이더넷과 MAC

학습 목표

링크 계층이 같은 링크(홉) 위에서 프레임을 MAC 주소로 전달함을 설명할 수 있다.

이더넷 프레임의 주요 필드(dst/src MAC, EtherType, payload, FCS)를 설명할 수 있다.

ARP가 같은 서브넷에서 IP → MAC을 해석하는 방식을 설명할 수 있다.

허브와 스위치의 전달 범위·충돌 도메인 차이를 설명할 수 있다.

문제 상황

• ping 192.168.1.50은 되는데 Wireshark에는 MAC 주소만 보이고 IP는 같은 서브넷 안에서만 의미 있다
  • 네트워크 계층(IP) 과 링크 계층(MAC) 은 다른 식별자
• 처음 통신할 때 ARP 패킷이 잠깐 튄다
  • “왜 IP만 알면 되지 않나?” — 프레임은 MAC으로 보낸다
• 옛날 허브와 지금 스위치 — 둘 다 “연결 장치”인데 대역폭·보안이 다르다
• ip neigh·arp -a에 STALE, REACHABLE — 캐시가 있다

IP·라우팅·NAT까지는 호스트 간 경로다. 같은 LAN 안에서 실제로 누구에게 프레임을 던지는지는 링크 계층 — 이더넷과 MAC이다.

1. 링크 계층과 이더넷

링크 계층은 인접 노드(같은 링크에 붙은 NIC)끼리 프레임을 주고받는다. 인터넷 LAN에서 사실상 표준은 이더넷(Ethernet, IEEE 802.3).

계층	단위	주소 예
네트워크	IP 패킷	192.168.1.10
링크	이더넷 프레임	aa:bb:cc:dd:ee:ff

App data  →  TCP/UDP  →  IP packet  →  Ethernet frame  →  bits on wire

• 홉(hop) 마다 IP는 그대로, MAC은 다음 홉 NIC로 바뀜
• 라우터는 IP dst를 보고 포워딩 — 출력 링크에서 새 src/dst MAC으로 프레임 재구성
• MTU 1500 — 이더넷 payload 상한 (ICMP Path MTU와 연결)

2. MAC 주소

MAC(Media Access Control) 주소는 NIC(네트워크 인터페이스) 에 붙는 48비트 식별자. 보통 6옥텟 16진 표기.

종류	예	용도
유니캐스트	aa:bb:cc:11:22:33	특정 NIC 하나
브로드캐스트	ff:ff:ff:ff:ff:ff	같은 LAN 전체 (ARP 요청 등)
멀티캐스트	첫 옥텟 LSB=1	여러 수신자 (IPv4 멀티캐스트 MAC 매핑)

• OUI — 앞 24비트는 제조사 할당, 뒤 24비트는 장비별
• 로컬 관리 주소 — VM·컨테이너·가상 NIC에서 소프트웨어 할당 흔함
• IP는 설정·DHCP로 바뀔 수 있음 — MAC은 인터페이스에 묶인다고 보면 됨

ip link show eth0
# link/ether aa:bb:cc:dd:ee:ff brd ff:ff:ff:ff:ff:ff

3. 이더넷 프레임

이더넷 프레임은 링크에서 실제로 오가는 PDU. IP 패킷은 payload 안에 실린다.

필드	크기	설명
Preamble/SFD	8 B	동기 (캡처에 안 보이기도 함)
Dst MAC	6 B	수신 NIC
Src MAC	6 B	송신 NIC
EtherType / Length	2 B	상위 프로토콜 (0x0800 IPv4, 0x0806 ARP)
Payload	46–1500 B	IP 패킷 등
FCS	4 B	CRC — 오류 검출 (링크 계층)

• 최소 프레임 — payload 46 B 미만이면 패딩
• VLAN tag (802.1Q) — 0x8100 + VLAN ID — 스위치·클라우드 VPC에서 흔함
• 캡슐화 — 한 IP 패킷이 한 이더넷 프레임에 실리는 경우가 일반 (단편화는 IP 계층)

4. ARP — IP를 MAC으로

ARP(Address Resolution Protocol) 는 같은 서브넷에서 목적지 IP에 대응하는 MAC을 알아낸다. IP 패킷을 프레임으로 싸려면 먼저 MAC이 필요하다.

Host A  192.168.1.10  wants to send to  192.168.1.50
  1. Check ARP cache — miss
  2. ARP Request (broadcast)
       who has 192.168.1.50? tell 192.168.1.10
       dst MAC ff:ff:ff:ff:ff:ff
  3. Host B (192.168.1.50) ARP Reply (unicast)
       192.168.1.50 is at bb:bb:bb:bb:bb:bb
  4. A caches mapping, sends IP packet in Ethernet frame to bb:bb:...

항목	설명
ARP cache	OS가 (IP → MAC) 일정 시간 보관 — ip neigh, arp -a
브로드캐스트 요청	대상 MAC 모를 때 LAN 전체에 질의
유니캐스트 응답	대상 호스트만 자기 MAC 알려줌
다른 서브넷	IP가 게이트웨이 쪽이면 ARP 대상은 게이트웨이 IP → 라우터 MAC

• Gratuitous ARP — 자기 IP·MAC 알림 (IP 충돌 검사·MAC 변경)
• Reverse ARP(RARP) — 거의 안 씀
• IPv6 — Neighbor Discovery(NDP) 가 ARP 역할 (ICMPv6)

# Linux — 이웃(ARP) 테이블
ip neigh show
# 192.168.1.1 dev eth0 lladdr aa:aa:aa:aa:aa:01 REACHABLE
# 192.168.1.50 dev eth0 lladdr bb:bb:bb:bb:bb:bb STALE

# macOS
arp -a

5. 허브 vs 스위치

둘 다 여러 호스트를 물리적으로 묶지만, 프레임 전달 방식이 다르다.

	허브 (Hub)	스위치 (Switch, L2)
동작 계층	물리 계층에 가까움 (리피터)	링크 계층
전달	한 포트 수신 → 모든 포트에 복제	dst MAC 보고 해당 포트만
충돌 도메인	전체가 하나 (half-duplex 시)	포트마다 분리 (full-duplex 일반)
MAC 학습	없음	MAC address table — src MAC → 포트
보안·효율	다른 호스트 트래픽도 다 보임	유니캐스트는 해당 포트만

Switch learns:
  frame from port 1, src MAC X  →  table: X on port 1
  frame to dst MAC Y
    Y known → forward that port only
    Y unknown → flood (like hub) except ingress port

• 브로드캐스트·미지 MAC — 스위치도 플러딩(모든 포트) — ARP 요청이 전파되는 이유
• L3 스위치 — IP 라우팅까지 — 라우터 + 고속 스위칭
• Wi‑Fi AP — 무선 쪽은 공유 매체 — 이더넷 스위치와 충돌·도메인 개념이 조금 다름

6. IP·라우팅과 연결

IP와 라우팅에서 같은 서브넷 → direct (ARP) 를 언급했다. 전체 흐름:

Host A  192.168.1.10/24  →  dest 192.168.1.50
  same subnet → ARP 192.168.1.50 → frame to B's MAC

Host A  192.168.1.10/24  →  dest 8.8.8.8
  different subnet → ARP default gw 192.168.1.1 → frame to router MAC
  router forwards IP toward 8.8.8.8, new MACs on each hop

증상	링크 계층 관점
ping IP OK, 간헐적 지연	ARP 재요청·캐시 만료
같은 LAN인데 안 됨	다른 VLAN·스위치 ACL·MAC 필터
게이트웨이 ARP fail	라우터 down·잘못된 gw IP
Wireshark에 ARP storm	루프·장비 오류·스캔

# ARP 캐시 삭제 (Linux, 디버깅)
sudo ip neigh flush dev eth0

# 인터페이스 통계 — errors, dropped
ip -s link show eth0

7. 정리

• 링크 계층 — MAC으로 프레임 전달, 홉마다 MAC 변경
• 이더넷 프레임 — dst/src MAC, EtherType, payload, FCS
• ARP — 같은 서브넷 IP → MAC, 브로드캐스트 요청
• 허브 — 전 포트 플러드 / 스위치 — MAC 테이블로 선별 전달
• IP는 엔드투엔드, MAC은 한 링크 — 둘 다 트러블슈팅에 필요

다음에 다룰 것

• 물리 계층과 매체
• 비트 전송, 대역폭·지연·처리량

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해당 내용은 Computer Networking: A Top-Down Approach, 8/E (James Kurose, Keith Ross) 의 내용을 기반으로 합니다.