이더넷(Ethernet)은 IEEE 802.3이 정하는 유선 LAN(Local Area Network) 기술이다. IEEE 802.3-2022는 공통 MAC(Medium Access Control) 명세와, 1 Mbit/s부터 400 Gbit/s까지의 속도로 동축 케이블, 꼬임쌍선, 광섬유, 백플레인 위에서 동작하는 물리 계층을 정한다.[1] 이더넷에서 데이터는 이더넷 프레임에 담기고, 프레임의 목적지 주소 필드가 받을 스테이션의 MAC 주소를 가리킨다.[2][3]
MAC과 물리 계층
이더넷 노드는 MAC과 PHY로 나뉜다.[3][4] MAC은 송수신 데이터를 프레임으로 캡슐화하고(프레임 경계 구분과 동기), 주소를 처리하며, 오류를 검출한다.[2][4] ENC28J60의 PHY 모듈은 꼬임쌍선 인터페이스의 아날로그 데이터를 부호화하고 복호화한다.[3] MAC과 PHY 사이는 MII 같은 매체 독립 인터페이스로 잇는다.[1][2]
차량용 100BASE-T1 PHY는 한 쌍의 비차폐 꼬임쌍선으로 100 Mbit/s를 송수신한다.[5][6] IEEE 802.3bw-2015는 단일 평형 꼬임쌍선 위에서 점대점 전이중 100 Mbit/s로 동작하는 100BASE-T1을 넣었다.[7]
이더넷 MAC 컨트롤러
STM32F107xx와 Renesas RA MCU는 이더넷 MAC을 내장한다.[2][4] 수신 쪽에서 이더넷 MAC 컨트롤러는 목적지 주소 필터로 받을 프레임을 고르고, FCS(Frame Check Sequence)를 검사해 설정에 따라 오류 프레임을 버린다. 송신 쪽에서는 목적지 주소, 출발지 주소, 길이/타입 필드, 데이터를 소프트웨어에게서 받아 프레임을 조립하며, FCS를 계산해 덧붙일지는 설정으로 정한다.[2][3]
IEEE 802.3-2022는 MAC 부계층이 목적지 주소 필드에 자기 개별 주소, 브로드캐스트 주소, 상위 계층이 활성화한 그룹 주소가 든 프레임을 알아보고 받도록 정한다. MAC 부계층은 promiscuous 수신 모드를 둘 수 있고, 이 모드에서는 목적지 주소와 상관없이 유효한 프레임을 모두 받는다. 이 표준은 관리 속성 aPromiscuousStatus를 참으로 두면 이 모드가 켜지게 하고, 이 모드 때문에만 받은 프레임도 오류가 없으면 정상 수신으로, 오류가 있으면 해당 오류 카운터로 세도록 정한다.[1]
MCU에 내장된 이더넷 MAC은 전용 DMA(Direct Memory Access)를 둔다. STM32F107xx와 Renesas RA의 이더넷 MAC은 MCU 밖의 PHY와 MII나 RMII(Reduced MII)로 이어진다.[2][4]
반이중과 전이중
IEEE 802.3-1985는 둘 이상의 스테이션이 공통 버스 매체 하나를 나눠 쓰는 CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) 접근 방식을 정했다.[8] IEEE 802.3-2022의 CSMA/CD MAC 프로토콜은 공유 매체에서의 반이중 동작과 함께 전이중 동작도 규정한다.[1] Microchip AN1120에 따르면 초기 이더넷 네트워크는 공유 매체로 구현되어 CSMA/CD가 필요했다.[9] CSMA/CD는 버스 접근 방식에서 다룬다.
전이중 동작에서는 링크에 두 스테이션만 이어져 송신과 수신을 동시에 하고, 충돌이 생기지 않으므로 CSMA/CD를 쓰지 않는다.[2][3] Microchip AN1120에 따르면 오늘날 이더넷 네트워크는 대부분 점대점이나 이더넷 스위치를 가운데 둔 스타 토폴로지로 구성되어, 각 노드가 전이중으로 동작할 수 있다.[9]
IEEE 802.3-2022는 두 MDI(Medium Dependent Interface)만을 잇는 점대점 전이중 매체 연결을 링크 세그먼트라 정의한다. 이 표준은 전이중 10 Mbit/s, 100 Mbit/s, 1000 Mbit/s 네트워크의 물리적 크기가 반이중 CSMA/CD 네트워크와 달리 왕복 충돌 전파 지연으로 제한되지 않고, DTE(Data Terminal Equipment) 사이의 최대 링크 길이가 케이블이나 링크의 신호 전송 특성으로만 제한된다고 정한다.[1]
잃은 프레임
이 표준은 프레임에서 계산한 CRC가 받은 FCS 값과 다른 프레임을 무효 MAC 프레임(invalid MAC frame)으로 정하고, 그 내용을 LLC(Logical Link Control)나 MAC Control 부계층에 넘기지 않도록 정한다. 무효 MAC 프레임은 무시하거나 버리거나 따로 쓸 수 있다. 또 이 표준은 MAC이 오류 일부를 클라이언트에게 알리기만 하고 오류 복구는 하지 않도록 정하며, 그 복구는 MAC 클라이언트나 상위 계층이 맡을 수 있다.[1]
Microchip AN1120에 따르면 과도한 충돌로 프레임이 버려지면 응용 소프트웨어가 이를 알아차리고 필요하면 다시 보내야 한다.[9] 상위 계층에서는 RFC 9293이 TCP가 오류나 혼잡으로 잃은 세그먼트를 재전송해 모든 세그먼트의 전달을 보장하도록 정한다.[10]
역사
IEEE SA에 따르면 이더넷은 1973년 Xerox PARC(Palo Alto Research Center)에서 Robert Metcalfe가 발명했다. IEEE 802 LAN 표준 위원회는 1983년 6월 이더넷을 IEEE 표준으로 채택했다.[11]
Xerox PARC의 Metcalfe와 Boggs는 1976년 논문에서 동축 케이블 약 1 km에 노드 100개를 이어 운용 중인 이더넷의 경험을 바탕으로 그 설계 원칙과 구현을 발표했다. 그들은 중앙 제어가 없는 수동 방송 매체(Ether)를 여러 스테이션이 나눠 쓰게 하고, 송신하려는 스테이션들이 통계적 중재로 매체 접근을 조정하며, 받는 스테이션이 패킷의 주소를 보고 자기에게 온 패킷을 고르게 했다. 그들은 Aloha Network의 패킷 충돌과 재전송 착상에서 설계를 시작했고, 이더넷이라는 이름은 전자기파가 지난다고 한때 여겨졌던 luminiferous ether에서 따왔다. 실험용 이더넷의 변수로는 케이블 1 km, 3 Mbit/s, 스테이션 256개를 골랐다.[12]
CAN과의 차이
CAN은 여러 노드가 동시에 송신을 시작하면 식별자로 비트 단위 중재를 해, 정보도 시간도 잃지 않고 한 메시지를 보낸다.[13] 반이중 이더넷에서는 동시에 송신하면 충돌이 생기고, 충돌한 스테이션은 백오프만큼 기다렸다가 다시 송신한다.[2][3] CAN에서는 수신 노드가 ACK 슬롯에 dominant 비트를 보내 프레임을 제대로 받았음을 알린다.[13]