이더넷 표준 (r1)

제록스 팰로앨토 연구소의 로버트 메칼프와 데이비드 보그스가 1973년부터 1974년 사이에 개발한 ALOHA네트 프로토콜을 기반으로 한 실험적 네트워크가 이더넷의 시초이다. 이 기술은 1976년 메칼프와 보그스의 논문 "Ethernet: Distributed Packet-Switching for Local Computer Networks"을 통해 공식적으로 소개되었다[2].

초기 이더넷은 굵은 동축 케이블을 공유 매체로 사용했으며, 속도는 2.94 Mbps였다. DEC, 인텔, 제록스 세 회사는 1980년 9월에 "DIX 표준"으로 알려진 이더넷 버전 1.0 사양을 공동으로 발표했다. 이 표준은 속도를 10 Mbps로 높이고 프레임 형식을 확정하는 중요한 이정표가 되었다.

표준화 과정은 IEEE 802 위원회로 이어졌다. 1983년 6월, IEEE는 최초의 공식 이더넷 표준인 IEEE 802.3-1985를 승인했다. 이 표준은 DIX 표준과 매우 유사했지만, 물리 계층과 데이터 링크 계층의 세부 사항을 명확히 정의했다. 초기 IEEE 802.3 표준은 10BASE5라는 명칭으로, 두꺼운 동축 케이블(Thicknet)을 사용하는 구성을 기술했다.

이더넷의 속도 진화는 10Mbps에서 시작하여 현재 400Gbps 이상에 이르는 지속적인 발전 과정을 보여준다. 각 세대는 새로운 물리 계층 표준을 도입하면서도 상위 계층의 호환성을 유지하는 것이 핵심 원칙이었다.

초기 10BASE5와 10BASE2는 동축 케이블을 사용했으나, 10BASE-T의 등장으로 UTP 케이블과 스타 토폴로지가 표준이 되었다. 1990년대 중반에는 패스트 이더넷으로 알려진 100Mbps 표준인 100BASE-TX가 등장하여 기존 인프라를 활용한 원활한 전환을 가능하게 했다. 1998년에 표준화된 기가비트 이더넷(1000BASE-T)은 1Gbps 속도를 달성했으며, CAT5e 이상의 케이블에서 동작하도록 설계되었다.

2000년대 이후의 발전은 데이터 센터와 백본 네트워크의 수요를 중심으로 진행되었다. 10기가비트 이더넷(10GbE)은 광섬유와 트위스티드 페어 케이블(10GBASE-T)을 모두 지원한다. 이후 속도는 40GbE, 100GbE를 거쳐 2017년 IEEE 802.3bs로 표준화된 200GbE와 400GbE로 빠르게 증가했다. 최근에는 800GbE와 1.6Tb(테라비트) 이더넷에 대한 표준화 작업이 진행 중이다[3].

이더넷 네트워크는 다양한 물리적 매체를 사용하여 데이터를 전송한다. 주요 케이블 종류로는 트위스트 페어 케이블, 동축 케이블, 광섬유 케이블이 있다. 각 케이블은 특정 이더넷 표준과 속도에 맞게 설계되었으며, 거리, 비용, 간섭 저항성 등의 요인에 따라 선택된다.

가장 흔히 사용되는 UTP 케이블은 비차폐 트위스트 페어 케이블로, 카테고리(Category) 등급으로 성능이 구분된다. 주요 카테고리와 지원 속도는 다음과 같다.

동축 케이블은 초기 이더넷(10BASE5, 10BASE2)에서 사용되었으나, 현재는 트위스트 페어와 광섬유에 거의 대체되었다. 장거리 고속 통신에는 광섬유 케이블이 사용된다. 싱글모드 광섬유는 수십 킬로미터의 장거리 전송에 적합하고, 멀티모드 광섬유는 데이터센터 내부와 같은 단거리 고속 링크에 주로 사용된다. 광섬유를 사용하는 표준으로는 100BASE-FX, 1000BASE-SX/LX, 10GBASE-SR/LR 등이 있다.

케이블 선택은 필요한 전송 속도, 최대 케이블 길이, 설치 환경의 전자기 간섭(EMI) 수준, 예산에 따라 결정된다. 예를 들어, 사무실 환경에서는 Cat 5e 또는 Cat 6 UTP 케이블이 일반적이며, 건물 간 백본 연결에는 광섬유 케이블이 선호된다.

이더넷 네트워크의 물리적 연결을 완성하는 데 사용되는 주요 커넥터는 RJ-45 모듈러 커넥터이다. 8P8C(8위치 8접점) 구조를 가지며, UTP 또는 STP 케이블의 4쌍(8가닥) 트위스티드 페어 선을 종단하는 데 사용된다. 이 커넥터는 네트워크 인터페이스 카드(NIC), 스위치, 라우터 등의 장비에 있는 이더넷 포트에 꽂아 고정된다.

케이블 배선 방식에는 T568A와 T568B 두 가지 표준이 존재한다. 두 방식 모두 1, 2번 핀과 3, 6번 핀이 각각 한 쌍을 이루어 데이터 전송에 사용되지만, 선 색상 배열 순서가 다르다. 한 네트워크 내에서는 일관된 배선 방식을 사용해야 하며, 일반적으로 T568B 방식이 더 널리 쓰인다. 직접 연결(컴퓨터-스위치)에는 스트레이트 케이블을, 동일 장비 간 연결(컴퓨터-컴퓨터, 스위치-스위치)에는 크로스오버 케이블이 필요했으나, 현대 장비 대부분은 Auto-MDIX 기능을 지원하여 자동으로 연결 방식을 감지하고 조정한다.

10BASE5와 10BASE2 같은 초기 동축 케이블 기반 이더넷은 다른 커넥터를 사용했다. 10BASE5는 AUI 포트와 벌크헤드 커넥터를, 10BASE2는 BNC 커넥터와 T형 커넥터를 사용했다. 광섬유 이더넷 표준(100BASE-FX, 1000BASE-LX 등)은 SC, LC, MTRJ 등의 광 커넥터를 사용한다.

이더넷 MAC 프레임은 데이터 링크 계층에서 전송되는 기본 데이터 단위이다. 이 프레임 구조는 IEEE 802.3 표준에 의해 정의되며, 주로 7개의 필드로 구성된다. 프레임은 프리앰블(Preamble)과 SFD(Start Frame Delimiter)로 시작하여, 목적지와 출발지의 MAC 주소, 길이/타입 정보, 데이터 페이로드, 그리고 FCS(Frame Check Sequence)로 끝난다.

프레임의 주요 필드와 역할은 다음과 같다.

데이터 필드의 최소 길이(46바이트)는 CSMA/CD 프로토콜이 제대로 동작하기 위해 필요하다. 만약 상위 계층에서 내려온 데이터가 46바이트 미만이라면, 패딩 필드를 추가하여 최소 길이를 맞춘다. 반대로 최대 길이는 1500바이트로, 이를 MTU(Maximum Transmission Unit)라고 부른다. FCS 필드는 송신 측이 계산한 CRC 값을 포함하며, 수신 측은 동일한 계산을 수행하여 프레임의 무결성을 검증한다. 오류가 발견된 프레임은 자동으로 폐기된다.

CSMA/CD는 이더넷의 초기 표준에서 채택된 매체 접근 제어 방식이다. 이 방식은 네트워크 상의 모든 장치가 하나의 공유 매체(예: 동축 케이블)를 사용할 때, 데이터 충돌을 감지하고 처리하는 메커니즘을 정의한다. CSMA/CD는 "Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection"의 약자로, '반송파 감지 다중 접근/충돌 탐지'로 해석된다.

동작 원리는 세 단계로 나뉜다. 첫째, 반송파 감지 단계에서 장치는 데이터를 보내기 전에 네트워크 선로가 사용 중인지 감지한다. 선로가 비어 있으면 전송을 시작한다. 둘째, 충돌 탐지 단계에서 전송 중에도 장치는 지속적으로 자신이 보낸 신호와 선로의 신호를 비교하여 충돌이 발생했는지 확인한다. 충돌이 감지되면 즉시 전송을 중단하고 재밍 신호를 보내 다른 모든 장치에게 충돌 사실을 알린다. 셋째, 백오프 알고리즘 단계에서 각 충돌 참여 장치는 임의의 시간 동안 대기한 후 재전송을 시도한다. 이 대기 시간은 충돌이 반복될 때마다 지수적으로 증가하여 네트워크 정체를 완화한다.

CSMA/CD는 전형적인 반이중 통신 방식으로, 한 번에 한 방향으로만 데이터를 전송할 수 있었다. 이는 허브를 사용하는 공유 이더넷 환경에서 필수적이었으나, 네트워크 효율과 속도에 한계를 가졌다. 이후 전이중 통신이 가능한 스위치와 트위스티드 페어 케이블이 보급되면서, 충돌 도메인이 분리되어 CSMA/CD의 필요성이 크게 줄어들었다. 결과적으로, 1Gbps 이상의 고속 이더넷 표준(예: 기가비트 이더넷)부터는 CSMA/CD가 필수 요구사항에서 제외되었다[6].

10BASE-T는 1990년 IEEE 802.3i로 표준화된 최초의 트위스트 페어 케이블 기반 이더넷이다. UTP 케이블 카테고리 3 이상의 2쌍(4선)을 사용하며, 최대 100미터 거리에서 10 Mbps의 전송 속도를 제공한다. 허브와 스위치를 중심으로 한 스타형 토폴로지를 채택하여 기존의 동축 케이블 네트워크보다 설치와 유지보수가 훨씬 용이해졌다.

100 Mbps급 패스트 이더넷으로는 100BASE-TX, 100BASE-T4, 100BASE-FX가 있다. 주류가 된 100BASE-TX는 카테고리 5 케이블의 2쌍을 사용하며, MLT-3 인코딩 방식을 채택했다. 100BASE-T4는 카테고리 3 케이블의 4쌍 모두를 이용해 구형 배선을 지원했고, 100BASE-FX는 광섬유를 매체로 사용했다. 이들은 모두 IEEE 802.3u 표준에 정의되었다.

기가비트 이더넷인 1000BASE-T는 IEEE 802.3ab로 표준화되었다. 카테고리 5e 이상의 UTP 케이블 4쌍(8선)을 모두 사용하며, 각 쌍에서 양방향으로 동시에 신호를 전송하는 기술을 적용해 1 Gbps의 속도를 구현한다. 이 표준의 등장으로 기존의 카테고리 5e 구축 인프라에서도 고속 네트워크로의 업그레이드가 가능해졌다. 1000BASE-T는 5레벨 펄스 진폭 변조 방식을 사용해 한 번의 신호 변화로 더 많은 데이터를 전송한다.

10기가비트 이더넷(10GbE)은 IEEE 802.3ae 표준으로 2002년에 처음 표준화되었다. 초기에는 광섬유를 이용한 장거리 백본 연결에 주로 사용되었으나, 이후 트위스티드 페어 케이블을 지원하는 10GBASE-T 표준이 등장하면서 데이터 센터와 엔터프라이즈 네트워크의 서버 및 스위치 간 연결로 보급이 확대되었다. 10GbE는 이전 세대 대비 10배 향상된 대역폭을 제공하며, 풀 듀플렉스 통신과 흐름 제어를 기본으로 하여 CSMA/CD 매체 접근 제어 방식을 더 이상 사용하지 않는다.

속도가 40GbE와 100GbE로 발전하면서, 주로 데이터 센터의 집중화된 코어 및 상호 연결에 초점이 맞춰졌다. 40GbE(IEEE 802.3ba)는 일반적으로 4개의 10GbE 레인을 묶어 구현하며, 100GbE는 10개의 10GbE 레인 또는 4개의 25GbE 레인을 사용한다. 이들 초고속 표준은 거의 대부분 광섬유 매체를 사용하며, 매우 짧은 거리의 동축 케이블 연결도 일부 존재한다.

200GbE와 400GbE 표준은 더 높은 집적도를 요구하는 클라우드 및 하이퍼스케일 데이터 센터의 수요에 부응하여 개발되었다. IEEE 802.3bs(400GbE) 및 IEEE 802.3ck와 같은 표준은 50GbE 또는 100GbE 단위의 레인을 결합하는 방식을 채택한다. 이러한 발전은 단일 채널의 전기적 신호 속도(baud rate)를 지속적으로 높이고, PAM4와 같은 고급 변조 기술을 도입하여 가능해졌다.

최근의 표준화 작업은 800GbE와 1.6Tb(테라비트) 이더넷으로 나아가고 있다. 이는 인공지능 및 머신 러닝 클러스터, 고성능 컴퓨팅과 같은 응용 분야에서의 폭발적인 대역폭 수요를 충족시키기 위함이다. 이러한 차세대 표준들은 기존 인프라와의 호환성을 유지하면서, 파장 분할 다중화(WDM) 기술과 새로운 모듈러 폼팩터의 발전에 크게 의존한다.

산업용 이더넷은 제조 현장, 공정 제어, 기계 자동화 등 산업 환경에서의 사용을 위해 기존 이더넷 기술을 강화하고 적응시킨 표준 및 프로토콜의 집합체이다. 일반 사무실 환경과 달리 극한의 온도, 진동, 전기적 노이즈, 먼지, 습도 등 가혹한 조건에서도 안정적인 통신을 보장해야 하는 요구사항에서 발전했다. 이를 위해 기존 IEEE 802.3 표준을 기반으로 물리적 견고성, 실시간 성능, 신뢰성, 그리고 안전성을 추가하는 다양한 확장 표준과 프로필이 개발되었다.

주요 산업용 이더넷 프로토콜은 실시간 데이터 교환에 초점을 맞춘다. PROFINET, EtherNet/IP, Modbus TCP, EtherCAT 등이 대표적이다. 이들은 표준 이더넷 하드웨어를 사용하지만, 데이터 링크 계층이나 응용 계층에서 특수한 프로토콜을 구현하여 예측 가능한 통신 주기와 낮은 지연 시간을 보장한다. 예를 들어, EtherCAT은 "온더플라이(On-the-fly)" 처리 방식으로 데이터 프레임이 네트워크를 순회하는 동안 각 노드에서 실시간으로 데이터를 읽고 쓰며, 이는 전통적인 CSMA/CD 방식과는 구별되는 특징이다.

산업 환경의 요구를 충족시키기 위한 물리적 및 기능적 확장도 중요하다. M12 커넥터와 같은 방진방수 커넥터, 금속제 산업용 스위치, 확장된 작동 온도 범위(-40°C ~ 75°C)를 갖춘 장비들이 사용된다. 또한, Power over Ethernet (PoE) 기술의 산업용 변형인 PoE는 현장의 센서나 카메라에 데이터와 전원을 단일 케이블로 공급하는 데 활용된다. 안전 통신을 위한 Functional Safety 표준인 IEC 61784-3을 준수하는 PROFIsafe나 CIP Safety 같은 프로토콜도 산업용 이더넷 생태계의 일부이다.

Power over Ethernet은 이더넷 케이블을 통해 데이터 통신과 함께 직류 전력을 함께 전송하는 기술이다. 네트워크 장치에 별도의 전원 공급 장치나 전원 콘센트가 필요 없도록 하여 설치 비용을 절감하고 유연성을 높이는 데 목적이 있다. 주로 IP 전화기, 무선 액세스 포인트, 네트워크 카메라, 스마트 조명 등 저전력 장치에 전력을 공급하는 데 널리 사용된다.

PoE는 IEEE에서 표준화한 기술로, 초기에는 여러 벤더의 독자 기술이 존재했으나 IEEE 802.3af-2003 표준이 제정되며 통합되었다. 이후 전송 전력을 높인 IEEE 802.3at(PoE+)와 IEEE 802.3bt(PoE++, 4PPoE) 표준이 차례로 발표되어 더 높은 전력 요구를 가진 장치까지 지원 범위가 확대되었다. 각 표준은 허용 최대 전력, 사용하는 이더넷 케이블의 쌍 수, 전압 범위 등을 정의한다.

시스템은 전력을 공급하는 장치(PSE)와 전력을 받아 사용하는 장치(PD)로 구성된다. PSE는 PoE 기능을 탑재한 네트워크 스위치일 수도 있고, 기존 스위치와 PD 사이에 설치되는 중간 장치(인젝터)일 수도 있다. 전력은 일반적으로 데이터 신호와 같은 트위스티드 페어 케이블 내의 구리선 쌍을 통해 전송되며, 데이터 통신에 간섭을 주지 않도록 설계되었다.

IEEE 802.3 위원회는 이더넷 표준을 개발하고 유지 관리하는 주체이다. 이 위원회는 IEEE (전기 전자 기술자 협회) 산하의 LAN/MAN 표준 위원회(LMSC)의 일부로 운영된다. 위원회의 주요 임무는 이더넷 기술의 물리 계층(PHY)과 매체 접근 제어(MAC) 계층에 대한 기술 표준을 제정하고, 새로운 요구 사항에 맞춰 기존 표준을 개정하는 것이다.

위원회는 다양한 작업 그룹(Task Force)으로 구성되어 있으며, 각 그룹은 특정 속도나 응용 분야에 전문화되어 표준을 개발한다. 예를 들어, 802.3ab 작업 그룹은 1000BASE-T 표준을, 802.3bt 작업 그룹은 고출력 Power over Ethernet 표준을 담당했다. 표준 개발 과정은 제안서 제출, 기술적 논의, 초안 작성, 투표 및 승인 단계를 거친다. 최종적으로 승인된 표준 문서는 공식적으로 출판되어 산업계의 구현 기준이 된다.

IEEE 802.3 표준 문서는 지속적으로 개정되고 보완되는 살아있는 문서이다. 새로운 물리 매체, 전송 속도, 전력 공급 방식 등이 연구되어 표준에 통합된다. 이 위원회의 작업은 전 세계 유선 LAN 기술의 호환성과 발전을 보장하는 데 결정적인 역할을 한다. 표준화 과정에는 수백 명의 엔지니어와 전문가들이 참여하여 기술적 합의를 도출한다[9].

IEEE 802.3 위원회가 주로 물리 계층과 데이터 링크 계층의 매체 접근 제어(MAC)를 표준화하는 반면, TCP/IP 프로토콜 스위트와의 상호 운용성 및 네트워크 계층 이상의 관리는 종종 IETF에서 발행하는 RFC 문서를 통해 정의되거나 보완된다.

이더넷과 직접적으로 관련된 주요 RFC 문서는 다음과 같다.

이 외에도 네트워크 관리(SNMP, RFC 1157 등), 링크 계층 탐지 프로토콜(LLDP, IEEE 802.1AB에 상응하는 정보가 RFC에 기술됨), 그리고 VLAN 태깅(IEEE 802.1Q)과의 연동을 설명하는 다양한 RFC 문서가 이더넷 기반 네트워크의 구축과 운영에 참고 자료로 활용된다.