# 데이터 링크 계층 (Link Layer)

## 1. 개요
데이터 링크 계층(Data Link Layer)은 OSI 7계층 모델의 2계층이자 TCP/IP 모델의 네트워크 액세스 계층(Network Access Layer)의 일부로, 물리적으로 연결된 인접한 두 네트워크 노드 간에 신뢰성 있는 데이터 전송을 보장하는 **Hop-to-Hop 전송** 계층이다. 물리 계층(Physical Layer)에서 전달되는 비트 스트림을 의미 있는 데이터 단위인 **프레임(Frame)**으로 구성하며, 물리적 매체에서 발생할 수 있는 오류를 검출하고 제어하여 상위 계층인 네트워크 계층에 정확한 데이터를 전달하는 것을 핵심 목적으로 한다.

## 2. 주요 기능 및 역할
데이터 링크 계층은 물리적 매체의 특성에 관계없이 상위 계층이 데이터를 안정적으로 보낼 수 있도록 다음과 같은 핵심 메커니즘을 수행한다.

| 기능 | 상세 설명 | 해결하려는 문제점 |
| :--- | :--- | :--- |
| **프레이밍 (Framing)** | 비트 스트림을 프레임이라는 논리적 단위로 묶고, 시작과 끝을 구분하는 구분자를 삽입하는 과정 | 데이터의 경계 식별 불가 문제 해결 |
| **흐름 제어 (Flow Control)** | 송신 측과 수신 측의 처리 속도 차이를 조절하여 수신 측의 **버퍼 오버플로우(Buffer Overflow)**를 방지하는 기법 | 수신 측의 데이터 처리 용량 초과 및 손실 방지 |
| **오류 제어 (Error Control)** | 전송 중 발생한 비트 오류를 검출하고, 필요 시 재전송을 요청하여 데이터 무결성을 보장하는 기능 | 전기적 잡음 등으로 인한 데이터 변조 및 손실 해결 |
| **매체 액세스 제어 (MAC)** | **공유 매체(Shared Medium)** 환경에서 여러 노드가 동시에 데이터를 보낼 때 발생하는 충돌을 관리하는 규칙 | **데이터 충돌(Collision)**로 인한 전송 효율 저하 방지 |

## 3. 물리 계층과의 상호작용
데이터 링크 계층은 물리 계층 바로 위에 위치하며, 하드웨어와 소프트웨어의 접점 역할을 수행한다.

1. **데이터 변환**: 데이터 링크 계층에서 생성된 프레임은 물리 계층으로 전달되어 전기적 신호, 광신호 또는 무선 전파와 같은 물리적 비트(Bit) 형태로 변환되어 전송된다.
2. **매체 상태 감지**: 물리 계층으로부터 현재 전송 매체가 사용 중인지(**캐리어 센싱, Carrier Sensing**)에 대한 상태 정보를 전달받아, 데이터 전송 시점을 결정한다.
3. **물리적 주소 매핑**: **네트워크 인터페이스 카드(NIC)**라는 물리적 장치를 통해 고유한 하드웨어 주소(**MAC 주소**)를 할당받고 이를 통해 데이터를 송수신한다.

## 4. 하위 계층 구조 (LLC와 MAC)
IEEE 802 표준은 데이터 링크 계층의 기능을 더욱 세분화하여 두 개의 하위 계층으로 나누어 정의한다.

### 4.1 논리 링크 제어 (LLC, Logical Link Control)
- **역할**: 상위 네트워크 계층(IP 등)과 하위 MAC 계층 사이의 인터페이스 역할을 한다.
- **기능**: **서비스 액세스 포인트(SAP)**를 통해 어떤 네트워크 프로토콜이 사용되는지 식별하며, 흐름 제어 및 오류 제어의 일부 기능을 수행한다.

### 4.2 매체 액세스 제어 (MAC, Medium Access Control)
- **역할**: 물리적 매체에 직접 접근하여 데이터를 전송하는 하드웨어적인 제어를 담당한다.
- **기능**: **MAC 주소**를 통한 주소 지정, 매체 접근 방식(**CSMA/CD** 등) 결정, 프레임의 동기화 및 오류 검출을 수행한다.

## 5. 매체 액세스 제어 (MAC) 방식
**공유 매체(Shared Medium)** 환경에서 데이터 충돌을 방지하기 위해 다음과 같은 알고리즘이 사용된다.

- **CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)**:
    - 유선 이더넷에서 사용된다. 매체가 사용 중인지 확인(**Carrier Sense**)하고, 비어 있으면 전송한다. 전송 중 충돌이 발생하면 즉시 중단하고 임의의 시간 후 재전송한다.
- **CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)**:
    - 무선 LAN(Wi-Fi)에서 사용된다. 무선 환경에서는 충돌 검출이 어렵기 때문에, 전송 전 임의의 대기 시간을 갖거나 **RTS/CTS(Request to Send/Clear to Send)** 패킷을 교환하여 충돌을 사전에 회피한다.
- **토큰 패싱 (Token Passing)**:
    - **토큰(Token)**이라는 특별한 제어 프레임을 가진 노드만이 데이터를 전송할 수 있는 권한을 갖는 방식이다. 충돌이 전혀 발생하지 않으나 토큰 관리 오버헤드가 존재한다.

## 6. 주소 지정 및 프레임 구조
데이터 링크 계층은 물리적 주소인 **MAC 주소(Media Access Control Address)**를 사용하여 통신한다. MAC 주소는 48비트(6바이트) 길이의 고유 식별자로, NIC 제조 시 하드웨어에 각인된다.

### 6.1 프레임 구조
데이터 링크 계층의 전송 단위인 프레임은 일반적으로 다음과 같은 구조를 가진다.

**[이더넷 프레임 비트 구조도]**
```text
+----------+----------+----------+----------+------------------+----------+
| Preamble | SFD      | Dest MAC | Src MAC  | Type/Length      | Payload  | FCS |
| (7 bytes)| (1 byte) | (6 bytes)| (6 bytes)| (2 bytes)         | (46-1500)|(4B)|
+----------+----------+----------+----------+------------------+----------+
```

| 필드 | 명칭 | 설명 |
| :--- | :--- | :--- |
| **Preamble** | 프리앰블 | 수신 측의 동기화를 위해 전송되는 특정 비트 패턴 |
| **Destination Address** | 목적지 주소 | 수신자의 **MAC 주소** (6바이트) |
| **Source Address** | 출발지 주소 | 송신자의 **MAC 주소** (6바이트) |
| **Type/Length** | 타입/길이 | 상위 계층 프로토콜 종류(예: IPv4, IPv6) 또는 데이터 길이 |
| **Payload** | 페이로드 | 상위 계층에서 내려온 실제 데이터(패킷). **최소/최대 프레임 크기(MTU) 제한**이 있음 |
| **FCS (Frame Check Sequence)** | 프레임 체크 시퀀스 | **CRC(Cyclic Redundancy Check)**를 이용한 오류 검출 코드 |

#### CRC(Cyclic Redundancy Check) 작동 원리
CRC는 다항식 나눗셈을 이용하여 데이터 전송 중 발생한 비트 오류를 검출하는 방식이다.
1. **송신 측**: 데이터 비트열을 미리 약속된 **생성 다항식(Generator Polynomial)**으로 나눈 나머지 값(CRC 체크섬)을 계산하여 프레임 끝에 추가한다.
2. **수신 측**: 수신한 전체 프레임을 동일한 생성 다항식으로 나눈다.
3. **판단**: 나머지가 **0**이면 오류가 없는 것으로 판단하고, **0이 아니면** 전송 중 비트 변조가 발생한 것으로 간주하여 프레임을 폐기한다.

## 7. 스위칭 기술과 브리지의 역할
데이터 링크 계층의 핵심 장비인 브리지(Bridge)와 스위치(Switch)는 네트워크 세그먼트를 연결하고 트래픽을 효율적으로 관리한다.

- **브리지 (Bridge)**: 두 개의 네트워크 세그먼트를 연결하여 하나의 논리적 네트워크로 통합한다. **MAC 주소 테이블**을 참조하여 목적지가 다른 세그먼트에 있을 때만 프레임을 전달(**Forwarding**)함으로써 불필요한 트래픽을 차단한다.
- **스위치 (Switch)**: 브리지의 발전된 형태로, 다수의 포트를 가지고 있으며 하드웨어 기반의 고속 스위칭을 수행한다. 
    - **MAC 주소 학습(Learning)**: 스위치는 수신된 프레임의 **출발지 MAC 주소**를 확인하여 해당 주소가 어느 포트에 연결되어 있는지 학습하고, 이를 통해 **MAC 주소 테이블**을 동적으로 생성 및 업데이트한다.
    - **충돌 도메인 분리**: 각 포트별로 독립적인 **충돌 도메인(Collision Domain)**을 형성하여 **전이중(Full-Duplex)** 통신을 가능하게 한다.

**[허브 vs 스위치 비교]**
| 구분 | 허브 (Hub) | 스위치 (Switch) |
| :--- | :--- | :--- |
| **동작 계층** | 물리 계층 (L1) | 데이터 링크 계층 (L2) |
| **전송 방식** | **플러딩(Flooding)**: 모든 포트로 복제 전송 | **포워딩(Forwarding)**: 목적지 포트로만 전송 |
| **충돌 도메인** | 모든 포트가 하나의 충돌 도메인 공유 | 포트별로 독립적인 충돌 도메인 형성 |
| **통신 방식** | 반이중 (Half-Duplex) | 전이중 (Full-Duplex) |
| **지능적 제어** | 없음 (단순 신호 증폭 및 전달) | **MAC 주소 학습**을 통한 효율적 경로 제어 |

## 8. 대표적인 프로토콜 및 기술

### 8.1 주요 프로토콜
- **Ethernet (IEEE 802.3)**: 가장 널리 사용되는 유선 LAN 표준으로, **CSMA/CD** 방식과 **MAC 주소** 체계를 사용한다.
- **Wi-Fi (IEEE 802.11)**: 무선 LAN 표준으로, **CSMA/CA** 방식을 통해 무선 매체에서의 충돌을 제어한다.
- **PPP (Point-to-Point Protocol)**: 두 노드 간의 직접 연결(**Point-to-Point**)을 위한 프로토콜로, 인증 및 압축 기능을 제공한다.

### 8.2 ARP (Address Resolution Protocol)
**ARP**는 네트워크 계층의 논리적 주소(IP 주소)를 데이터 링크 계층의 물리적 주소(**MAC 주소**)로 변환하는 프로토콜이다.

**[ARP 동작 과정 도식]**
```text
[송신자 A]                                [수신자 B]
    |                                         |
    | --- (1) ARP Request (Broadcast) --->    |
    |    "IP 192.168.0.2인 분, MAC 주소 알려주세요!" |
    |                                         |
    | <--- (2) ARP Reply (Unicast) --------   |
    |    "제가 192.168.0.2입니다. 제 MAC은 AA:BB... 입니다." |
    |                                         |
    | --- (3) Data Frame (Unicast) -------->  |
    |    (알게 된 MAC 주소를 목적지로 설정하여 전송) |
```

1. **ARP Request**: 송신자가 목적지 IP 주소는 알지만 MAC 주소를 모를 때, 네트워크 전체에 **브로드캐스트(Broadcast)** 패킷을 전송한다.
2. **ARP Reply**: 해당 IP를 가진 수신자가 자신의 MAC 주소를 담아 송신자에게 **유니캐스트(Unicast)**로 응답한다.
3. **Caching**: 송신자는 응답받은 MAC 주소를 **ARP 캐시 테이블**에 저장하여 향후 동일 목적지 통신 시 재요청 없이 사용한다.

**참고: 역방향 주소 변환**
- **RARP (Reverse ARP)**: MAC 주소를 통해 IP 주소를 알아내는 역방향 프로토콜이다.
- **NDP (Neighbor Discovery Protocol)**: IPv6에서는 ARP와 RARP의 기능을 통합하고 개선한 **NDP**를 사용하여 인접 노드의 주소를 탐색한다.