이더넷, 패스트 이더넷, 기가빗 이더넷

2.1 이더넷

가. 역사
이더넷은 1970년대 중반 Xerox사의 Palo Alto Research Center(PARC)의 실험적인 작업의 결과로 탄생 되었다. 초창기 이더넷은 1Km까지 연장될 수 있었고, 100개의 stations들을 지원했으며, 2.94Mbps의 데이터 전송률을 보였다. Ethernet이라는 용어는 이더넷의 전자기적 특성에도 불구하고 정의 되지 않은 물체를 ether라고 부르는 데서 유래했다.
이더넷은 대중성에 힘입어 사실상 표준이 되었다. Digital Equipment Corporation(DEC), Inter, Xerox 등의 회사들이 IEEE802 표준으로써 Ethernet을 채택하기를 제안했다. Ethernet제안은 IEEE 802.3으로 재명명 되었다. 불행하게도 오리지날 이더넷 표준과 IEEE 802.3 표준간은 서로간 통신에 한계가 있는 중요한 차이점이 있다.

나. 토폴로지
Ethernet network의 물리적 토폴로지는 보통 버스형태로 묘사되어진다. 사실, 초창기 Ethernet 이행이 물리적인 버스 토폴로지 였다. 그러나 실제로 IEEE에 의해서 국제화된 몇몇 배선과 토폴로지 표준들이 있다.
논리적인 버스 구조에서 모든stations 또는 단말들은 네트워크 케이블을 공유하고 단말들에 의해서 보내지는 트래픽을 감시한다. 각각의 station들은 독특한 주소를 가지고 있고 LAN상에서 돌아 다니는 모든 메시지들을 읽는다. station은 자기 또는 자기가 속한 그룹에 해당하는 주소를 가지고 있는 메시지에 대해서만 반응한다.

다. 전송원리

CSMA/CD 방식의 데이터 전송
Ethernet workstation이 데이터를 보내기 전에 다른 station이 packet을 보내고 있는 것을 살펴본다. packet이 전송되고 있는 중이면 이것을 carrier라고 부르며, line을 모니터링 하는 것을 carrier sense라고 부른다 어떤 station이 carrier를 감시했다면 그 station은 매체가 전송을 멈춘 후 최소 9.6마이크로초 동안 전송을 보류한다. 이런 지연은 동시에 전송하는 두 station간을 보호하고 packet사이에 적당한 간격을 유지하게 해 준다. 전송이 완료되었을 때 carrier sense는 다시 시작된다. 만약, 동시에 두 station에서 packet을 보내게 되면, 충돌이 발생하고 충돌이 발생한 Packet은 garbage가 된다. 충돌은 전송하는 두 station간에 매우 짧은 시간동안 일어날 수 가 있다.

1. 전송이 없음을 감지하고 A가 패킷을 보낸다.
2. 역시 마찬가지로 B도 A의 패킷이 B에 도착하기 전에 전송을 시작한다. B는 A의 전송을 모르는데 그 이유는, 라인상의 전송 지연 때문이다.
3. 충돌이 발생하여 전송에 방해를 일으킨다.
4. B는 충돌을 감지하고 전송을 취소한다.

라. Ethernet Frame Format

이더넷 LAN에서 전송된 데이터는 프레임으로 나누어진다. 원래 이더넷과 IEEE 802.3 프레임 포맷과는 조금 다르다.

1. Preamble:이더넷의 경우 동기화와 프레임의 시작을 마크하기 위해 사용. 각 옥텟은 0와 1의 반복으로 구성
2. Start Delimeter: 프레임의 시작 표시
3. 목적지 주소: 프레임을 보낼 스테이션 표시. Unicast, multicast, broadcast로 전송가능하며, 48bit주소가 일반적으로 사용됨
4. 출발지 주소: 프레임을 보내는 스테이션 표시
5. Length(IEEE 802.3): Data field의 길이
6.Type(Ethernet):Data field에서 암호화되는 high-level프로토콜 데이터 표시
7. Data: 프레임에 표시된 정보. 최대 프레임 사이즈는 64-1508byte이다. 만약 보내진 데이터가 1508 보다 더 큰 경우, 윗 레이어(트랜스포트 레이어)에서 데이터를 적합한 사이즈로 분할해야 한다(fragmentation)
8. Pad(IEEE 802.3) Collision이 적절히 감지 가능한 최소한의 프레임의 사이즈는 64byte이다. 만약 프레임 바이트가 이보다 더 적을 경우 프레임이 다시 만들어져 추가된다. Data와 Pad field는 최소 46byte 이상이 되어야 한다.
9. Frame Check Sequence: 전송 에러 검출. 출발지 주소는 CRC(cyclical redundancy check)를 수행한 후, 결과를 FCS에 저장하여야 한다. 목적지 주소는 같은 계산 방식을 수행한 후 FCS field와 비교한다. 만약 그 값이 다른 경우, 목적지 주소는 에러값을 기록한다.

마. 물리계층 표준

IEEE 802.3는 Ethernet를 수행하기 위한 몇 가지 케이블링 표준을 명시하고 있다.
가장 대표적인 것은:
10BASE-5 (thick동축케이블 기반)
10BASE-2 (thin 동축케이블 기반)
10BASE-T (UTP케이블 기반)
10BASE-F (광케이블 기반)
고속 Ethernet라고 불리는 2개의 표준도 있음.
100BASE-T(UTP,STP,multimode 광섬유 기반)
100VG-Any LAN(UTP,STP,multimode 광섬유 기반)
게다가 덜 대중적인 2개의 IEEE 802.3 표준도 있음.
1BASE-5 ;
STAR LAN 이라고 불리는 저속 LAN
10BROAD-36 ;
broadband 전송에 기초한 표준

A.10 BASE-T

이 배선표준은 10Mbps를 Unshielded Twisted - pair (UTP) 케이블을 사용하여 전송하는 방식이다. T라고 하는 것은 Twisted - pair 를 나타내는 말이다. Twisted - pair cable은 보호되어져 있는지 아닌지 여부도 포함하여 크기와 모양에 따라 다양하다. 이것은 서로 꼬여진 두 쌍의 동선으로 되어 있으며 얇은 프라스틱 코팅이 되어 있다.
두개의 선을 서로 twist하여 전기적 간섭의 영향을 최소화 한다. 동선의 유연함과 얇은 성질때문에 UTP는 가장 설치하기에 싼 매체이다.

10BASE-T는 Hub에 기초한 스타형 구조를 사용한다.
각 단말은 각각 중앙 집선기 또는 Hub의 포트에 연결된다.
10Base-T Hub의 기본적인 기능은 다음 장에 기술되어져 있다.
10Base-T Hub는 각 단말 새그먼트마다 중앙 배선 포인트를 제공한다.
Hub안에 있는 회로는 리피터와 트랜시버의 역할을 제공하고 Hub에 붙어 있는 모든 단말들에게 각 네트웍 패킷을 브로드 캐스팅한다. Hub는 확장된 LAN과 상호 연결될 수 있다.

10BASE-T 아답터 보드는 아답터에 있는 RJ-45포트에 의해서 연결되고 UTP 케이블에 있는 RJ-45커넥터에 의해 연결된다.
10BASE-T 아답터는 전형적으로 10BASE-2 아답터가 외부 트랜시버를 요구하지 않는 것처럼 내부에 트랜시버 회로를 포함하고 있다. 많은 경우, 단말로 부터 나온 UTP케이블은 단말근처에 이러한 Wall plate에 있는 빌딩 배선과 서로 연결된다.
10BASE-T는 낮은 가격과 상대적으로 쉬운 설치로 인하여, 급속히 가장 대중적인 배선 표준으로 자리잡고 있다. 게다가 중앙집중화 된 Hub구조는 관리와 유지, 문제가 발생한 곳의 차단과 격리, LAN의 재구성등에 효과적이다.

UTP케이블은 데이터 전송능력에 따라 등급이 나누어져 있다.
*LEVEL 1은 아날로그와 디지탈음성(전화)이나 낮은 속도의 데이터
애플리케이션을 위한 것.
*LEVEL 2는 ISDN과 중간속도의 데이터, 4Mbps까지의 속도지원.
*LEVEL 3은 높은 속도의 데이터와 10Mbps까지의 LAN Traffic을
위한 것.
*LEVEL 4는 원거리 LAN Traffic을 위한 것으로 20Mbps까지 지원.
*LEVEL 5는 100Mbps Ethernet같은 100Mbps UTP LAN기술을 위한 것.

10BASE-T 배선규칙

최대 전송률 :10Mbps
연속하여 연결하는 최대 집선기 수 :4
최대 리피터수 :4
리피터 없는 최대 세그먼트 길이 :100meter
네트워크 구성 방식 :Star방식
커넥터 :RJ-45


2.2. 패스트 이더넷

가. 정의

이더넷의 전송 속도(10Mbps)의 한계를 인식하고, IEEE 위원회는 이더넷만큼 신뢰성이 있고, 고속전송이 가능한 새로운 표준의 필요성을 인식했다. 그래서 Ethernet보다 10배나 빠른 Fast Ethernet이 나오게 되었다. 글자 그대로 분석해 보면 이더넷이 하나의 패킷을 보내는 시간동안 Fast Ethernet은 10개의 패킷을 보낸다고 이해할 수가 있다.

나. 종류

100BASE-TX: 카테고리 5 UTP케이블에서 동작하도록 디자인 되었다.
이 기술의 특징은 4쌍의 동선 중 2쌍만 사용하도록 되어 있다는 것이다. 모든 10BASE-T 이더넷 설치 시 100BASE-TX와 같은 2쌍의 동선을 사용하므로, 10BASE-T를 사용하고 있다면 100BASE-TX도 문제없이 운용할 수가 있다.
100BASE-T4: 카테고리 3 또는 4 UTP 케이블을 사용하고 있고 계속 사용하기를 바라는 유저들에게는 100BASE-T4가 답이 될 수 있다. 100BASE-TX와 다른점은 4쌍의 동선을 모두 사용한다는 점이다.
100BASE-FX: 기존에 포설되어진 광케이블을 사용하기 위해서 Fast Ethernet은 62.5/125 마이크론 멀티모드 광섬유를위한 물리적 사양과 3가지 타입의 커넥터 : ST,SC,MIC 등의 물리적 사양을 포함하고 있다. 불행하게도 100BASE-FX는 10Mbps이더넷의 광섬유를 사용한 전달보다 거리제한이 더 크다. 이러한 제한을 극복하기 위해서 많은 개발사들은 10Mbps 광섬유 전달만큼 멀리 전송이 가능한 전이중 광섬유 연결을 내놓고 있다.
100VG-AnyLAN: Hewlett-Packard와 AT&T에 의해서 개발되었으며, 데이터의 제어는 CSMA/CD 대신 디맨드 프라이어리티 방식을 사용한다. 이더넷 100VG-AnyLAN은 네쌍의 UTP케이블을 사용하는 데 10Base-T의 두쌍의 UTP케이블
시스템에서 100Base-AnyLAN으로의 성능 향상을 시도할 수 있다.

다. Ethernet과의 유사성

Fast Ethernet과 Ethernet은 Fast Ethernet으로의 전이를 쉽게 하는 많은 동일한 기술을 사용하고 있다. 많은 특징들을 공유함으로 해서 Fast Ethernet과 Ethernet 은 같은 RJ-45포트에서 동작한다.

Packet format
CSMA/CD
케이블링
100BASE-TX Pinout
Common Mode Rejection

A) 동일한 Packet 포맷
Fast Ethernet은 Ethernet과 동일한 header와 trailer를 사용한다.

B) 동일한 케이블링
100BASE-TX를 위해서 표준 케이블과 크로스케이블 둘 다, 10BASE-T의 케이블 규칙과 동일하다. 이것은 지금 사용중인 카테고리 5 UTP케이블이 100Mbps 로 동작해도 문제가 없음을 의미한다. 단지 한가지 이슈가 해결되어야 하는데 그것은 100Mbps로 사용중일 때는 나머지 두 쌍으로 전화라인이나 다른 목적으로 쓸 수가 없다.
이더넷 표준은 1:1 접속일 때 사용되지 않는 케이블도 RJ-45잭에 연결되어 있어야 함을 권고한다.

C) 동일한 통계자료
수천명의 사람들이 아답타, 스위치와 다른 네트워크 장비들에 의한 에러 통계자료를 기초로 하여 Ethernet 네트워크 문제를 분명히 하는데 노력을 해 왔다. 이러한 연구와 훈련은 Fast Ethernet에도 똑같이 적용된다.
예를 들어서 ethernet에서 충돌(Collision)이 발생하면, 너무 많은 리피터가 있거나, 너무 많은 케이블이 있음을 의미한다. 이것은 FastEthernet에서도 마찬가지다.

라. Ethernet과의 차이점

데이터 전송이 10배 증가하게 되면 데이터 전송을 담당하는 물리적인 부분에 어떤 차이점을 기대할 수 있다. 실제로 3가지의 중요한 차이가 있다.

A) 100BASE-T4로 바꾸면 100Mbps의 속도로 카테고리 3또는 4 케이블을 사용할 수 있다.
B) 물리 층의 변화로 인하여 동선으로부터 전자기적 방사를 최소한으로 줄이기 위한 FCC요구를 여전히 만족시키면서 ool고속의 전송을 보장한다.
C) Cable Budget(케이블 거리와 리피터의 수)

마. 케이블링 규칙

Ethernet과는 달리, Fast Ethernet은 2개 클래스의 리피터를 가진다. Class I 리피터는 Class II 리피터보다 느린데 각 벤더들이 Class I리피터에 특별한 기능들을 부가하도록 허용했기 때문에 처리하는데 시간이 많이 걸린다.

Class I 리피터의 예.

단일 Class I리피터로 동작하는 stacking된 Hub
혼합되어 구성된 T4와 TX 또는 T4와 FX Hub
단일 T4 Hub

Class II 리피터의 예

단일 100BASE-TX Hub
단일 100BASE-FX Hub
혼합된 100BASE-TX와 100BASE-FX Hub

Q> 이런 케이블링 규칙을 기반으로 하여 Delay time에 대한 최대 Collision domain을 살펴보자.

Fast Ethernet Cable 길이 계산

A) 조건
1. 모든 Copper segment는 100m 이하여야 한다
2. Fiber segment 는 412m 이하이다(half-duplex인경우)
3 모든 Delay time(Round Trip Delay Time)은 합산하여 512bit time을 넘어서는 안된다. 또한 512에 0-4의 여유가 있어야 한다. 각 장비의 delay time이 다를 수 있기 때문이다

B) 각각의 Delay time
Catagory 5 Tx Cable meter 당 1.112
Fiber Optic Cable meter 당 1
Class I repeater 140
Class II repeater 92
2 TX/FX DTE 100
Category 3 TX meter 당 1.14
1 T4와 1 TX/FX DTE 127

A,B =>미터당 최대 Collision domain

리피터 타입 Copper Fiber Copper와 Fiber Copper와 Fiber
(T4와 FX) (TX와 FX)

D) TE-DTE 1 Seg 100 412 N/A N/A
1 Class I 리피터 200 272 230b 260.8b
1 Class II 리피터 200 320 N/Ac 308.8b
2 Class I 리피터 205 228 N/Ac 216.2d

b: 100meter copper link와 1 fiber link
c: 적용되지 않는 경우: 일반적으로 T4와 FX는 Class II 리피터와 같이 연결될 수 없음
d: 105 meter의 copper연결과 1 fiber 연결이라 가정하라

위에 명기된 조건과 Delay Time으로 계산한 결과, 미터당 최대 Collision domain을 계산할 수 있었다. 이는 기본 네트웍 케이블링의 중요한 자료가 된다.

바. 패스트 이더넷의 장점

똑같은 CSMA/CD 액세스 방법을 사용하고 같은 프레임구조와 MAC 기능을 사용함.
허브기반의 아키텍쳐를 계속 사용할 수 있다.
Unshielded Twisted-pair(UTP)케이블 위에서 실행됨.
똑같은 네트웍 관리 툴을 사용할 수 있다.
기존 MIS 프로그램과 경험을 활용
60개 벤더를 포함한 폭 넓은 지원

2.3 기가빗 이더넷

가. 정의
인터넷/인터라넷의 환경이 급속도로 발달함에 따라 LAN의 고속화와 광역화 요구에 대해 기가빗 이더넷이 급부상하였다
1000Mbps의 대역폭을 제공하는 한편, 이더넷과 동일한 CSMA/CD프로토콜, 프레임 크기를 채택하고 있다. 이런 환경에서 기가빗 이더넷은 기준 프레임 기반의 네트웍을 확장 시켜 주며, ATM 백본과 WAN애플리케이션을 보안 하여 준다.

나. 종류

다. 이행 가능 솔루션
스위치간 접속: 스위치간 연결 업그레이드에 기가빗을 이용하는 방법으로, 패스트 이더넷 스위치 혹은 리피터간을 연결
스위치-서버간의 연결 : 기가빗 이더넷 NIC를 삽입한 서버와 기가빗 이더넷을 스위치를 접속하는 방법
기가빗 이더넷 백본: 복수의 포트를 지원하는 패스트 이더넷을 기가빗 이더넷 스위치로 변환하고, 동시에 주변 장비도 기가빗 이더넷 인터페이스 혹은 업링크가 가능한 허브나 라우터로 업그레이드 하는 방법