연결 계층
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연결 계층
개요
연결 계층(Link Layer)은 OSI(Open Systems Interconnection)7계층 모델에서 제2계층(Data Link Layer)에 해당하는 네트워크 계층으로, 물리적인 데이터 전송을 제어하고 인접한 노드 간의 신뢰성 있는 통신을 보장하는 역할을 수행한다. 이 계층은 물리 계층 위에 위치하며, 네트워크 계층 아래에 자리 잡고 있어 데이터의 전달 경로를 결정하는 상위 계층과 실제 비트 전송을 수행하는 하위 계층 사이의 다리 역할을 한다.
연결 계층의 주요 목적은 물리적인 전송 매체를 통해 데이터 프레임을 오류 없이 전달하고, 네트워크 내의 여러 장치가 동일한 링크를 공유할 때 접근 제어(Media Access Control)를 통해 충돌을 방지하는 것이다. 특히, 이더넷(Ethernet), Wi-Fi(IEEE 802.11), PPP(Point-to-Point Protocol) 등과 같은 대표적인 기술들이 연결 계층에서 동작한다.
주요 기능
1. 프레임링(Frame Synchronization)
연결 계층은 데이터를 프레임(Frame)이라는 단위로 묶어 전송한다. 프레임은 시작과 끝을 나타내는 특수한 비트 패턴(예: 플래그)을 포함하여 수신 장치가 데이터의 경계를 인식할 수 있도록 한다. 이 과정을 통해 수신 측은 비트 스트림에서 의미 있는 데이터 단위를 정확히 추출할 수 있다.
2. 오류 검출 및 제어(Error Detection and Correction)
전송 과정에서 비트 오류가 발생할 수 있으므로, 연결 계층은 오류 검출 기법을 사용한다. 대표적인 방법으로는 CRC(Cyclic Redundancy Check)가 있으며, 이는 전송된 데이터에 체크섬(checksum)을 추가하여 수신 측에서 오류 여부를 확인한다.
일부 프로토콜은 단순 검출뿐 아니라 자동 재전송 요청(ARQ, Automatic Repeat reQuest)을 통해 오류 발생 시 재전송을 유도한다.
3. 흐름 제어(Flow Control)
송신 장치가 수신 장치보다 빠르게 데이터를 전송하면 버퍼 오버플로우가 발생할 수 있다. 연결 계층은 이를 방지하기 위해 흐름 제어 메커니즘(예: 슬라이딩 윈도우 프로토콜)을 적용하여 데이터 전송 속도를 조절한다.
4. 매체 접근 제어(Media Access Control, MAC)
여러 장치가 동일한 전송 매체(예: 이더넷 케이블, 무선 주파수)를 공유할 때, 누가 언제 데이터를 보낼 수 있는지를 결정하는 것이 중요하다. 연결 계층은 MAC 프로토콜을 통해 이를 관리한다.
대표적인 접근 방식:
- CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection): 이더넷에서 사용, 충돌 감지 후 재전송.
- CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance): Wi-Fi에서 사용, 충돌을 사전에 피하기 위해 기다리는 전략.
연결 계층의 하위 계층 구조
연결 계층은 일반적으로 두 개의 하위 계층으로 나뉜다:
1. 논리 링크 제어 계층 (LLC, Logical Link Control)
- 상위 계층(네트워크 계층)과의 인터페이스를 제공.
- 프레임 동기화, 흐름 제어, 오류 제어를 담당.
- IEEE 802 표준에서 정의되며, 다양한 MAC 기술 위에서 동일한 인터페이스를 제공한다.
2. 매체 접근 제어 계층 (MAC, Media Access Control)
- 물리적 전송 매체에 대한 접근을 제어.
- 각 장치에 고유한 MAC 주소(48비트 또는 64비트)를 할당하여 식별.
- 프레임 형식, 주소 지정 방식, 충돌 처리 등을 정의.
예를 들어, 이더넷 프레임은 다음과 같은 구조를 가진다:
| 필드 | 크기 (바이트) | 설명 |
|---|---|---|
| 프리앰블 | 7 | 동기화를 위한 비트 패턴 |
| 시작 프레임 딜리미터(SFD) | 1 | 프레임 시작 알림 |
| 목적지 MAC 주소 | 6 | 수신 장치의 물리적 주소 |
| 출처 MAC 주소 | 6 | 송신 장치의 물리적 주소 |
| 타입/길이 | 2 | 상위 계층 프로토콜 식별 |
| 데이터 | 46–1500 | 실제 전송 데이터 (페이로드) |
| FCS (Frame Check Sequence) | 4 | 오류 검출을 위한 CRC 값 |
주요 연결 기술
| 기술 | 매체 | 특징 |
|---|---|---|
| 이더넷 (Ethernet) | 유선 (UTP, 광케이블) | 가장 보편적인 LAN 기술, CSMA/CD 기반 |
| Wi-Fi (IEEE 802.11) | 무선 | CSMA/CA 기반, 이동성 제공 |
| PPP (Point-to-Point Protocol) | 직렬 링크 | 다이얼업, DSL 등에서 사용, 인증 기능 포함 |
| Bluetooth | 무선 (2.4GHz 대역) | 근거리 통신, 저전력 |
| Token Ring | 유선 | 토큰 기반 접근, 과거 IBM 시스템에서 사용 |
관련 표준 및 프로토콜
- IEEE 802 시리즈: LAN 및 MAN의 연결 계층 표준을 정의. 예: IEEE 802.3 (이더넷), IEEE 802.11 (Wi-Fi), IEEE 802.15.1 (블루투스).
- ARP (Address Resolution Protocol): IP 주소를 MAC 주소로 변환하는 프로토콜로, 연결 계층과 네트워크 계층 간의 협업을 가능하게 한다.
- MAC 주소: 전 세계적으로 유일한 48비트 식별자로, OUI(Organizationally Unique Identifier)와 장치 고유 번호로 구성됨.
참고 자료 및 관련 문서
- IEEE 802 표준 문서
- Tanenbaum, A. S., & Wetherall, D. J. (2011). Computer Networks. Pearson Education.
- RFC 894 - A Standard for the Transmission of IP Datagrams over Ethernet Networks
- OSI 모델 (7계층 구조)
- 네트워크 계층
- 물리 계층
연결 계층은 네트워크 통신의 기초를 형성하며, 다양한 기술과 프로토콜이 이 계층에서 구현되어 안정적이고 효율적인 데이터 전송을 가능하게 한다. 현대의 모든 네트워크 인프라에서 필수적인 역할을 수행하고 있다.
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