매체 접속 제어 프레임

MAC 프레임의 헤더는 프레임 전송에 필요한 제어 정보를 담고 있으며, 일반적으로 수신자와 송신자의 주소, 그리고 프레임의 유형이나 길이를 나타내는 필드로 구성된다. 이더넷을 기준으로 할 때, 가장 일반적인 헤더 구조는 목적지 MAC 주소, 출발지 MAC 주소, 그리고 이더타입(EtherType) 또는 길이(Length) 필드를 포함한다.

헤더의 첫 번째 주요 구성 요소는 목적지 MAC 주소 필드이다. 이 6바이트(48비트) 필드는 프레임이 전달되어야 할 최종 수신 장치의 물리적 주소를 지정한다. 다음으로 오는 것은 동일한 6바이트 크기의 출발지 MAC 주소 필드로, 프레임을 송신한 장치의 주소를 담고 있다. 마지막으로 오는 2바이트 필드는 사용되는 프로토콜에 따라 의미가 달라진다. 값이 1500(0x05DC) 이하이면 IEEE 802.3 프레임으로 간주되어 MAC 서비스 데이터 유닛(MSDU)의 길이를 나타낸다. 값이 1536(0x0600) 이상이면 이더넷 II 프레임으로 간주되어 상위 계층 프로토콜(예: IPv4, IPv6)을 식별하는 이더타입 값으로 사용된다.

일부 변형 프레임에서는 추가적인 필드가 존재할 수 있다. 예를 들어, IEEE 802.1Q 태그가 추가된 VLAN 태그 프레임의 경우, 출발지 주소와 이더타입/길이 필드 사이에 4바이트의 802.1Q 헤더가 삽입된다. 이 헤더는 VLAN 식별자(VID)와 우선순위 정보를 포함한다. 또한, 초기 이더넷 표준인 IEEE 802.3과 이더넷 II 사이에는 LLC(Logical Link Control) 헤더와 SNAP(Subnetwork Access Protocol) 헤더를 사용하는 프레임 형식도 정의되어 있다.

프레임 본문은 MAC 프레임의 핵심 데이터를 담는 영역이다. 이 영역은 상위 계층에서 전달받은 패킷 또는 프로토콜 데이터 단위(PDU)를 그대로 실어 나르는 역할을 한다. 본문의 길이는 네트워크 기술과 표준에 따라 가변적이며, 최소 및 최대 길이 제한이 존재한다. 예를 들어, 전통적인 이더넷에서는 최소 46바이트, 최대 1500바이트의 데이터를 수용한다[3].

프레임 트레일러는 주로 프레임 체크 시퀀스(FCS) 필드로 구성된다. FCS는 순환 중복 검사(CRC) 알고리즘을 사용하여 프레임 헤더와 본문 전체 데이터에 대한 오류를 검출한다. 송신 측은 프레임 데이터를 기반으로 CRC 값을 계산하여 FCS 필드에 채워 넣고, 수신 측은 동일한 계산을 수행하여 수신된 FCS 값과 비교한다. 두 값이 일치하지 않으면 전송 중 비트 오류가 발생한 것으로 판단하여 해당 프레임을 폐기한다.

일부 네트워크 프레임 형식에서는 트레일러에 FCS 외에 추가적인 제어 정보를 포함하기도 하지만, 대부분의 LAN 기술에서는 FCS가 트레일러의 유일한 요소이다. 본문과 트레일러는 함께 작동하여 데이터의 정확한 전달을 보장하는 기본 메커니즘을 형성한다.

MAC 주소는 네트워크 인터페이스 카드에 하드웨어적으로 할당된 고유한 48비트 물리적 주소입니다. 이 주소는 제조업체 코드와 일련번호로 구성되며, 일반적으로 16진수로 표현됩니다. 데이터 링크 계층에서 프레임을 전송할 때는 송신지와 수신지의 MAC 주소가 프레임 헤더에 포함되어야 올바른 목적지로 전달될 수 있습니다.

주소 지정 방식은 프레임 헤더의 목적지 주소 필드 값에 따라 구분됩니다. 주요 방식은 다음과 같습니다.

유니캐스트는 일반적인 1대1 통신에 사용됩니다. 브로드캐스트 주소는 모든 비트가 1로 설정된 특수 주소이며, ARP 요청이나 라우팅 프로토콜 업데이트와 같이 네트워크 내 모든 노드에 알려야 할 때 사용됩니다. 멀티캐스트는 동일한 데이터를 여러 수신자에게 효율적으로 전달할 때 활용되며, 스트리밍이나 화상 회의와 같은 애플리케이션에서 유용합니다.

네트워크 스위치나 브리지는 이 주소 정보를 기반으로 프레임을 포워딩합니다. 스위치는 자신의 MAC 주소 테이블을 학습하고, 수신된 프레임의 목적지 MAC 주소를 확인하여 해당 포트로만 프레임을 전송함으로써 불필요한 트래픽을 줄입니다. 브로드캐스트 프레임은 모든 포트로 플러딩되는 반면, 유니캐스트 프레임은 목적지가 위치한 특정 포트로만 전송됩니다.

데이터 프레임은 MAC 프레임의 가장 일반적인 유형으로, 상위 계층(네트워크 계층)에서 생성된 실제 사용자 데이터를 캡슐화하여 전송하는 역할을 한다. 이는 OSI 모델의 데이터 링크 계층에서 네트워크를 통해 패킷을 운반하는 기본 단위이다. 데이터 프레임의 주요 목적은 신뢰할 수 있는 데이터 전달을 보장하는 동시에, 주소 정보와 오류 검출 기능을 제공하는 것이다.

데이터 프레임의 구조는 일반적으로 프레임 헤더, 프레임 본문(페이로드), 그리고 트레일러로 구성된다. 헤더에는 수신지와 송신지의 MAC 주소, 그리고 프레임의 유형이나 길이를 나타내는 필드가 포함된다. 본문에는 전송될 실제 데이터(IP 패킷 등)가 담기며, 트레일러에는 순환 중복 검사(CRC)와 같은 오류 검출 코드가 위치하여 전송 중 발생한 비트 오류를 수신 측에서 확인할 수 있게 한다.

다양한 네트워크 기술에 따라 데이터 프레임의 세부 형식은 차이를 보인다. 예를 들어, 전통적인 이더넷(IEEE 802.3) 데이터 프레임과 무선 LAN(IEEE 802.11)의 데이터 프레임은 구조가 상이하다. 이더넷 프레임은 비교적 단순한 구조를 가지는 반면, 무선 LAN 프레임은 더 긴 헤더와 무선 매체의 특성(예: 신호 강도, 제어 정보)을 반영한 추가 필드를 포함한다.

데이터 프레임의 효율적인 전송은 네트워크 성능에 직접적인 영향을 미친다. 프레임 크기가 너무 작으면 오버헤드(헤더 및 트레일러)의 상대적 비중이 커지고, 너무 크면 전송 지연이 증가하고 충돌 시 재전송 비용이 커질 수 있다. 따라서 각 네트워크 표준은 최대 전송 단위(MTU)를 정의하여 최적의 프레임 크기 범위를 규정한다.

제어 프레임은 데이터 링크 계층에서 매체 접근 제어(MAC)를 지원하기 위해 사용되는 특수한 프레임이다. 데이터 전송 자체보다는 네트워크 접속 제어, 채널 예약, 흐름 제어, 오류 제어 등 링크 관리 기능을 수행하는 데 주로 활용된다. 이 프레임들은 통신 매체에 대한 접근을 조정하고 데이터 프레임의 안정적인 전달을 보장하는 데 핵심적인 역할을 한다.

주요 제어 프레임 유형은 다음과 같다.

예를 들어, CSMA/CA 방식을 사용하는 무선 LAN에서는 데이터 전송 전에 RTS/CTS 핸드셰이크 과정을 통해 충돌을 사전에 방지한다. 송신 스테이션이 RTS 프레임을 브로드캐스트하면, 수신 스테이션이 CTS 프레임으로 응답함으로써 주변 다른 스테이션들이 해당 기간 동안 전송을 자제하도록 한다. 또한, ACK 프레임은 데이터 프레임의 성공적 수신을 송신측에 알려주어 신뢰성 있는 전송을 가능하게 한다.

토큰 기반 네트워크에서는 토큰 프레임이 특별한 형태의 제어 프레임으로 작동한다. 토큰을 소유한 스테이션만이 데이터를 전송할 권리를 가지며, 전송이 끝나면 다음 스테이션으로 토큰을 전달한다. 이 방식은 CSMA/CD 방식에서 발생할 수 있는 충돌을 근본적으로 방지하며, 결정론적인 지연 시간을 보장하는 장점이 있다.

관리 프레임은 네트워크의 운영, 유지보수, 모니터링을 위한 제어 정보를 교환하는 데 사용된다. 데이터 전송 자체를 목적으로 하지 않으며, 무선 LAN과 같은 네트워크에서 특히 중요한 역할을 한다. 이 프레임들은 스테이션의 연결 설정, 인증, 동기화, 전력 관리 등을 가능하게 한다.

주요 관리 프레임 유형은 다음과 같다.

이러한 프레임들은 네트워크의 기본 서비스 세트를 형성하고 유지하는 데 필수적이다. 예를 들어, 비콘 프레임은 네트워크의 SSID, 지원 속도, 보안 설정 등의 정보를 정기적으로 알려 네트워크를 발견할 수 있게 한다. 인증과 연결 과정을 관리하는 프레임들은 무단 접근을 방지하고 안정적인 연결을 보장한다.

관리 프레임의 교환은 일반적으로 데이터 전송에 앞서 이루어진다. 이 과정을 통해 네트워크는 클라이언트를 통합하고, 채널 상태를 관리하며, 전력 소모를 최적화할 수 있다[4].

CSMA/CD는 이더넷 네트워크에서 사용되는 매체 접속 제어 방식이다. 이 방식은 네트워크 상의 여러 장치가 하나의 공유 전송 매체를 효율적으로 사용하도록 설계되었다. CSMA/CD는 'Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection'의 약자로, '반송파 감지 다중 접속/충돌 탐지'로 해석된다. 이 방식은 장치가 데이터를 보내기 전에 먼저 매체가 사용 중인지 감지하고, 전송 중 충돌이 발생하면 이를 탐지하여 해결하는 과정을 포함한다.

CSMA/CD의 동작 절차는 다음과 같다. 먼저, 프레임을 전송하려는 장치는 네트워크 케이블에 반송파 신호가 있는지 감지한다. 이 단계를 Carrier Sense라고 한다. 매체가 유휴 상태일 때만 전송을 시작한다. 만약 두 개 이상의 장치가 동시에 유휴 상태를 감지하고 데이터를 보내면 충돌이 발생한다. 장치는 전송 중에 자신의 신호를 모니터링하여 이러한 충돌을 탐지한다. 충돌이 감지되면, 모든 관련 장치는 전송을 즉시 중단하고 Jamming Signal을 보내 충돌 사실을 네트워크 전체에 알린다. 이후 각 장치는 임의의 시간 동안 대기한 후 재전송을 시도한다. 이 대기 시간은 Binary Exponential Backoff 알고리즘에 의해 결정되어 재충돌 확률을 줄인다.

이 방식은 주로 초기 10BASE5 및 10BASE-T와 같은 전통적인 공유 매체 이더넷에서 사용되었다. CSMA/CD의 효율성은 네트워크 트래픽 부하에 크게 의존한다. 트래픽이 적을 때는 효율적이지만, 트래픽이 증가하면 충돌 빈도가 높아져 성능이 급격히 저하될 수 있다. 또한 네트워크의 최대 케이블 길이와 프로파게이션 지연이 제한 요소로 작용한다. 신호가 네트워크 전체를 이동하는 시간 내에 충돌을 탐지할 수 있어야 하기 때문이다.

현대의 스위치드 이더넷 환경에서는 풀 듀플렉스 통신과 네트워크 스위치의 사용이 보편화되었다. 각 연결이 독점적인 경로를 가지므로 충돌이 발생하지 않아 CSMA/CD의 필요성이 사라졌다. 따라서 기가비트 이더넷(IEEE 802.3z) 이상의 고속 이더넷 표준에서는 CSMA/CD 방식을 지원하지 않는다. 그러나 CSMA/CD는 이더넷 기술의 초기 발전과 확산에 결정적인 역할을 한 기본적인 접속 제어 프로토콜로 역사적 의미를 가진다.

CSMA/CA는 무선 LAN 환경에서 매체 접속 제어를 수행하는 핵심 방식이다. 유선 네트워크에서 사용되는 CSMA/CD가 충돌을 감지하는 방식과는 달리, 무선 환경에서는 충돌 감지가 어렵기 때문에 충돌을 사전에 회피하는 접근법을 채택한다. 이 방식은 주로 IEEE 802.11 표준군을 기반으로 하는 Wi-Fi 네트워크에서 사용된다.

CSMA/CA의 동작 절차는 크게 채널 감지, 대기, 전송의 단계로 나뉜다. 먼저, 프레임을 전송하려는 스테이션은 캐리어 센스를 통해 무선 매체가 사용 중인지 확인한다. 매체가 유휴 상태일 경우, 임의의 백오프 시간을 설정하고 이를 카운트다운한다. 이 대기 시간 동안 다른 스테이션이 채널을 선점하면 카운트다운을 일시 정지하고, 채널이 다시 유휴 상태가 된 후에 남은 시간을 계속 카운트다운한다. 백오프 시간이 0이 되면 데이터 프레임을 전송한다. 이러한 절차는 여러 스테이션이 동시에 전송을 시작하는 것을 방지하여 충돌 확률을 줄인다.

또한, CSMA/CA는 신뢰성 있는 전송을 위해 RTS/CTS 핸드셰이크 절차를 선택적으로 사용할 수 있다. 이는 히든 노드 문제를 완화하기 위한 메커니즘이다. 송신 스테이션이 작은 RTS 프레임을 먼저 보내고, 수신 스테이션이 CTS 프레임으로 응답하면, 주변의 다른 스테이션들이 이 교환을 감지하고 지정된 시간 동안 전송을 자제하도록 한다. 이후에 실제 데이터 프레임과 ACK 프레임이 교환된다. 이 과정을 요약하면 다음과 같다.

CSMA/CA는 무선 매체의 특성상 발생할 수 있는 충돌과 간섭을 효과적으로 관리하지만, 채널 감지를 위한 대기 시간과 제어 프레임의 오버헤드로 인해 순수 전송 효율은 떨어질 수 있다. 이러한 특성 때문에 고성능을 요구하는 최신 Wi-Fi 6 및 Wi-Fi 7 표준에서는 OFDMA 및 다중 사용자 MIMO와 같은 기술을 결합하여 채널 접근 방식을 더욱 효율적으로 발전시키고 있다.

토큰 패싱은 로컬 에어리어 네트워크에서 매체 접속 제어를 수행하는 방식 중 하나로, 네트워크 상을 순환하는 특수한 제어 프레임인 토큰을 소유한 노드만이 데이터를 전송할 권리를 얻는다. 이 방식은 충돌이 발생하지 않도록 보장하며, 특히 토큰 링과 토큰 버스 네트워크 아키텍처에서 사용되었다. 각 노드는 토큰을 수신하면, 데이터 프레임을 전송하거나 토큰을 다음 노드로 전달해야 한다.

토큰 패싱 방식의 주요 동작 절차는 다음과 같다. 네트워크가 초기화되면 하나의 토큰이 생성되어 논리적 또는 물리적 링을 따라 순환한다. 노드는 토큰을 획득할 때까지 대기 상태를 유지한다. 토큰을 받은 노드는 전송할 데이터가 있으면 토큰을 제거하고 데이터 프레임을 네트워크에 보낸다. 데이터 프레임은 목적지 노드에 도착하여 처리된 후, 송신 노드에 의해 링에서 제거된다. 데이터 전송이 완료되면 송신 노드는 새로운 토큰을 생성하여 네트워크에 다시 놓아 다음 노드가 전송 기회를 얻을 수 있게 한다.

이 방식의 특징은 다음과 같이 요약할 수 있다.

CSMA/CD나 CSMA/CA와 같은 경쟁 기반 방식과 비교할 때, 토큰 패싱은 부하가 높은 상황에서도 성능이 안정적으로 유지되는 장점이 있다. 그러나 토큰 관리의 복잡성과 토큰이 순환하는 데 소요되는 시간으로 인한 지연은 단점으로 꼽힌다. 이로 인해 고속 이더넷이 보편화되면서 토큰 기반 네트워크는 그 사용이 크게 줄어들었다.

CSMA/CD 방식에서는 송신 노드가 프레임 전송 전에 물리 계층 매체의 상태를 감지한다. 매체가 사용 중이지 않을 때(캐리어 없음)만 전송을 시작한다. 전송 중에도 지속적으로 충돌을 감지하며, 만약 두 개 이상의 노드가 동시에 전송을 시작하여 신호가 중첩되면 이를 충돌로 인식한다. 충돌이 감지되면 즉시 전송을 중단하고 재전송을 위한 대기 시간을 계산한다. 이 대기 시간은 일반적으로 백오프 알고리즘에 의해 결정되며, 충돌 횟수가 증가할수록 대기 시간 범위가 기하급수적으로 증가한다[5].

CSMA/CA 방식은 주로 무선 LAN 환경에서 사용되며, 유선과 달리 충돌을 정확히 감지하기 어렵다는 특성을 반영한다. 따라서 송신 노드는 전송 전에 매체가 유휴 상태인지 확인한 후, 임의의 시간 동안 추가 대기(디퍼 인터벌)를 거친다. 또한 RTS/CTS 핸드셰이크 절차를 옵션으로 사용할 수 있다. 이 절차에서는 송신자가 작은 RTS 프레임을 먼저 보내 수신자로부터 CTS 프레임 응답을 받음으로써 주변 노드들에게 예정된 데이터 전송 시간을 알려 추가적인 충돌 가능성을 줄인다.

이러한 채널 감지와 충돌 회피 메커니즘은 충돌 도메인 내에서 여러 노드가 공정하게 매체를 공유하고 전송 효율을 최대화하는 데 핵심적인 역할을 한다.

송신 노드는 채널 감지를 성공적으로 완료하고 전송 권한을 획득하면, 구성된 MAC 프레임을 물리적 매체를 통해 전송한다. 전송 과정에서 프레임의 순환 중복 검사 값이 계산되어 프레임 검사 시퀀스 필드에 포함된다.

수신 노드는 프레임을 받아 프레임 동기화를 수행하고 목적지 MAC 주소를 확인한다. 자신의 주소와 일치하거나 브로드캐스트 주소 등인 경우, 프레임의 무결성을 검증하기 위해 수신된 데이터를 기반으로 다시 CRC 값을 계산한다. 계산된 값이 프레임에 포함된 FCS 값과 일치하면 프레임은 성공적으로 수신된 것으로 간주한다.

성공적인 수신 후, 특정 프로토콜은 수신 측이 송신 측에게 긍정적인 확인 응답을 보내도록 요구한다. 예를 들어, IEEE 802.11 무선 LAN의 경우, ACK 프레임을 사용하여 데이터 프레임의 수신을 확인한다. 이 ACK 프레임은 데이터 프레임 전송이 끝난 후 정해진 시간 간격(SIFS) 내에 전송되어야 한다.

확인 응답 절차는 신뢰성 있는 데이터 전달을 보장하는 핵심 메커니즘이다. 송신 노드는 ACK 프레임을 제때 받지 못하면 프레임이 손실되거나 충돌이 발생했다고 판단하여 재전송 메커니즘을 시작한다. 이 방식은 특히 신호 간섭과 충돌이 빈번한 무선 환경에서 데이터 링크 계층의 신뢰성을 높인다.

재전송 메커니즘은 매체 접속 제어 프레임 전송 과정에서 발생하는 오류를 복구하기 위한 절차이다. 이 메커니즘은 데이터 링크 계층의 핵심 기능 중 하나로, 프레임 손실이나 손상을 감지하고 이를 자동으로 복구하여 신뢰성 있는 데이터 전달을 보장한다.

재전송이 발생하는 주요 원인은 충돌 또는 전송 오류이다. CSMA/CD를 사용하는 유선 이더넷에서는 충돌이 감지되면 즉시 전송을 중단하고, 백오프 알고리즘에 의해 계산된 임의의 시간 동안 대기한 후 프레임을 재전송한다. CSMA/CA를 사용하는 무선 IEEE 802.11 네트워크에서는 확인 응답 프레임을 수신하지 못하거나, RTS/CTS 핸드셰이크가 실패할 경우 재전송 절차를 시작한다. 재전송 시도 횟수는 프로토콜별로 정의된 최대값을 초과할 수 없으며, 이를 넘으면 상위 계층에 오류를 보고한다.

재전송 정책은 성능에 직접적인 영향을 미친다. 주요 정책은 다음과 같다.

재전송 메커니즘은 네트워크 혼잡을 악화시킬 수 있는 양면성을 지닌다. 과도한 재전송은 대역폭을 추가로 소모하고 지연을 증가시키므로, 현대 프로토콜은 혼잡 제어 알고리즘과 결합하여 재전송 타이머의 주기나 백오프 시간을 동적으로 조정한다. 이를 통해 네트워크 상태에 적응적으로 대응하며 전체적인 처리량을 최적화한다.

IEEE 802 시리즈는 LAN과 MAN을 위한 표준을 정의하는 IEEE 프로젝트 그룹이다. 이 시리즈는 OSI 모델의 데이터 링크 계층과 물리 계층에 초점을 맞추며, 다양한 매체 접속 제어 방식과 물리적 매체를 규정한다.

주요 표준은 다음과 같다.

이러한 표준들은 서로 다른 네트워크 환경과 요구 사항에 맞춰 발전해왔다. 예를 들어, IEEE 802.3은 전송 속도와 매체를 확장하며 기가비트 이더넷 및 그 이상의 표준을 포함하게 되었다. IEEE 802.11은 Wi-Fi 6(802.11ax) 및 Wi-Fi 7(802.11be)과 같은 진화를 통해 성능과 효율성을 지속적으로 향상시켰다. IEEE 802 시리즈 표준은 현대 유무선 네트워킹의 기반을 이루며, 상호 운용성을 보장하는 데 핵심적인 역할을 한다.

이더넷은 IEEE 802.3 표준에 의해 정의된 유선 로컬 에어리어 네트워크 기술이다. 이 기술은 CSMA/CD 접속 제어 방식을 기반으로 동축 케이블, 트위스티드 페어 케이블, 광섬유 등 다양한 물리적 매체를 사용한다. 초기 속도는 10Mbps였으나, 기술 발전에 따라 패스트 이더넷(100Mbps), 기가비트 이더넷(1Gbps), 10기가비트 이더넷 등으로 진화하여 현재 네트워크 인프라의 근간을 이루고 있다.

이더넷의 핵심은 MAC 프레임 구조와 CSMA/CD 매체 접속 제어 프로토콜이다. 기본적인 MAC 프레임은 목적지/출발지 MAC 주소, 길이/타입 필드, 데이터 페이로드, 그리고 프레임 체크 시퀀스로 구성된다. 네트워크상의 모든 장치는 프레임을 전송하기 전에 매체가 사용 중인지 감지하고, 충돌이 발생하면 정해진 백오프 알고리즘에 따라 재전송을 시도한다.

이더넷 표준은 물리 계층의 세부 사항을 광범위하게 정의한다. 다음은 주요 이더넷 표준의 진화를 보여주는 표이다.

스위치의 등장은 이더넷 네트워크의 성능을 혁신적으로 향상시켰다. 허브를 사용한 공유 매체 방식에서는 충돌 도메인이 넓었지만, 스위치는 각 포트를 독립적인 충돌 도메인으로 분리하고 프레임의 목적지 MAC 주소를 기반으로 정확한 포트로만 전송하여 충돌을 근본적으로 줄이고 전체 처리량을 증가시켰다. 이로 인해 현대 이더넷에서는 CSMA/CD의 중요성이 크게 감소하였다.

무선 LAN 표준인 IEEE 802.11은 유선 이더넷과 구별되는 무선 매체의 특성에 맞춰 설계되었다. 이 표준은 CSMA/CA 접속 제어 방식을 채택하여, 물리적 충돌 감지가 어려운 무선 환경에서 데이터 프레임 전송 전에 채널을 예약하는 방식으로 충돌 가능성을 줄인다. 기본적인 네트워크 구성 단위는 BSS이며, 하나의 AP를 중심으로 단말들이 연결되는 인프라스트럭처 모드와 단말 간 직접 통신하는 애드혹 모드로 구분된다.

표준은 지속적으로 진화하여 다양한 물리층 규격을 정의한다. 초기 규격 이후, 주파수 대역과 변조 방식을 개선한 여러 개정안이 발표되었다.

MAC 프레임 구조는 유선 이더넷과 유사한 필드를 가지지만, 무선 환경의 복잡한 주소 지정(수신자, 발신자, 목적지, 출발지 등)과 제어를 위해 더 많은 주소 필드와 관리 정보를 포함한다. 또한 RTS/CTS 핸드셰이크, 프레임 단편화, 다양한 유형의 관리 프레임(비콘, 인증, 연동 프레임 등)을 정의하여 연결 설정과 유지를 관리한다.

보안 측면에서는 초기의 취약한 WEP를 대체하여 WPA, WPA2, WPA3 프로토콜이 도입되었다. 특히 WPA3는 개인 모드에서 향상된 암호화와 공개 네트워크에서의 개인화된 데이터 암호화를 제공한다[6].

충돌 도메인은 네트워크 세그먼트 상에서 두 개 이상의 데이터 프레임이 동시에 전송되어 충돌이 발생할 수 있는 영역을 의미한다. 이더넷과 같은 CSMA/CD 방식을 사용하는 네트워크에서 충돌은 성능 저하의 주요 원인이 된다. 따라서 충돌 도메인의 크기를 관리하고 분리하는 것은 네트워크 효율성을 유지하는 핵심 작업이다.

충돌 도메인 관리는 주로 네트워크 스위치와 라우터 같은 장비를 통해 이루어진다. 허브는 들어오는 프레임을 모든 포트로 전송하므로 연결된 모든 장치가 하나의 큰 충돌 도메인을 형성한다. 반면, 스위치는 각 포트마다 독립적인 충돌 도메인을 생성한다. 스위치는 프레임의 목적지 MAC 주소를 확인하여 해당 포트로만 프레임을 전달하므로, 다른 포트 간의 트래픽은 서로 간섭하지 않는다. 라우터는 네트워크 계층에서 동작하며, 서로 다른 네트워크를 연결함으로써 충돌 도메인을 완전히 분리한다.

충돌 도메인을 효과적으로 분리하면 네트워크 성능이 크게 향상된다. 주요 이점은 다음과 같다.

관리 목표는 가능한 한 충돌 도메인의 범위를 축소하고, 각 도메인 내의 호스트 수를 줄여 충돌 확률을 최소화하는 것이다. 현대의 스위치 기반 유선 이더넷 네트워크에서는 전이중 통신이 일반화되어 충돌 도메인이 매우 작거나 존재하지 않는 경우가 많다. 그러나 무선 LAN의 경우 CSMA/CA 방식을 사용하고 공유 매체의 특성을 가지므로, 여전히 효과적인 충돌 회피 및 도메인 관리가 중요하다.

매체 접속 제어 프레임의 전송 효율성은 네트워크 성능을 평가하는 핵심 지표이다. 효율성은 유용한 데이터를 전송하는 데 소요되는 시간 대비 실제 전송된 데이터의 비율로 정의된다. 이는 프레임 헤더와 트레일러와 같은 오버헤드, 프롬프트 시간, 충돌로 인한 유휴 시간, 그리고 확인 응답 절차 등 여러 요소에 의해 영향을 받는다.

효율성을 분석할 때는 네트워크 부하와 접속 제어 방식이 주요 변수로 작용한다. 낮은 부하 상태에서는 CSMA/CD나 CSMA/CA 방식의 효율성이 높지만, 부하가 증가하면 충돌 또는 경쟁으로 인한 유휴 시간이 늘어나 효율성이 급격히 떨어진다. 반면, 토큰 패싱 방식은 부하가 높을 때도 공정한 접근을 보장하여 안정적인 효율을 유지하지만, 토큰 순환에 따른 지연이 발생한다. 효율성은 프레임 크기에도 민감하게 반응하는데, 큰 프레임은 오버헤드 비율을 낮춰 효율을 높이는 경향이 있다.

다양한 조건 하의 효율성을 정량적으로 비교하기 위해 다음 표를 활용할 수 있다. 이는 일반적인 특성을 보여주며, 실제 구현과 네트워크 조건에 따라 차이가 발생할 수 있다.

최적의 효율성을 달성하기 위해서는 네트워크 트래픽 패턴에 맞는 접속 방식을 선택하고, 충돌 도메인을 분할하며, 적절한 프레임 크기를 설정하는 것이 중요하다. 또한, 스위치를 사용하여 충돌 영역을 줄이고 전이중 통신을 구현하는 것은 효율성을 획기적으로 향상시키는 방법이다.

대역폭 활용 최적화는 주어진 네트워크 용량 내에서 데이터 전송 효율을 극대화하고 지연을 최소화하는 것을 목표로 합니다. 이를 위해 충돌 도메인을 분리하는 스위치의 사용이 핵심적입니다. 스위치는 각 포트별로 독립적인 충돌 도메인을 생성하여 불필요한 충돌과 재전송을 줄이고, 풀 듀플렉스 통신을 가능하게 합니다. 또한, 가상 LAN 기술을 통해 논리적으로 네트워크를 분할함으로써 브로드캐스트 트래픽의 범위를 제한하고 대역폭을 절약할 수 있습니다.

프레임 크기 조정도 중요한 최적화 요소입니다. 네트워크의 평균 프레임 크기를 증가시키면 오버헤드(헤더 및 트레일러) 대비 실제 데이터의 비율인 전송 효율성이 향상됩니다. 예를 들어, 이더넷의 최대 전송 단위를 표준 1500바이트에서 점보 프레임(9000바이트)으로 늘리면 처리량이 증가합니다. 그러나 이는 버퍼 관리와 호환성 문제를 동반할 수 있습니다.

트래픽 관리 및 품질 보장 기술도 대역폭 활용에 기여합니다. IEEE 802.1p 표준은 프레임에 우선순위 태그를 추가하여 음성이나 비디오와 같은 지연에 민감한 트래픽이 일반 데이터 트래픽보다 우선적으로 전송되도록 합니다. IEEE 802.3x 기반의 흐름 제어는 수신 측의 버퍼 포화를 방지하여 프레임 손실과 불필요한 재전송을 줄입니다. 무선 네트워크에서는 IEEE 802.11e가 유사한 서비스 품질 기능을 제공합니다.

MAC 주소 스푸핑은 네트워크 상에서 합법적인 장치의 MAC 주소를 사칭하여 패킷을 전송하는 공격 기법이다. 이 공격은 주로 이더넷이나 무선 LAN과 같은 매체 접속 제어 계층에서 이루어진다. 공격자는 네트워크 장비(예: 스위치)의 MAC 주소 테이블을 변조하거나, 다른 호스트와의 통신을 가로채거나, 서비스 거부 공격을 수행하기 위해 이 방법을 사용한다.

공격의 일반적인 절차는 다음과 같다. 먼저, 공격자는 패킷 스니핑 도구를 사용해 네트워크 내의 유효한 MAC 주소를 수집한다. 그 후, 공격자는 자신의 네트워크 인터페이스 카드 설정을 변경하여 목표로 한 합법적인 장치의 MAC 주소로 위장한다. 이렇게 되면 스위치는 공격자의 장치를 진짜 장치로 오인하여, 목표 장치로 가야 할 트래픽을 공격자에게 전송하기 시작한다[8].

MAC 주소 스푸핑을 탐지하고 방지하기 위한 여러 방법이 존재한다. 정적 MAC 주소 테이블을 구성하거나, 포트 보안 기능을 활성화하여 특정 포트에 학습될 수 있는 MAC 주소 수를 제한하는 것이 일반적이다. 더 진보된 방법으로는 IEEE 802.1X 표준 기반의 네트워크 접근 제어를 구현하여 장치 인증을 강화하는 것이다. 또한, 동적 ARP 검사나 IP Source Guard와 같은 2계층 보안 기능을 지원하는 스위치를 사용하면 ARP 패킷의 유효성을 검사하여 스푸핑 공격을 완화할 수 있다.

무선 네트워크의 초기 표준인 IEEE 802.11은 기본적인 인증과 암호화 기능이 부족하여 보안상 취약점이 많았다. 이를 해결하기 위해 여러 보안 프로토콜이 발전해 왔다.

초기 무선 보안 프로토콜인 WEP는 RC4 스트림 암호를 사용했으나, 취약한 키 관리와 초기화 벡터의 재사용 문제로 인해 쉽게 해독될 수 있어 현재는 사용이 권장되지 않는다. WEP의 보안 결함을 보완하기 위해 등장한 WPA는 임시 키 무결성 프로토콜을 도입하여 향상된 보안을 제공했다. 이후 WPA2는 강력한 AES 암호화와 CCMP 프로토콜을 필수 요구사항으로 채택하여 상당히 안전한 표준이 되었다. 최신 표준인 WPA3는 개인 모드에서 동시적 인증 평등을, 엔터프라이즈 모드에서 192비트 보안 스위트를 도입하여 오프라인 사전 공격에 대한 저항성을 강화하고 더 강력한 암호화를 제공한다.

이러한 프로토콜 외에도, 엔터프라이즈 환경에서는 IEEE 802.1X 표준을 기반으로 한 확장 가능 인증 프로토콜을 사용한다. 이는 중앙 집중식 RADIUS 서버를 활용하여 강력한 사용자 인증을 제공한다. 또한, 무선 네트워크 보안은 암호화 프로토콜뿐만 아니라 SSID 브로드캐스트 숨기기, MAC 주소 필터링 (기본적인 수준의 보안), 정기적인 펌웨어 업데이트 등 다층적인 접근 방식을 결합하여 관리해야 한다.

고속 이더넷 기술은 기존 이더넷 표준의 데이터 전송 속도를 10 Mbps에서 100 Mbps 이상으로 크게 향상시킨 기술들을 포괄한다. 이 발전은 IEEE 802.3 표준 위원회에 의해 표준화되었으며, 주로 물리 계층의 변조 방식과 케이블링 요구사항에 초점을 맞췄다. 초기 고속 이더넷인 패스트 이더넷(100BASE-TX)은 1995년에 표준화되어 기존 UTP 케이블 카테고리 5를 사용하여 100 Mbps 속도를 달성했고, 이는 네트워크 백본과 데스크톱 연결의 표준으로 자리 잡았다.

더 높은 속도를 요구하는 네트워크 백본과 서버 연결을 위해 기가비트 이더넷(1000BASE-T)이 등장했다. 이 기술은 1999년에 표준화되어 기존의 카테고리 5e 케이블 위에서 1 Gbps 전송을 가능하게 했으며, 광케이블을 사용하는 1000BASE-SX/LX 표준도 함께 정의되었다. 기가비트 이더넷의 성공 이후, 10 기가비트 이더넷(10GbE), 40GbE, 100GbE, 그리고 최근의 400GbE에 이르기까지 속도는 지속적으로 증가해 왔다.

다양한 고속 이더넷 표준은 서로 다른 케이블 타입과 전송 거리를 지원한다. 주요 표준들의 특징은 아래 표와 같다.

이러한 기술의 진화는 MAC 프레임의 기본 구조를 크게 변경하지 않은 채 이루어졌다. 상위 호환성을 유지하면서 물리 계층의 인코딩 방식(예: 8B/10B, 64B/66B), 채널 본딩, 고급 변조 기술을 도입하여 속도를 높였다. 결과적으로 고속 이더넷은 데이터 센터, 기업 네트워크, 그리고 최종 사용자 환경까지 광범위하게 적용되어 현대 유선 네트워크 인프라의 근간을 형성한다.

IEEE 802.11 표준을 기반으로 한 무선 네트워크 기술은 지속적으로 발전하여 데이터 속도, 용량, 효율성, 지연 시간을 개선해 왔다. Wi-Fi 6(IEEE 802.11ax)와 Wi-Fi 7(IEEE 802.11be)은 이러한 진화의 최신 단계를 대표한다.

Wi-Fi 6는 주파수 대역(2.4GHz, 5GHz)과 더불어 6GHz 대역을 추가 지원하는 Wi-Fi 6E를 포함한다. 핵심 기술로는 OFDMA(직교 주파수 분할 다중 접속)를 도입하여 하나의 채널을 여러 사용자가 동시에 효율적으로 나눠 쓸 수 있게 했으며, MU-MIMO(다중 사용자 다중 입출력) 기술을 업링크와 다운링크 모두에서 지원한다. 또한 BSS Coloring 기법을 통해 인접한 네트워크 간 간섭을 줄이고, TWT(목표 웨이크 시간) 기능으로 연결된 장치의 배터리 수명을 연장한다[12].

Wi-Fi 7은 예정된 차세대 표준으로, 최대 46Gbps의 이론적 처리량과 극히 낮은 지연 시간을 목표로 한다. 6GHz 대역을 완전히 활용하며, 최대 320MHz의 초광대역 채널과 4096-QAM이라는 고차 변조 방식을 지원하여 데이터 전송 효율을 극대화한다. 가장 혁신적인 기능은 MLO(다중 링크 운영)로, 장치가 서로 다른 주파수 대역(예: 5GHz와 6GHz)의 여러 링크를 동시에 사용하여 데이터를 병렬 전송하거나 장애 조치를 할 수 있다. 이는 신뢰성과 처리량을 동시에 크게 향상시킨다.

이러한 발전은 증강 현실, 가상 현실, 원격 수술, 실시간 협업과 같은 새로운 응용 분야를 가능하게 하며, 유선 네트워크 수준의 성능과 안정성을 무선 환경으로 가져오는 것을 목표로 한다.