리피터 허브
LAN 어댑터의 PHY(MAU) 회로에서 전기 신호로 형태를 바꾼 패킷은 트위스트 페어 케이블(꼰 선쌍)에 들어가게 된다.
이더넷 신호는 플러스와 마이너스의 전압이므로 LAN 어댑터의 PHY(MAU) 회로의 플러스와 마이너스 신호 단자에서 신호가 나오는 형태이다.
PHY(MAU) 회로에서 나온 신호는 RJ-45 커넥터와 연결되어 케이블을 통해 전기 신호가 전달된다.
LAN 케이블로 사용하는 트위스트 페어 케이블은 신호선을 꼬아서 잡음을 억제한다.
케이블 외부로부터 발생하는 전자파에 의해 발생한 전류가 상쇄되어 잡음에 의한 전류가 약해진다.
또한 신호선을 꼬는 간격을 약간씩 다르게 하여 신호선 내의 잡음의 영향인 크로스토크를 감소시킨다.
신호가 리피터 허브에 도달하면 LAN 전체에 신호가 흩어지게 된다.
리피터 허브 내부 각 커넥터의 안 쪽에는 PHY(MAU) 회로와 역할이 같은 회로가 있으며, 송신 단자에서 보낸 신호를
수신 단자에서 받도록 하기 위해 신호선을 교차시켜서 연결한다.
리피터 허브의 끝에 있는 MDI/MDI-X 전환 스위치는 MDI는 RJ-45 커넥터와 신호 송수신 회로를 결선한 것이고,
MDI-X는 교차하여 결선하는 것이다.
허브 커넥터 부분은 MDI-X로 보통 이루어져있으며 허브끼리 접속할 때는 한 쪽을 MDI로 설정해야 한다.
만약 모든 커넥터가 MDI-X로 구성된 경우 크로스 케이블로 허브를 접속한다.
크로스 케이블은 송신과 수신 단자가 바뀌어 들어오도록 신호선을 접속한 케이블이며, PC끼리 접속할 때도 사용된다.
리피터 허브에서 PHY(MAU) 회로의 수신부에 도달한 신호는 리피터 회로에 들어간다.
이 후 신호는 모든 커넥터에서 나가면서 리피터 허브에 접속한 전체 기기에 도달한다.
신호를 수신한 기기는 맨 앞에 있는 MAC 헤더에 쓰여 있는 수신처 MAC 주소를 조사하여 자신이 수신처에 해당하면 이것을 수신하고,
해당되지 않으면 신호를 무시한다. 이런 과정을 통해 패킷이 수신처 MAC 주소의 상대에게 도달된다.
스위칭 허브
스위칭 허브는 이더넷의 패킷을 그대로 목적지를 향해 중계하도록 구성되어있다.
우선 신호가 커넥터 부분에 도달하여 PHY(MAU) 회로에서 수신되는 부분까지는 리피터 허브 방식과 동일하다.
즉 커넥터와 PHY(MAU) 회로는 MDI-X로 접속되어 있고, 트위스트 페어 케이블에서 신호가 들어오면
PHY(MAU) 회로의 수신 부분으로 들어간다.
신호는 공통 신호 형식으로 변환한 후 MAC 회로로 들어간다. 이후 디지털 데이터로 변환 후 FCS를 대조하고
오류가 발견되지 않을 시 버퍼 메모리에 저장한다.
커넥터와 안쪽 회로 부분을 포트라 부르며, PC의 LAN 어댑터와 거의 유사하다.
그러나 LAN 어댑터에는 MAC 주소가 할당 되어 있어 자신에게 해당되지 않는 패킷을 폐기하지만,
스위칭 허브의 포트는 수신처 MAC 주소를 검사하지 않고 모든 패킷을 수신하여 버퍼 메모리에 저장하기 때문에
스위칭 허브의 포트에는 MAC 주소가 할당되어 있지 않다.
버퍼 메모리에 저장된 패킷은 수신처 MAC 주소와 일치하는 것이 MAC 주소표에 등록되어 있는지 조사한다.
MAC 주소표에는 기기의 MAC 주소와 그 기기가 어느 포트에 존재하는 지에 대한 정보가 등록되어 있다.
수신한 패킷을 어느 포트에서 송신할 지 판단한 뒤 스위치 회로를 경유하여 패킷을 송신측의 포트에 전달한다.
스위치 회로는 신호선이 격자 모양으로 배치되고, 교점마다 스위치가 있다. 이 스위치는 전자적으로 개폐를 제어하고 이를 통해 신호가 흐르는 대상을 제어한다.
입력측은 수신측 포트에, 출력측은 송신측 포트에 접속되어 있다.
포트 사이에 패킷을 전달할 때는 스위치 회로에 신호를 흘린다.
이 스위치 회로를 경유하여 송신측의 포트에 패킷을 전달하면 MAC 회로나 PHY(MAU) 회로가 송신 동작을 실행하고 케이블에 신호가 흘러간다.
이 떄의 송신 동작은 LAN 어댑터의 송신 동작과 일치한다. 이더넷의 규칙에 따라 송신 중인 신호 유무를 확인한 뒤,
소켓을 디지털 데이터에서 신호로 변환하여 송신한다.
송신 동작 중에 다른 기기가 보낸 신호가 수신측에 들어오면 패킷 충돌이 발생하기 때문에 재밍 신호를 보내 송신 동작을 중지하고 대기했다가 송신을 이어간다.
스위칭 허브는 패킷을 중계할 때 MAC 주소표의 내용을 갱신하는 역할도 수행한다.
갱신 동작은 두 가지가 있는데, 패킷을 수신했을 때 송신처 MAC 주소를 조사하고 이것을 수신한 입력 포트 번호와 한 세트로 MAC 주소표에 등록하는 것이다.
또 다른 동작은 MAC 주소표에 등록된 내용을 지우는 동작이 있다. 사용하지 않고 일정 시간 경과한 경우 오래된 정보를 MAC 주소표에서 삭제한다.
스위칭 허브의 기본 동작 외에 예외적인 동작도 있다.
한 가지 예로 주소표에서 일치하는 행을 찾아냈을 때 주소표에 등록되어 있는 송신 포트가 패킷을 수신한 포트와 같은 경우가 있다.
이와 같은 상황은 스위칭 허브에 리피터 허브가 접속되어 있는 경우에 발생한다.
위의 그림에서, PC A에서 보낸 패킷은 리피터 허브에 도착하고 리피터 허브의 동작에 따라 도착한 패킷은 스위칭 허브와 PC B에 도착한다.
이 때 스위칭 허브가 패킷을 중계하면 같은 패킷을 리피터 허브에 반송한다. 이 후 리피터 허브에서 패킷이 다시 뿌려지고,
PC A와 PC B에 패킷이 도착하게 되어 결과적으로 PC B에는 두 개의 동일한 패킷이 전송되는 형식이다.
또 다른 예외 동작 사항은 MAC 주소표에 수신처 MAC 주소와 일치하는 주소가 등록되지 않은 경우가 있다.
한 번도 스위칭 허브에 도착하지 않은 경우 혹은 삭제된 경우가 해당된다.
이 경우 수신한 포트 이외의 전체 포트에 패킷을 송신하기 때문에 문제가 발생하지는 않는다.
전이중 모드는 스위칭 허브만의 특징으로, 리피터 허브에서는 송신과 수신을 동시에 실행하면
충돌이 발생하여 문제가 생기지만 스위칭 허브는 문제가 발생하지 않는다.
트위스트 페어 케이블의 신호선은 송신용과 수신용으로 구분되어 있기 때문에 충돌이 발생하지 않는다.
스위칭 허브의 포트 부분이나 LAN 어댑터에 있는 PHY(MAU) 회로나 MAC 회로의 내부도 송수신을 구분하기 때문에 충돌하지 않는다.
전이중 모드는 신호 전송 동작을 대기할 필요가 없어 반이중 모드보다 빠르며, 송신할 수 있는 데이터의 상한선이 높아 성능이 좋다.
전이중 모드가 도입된 이후, 상대 기기가 전이중 모드를 지원하는지 확인하고,
동작되는 모드를 반이중 모드와 전이중 모드 간 전환하는 기능이 필요해졌으며, 이 기능을 자동 조정이라 한다.
이더넷은 데이터가 흐르고 있지 않을 때 링크 펄스라는 펄스형의 신호를 흘려 케이블이 단선되었는지, 상대가 정상 작동하는 지 여부를 확인한다.
자동 조정은 링크 펄스를 특정 패턴으로 전송하여 확인하는 형태로, 해당 패턴을 통해 지원 가능한 모드와 전송 속도를 서로에게 통지하고,
그 중 최적의 조합을 선택하여 자기 자신을 설정하는 형태로 기능한다.
스위칭 허브는 수신처 MAC 주소의 기기가 존재하는 포트 이외에는 송신 동작을 실행하지 않으므로 다른 포트는 빈 상태가 된다.
빈 포트는 별도의 패킷을 흘리기 위한 목적으로 사용이 가능하며, 이를 활용해 동시에 여러 개의 패킷을 중계할 수 있다.
리피터 허브는 두 개 이상의 신호가 들어오면 패킷 충돌이 발생하여 복수의 신호를 동시에 흘릴 수 없고,
그로 인해 기기 전체에서 중계할 수 있는 패킷의 수는 스위칭 허브가 리피터 허브보다 많다.
Today 확인 질문
1. LAN 어댑터의 포트와 스위칭 허브의 포트의 차이점에 대해 설명해주세요.
: LAN 어댑터에는 MAC 주소가 할당되어 있어 수신한 패킷의 수신처 MAC 주소가 자신이 해당되지 않을 경우 패킷을 폐기하지만,
스위칭 허브의 포트는 MAC 주소가 할당되어 있지 않아 수신처 MAC 주소를 검사하지 않고 모든 패킷을 수신하여 버퍼 메모리에 저장한다.
References
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