#4 네트워크 L2계층 MAC통신 이란 ?

 

안녕하세요! 콱!꼬챙 입니다.

 

오늘은 네트워크 L2 MAC 통신에 대해 공부해 보아요 ~

 

1. MAC 통신의 개요: L2 계층의 핵심 요소

MAC(Media Access Control) 통신은 OSI 7 계층 모델의 데이터 링크 계층(Layer 2)에서 발생하며, 네트워크에서 데이터가 프레임 단위로 전달되도록 관리하는 핵심 기술입니다. MAC 통신은 주로 물리적 네트워크 장비(스위치, NIC 등) 간의 데이터 전송을 제어하며, 장치의 고유한 물리적 주소(MAC 주소)를 기반으로 작동합니다. MAC 주소는 48비트로 구성되며, 네트워크 상의 각 장치를 유일하게 식별할 수 있습니다.

MAC 통신은 네트워크 내의 노드 간 충돌 방지, 데이터 전송 경로의 결정, 프레임 재전송 등의 작업을 수행합니다. 이는 유선 네트워크(이더넷)와 무선 네트워크(Wi-Fi) 모두에서 필수적인 역할을 하며, 다양한 매체 접근 제어 방식으로 구현됩니다.

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2. MAC 통신의 동작 원리: 프레임 전송과 주소 지정

MAC 통신은 네트워크 장비 간 데이터를 프레임 단위로 송수신하며, 주요 동작 과정은 다음과 같습니다.

(1) MAC 주소 기반 데이터 전달

 

각 네트워크 장비는 고유한 MAC 주소를 보유하고 있습니다. 데이터 프레임에는 **소스 MAC 주소(발신 장치)**와 **목적지 MAC 주소(수신 장치)**가 포함되어, 장비 간 정확한 데이터 전달이 가능합니다.

 

1. 유니캐스트(Unicast): 1대1 통신특징

• 목적지: 한 번에 하나의 장치로 데이터가 전송됩니다.
• 주소 체계: 유니캐스트 전송에서는 수신 장치의 고유 MAC 주소 또는 IP 주소를 사용합니다.
• 응용 사례: 웹 브라우징, 이메일 전송, 파일 다운로드 등 개인화된 통신에서 사용됩니다.

장점

• 네트워크 리소스를 효율적으로 사용하며, 데이터는 정확한 대상에게 전달됩니다.
• 충돌 및 혼선이 적어 안정적인 통신이 가능합니다.

단점

• 동일한 데이터를 여러 대상에게 전송해야 할 경우, 송신자가 데이터를 각각 별도로 전송해야 하므로 비효율적입니다.

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2. 브로드캐스트(Broadcast): 네트워크 세그먼트 전체로 전송특징

• 목적지: 특정 네트워크 세그먼트 내의 모든 장치가 데이터의 대상이 됩니다.
• 주소 체계: MAC 주소로는 FF:FF:FF:FF:FF:FF, IP 주소로는 255.255.255.255를 사용합니다.
• 응용 사례: ARP(Address Resolution Protocol), DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol)와 같은 네트워크 초기화 프로세스.

장점

• 네트워크 초기화 및 구성 과정에서 필요한 데이터를 모든 장치에 한 번에 전송할 수 있습니다.

단점

• 네트워크 리소스가 비효율적으로 사용될 수 있으며, 브로드캐스트 트래픽이 과도하면 네트워크 성능이 저하됩니다.
• 큰 네트워크에서는 브로드캐스트 도메인이 확장되며, 불필요한 트래픽이 증가할 수 있습니다.

브로드캐스트 제어

• 브로드캐스트 도메인은 일반적으로 라우터를 통해 분리됩니다.
• VLAN(가상 LAN) 설정을 통해 브로드캐스트 트래픽을 제한할 수 있습니다.

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3. 멀티캐스트(Multicast): 특정 그룹을 대상으로 한 데이터 전송특징

• 목적지: 멀티캐스트 그룹에 가입한 장치만 데이터를 수신합니다.
• 주소 체계: 멀티캐스트 IP 주소와 멀티캐스트 MAC 주소를 사용합니다.
• 응용 사례: 스트리밍 서비스, 온라인 강의, 실시간 주식 데이터 전송 등 동일 데이터를 다수의 사용자에게 동시에 전달하는 경우.

장점

• 송신자가 데이터를 한 번만 전송하므로 네트워크 대역폭을 절약할 수 있습니다.
• 데이터는 관심 있는 그룹에게만 전달되므로, 브로드캐스트와 달리 불필요한 트래픽을 방지합니다.

단점

• 멀티캐스트를 구현하려면 네트워크 장비가 IGMP(Internet Group Management Protocol)와 같은 프로토콜을 지원해야 합니다.
• 구성 및 관리가 복잡할 수 있으며, 특정 환경에서는 멀티캐스트 트래픽의 품질을 보장하기 어렵습니다.

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4. 유니캐스트, 브로드캐스트, 멀티캐스트 비교특징유니캐스트브로드캐스트멀티캐스트

목적지	특정 수신자 1명	네트워크 세그먼트의 모든 장치	특정 그룹의 장치
주소 체계	개별 MAC/IP 주소	브로드캐스트 주소	멀티캐스트 IP/MAC 주소
효율성	개인 통신에서 효율적	네트워크 부하 증가 가능	그룹 통신에서 효율적
응용 사례	웹 브라우징, 이메일	ARP, DHCP	스트리밍, 실시간 데이터 전송
주요 프로토콜	TCP/IP	ARP, DHCP	IGMP, PIM

• 멀티캐스트는 송신자가 데이터를 특정 그룹의 장치들에게만 전송하는 방식입니다. 네트워크 상에서 멀티캐스트는 IP 주소의 특별한 범위(224.0.0.0 ~ 239.255.255.255)를 사용하여 멀티캐스트 그룹을 식별합니다.
• 브로드캐스트는 송신자가 동일한 데이터를 네트워크 세그먼트 내 모든 장치에 전송하는 방식입니다. 이 방식은 네트워크 세그먼트 내의 모든 장치가 데이터를 수신할 수 있도록 설계되었습니다.
• 유니캐스트는 네트워크에서 가장 기본적이고 일반적인 데이터 전송 방식으로, 하나의 송신자가 특정 하나의 수신자에게 데이터를 전송하는 방식입니다.

(2) 프레임 구조와 데이터 전송

 

이더넷 환경에서 MAC 통신의 프레임은 다음과 같은 구조를 갖습니다:

• 프리엠블(Preamble): 프레임 시작을 알리고, 동기화를 지원.
• 목적지 MAC 주소: 데이터를 수신할 장치의 MAC 주소.
• 소스 MAC 주소: 데이터를 발신한 장치의 MAC 주소.
• 데이터: 상위 계층(네트워크 계층)에서 전달된 패킷.
• FCS(Frame Check Sequence): 프레임의 무결성을 확인하기 위한 CRC 값.

스위치는 목적지 MAC 주소를 기반으로 프레임을 적절한 포트로 전달합니다.

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3. 매체 접근 제어 방식: 충돌 방지와 효율적 통신

MAC 통신은 네트워크 매체의 특성과 환경에 따라 다양한 접근 제어 방식을 사용합니다. 주요 접근 제어 방식은 다음과 같습니다.

(1) CSMA/CD (Collision Detection)

• 사용 환경: 유선 이더넷(반이중 모드).
• 작동 원리: 데이터를 전송하기 전에 네트워크 매체가 사용 중인지 확인합니다. 충돌이 발생하면 데이터 전송을 중단하고, 랜덤한 시간 후에 재전송을 시도합니다.
• 특징: 충돌 감지로 데이터 손실을 최소화하지만, 충돌 빈도가 증가하면 네트워크 성능이 저하될 수 있습니다.

(2) CSMA/CA (Collision Avoidance)

• 사용 환경: 무선 네트워크(Wi-Fi).
• 작동 원리: 데이터 전송 전에 네트워크 사용 가능 여부를 확인하고, 전송 예약 요청(Request to Send, RTS)과 응답(Clear to Send, CTS)을 교환하여 충돌을 방지합니다.
• 특징: 충돌 방지로 효율성을 높이지만, 대기 시간이 증가할 수 있습니다.

(3) 풀이중 통신 (Full Duplex)

• 사용 환경: 스위치 기반의 현대 이더넷.
• 작동 원리: 충돌 감지 및 방지 메커니즘이 필요 없으며, 데이터를 동시에 송수신할 수 있습니다.
• 특징: 충돌이 발생하지 않아 고속 데이터 전송이 가능.

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4. MAC 통신의 한계와 발전 방향

(1) 한계

• 브로드캐스트 도메인 확장: MAC 통신은 브로드캐스트 전송을 지원하지만, 브로드캐스트 도메인이 커지면 네트워크 성능이 저하될 수 있습니다.
• 스위치 성능: 스위치가 모든 MAC 주소를 학습하고 테이블에 저장해야 하므로, 대규모 네트워크에서는 테이블 용량 부족이 발생할 수 있습니다.
• 보안 취약성: MAC 주소는 쉽게 스푸핑(spoofing)될 수 있어, 네트워크 보안에 취약할 수 있습니다.

(2) 발전 방향

• MAC 보안 강화: 포트 보안, 동적 MAC 주소 학습 제한 등을 통해 스푸핑 방지.
• SDN(소프트웨어 정의 네트워크): MAC 주소 테이블을 중앙에서 관리하여 네트워크 효율성을 높임.
• 고속 네트워크 지원: 최신 이더넷 표준(10Gbps 이상)에서 고성능 MAC 프로토콜 설계.