정보통신공학과 통신학과, 정보처리기사 등 정보통신시스템 요약정리 45. 고속 이더넷(Fast Ethernet)

45. 고속 이더넷(Fast Ethernet)

 

가. 고속 이더넷의 개요
이더넷은 광범위하게 설치된 LAN 기술이며, 초기에 가장 보편적으로 설치된 이더
넷 시스템은 10Base-T로서 10Mbps의 전송속도를 제공하고, 모든 장치들은 케이블
에 접속되어 CSMA/CD 프로토콜을 이용하여 경쟁적으로 액세스한다.
고속 이더넷(fast Ethernet)은 기존의 이더넷에서 충돌지역에 해당되는 두 노드 간
최대 데이터 이동거리, 즉 케이블 길이를 줄이고, 또한 반이중 통신 대신에 전이중 통
신을 실시함으로써 전송속도를 증가시킨 방식이다. 그리고, 데이터 전송방식으로 이더
넷과 같은 CSMA/CD에 장비 구성 역시 동일하며, 카테고리 5의 UTP 케이블로
100Mbps 전송속도를 지원하고 있다. 기본적인 고속 이더넷은 100Base-T로 표기되
고, IEEE 802.3u로 표준 규격을 규정하고 있으며, 백본망을 비롯하여 실시간 오디오
및 비디오와 같은 새로운 응용분야에 사용되고 있다.
기존의 10Mbps용 LAN 카드를 장착하고 있는 워크스테이션들도 고속 이더넷에 접속될 수 있으며, 고속 이더넷을 사용하기 위해서는 네트워크 카드, 케이블, 허브가
모두 고속이더넷을 지원해야 한다. 고속 이더넷은 케이블 사용에 따라 몇 가지 다른
구성이 가능한데, 2쌍선 카테고리 5급의 UTP 케이블을 이용하는 100Base-TX와 4
쌍선 카테고리 3급의 UTP 케이블을 이용하는 100Base-T4, 그리고 광섬유케이블을
이용하는 100Base-FX가 있다. 여기서 TX와 FX 형식을 함께 지칭하기 위해
100Base-X라는 표현을 쓰기도 한다.
고속 이더넷은 기존의 10Mbps용 이더넷에서 물리적인 전송매체의 길이를 줄임으
로써 약 100Mbps 정도의 고속전송을 가능하게 한 것이며, 10Base-T 이더넷과 기본
구성 및 액세스 방식이 동일하지만, 고속 전송을 위해 케이블 길이는 최대 100m로 제
한하고 있다. 고속 이더넷은 FDDI와는 달리 적은 비용으로 비교적 고속의 LAN 환경
을 구축할 수 있으며, 카테고리 5의 UTP 케이블을 사용할 때 이더넷의 전송속도
10Mbps 보다 10배 빠른 100Mbps로 통신이 가능하다. 특히, 최소 프레임 크기, 슬롯
타임, 매체 접근방식, 프레임 구조 등이 기존의 이더넷과 동일하기 때문에 장비의 가
격도 크게 차이가 나지 않는다.

나. 100Base-X의 특징
100Base-X는 FDDI 규격의 전송 기술을 사용하는 고속 이더넷 방식의 총칭으로
서, 카테고리 5의 UTP 케이블을 이용하는 100Base-TX와 광섬유케이블을 이용하는
100Base-FX가 있다. 100Base-TX에는 토큰링 LAN에서 사용되는 STP 케이블도
규격에 포함되어 있으나, STP 케이블에 대응한 제품은 거의 보급되지 않고 있다.
100Base-X는 송신하는 데이터에 대해서 [그림 4-32]와 같이 니블(nibble) 단위인
4비트 데이터를 5비트 데이터로 변환하는 4B/5B 부호화 방식을 적용하며, 따라서
4B/5B 데이터 부호화 이후의 전송속도는 100Mbps의 1.25배에 해당되는 125Mbps 가 된다.

4B/5B 부호화

4비트 데이터를 5비트의 부호로 변환함에 따라‘25(=32)-24(16)=16’ , 즉 데이터 송
신에서 사용하지 않는 16개의 새로운 부호를 확보할 수 있는데, 이들은 유휴(idle) 상
태나 데이터의 송신 시작 및 종료 등의 제어부호로 할당된다. 4B/5B 부호화로 인해
기존의 10Base-T에서 데이터가 송신되지 않을 때 무신호(no signal) 상태였던 것을
유휴 상태 신호로 연속 송신할 수 있게 되었으며, 신호의 변화가 없는 상태가 오랜 시
간 지속될 때에도 수신측에서는 타이밍 신호의 재생을 쉽게 해준다.
100Base-TX에서 데이터의 송수신에 사용되는 UTP 케이블은 송신용 1쌍과 수신
용 1쌍 등 총 2쌍으로 구성되어 있기 때문에 송신용과 수신용에 다른 쌍을 사용할 수
있어 전이중 통신이 가능하다. 그리고 100Base-FX의 경우에는 다중모드 광섬유케이
블을 사용하도록 규정되어 있으며, 초기에는 북미에서 일반적으로 사용되고 있는
62.5㎛/125㎛(코어지름/클래드지름)의 광섬유케이블을 규정하였지만, 일본이나 유럽
에서 사용되고 있는 50㎛/125㎛의 광섬유 케이블의 사용도 허용되고 있다.
한편, 100Base-T4는 미국에서의 보급을 목적으로 한 표준으로서 음성 품질에 해
당되는 카테고리 3의 UTP 케이블을 사용하는데, 이는 이미 설치된 카테고리 3의
UTP 케이블 배선을 이용해 100Mbps 고속 LAN을 제공하고자 하는 요도로 개발된
것이며, 하지만 거의 보급되지 않고 있다.

다. 매체 비의존 인터페이스(MII)와 자동절충 기능
고속 이더넷에서는 100Base-T4, 100Base-X 등 여러 가지 다른 물리층(트랜시버)
기술을 규정하고 있다. 이들 상이한 물리층 기술을 공통의 데이터링크층의 MAC에서
사용하기 위해서 [그림 4-33]과 같이 공통의 인터페이스가 되는 매체 비의존 인터 페이스(MII : Media Independent Interface)가 정의되었으며, 이는 10Base-Tsk
10Base-5에서 AUI와 같은 역할을 수행한다.

고속 이더넷에서 MII와 AUTONEG 기능의 구현

MII는 신호선, 전기적 특성 등애 대해 정의하고 있어 NIC나 LAN 카드 상에서의
MAC 칩과 트랜시버 칩과의 인터페이스로 되어 있다. 더욱이 MII에 있어서는 AUI와
같이 외부 접속용의 커넥터 형태도 정의되어 있어, MII 커넥터를 갖춘 NIC나 스위치,
라우터의 광트랜시버 등도 제품화되었다. 한편, MDI(Medium Dependent
Interface)는 매체 의존 인터페이스로서 전송매체가 물리층의 물리매체 접속장치
(PMA : Physical Media Attachment) 간의 접속을 지원한다.
고속 이더넷에서 자동절충(AUTONEG : Auto Negation)의 목적은 UTP 케이블과
8극 모듈러 잭을 사용하는 전송방식이 여러 가지 혼재하는 장치 사이에서 정보를 주고
받아 최적의 전송속도를 자동적으로 설정하기 위해서이다. 예를 들면, [그림 4-34]와
같이 이더넷 스위치가 전송속도 100Mbps의 100Base-TX와 전송속도 10Mbps의
10Base-T의 상이한 통신모드(전송속도)를 갖는 2개의 NIC가 접속될 경우, 접속한
상대방이 10Base-T의 NIC인 경우는 10Base-T로, 또한 100Base-TX의 NIC인 경
우는 100Base-TX로 설정된다. 그리고 접속측이 10Base-T와 100Base-T의 2개의
통신모드를 지원하는 PC 등의 이더넷 장비인 경우는 보다 고속통신을 할 수 있는
100Base-TX 모드로 설정된다.

 

이와 같이 자동절충 기능에 의해 네트워크 관리자는 접속되는 네트워크의 종류에
따라 각 단말의 통신모드를 별도로 설정해 둘 필요가 없기 때문에 운용관리가 쉬워진
다. 이러한 자동절충 기능은 고속 이더넷의 선택기능으로 초기의 이더넷 제품에는 내
장되어 있지 않은 것도 있지만, 10Mbps와 100Mbps의 2개의 전송속도를 지원하는
스위치 제품이나 허브(중계기) 제품의 보급에 의해 널리 내장되어 사용되고 있다.
접속된 2개의 장치가 각각 복수의 전송모드(10Mbps나 100Mbps 등)를 갖추고 있
을 경우, <표 4-7>과 같이 표준에서 규정된 우선순위에 따라 공통모드가 결정된다.
즉, 10Mbps 보다는 100Mbps를, 그리고 반이중 통신 보다는 전이중 통신으로 선택
되는 등 보다 고속의 모드로 우선순위가 결정된다. 동시에 동일한 레벨의 고속성을 달
성할 수 있을 경우, 요구되는 케이블 수준의 가장 낮은 모드가 선택되도록 규정되어
있다.

 

IEEE 802.3u 규격에 규정된 우선순위

우선순위		통신모드	케이블 유형
고 ↕ 저	1	100Base-T4 반이중	4쌍 카테고리 3 이상
	2	100Base-TX 반이중	2쌍 카테고리 5 이상
	3	10Base-T 전이중	2쌍 카테고리 3 이상
	4	100Base-TX 전이중	2쌍 카테고리 5 이상
	5	10Base-T 반이중	2쌍 카테고리 3 이상

자동절충 기능에는 통신 케이블 성능이나 전송 품질의 검출기능은 포함되어 있지
않다. 따라서 만일 NIC가 이미 설치된 배선 시스템이 지원하지 않는 통신모드를 갖추
고 있을 경우, 통신모드를 미리 사용 불능으로 설정해야 한다. 예를 들면, 이미 설치된
배선이 4쌍의 카테고리 3을 사용한 배선이고, NIC가 100Base-TX의 기능을 갖고 있
을 경우, 100Base-TX 모드를 사용 불능으로 설정하여 100Base-TX 모드를 갖고 있
다는 것을 발신하지 않도록 할 필요가 있다.
라. 고속 이더넷의 응용
고속 이더넷의 응용 시스템으로는 중계기 허브(HUB)와 스위치가 주로 해당된다.
고속 이더넷의 중계기 허브에는 [그림 4-35]와 같이 중계지연 시간의 크기에 따라 클
래스-I과 클래스-II의 두 가지가 규정되어 있다.

고속 이더넷에서 클래스-I과 클래스-II 허브의 구성 예

클래스-I 중계기 허브의 경우는 허브의 다단 접속이 허용되지 않지만, 클래스-II 중
계기 허브에서는 최대 5m의 중계기의 상호접속(IRL : Inter Repeater Link) 케이블
을 사용하여 2단까지 다단 접속이 허용되고 있다. 고속 이더넷의 중계기 허브에는 클
래스의 표시가 의무화되어 있다. 일반적으로 100Base-T4는 물리층(트랜시버)에서
송수신 지연이 크기 때문에 클래스-II 중계기 허브의 구현이 어렵다.
[그림 4-36]과 같이 고속 이더넷에서 전송속도 보다 고속인 상위의 네트워크와 접
속하는 기능을 갖는 빅파이프(big pipe) 스위치가 있으며, 고속 이더넷에서 보다 고속
네트워크에 접속하기 위한 업링크(uplink) 포트가 구비된 이더넷 스위치가 초기에 많
이 사용되었다. 빅파이프 스위치는 데이터 트래픽이 집중하기 쉬운 서버의 케이블을
굵게 하는 것으로서 일반적으로 8~24개의 10Base-T 포트(클라이언트 포트)를 가지
며, 1~4개의 고속 이더넷 포트(업링크 포트)에 의해 구성된다. 업링크의 종류는
100Base-TX가 일반적이나, 접속 거리를 길게 하기 위해 광 미디어의 100Base-FX
를 갖는 제품도 있다.

빅파이프 스위치에서 클라이언트 포트에 접속된 기기의 초고속 전송속도는
10Mbps로 제한되기는 하지만, 트래픽이 집중된 업링크에 100Mbps의 고속 이더넷을
사용함으로써 서버나 간선 네트워크에서의 병목(bottleneck) 현상을 해소할 수 있는
데, 이것은 클라이언트-서버 형의 네트워크에 이용되는 경우 매우 적합하다.
또한, 허브의 가격을 낮게 유지하면서 10Mbps 이더넷 장비와 100Mbps 고속 이더
넷 장비의 혼재를 허용한 이중속도(dual speed) 허브가 있다. 이중속도 허브는 [그림
4-37]과 같이 10Mbps와 100Mbps 속도의 허브 코어를 각각 독립적으로 갖고 있으
며, 각 포트는 자동절충 기능을 갖고 있어 각 포트에 접속된 기기가 지원하는 전송속
도에 따라 자동적으로 대응하는 허브 코어에 접속된다.

 

10Mbps의 허브 코어와 100Mbps의 허브 코어는 허브 내부의 브리지 기능에 의해
상호 접속되어 있으며, 이와 같은 기능에 의해서 동일 허브에 10Mbps의 이더넷 장비
와 100Mbps의 고속 이더넷 장비를 접속해서 상호 통신할 수 있다. PC용의 NIC에 있
어서 고속 이더넷으로의 대응이 일반화되어 있지만, 기존의 제품들은 10Mbps 이더넷
대응 기기가 대부분을 차지하고 있다. 아직도 네트워크 대응의 프린터 서버 기기 등에
있어서는 10Mbps 이더넷에만 대응하는 기기가 많은 실정이고, 이중속도 허브는 기존
에 설치된 10Mbps 이더넷 기기를 보유하면서 고속 이더넷으로 이행되는 것을 돕는
제품으로 많이 사용되고 있다.