정보통신공학과 통신학과, 정보처리기사 등 정보통신시스템 요약정리 41. LAN 프로토콜의 구조

41. LAN 프로토콜의 구조

 

가. LAN 프로토콜의 표준모델
LAN 프로토콜의 표준모델은 [그림 4-15]와 같이 OSI 참조모델의 계층화 개념을
바탕으로 하고 있으며, 물리계층과 데이터링크 계층 등 2개 계층을 표준화하고 있다.

LAN 프로토콜의 표준모델

여기서, 데이터링크 계층은 매체접근제어(MAC : Medium Access Control) 부계
층(sublayer)과 논리적링크제어(LLC : Logical Link Control) 부계층으로 구성된다.
여기서 MAC 부계층은 네트워크에 연결된 각 단말들이 공용 전송로를 충돌 없이 액세
스하기 위한 프로토콜을 다루며, LLC 부계층은 HDLC(High-level Data Link
Control) 전송제어 절차와 유사하게 논리적인 링크의 설정과 해제 그리고 프레임의
재전송과 흐름제어 기능을 수행한다.
LAN 프로토콜의 표준화 작업은 1980년 IEEE 802 위원회를 구성하여 미국표준협
회(ANSI) 산하 X3T9.5 위원회를 중심으로 진행되고 있으며, IEEE 802 표준은 컴퓨
터 통신망의 표준화를 추진하고 있는 IEEE 802 위원회에 의해 개발된 일련의 LAN
접속방법 및 프로토콜 표준들을 지칭한다. 또한, 여기에서 제정된 표준이 ISO 8802
계열 및 ISO 9314 계열의 국제표준으로 채택되었다. [그림 4-16]은 IEEE 802위원회
에서 제정한 LAN 표준 규격을 나타낸 것이다.

 

IEEE 802 위원회가 설립할 당시에는 유선 LAN 밖에 존재하지 않았고, 1990년대
부터 이더넷으로 표준화가 일원화됐다. 무선 LAN은 1990년에 802.11 위원회가 발족
하고, 표준화가 진행된 1990년대 말 이후에서야 무선 LAN 이외에 무선 PAN, 무선
MAN에도 확대했다. 무선 PAN은 802.15, 무선 LAN은 802.11, 무선 MAN은
802.16과 802.20 위원회에서 표준화가 진행되고 있다. 그러나, 이 표준 위원회에 따
른 분류에서는 무선 WAN이 빠져 있다.
이와같이 초기의 유선 LAN 표준화 연구에서, 최근에는 무선네트워크에 관한 표준
을 주도하고 있다. 이들 표준들은 각 무선 네트워크의 표준화를 통해 분류하거나, 주파수 대역 별로 무선 네트워크를 분류하고 있으며, 쓰이는 역할에 따라 애드혹(adhoc) 네트워크와 센서(sensor) 네트워크로 구분하기도 한다. 하지만 주파수별 분류는
각 나라의 주파수 정책에 의해 주파수 사용 내역이 다르기 때문에 좋은 분류 방법은
아니다.
여기서, 애드혹 네트워크는 단말에 무선 LAN 카드를 장착하여 연결하지만, 일대일
통신이 기본이고, 외부 네트워크에 직접 연결되어 있지 않아도 네트워크를 구성하는
단말 중 하나가 외부 네트워크에 연결되어 있으면, 간접적으로 외부 네트워크에 접속
할 수 있다. 즉, 애드혹 네트워크에서 각 단말은 일종의 중계 기능도 가지고 있는 것이
다. 이와 같이 애드혹 네트워크는 무선 LAN 카드를 장착한 단말 간의 네트워크 구성
이 간편하며, 추가 장비가 필요 없으므로 구성비용이 저렴하고, 외부 네트워크 공유가
가능하다. 또한 센서(sensor) 네트워크는 센서를 네트워크로 구성한 것을 말하며, 무
선 센서 네트워크(WSN : Wireless Sensor Network) 또는 유비쿼터스 센서 네트워
크(USN : Ubiquitous Sensor Network) 등으로도 불린다. 센서 네트워크는 인간 중
심으로 시공을 초월하여 언제 어디서나 컴퓨팅 환경에 접속할 수 있는 유비쿼터스 패
러다임이 확대되면서, 전 세계적으로 활발하게 연구되고 있는 기술 중의 하나이다.
나. 유선 LAN 관련 프로토콜의 주요 규격
(1) IEEE 802.1
IEEE 802.1은 LAN의 망 구조, 망 간 접속(internetworking), 망 관리 등에 관
한 표준이며, IEEE 802.1D는 MAC 브리징(bridging)에 관한 것으로서 브리징 접
속 시의 구조나 통신규약을 규정하는데, 대표적인 검토 내용으로는 스패닝 트리 프
로토콜(spanning tree protocol)이 있다. 이 프로토콜은 브리지를 많이 사용해서
세그먼트 간을 접속하는 대규모 통신망에서, 1개의 노드에 도달하는 복수의 경로가
있는 경우에도 프레임이 순회하지 않도록 하는 작용을 한다. 어떤 특정 경로를 정상
경로로 해서 미리 설정하고 기타 경로는 장애 발생 시 우회로로 정의하는 것으로 실
현한다.
IEEE 802.1P는 LAN 스위치를 사용한 브리지 LAN에서의 우선제어구조에 관한
규격을 규정하며, IEEE 802.1Q는 가상 LAN(VLAN : Virtual LAN)을 일반 LAN
으로의 대응(mapping)에 관한 규정을 다룬다.
VLAN은 물리적인 장소에 의존하는 것이 아니라 이용자 그룹을 정의하기 위한
서비스이다. 현재의 VLAN은 각사의 독자적인 규격을 근거로 하고 있으므로 상호
접속성을 보증할 수 없다. 따라서 이러한 문제점을 해소하기 위해 IEEE 802.1Q가 발족되었으며, 1996년부터 표준화 작업을 시작하여 1998년 8월에 완료하였다.
IEEE 802.1Q는 그룹 관리를 위해 필요로 하는 매개 변수를 현행 LAN 프레임에 대
응하는 방법 등을 규정하고 있다. 구체적으로는 MAC 프레임에 VLAN 그룹 정보
(VLAN-ID) 등을 포함한 꼬리표를 부가하는 VLAN 도킹(docking)에 대하여 규정
하고 있다. 그리고 IEEE 802.1X는 IEEE 802.11 무선랜(WLAN : Wireless LAN)
용 인증 구조를 제공하여 보안을 강화한 무선 랜의 표준이다.
(2) IEEE 802.2
IEEE 802.2는 LLC 계층의 이행에 관해 명기한 표준 프로토콜이다. 802.2는 오
류, 프레이밍(framing), 흐름제어와 계층 3에 관한 서비스 인터페이스 등을 처리하
며, 802.3이나 802.5와 같은 LAN에 사용된다. LLC는 상위의 네트워크 계층에 3
종류의 서비스, 즉 무확인 무연결형 서비스, 연결형 서비스, 확인 무연결형 서비스
를 제공한다. 이런 서비스를 제공하기 위한 LLC 프로토콜은 그 기능과 형식이 몇
가지 예외를 제외하고는 OSI 표준 링크제어 프로토콜인 HDLC와 비슷하다. IEEE
802.2는 CSMA/CD, 토큰버스, 토큰링 등 모든 MAC 표준에 공통적으로 적용된다.
(3) IEEE 802.3
IEEE 802.3은 물리계층과 MAC 부계층의 이행에 관해 명기한 표준 프로토콜이
다. 802.3은 각종 물리적 매체에 걸쳐 다양한 속도에서 CSMA/CD 액세스를 사용
하며, 802.3을 실제로 구현한 물리적 변종은 이더넷과 거의 같다. CSMA/CD 방식
은 공통 전송 매체를 공유하는 복수의 노드 중에서 어떤 노드가 송신하는지 여부를
확인하는 방식이다. 기본적으로 물리계층의 전송매체로는 동축케이블, UTP 및 광
섬유케이블이 사용되며, 전송속도는 전송매체와 방식에 따라 1Mbps와 10Mbps가
있다. 기저대역(baseband) 방식은 제록스사 등이 개발한 이더넷(Ethernet) LAN
을 바탕으로, 그리고 광대역 방식은 MITRE사가 개발한 MITREnet LAN을 바탕으
로 표준화한 것이다.
IEEE 802.3ab는 4쌍(8가닥)의 카테고리 5인 UTP로 1Gbps의 전송속도를 실현
하기 위한 물리계층 규격(1000Base-T)을 다루고 있으며, UTP 접속에 의존하는 물
리규격만 규정하고 MAC 등은 IEEE 802.3Z에서 규정하는 규격을 참조한다. IEEE
802.3Z에 규정하는 물리계층과 IEEE802.3ab에 규정하는 물리계층은 MAC과의
인터페이스로서 공통의 GMII(Gigabit Media Independent Interface)를 사용한
다. IEEE 802.3Z에서 광 인터페이스만으로 앞서 연구하여 표준화를 완료하였다

IEEE 802.3U는 100Mbps의 전송속도를 실현하는 LAN의 표준화를 다루고 있
으며, 100Base-FX, 100Base-TX, 100Base-T4 등 3종류의 물리계층 규격과
MAC 규격 그리고, 이들 둘 다를 중계하는 미디어 독립 인터페이스(MII : Media
Independent Interface) 등을 규정하고 있다.
IEEE 802.3X는 전이중 이더넷의 흐름제어 방식을 표준화를 다루며, 이 규격은
당초 기가비트 이더넷(1000Base-X) 용으로 개발되었으나, 10Base-T 또는
100Base-TX 등에서도 이용할 수 있다. LAN 스위치와 단말이 1:1로 접속된 포트
에서 전이중 통신 시에 적용한다. 폭주를 검지함 LAN 스위치 등이 단말에 대해서
‘pause’프레임을 송신하면, 이 프레임을 수신한 단말은 일정 시간만큼 프레임 송
출을 중지하여 이더넷 프레임이 LAN 스위치의 버퍼 기억장치(buffer memory)에
서 넘치는 것을 방지한다.
IEEE 802.3Z는 이더넷에서 1Gbps의 전송속도를 실현하는 기가비트 이더넷의 표
준화로서 1000Base-X의 규격을 확정하였다. 구체적으로는 장파장(1,300nm)의 광
을 사용한 단일모드/다중모드 광섬유케이블을 전송매체로 하는 1000Base-LX, 단파
장(850nm)의 광을 사용해서 다중모드 광섬유케이블을 전송매체로 하는 1000BaseSX, 평형형 동축케이블을 전송매체로 하는 1000Base-CX 등 3종류이다.
전이중 통신 및 반이중 통신을 할 수 있으며, 반이중 통신인 경우에는 기존
CSMA/CD의 MAC과 호환성을 확보할 수 있도록 되어 있다. 물리계층은 기존 광섬
유 채널의 물리계층 규격을 활용한다. 또한 1Gbps/100Mbps/10Mbps의 속도 자동
인식 기능도 규정하고 있다.
(4) IEEE 802.4
IEEE 802.4는 토큰버스 방식의 LAN에서 물리계층과 MAC 계층에 관한 프로토
콜을 다루고 있다. 토큰버스 방식은 버스형과 트리(tree)형의 LAN에서 토큰
(token)이라는 제어 프레임이 매체 접근을 제어한다. 토큰을 얻은 노드는 전송이 끝
나거나 시간이 소멸되면 토큰 통과 버스(token passing bus)라고도 한다. 물리계
층의 전송매체로는 동축케이블과 광섬유케이블이 사용된다. 전송매체와 전송방식에
따라 전송 속도는 1Mbps, 5Mbps, 10Mbps, 20Mbps 등 다양하다. 토큰버스 방식
의 LAN은 사무실, 연구실은 물론 공장과 같은 산업 환경에 많이 응용된다.
(5) IEEE 802.5
IEEE 802.5는 토큰링 방식의 LAN에서 물리계층과 MAC 계층에 관한 프로토콜 을 다루고 있다. 토큰링 방식은 링형 토폴로지의 LAN에서 매체상의 모든 노드가 직
렬로 접속되며, 토큰이라는 작은 프레임이 매체접근을 제어한다. 송신을 원하는 노
드는 토큰이 통과하는 것을 기다렸다가, 토큰 내의 1비트를 바꿈으로써 토큰을 획득
하면 토큰 뒤에 데이터를 매입하여 송출한다. 802.5는 STP를 이용하여 4Mbps 또
는 16Mbps의 속도로 토큰을 전송하는 액세스에 사용되며, IBM 토큰링이 해당된다.
(6) IEEE 802.6
IEEE 802.6은 DQDB 방식의 도시권 통신망(MAN)에 간한 규격을 다루고 있다.
MAN은 기업의 구내나 1개 건물 내의 정보 통신망인 LAN을 하나의 도시 단위로 확
장한 일종의 LAN이라고 할 수 있다. MAN은 50km의 범위 내에서 음성, 데이터,
영상을 통합하여 취급하는 정보 통신망을 상정하고 있다. 전송매체로는 광섬유를
사용하고 전송제어 방식으로는 DQDB(Distributed Queue Dual Bus)라는 2중
(dual) 버스 방식을 사용한다. 802.6은 1.5Mbps~155Mbps의 속도로 데이터 패킷
과 회선교환을 모두 지원한다.
(7) IEEE 802.7
IEEE 802.7은 광대역 케이블에 대하여, 그리고 IEEE 802.8은 광섬유 케이블에
대하여 각각 검토하고, 이들 모두는 802.3과 802.4에 기여하는 기술 지원그룹으로
활동하고 있다. 또한, IEEE 802.9는 음성·데이터 통합형 LAN(IVD LAN :
Integrated Voice and Data LAN)의 인터페이스에 대해 표준화를 추진하고 있다.
IVD LAN은 기존의 전화선을 사용하여 음성과 데이터의 2가지 통신을 가능하게 하
는 것으로, 종래의 사설 구내교환기(PBX)와 LAN의 기능이 공존하는 LAN이다. 그
리고 IEEE 802.10은 LAN에 관한 보안(security)에 대해 검토하고 표준을 작성하
고 있다.
다. 무선 LAN 관련 프로토콜의 주요 규격
(1) IEEE 802.11
IEEE 802.11은 무선 LAN 기술 중에서 가장 많이 사용되는 표준이며, 이 규격에
는 802.11a, 802.11b, 802.11g, 802.11n 등이 있다. 이 기술은 2.4GHz 주파수에
서 운용되며 데이터의 최대 전송속도는 802.11b의 경우 11Mbps이며, 802.11a는
무선 비동기 전송방식(ATM) 시스템에 적용되고 5~6GHz의 주파수에서 운용되며
변조방식으로는 직교 주파수분할다중(OFDM : Orthogonal FDM) 방식을 사용한 다. 데이터 속도는 최대 54Mbps이나 공통적으로 통신 시에는 6Mbps, 12Mbps,
24Mbps가 된다.
802.11n은 다중 안테나 방식(MIMO : Multi Input Multi Output)과 다중 반송
파를 이용해 데이터 전송 속도를 비약적으로 발전시킨 무선 LAN 기술이다.
802.11n은 802.11a의 변조방식인 OFDM 방식을 사용하면서 2.4GHz대역과
5GHz 대역을 함께 사용하고, 전송속도는 100Mbps 이상으로 발전시켰다.
한편, MIMO는 무선통신의 용량을 높이기 위한 스마트 안테나 기술이며, 기지국
과 단말기에 여러 안테나를 사용하여 사용된 안테나 수에 비례해서 용량을 높이는
기술이다. 즉 MIMO 방식은 간단히 말해서 여러 개의 안테나를 동시에 동작하게끔
하는 안테나 시스템이다. 한 개의 안테나가 여러 기능들을 담당하던 기존 방식과는
달리 여러 개의 안테나를 통해 다중의 입출력이 가능하게끔 한 것이다. MIMO는 두
개의 안테나가 동시에 동작하도록 해 고속의 데이터 교환을 가능하게 했다.

 

(2) IEEE 802.15
IEEE 802.15는 IEEE 802.11에서 분리된 무선 PAN(Personal Area Network)
을 위한 표준화를 수행하고 있으며, 전력 소모가 적고 비교적 간단한 무선 통신 네
트워크를 담당하고 있다.
802.15.1은 블루투스(bluetooth)에 기반한 방식으로 2.4GHz ISM 대역에서
1Mbps 전송속도를 가진다. 802.15.2는 기존 802.11b 또는 802.11g의 무선 LAN
과 802.15.1의 무선 PAN 사이에 해당하는 비허가 주파수 대역의 사용을 목표로 만
들어졌다. 이 때문에 802.11에서 2.4GHz 대역을 이용하는 802.11b 또는 802.11g
의 방식과 공존하도록 되어 있다.
802.15.3은 무선 PAN-HR(High Rate)를 위한 표준으로 높은 전송속도
(55Mbps)를 제공하며, TDMA 방식을 이용한 안정적인 네트워크 전송이 가능하다.
이 규격을 개량하여 최대 전송속도 480Mbps까지 가능한 802.15.3a. 규격은
UWB(Ultra Wide Band) 시스템에서 사용되고 있다.
802.15.4는 무선 PAN-LR(Low Rate)을 위한 표준으로 소전력으로 CPU, 메모리
등에 제한이 있는 장비를 동작함으로써 낮은 전송 속도를 제공하게 되는데, 이는 센
서 네트워크에 주로 이용된다. 이 규격은 지그비(Zigbee) 시스템에서 사용되고 있다.
802.15.5는 메시형 토폴로지를 이용해 전력의 증가없이 네트워크 범위를 넓힐 수
있도록 하는 표준이다. 특히 IEEE 802.15.3a의 경우 110Mbps 이상(최대
480Mbps)의 전송 속도를 가지며, 대용량 말티미디어 관련 데이터 전송에 쓰인다.
전송거리는 짧지만 집이나 교실 등에서 개인망과 학급망 구성에 적합하다.

(3) IEEE 802.16
IEEE 802.16은 고정 광대역 무선 네트워크를 바탕으로 하는 무선 MAN 기술로
서, 802.11의 네트워크를 확장하는 기술을 뜻한다. 점대다지점(point to
multipoint) 구조로 10~66GHz 범위에서 동작하며 120Mbps 이상의 데이터 전송
속도를 지원한다. 802.11에서 와이파이(Wi-Fi)와 같이 상호 운용성을 위해 제품 인
증을 목표로 하는 와이맥스(WiMax)가 설립돼 활발한 활동을 하고 있다.
IEEE 802.16a는 고정형 무선 MAN으로 최대 75Mbps 속도까지 지원하며 전송
거리는 최대 50Km까지 가능하다. IEEE 802.16e는 이동형 무선 MAN으로서 최대
15Mbps까지 지원한다. 전송거리는 5Km밖에 되지 않는 대신, 중계기간 끊김없는
(seamless) 연결, 즉 핸드오프(handoff)가 가능해 사용자의 자유로운 이동이 보장
된다는 점에 특징이 있다.

 

(4) IEEE 802.20
IEEE 802.20는 MBWA(Mobile Broadband Wireless Access)로도 불리며,
3.5GHz 대역에서 무선 MAN 데이터 전송률을 1Mbps까지 끌어올려 주는 것이 특
징이다. IEEE 802.20은 IEEE 802.16(BWA) 산하 특별그룹으로 출발했으나, 인터
넷 접속 시 유비쿼터스와 이동성을 보장할 수 있는 장점과 IEEE 802.16의 고정 서
비스와는 달리 이동 서비스라는 점에서, 서로 다른 시장이 인정돼 2002년에 독립
워킹그룹으로 본격적인 활동을 시작하게 됐다.
IEEE 802.16은 고정방식의 경우 최대 50km/75Mbps, 이동방식의 경우
5km/15Mbps에 80Km의 차량 이동성을 지원해 디지털가입자선(DSL : Digital
Subscriber Line), 케이블 모뎀, 와이파이 서비스와 경쟁하며, IEEE 802.20은
250km의 고속 이동속도에서 1Mbps 정도의 대역폭 제공을 목표로 하므로 이동통신
기술과 경쟁 관계에 있다. 그러나 802.16e의 급속한 발전을 통해 상용 서비스를 시
작한 모바일 와이맥스는 3.5세대 이동통신이라는 HSDPA(High-Speed Downlink
Packet Access)와 경쟁관계를 이루면서 개념 구분을 더욱 모호하게 만들었다.

 

(5) IEEE 802.21
IEEE 802.21은 서로 다른 무선 네트워크 사이에 끊김없는 핸드오프를 지원하기
위해 표준화하고 있는 기술이다. 이 기술은 다중 무선 인터페이스를 가진 이동 단말 기를 통해 자동으로 이용 가능한 최상의 망 접속 유형을 선택하게 하고, 다른 무선
네트워크 간에 끊기지 않게 핸드오프시킬 수 있도록 하기 위해 이벤트 서비스, 커맨
드 서비스 그리고 정보 서비스 등을 제공한다.
IEEE에서 무선 표준화를 다루게 된 것은 1990년도이며, 불과 15년 만에 무선 네
트워크는 유선 네트워크의 경쟁 관계를 형성할 만큼 빠르게 성장했다. 지난 10여 년
동안 무선 네트워크 전송 속도는 유선 네트워크와 근접해졌으며, 무선 네트워크 서
비스를 통해 생활환경도 많이 변했다.