46. 기가비트 이더넷(Gigabit Ethernet)
가. 기가비트 이더넷의 개요
고속 이더넷 표준화의 경험을 바탕으로 기존의 물리층 규격을 활용하여 적시에 표준화를 완료하고 제품을 시장에 출하하고자 하는 목표로 기존의 프레임 형식과 네트워
크 토폴로지 등의 네트워크 구조를 가능한 한 변경하지 않는 개념을 기본으로 표준화
검토가 이루어졌다. 그 결과 물리계층을 광섬유케이블 채널로 규격화하고, 8B/10B 부
호화 방식을 사용하여 1.25Gbps까지의 전송속도를 규정하고 있다. 즉, 기가비트 이더
넷의 MAC 및 접속방식은 기존 이더넷과 동일하지만, 전송매체의 부호화에 관련된 물
리계층을 변경하였고, 광채널을 사용하는 등 매체 비의존 기가비트 인터페이스(GMII
: Gigabit Media Independent Interface)가 추가되었다. GMII는 MAC과 물리계층
간에 위치한 인터페이스로 전이중 및 반이중 통신모드를 모두 지원한다.
기가비트 이더넷은 전송매체의 종류에 따라 [그림 4-38]과 같이 1000Base-X와
1000Base-T로 대별되며, 광섬유케이블과 구리선(copper) 모두 사용가능하고 고속
LAN의 백본망으로 많이 활용되고 있다.
1000Base-X는 1000Base-SX와 1000Base-LX 및 1000Base-CX로 구분되는
데, 1000Base-SX는 다중모드 광섬유케이블을 사용하며, 850nm의 단파장 레이저를
이용하는 단파장 방식으로 최대 전송거리가 550m이다. 1000Base-LX는 다중모드
광섬유케이블과 단일모드 광섬유케이블을 모두 사용하며, 1300nm의 장파장 레이저
를 이용하는 장파장 방식으로 최대 전송거리가 5Km 정도이다. 1000Base-CX는 서
버 룸 내의 단거리 접속용으로서, 2심 동축케이블을 사용하는 구리선(copper) 방식으
로 최대 전송거리가 25m 이내이다.
그리고 1000Base-T는 보다 고속의 신호 변조방식과 신호 다중화 기술을 활용하여 4쌍의 카테고리 5급 UTP 케이블로 최대 100m 거리에 1Gbps의 데이터 전송을 실현
할 수 있다. 1000Base-T는 1000Base-X의 기가비트 이더넷 규격인 IEEE 802.3z
의 표준화와 구분되어, IEEE 802.3ab 특별위원회에서 표준화가 이루어졌다.
기가비트 이더넷은 1000Mbps의 대용량 대역폭을 제공하면서 기존의 10Mbps 이
더넷 표준과 100Mbps 고속 이더넷 표준에 완벽하게 호환되며, 고속 이더넷에 비해
비용은 겨우 2~3배 비싼데 비해 성능은 10배 이상 뛰어나다. 또한, 대역폭을 거의
100배 가까이 증가시킴으로써 지나친 부담을 지고 있거나 날로 커지는 네트워크 기반
구조의 문제를 갖고 있는 조직들에게 도움을 줄 것이다. 기가비트 처리율은 사용자들
이 데이터 집중적인 애플리케이션을 생산적으로 운영하는데 필요한 확장성과 속도를
모두 제공하면서 LAN 백본의 병목 현상을 크게 덜어주게 된다. 특히 멀티미디어 환경
을 완벽하게 지원하여 영상회의, 주문형 비디오 등의 서비스도 가능해졌다.
나. 1000Base-X의 표준과 기본 기술
[그림 4-39]는 기가비트 이더넷의 1000Base-X에 관한 표준화 기능 모델로서 물
리층의 물리매체 의존부(PMD)는 전송매체의 종류에 따라 대응되며, 물리매체 접속부
(PMA : Physical Medium Attachment)와 물리부호화 부계층(PCS : Physical
Coding Sublayer)는 공통으로 적용된다.
1000Base-X에서는 송신 데이터를 8B/10B 데이터 부호화하여 신호 전송을 하는
데, 8B/10B 부호화는 상위층의 MAC 계층으로부터 입력되는 8비트 데이터를 하나의
덩어리(nibble)로 취급하여 각 니블을 물리층에서 10비트로 변환한다. 따라서 8B/10B
로 변환한 후의 전송속도는 1000Mbps의 1.25(10/8)배인 1250Mbps가 된다. 8B/10B
부호화의 목적은 100Base-X의 4B/5B 데이터 부호화와 마찬가지로 제어부호의 확보
와 클록 재생을 통한 타이밍 신호의 재생을 용이하게 하기 위해서이다. 또한 10비트
부호에는 송신할 8비트 데이터 외에 12개의 특수부호가 정의되어 있지만,
1000Base-X에서는 그 중 5개를 유휴(idle) 신호나 자동절충 데이터 등의 제어 정보
를 전송하기 위해 사용된다. 1000Base-X의 제어정보는 10비트 부호의 조합으로 나
타내며, 이 조합을 오더 세트(order set)라고 한다.
물리 부호화 부계층(PCS)에서 8B/10B 데이터로 부호화된 10비트 부호 데이터는
10비트 병렬 인터페이스를 통해 하위의 물리매체 접속부(PMA)로 전달되며, PMA에
서는 병렬신호를 다시 직렬신호로 변환되어 1.25Gbps로 물리매체 의존부(PMD)에 전
달된다.
1000Base-X의 자동절충 기능의 목적은 링크를 공유하는 2대의 1000Base-X 장
치 사이에 정보를 교환하여 최적의 통신모드를 자동적으로 설정하는 것으로서, 고속
이더넷의 자동절충 기능과는 차이가 있다. 즉, 고속 이더넷의 자동절충 기능은 통신속
도(10Mbps, 100Mbps)나 전이중/반이중 통신에 관한 자동 설정을 목적으로 하고 있
지만, 1000Base-X의 자동절충 기능은 전이중/반이중 통신의 선택과 흐름제어의 사
용/미사용의 자동 설정을 목적으로 하고 있으며, 기가비트의 1000Base-X 장치만을
대상으로 하기 때문에 통신속도의 절충은 하지 않는다.
또한, 고속 이더넷의 자동절충은 UTP 케이블을 사용하는 이더넷 패밀리 전체를 대
상으로 하고 있으며, UTP 케이블을 사용하는 기가비트 이더넷인 1000Base-T도 고
속 이더넷의 자동절충을 사용한다. 그리고 1000Base-X의 자동절충은 8B/10B 부호
화를 사용하는 1000Base-X 기가비트 이더넷 패밀리만을 대상으로 하며, 특히
1000Base-LX끼리, 1000Base-SX끼리, 1000Base-CX끼리의 절충을 수행한다.
1000Base-LX 장치와 1000Base-SX 장치 사이의 절충은 상호 간에 통신 수단이 없
기 때문에 하지 않는다. 고속 이더넷에서의 자동절충은 선택 규격이지만, 1000BaseX에서의 자동절충은 필수 요소이다.
1000Base-X의 자동절충의 기본적인 과정은 고속 이더넷의 자동절충과 마찬가지
로 데이터 통신을 위한 링크 설정이 이루어지기 전에 각 장치가 제공하는 통신모드 정
보를 교환함으로써 수행되며, 1000Base-X에서는 이 정보교환이 구성용 오더 세트의 교환에 의해 이루어진다.
한편, 기가비트 이더넷에서는 기존의 이더넷과의 호환성을 유지하기 위해, 캐리어 확
장(carrier extension) 방식과 반이중 동작 시의 데이터 전송의 효율을 높이기 위해 프
레임 버스트(frame burst) 방식이 적용되고 있는데, 이러한 기술은 기가비트 이더넷에
서 중계기 허브를 실현하기 위해 개발된 기술로서 전이중 통신에서는 사용하지 않는다.
1Gbps의 전송속도로 전송거리가 반지름이 100m 정도의 단일 중계기 네트워크 토
폴로지를 구현하기 위해서, 기가비트 이더넷에서는 CSMA/CD의 최소 캐리어 접속시
간(슬롯시간)을 기존의 64옥텟 타임에서 512옥텟 타임으로 확장하였다. 여기서 슬롯
시간(slot time)은 CSMA/CD 방식에서 데이터를 송신하는 PC가 충돌을 검출하기 위
한 최소 시간을 의미하며, 슬롯시간은 비트시간(BT : Bit Time)으로 표현된다.
CSMA/CD 방식에서는 충돌을 검출하기 위해 필요한 슬롯시간을 512BT로 규정하고
있는데, 이는 512비트를 송신하기 위하여 필요한 시간을 의미하는 것이며, LAN의 전
송속도가 빠르면 빠를수록 슬롯시간은 작아진다.
[그림 4-40]과 같이 PC 등이 송신할 데이터(MAC 프레임), 즉 CSMA/CD의 최소
프레임은 64옥텟이지만 이를 변경하면 기존의 이더넷과 호환성에 문제가 발생하기 때
문에 최소 프레임의 길이는 그대로 유지하고, 512옥텟 미만의 프레임을 송신할 때는
캐리어 확장 방식을 이용한다. 캐리어 확장 방식은 512옥텟 미만의 프레임을 송신할
때 프레임이 512옥텟이 되도록 추가하는 조정용 바이트를 삽입하는 일종의 패딩
(padding) 기법을 수행하여, 충돌 검출이 가능한 네트워크 토폴로지 반지름을 100m로 할 수 있다.
그러나, 캐리어 확장에 의해 512옥텟 미만의 프레임을 전송하는 경우에 패딩을 추
가하기 때문에 대역폭을 많이 낭비하게 되어 실제 데이터 전송효율이 크게 저하되며,
이를 보상하기 위하여 프레임 버스트 방식을 사용한다. 기존의 10Base-T와
100Base-T에서는 송신이 완료한 시점에서 캐리어를 해제(release)하지 않고, 일단
송신을 중지한다. 하지만, 프레임 버스트 방식을 적용한 경우에는 한 송신국(가령,
PC)이 최초의 프레임 송신을 충돌없이 완료한 후, 캐리어를 해제하지 않고 다음 프레
임을 송신할 수가 있다.
이와 같이 캐리어를 해제하지 않고 다음 프레임을 송신하는 메커니즘에 의해 다른
송신국은 캐리어 해제 대기상태가 계속되기 때문에 충돌이 발생하지 않는다. 버스트
송신은 최초 프레임 송신에서 버스트 제한(8192×8비트÷1000Mbps=65.536㎲)의
송신 타이머 종료 시점까지 계속 송신할 수 있다. 계속하여 데이터를 송신할 때 최초
로 송신하는 프레임 길이가 512옥텟 미만일 경우에는 캐리어 확장이 이루어지지만, 최
초의 프레임 전송이 성공한 시점에서 CSMA/CD의 최소 캐리어 접속시간(65.536㎲)
이 보장되어 8192바이트를 연속해서 송신할 수 없기 때문에 이후의 프레임 버스트 송
신 시에는 충돌이 발생하지 않는다. 이 경우, 최초의 프레임은 캐리어 확장이 이루어
지지만, 그 뒤로는 캐리어 확장이 필요 없이 연속적으로 프레임을 보내게 된다. 프레
임 버스트의 실현은 선택 규격이다.
다. 1000Base-T의 표준과 기본 기술
1000Base-T는 4쌍의 카테고리 5의 UTP 케이블을 이용하여 최대 100m의 전송거
리에서 1Gbps의 데이터 전송을 실현한 기가비트 이더넷 방식이다. 1000Base-T의
송신 데이터는 [그림 4-41]과 같이 UTP 케이블의 4쌍 각각으로 분배하여 송신한다.
전이중 통신을 실현하기 위하여 하이브리드(hybrid) 회로를 사용하고, 각 쌍마다 상향
신호와 하향신호의 합성 및 분리를 수행한다.
송신 데이터를 효율적으로 4쌍의 신호선에 분배 및 송신하기 위하여 1000Base-T
에서는 8B1Q4(8Bit-1Quinary Quarter)라는 부호화 방식을 사용하고 있다. 8B1Q4
부호화에서는 우선 8비트의 송신 데이터를 스크램블(scramble) 함수를 이용하여 부
호화를 수행함과 동시에, 1비트 오류 검출 비트를 추가하여 총 9비트로 구성된 송신
부호는 대응(mapping) 테이블을 사용하여‘-2’ ,‘-1’ ,‘0’ ,‘+1’ ,‘+2’ 의 5레벨 4조 기호로 변환한다.
4쌍의 TP 케이블에 나란히 5레벨 신호를 보냄으로써 1클록으로 625(=54) 종류의
부호를 표현할 수 있다. 8B1Q4에서는 GMII에서 8비트로 오는 송신 데이터를 9비트
화 함으로써, 오류 검출 능력을 향상시킴과 동시에 625종류의 부호 중에서 512(=29)
종류를 데이터 부호용으로 이용하기 때문에 부호공간(code space)을 효율적으로 사용
하고 있다. 그리고 데이터 부호용으로 사용되지 않는 부호는 유휴(idle) 신호나 신호의
시작과 종료를 나타내는 제어신호로 사용되고 있기 때문에, 수신측에서 수신신호의 검
출 및 동기를 쉽게 하고 있다.
8B1Q4 부호화에 의해 송신 신호의 전송 주파수는 125MHz가 되므로, 100Mbps인
100Base-TX와 공통으로 100Base-TX와 1000Base-T인 2개의 송신 모드를 갖는
트랜시버의 구현이 용이해진다. 제품화된 많은 1000Base-T 트랜시버 칩은 동시에
100Base-TX 모드를 갖추고 있으며, 자동절충에 의해 통신 상대의 모드에 따라 선택
이 가능하다. 즉, 1000Base-T에서는 1000Base-X에서 사용하고 있는 8B/10B 부호
화를 사용하지 않아 100Mbps인 100Base-TX 등과 같이 UTP 케이블을 사용하며,
1000Base-X의 자동절충은 하지 않는다. 다만, 이더넷 패밀리(10Base-T,
100Base-TX 등)를 지향하여 규정된 고속 이더넷의 자동절충 기능을 사용한다.
1000Base-T에서는 자동절충 기능을 필수 요소로 구현하고 있어서, 통신속도
(10Mbps, 100Mbps, 1000Mbps), 통신모드(전이중, 반이중), 흐름제어의 사용/미사
용 등의 설정을 수행한다.
라. 매체 비의존 기가비트 인터페이스(GMII)
GMII(Gigabit Media Independent Interface)는 고속 이더넷에서 MII와 같이 서
로 다른 물리층(트랜시버) 기술을 공통으로 데이터링크층의 MAC에 사용하기 위한 공
통의 인터페이스이다. GMII에서는 MII와 같이 데이터 신호선과 전기적 특성 등에 대
해 정의하고 있지만, [그림 4-42]와 같이 데이터 신호의구성과 전송 클록 및 외부 커
넥터 등이 서로 다르다.
고속 이더넷의 MII에서 데이터 신호는 송신 4비트와 수신 4비트이며, 전송 클록은
100Mbps 전송 시 25MHz이지만, GMII에서는 1Gbps의 전송속도를 구현하기 위해
서 데이터 신호는 송신과 수신이 모두 8비트이며, 전송 클록은 125MHz로 높아져
있다.
또한, GMII에서는 데이터 신호의 증가와 전송 클록의 고속화에 따라 MII와 같이 외
부 접속 커넥터에 의한 접속이 기술적으로 어렵기 때문에 외부 접속 커넥터를 정의하
지 않고 있다. 따라서 GMII는 네트워크 인터페이스 카드(NIC) 등의 기판에서 MAC용
칩과 PMS용 칩 간의 인터페이스로만 사용되고 있다.
마. 기가비트 이더넷의 응용
기가비트 이더넷을 응용하여 개발된 장치로는 기가비트 이더넷 스위치와 버퍼드 중
계기(buffered Repeater)가 사용되고 있는데, 고속 이더넷과 같이 초기의 기가비트
이더넷의 보급이 스위치 제품으로부터 시작되었다. 기가비트 이더넷에서 간선망 측에
접속하는 인터페이스인 상향링크를 갖는 큰 대역폭의 빅파이프(big pipe) 제품이나,
모든 포트가 기가비트 이더넷으로 구성된 간선용 스위치가 제품화되어 활발하게 사용되고 있다.
기가비트 이더넷은 10Base-T나 고속 이더넷으로 PC 등을 접
속하는 LAN들을 상호 접속하기 위한 백본용으로 많이 사용되고 있으며, 또한 백본 용
도이기 때문에 기존의 MAC 주소 기반의 스위치 이외에, 인터넷에서 IP 등의 계층 3
의 네트워크 프로토콜에 근거하여 중계하는 계층 3 스위치 기능을 갖춘 제품도 있다.
또한, 전이중 중계기 형태인 버퍼드(buffered) 중계기는 스위치와 중계기의 중간 정
도의 역할을 하는 기가비트 이더넷의 중계장치의 한 종류이다. 10Base-T에서도 어드
레스 필터(address filter) 기능이 없는 스위치를 버퍼드 중계기라고 하는데, 기가비
트 이더넷의 버퍼드 중계기는 802.3x의 흐름제어 기능을 활용하여 적은 양의 버퍼로
신뢰성이 높은 통신을 실현하고 있다. 버퍼드 중계기는 스위치와 동일하게 전이중 통
신방식이므로 충돌이 일어나지 않고, 중계기와 똑같이 중계 프레임 어드레스에 의해
필터링도 수행하지 않으며, 도착 프레임은 모든 포트로 중계하는 공유형 미디어이다.
기가비트 이더넷의 버퍼드 중계기의 장점은 주소에 의한 필터링 기능을 내장하고
있지 않기 때문에 스위치에 비해 저렴한 가격으로 실현 가능하며, 흐름제어를 위해 프
레임을 저장하기 때문에 중계기처럼 충돌에 의한 성능 저하가 발생하지 않는다. 따라
서 고성능 워크스테이션을 접속하는 그룹용의 용도나 기가비트 이더넷 스위치 포트를
여러 대의 기기에서 공유하는 등의 용도에 적합하다.
그리고, 기가비트 이더넷에서 반이중 통신방식의 중계기는 캐리어 확장 기능이 구
현되어야 하고, 기가비트 이더넷을 업그레이드해도 성능 향상을 기대하기가 어렵다.
이 때문에 버퍼드 중계기는 반이중 중계기 대신에 기가비트 이더넷 환경에서 중계기
제품으로 많이 활용되고 있다.
한편, 기존 네트워크의 확장을 위하여 사용하였던 브리지 시스템들은 보다 많은 대
역폭의 요구를 맞추기 위하여, 거의 모든 LAN에서 이더넷 스위치 시스템으로 바뀌었
으며, 최근에는 스위칭 기능과 라우팅 기능을 통합하는 형태로 발전하고 있다. 현재
스위치 시스템은 단순 허브 기능을 수행하는 계층2(layer 2) 스위치 시스템으로부터
라우팅 기능을 수행하는 계층3(layer 3) 스위치 시스템까지 다양한 형태로 개발되고
있다. 특히, 네트워크 확장성을 위하여 기가비트 이더넷 스위치 시스템은 네트워크 내
부 접속을 위한 이더넷 인터페이스뿐만 아니라 인터넷과 접속하기 위한 WAN 인터페
이스를 제공하여야 하며, 계층2 레벨의 스위치뿐만 아니라 계층3 레벨의 스위치 기능
이 구현되어야 한다.
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