의 충돌 감지를 위하여 프레임 크기를 64바이트에서 512바이트로 확장 캐리어 확장(Carrier Extension) / 패킷 버스팅(Packet Bursting) 프리앰블 (Preamble) 발신지 주소 (6바이트) 확장 (0∼448바이트) 목적지 주소 타입/프레임 길이 (2바이트) 송신 데이터/패딩 (46∼1500바이트) 프레임 검사 (4바이트)

21 2.5 기가 비트 이더넷의 개요(6/6) 예전의 네트워크 관리 객체를 그대로 적용
동일한 MIB(Management Information Base)과 RMON(Remote Network Monitoring) 에이전트를 사용 10BASE-T, 100BASE-T 이더넷 기술과의 호환성 제공

22 2.6 기가 비트 이더넷의 구조(1/12) 기가 비트 이더넷의 구성
RS(Reconciliation Sublayer) : MAC계층과 물리계층 연결을 위한 인터페이스 응용 표현 세션 전송 네트워크 데이터링크 물리 OSI 참조 모델 LLC(Logical Link Control) PMD(Physical Medium Dependent) PCS(Physical Coding Sublayer) PMA(Physical Medium Attachment) MAC Control (optional) GMII Reconciliation Sublayer MAC(Media Access Control) 매체 (1000 Mbps) 기가 비트 이더넷 계층 모델 MDI 상위 계층

23 2.6 기가 비트 이더넷의 구조(2/12) GMII(Gigabit Media Independent Interface) : 1Gbps의 전송속도 실현을 위해 데이터 신호를 송신 8비트, 수신 8비트로 하고 전송 클럭을 125MHz로 증가 물리계층은 파이버 채널(FC) 기술 사용 cf) 고속 이더넷 : FDDI의 세부 기술 사용 고속 이더넷에서 변경된 내용 MAC 계층과 물리 계층의 인터페이스인 MII가 GMII로 변경되었다. 4B5B(FDDI의 물리층) 방식을 사용하지 않고 8B10B(화이버채널 의 물리층, FC-0, FC-1)의 부호화/복호화 방식을 사용하고 있다. MAC층과 LLC층 사이에, 선택사항으로 MAC 제어 계층이 존재 한다. (MAC 제어 계층은 전이중 통신을 수행할 때 흐름 제어를 하는 IEEE 802.3x가 구현되어 있다).

24 2.6 기가 비트 이더넷의 구조(3/12) MAC 계층 캐리어 확장(Carrier Extension)
- CSMA/CD 프로토콜은 프레임이 완전히 전송을 마치기 전에 공유 전송매체 상에서의 충돌을 감지해야 하기 때문에 이에 필요한 슬롯 타임(Slot Time)에 맞는 슬롯 크기를 설정 - 기가 비트 이더넷에서는 64바이트의 최소 프레임 길이를 사용하여 1Gbps 전송속도를 지원하기 위하여 ‘캐리어 확장(Carrier Extension)’ 과 ‘프레임 버스팅(Frame Bursting)’을 사용 캐리어 확장(Carrier Extension) 최소 캐리어 슬롯 타임을 기존 64바이트 타임에서 512 바이트 타임으로 확장 – 실제로 전송되는 프레임의 길이는 변함 없음

25 2.6 기가 비트 이더넷의 구조(4/12) - 송신 측에서 일종의 패딩(Padding)을 추가하고, 수신 측에서는 이를 무시
예) 송신할 데이터의 크기가 46바이트인 경우 캐리어 확장으로 448바이트의 패딩을 추가하여 512바이트의 길이로 만들어 전송 최소 64 바이트 프리앰블 (Preamble) 발신지 주소 (6바이트) 캐리어 확장 (0∼448바이트) 목적지 주소 타입/프레임 길이 (2바이트) 송신 데이터/패딩 (46∼1500바이트) 프레임 검사 (4바이트) 최소 512 바이트

26 2.6 기가 비트 이더넷의 구조(5/12) 프레임 버스팅(Frame Bursting)
512바이트 미만의 짧은 프레임 전송시 패딩으로 인한 전송 효율의 저하를 줄이기 위한 방법 여러 개의 짧은 프레임 전송시 짧은 프레임들을 모아서 한번에 보내는 방식 한 호스트가 최초의 프레임을 충돌 없이 송신 완료한 후에 캐리어를 해제하지 않고 다음 프레임을 송신 전송 방법 : 처음 전송하는 프레임의 길이가 512바이트가 안될 경우 캐리어 확장을 사용하여 추가 필드를 붙이고, 그 후에는 CSMA/CD의 최소 캐리어 접속시간(65.536㎲)이 보장되므로 8192바이트만큼의 데이터를 연속해서 충돌 없이 전송

27 2.6 기가 비트 이더넷의 구조(6/12) 반이중 전송 방식에서 캐리어 확장은 반드시 구현되어야 하지만 프레임 버스팅은 선택 사항 프리 앰블 캐리어 확장된 MAC 프레임 1 8192바이트 버스트 제한시간 IFG MAC 프레임 2 프레임 3 … MAC 프레임 512바이트 슬롯타임 * IFG : Inter-Frame Gap

28 2.6 기가 비트 이더넷의 구조(7/12) GMII(Gigabit Media Independent Interface)
- MAC계층과 물리계층 사이에서 MAC계층이 물리계층에 독립 하여 동작할 수 있도록 하는 인터페이스 - GMII의 하위 부계층 : PCS, PMA, PMD PCS(Physical Coding Sublayer) 8B/10B 코딩 사용 캐리어 센스와 충돌 감지 속도(10/100/1000Mbps)에 대한 선택과 전이중/반이중 등의 동작모드에 대한 결정 PMA(Physical Medium Attachment) 여러 매체로부터 수신되는 비트 신호를 상위 PCS 부계층과 연결시키는 기능을 수행 PCS에서 수신한 10비트의 코드를 연속적인 비트 직렬신호로 변환

29 2.6 기가 비트 이더넷의 구조(8/12) PMD(Physical Medium Dependent) 부호화 방식
PMA 부계층에서 전달받은 비트 신호들을 양의 전압과 음의 전압을 갖는 펄스 파로 변환 MDI(Medium Dependent Interface) : 다양한 방식의 매체에 대한 실제 물리적 연결을 정의하는 물리계층 인터페이스 부호화 방식 부호화 방식의 필요성 전송 속도가 고속화 됨에 따라 송신 데이터 부호간의 상호 간섭 문제나 전송 손실의 증가에 의한 신호 대 잡음비 저하 등의 문제 발생 직류 성분을 포함한 전송부호는 수신 측에서 정확하게 재생하기 어려움 고속 이더넷 : 4B/5B, 기가 비트 이더넷 : 8B/10B

30 2.6 기가 비트 이더넷의 구조(9/12) 8B/10B 데이터 부호화
상위 층의 MAC 계층으로부터 입력되는 8비트(8B) 데이터를 하나의 니블(nibble)로 취급하여, 각 니블을 물리 층에서 10비트(10B)의 부호로 변환 8B/10B 부호화의 목적 8비트의 데이터를 10비트의 부호로 변환하면서 남는 부호의 여분을 제어부호로 활용하여 사용 기본적인 부호화의 필요성에 부합하여 신호 전송시 클럭 재생을 위한 전송 밀도를 확보 러닝 디스패리티(RD: Running Disparity) 직전의 송신 부호 열의 값에 근거하여 러닝 디스패리티 값(RD 값)을 결정하고, 이 값에 따라 다음에 송신할 부호의 RD 값을 바꾸는 에러 검출 방법 예측과는 다른 RD 값을 갖는 부호를 수신할 경우 이를 송신 에러로 판단

31 2.6 기가 비트 이더넷의 구조(10/12) 물리 계층 기존 이더넷 및 ANSI NCITS T11 파이버 채널 기술 모두 수용
802.3z(1000BASE-X) 802.3ab(1000BASE-T) 대구분 소구분 물리매체 종류 코어 직경(㎛) 밴드폭(MHz) 전송거리(m) 1000BASE-X (802.3z) 1000BASE-LX 멀티모드 광섬유 62.5 500 550 50 400 싱글모드 광섬유 9 제한없음 5000 1000BASE-SX 160 220 200 275 1000BASE-CX STP 25 1000BASE-T (802.3ab) UTP 100

32 2.6 기가 비트 이더넷의 구조(11/12) 1000BASE-X 1000BASE-SX 1000BASE-LX
멀티 모드 광섬유로 단파장 레이저(850nm 레이저)를 사용하는 방식 주로 수평적이고 짧은 단거리 백본용에서 사용 1000BASE-LX 멀티 모드 광섬유와 싱글모드 광섬유로 장파장 레이저(1300nm 레이저)를 사용하는 방식 주로 멀티모드는 빌딩 백본, 싱글모드는 캠퍼스 백본을 대상으로 함

33 2.6 기가 비트 이더넷의 구조(12/12) 1000BASE-T 1000BASE-CX 카테고리 5 UTP 케이블 사용
25m까지의 단거리 접속용으로 구리선 미디어(Short haul copper STP)를 사용하는 방식 배선 연장 거리 25m의 짧은 연결이 필요한 스위칭 장치 등에서 사용 저렴하고 설치가 빠르다 1000BASE-T 카테고리 5 UTP 케이블 사용 통신 부하 분산을 위해 4쌍을 사용 100m의 배선 거리