이더넷 통신 구조: 프레임, 스위치, VLAN과 확장 기술
이더넷의 프레임과 MAC 주소, 스위치 동작, VLAN·PoE·데이터센터 및 산업용 이더넷의 구조와 표준을 정리한다.
2026-08-14 · 최초 발행 2025-08-10
공유 매체에서 고속 네트워크 기반으로
이더넷은 오늘날 가장 널리 쓰이는 LAN(Local Area Network) 기술이다. 1973년 제록스 팔로알토 연구소(PARC)에서 로버트 메트칼프(Robert Metcalfe)와 동료들이 개발했으며, 지난 50년 동안 네트워크 인프라의 표준으로 자리 잡았다.
초기 실험 네트워크의 속도는 3Mbps였다. 1980년대에는 IEEE 802.3 표준을 통해 10Mbps 이더넷이 구현됐고, 이후 10BASE-T(10Mbps), Fast Ethernet(100Mbps), Gigabit Ethernet(1Gbps), 10GbE, 40GbE, 100GbE, 400GbE로 확장됐다. 전송 매체도 동축 케이블에서 트위스티드 페어 케이블, 광섬유 케이블로 바뀌었다.
충돌을 다루던 CSMA/CD
초기 이더넷은 CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)를 기반으로 같은 전송 매체를 여러 장치가 함께 사용했다. 장치는 전송 전에 회선 상태를 확인하고, 다른 장치가 전송 중이면 대기한다. 전송 중 충돌이 감지되면 신호를 보내고 랜덤 백오프 뒤 재전송한다.
프레임에 담기는 전송 정보
이더넷은 데이터를 프레임 단위로 전달한다. IEEE 802.3 표준 이더넷 프레임은 시작 신호, 목적지와 출발지 MAC 주소, 길이 또는 타입, 데이터, 오류 검출 정보를 차례로 담는다.
Preamble(전문)은 10101010... 비트 패턴으로 프레임 시작을 알리고, SFD(Start Frame Delimiter)는 10101011로 시작 지점을 구분한다. 목적지와 출발지 MAC 주소는 장치의 물리적 주소를 나타낸다. 길이/타입 필드는 데이터 필드의 길이 또는 상위 계층 프로토콜 유형을 표시하며, 데이터 필드는 최소 46바이트에서 최대 1500바이트를 담는다. FCS(Frame Check Sequence)는 체크섬을 이용해 오류를 검출한다.
속도와 매체에 따른 표준
| 표준 | 속도 | 케이블 유형 | 최대 거리 |
|---|---|---|---|
| 10BASE-T | 10 Mbps | 카테고리 3/5 UTP | 100m |
| 100BASE-TX | 100 Mbps | 카테고리 5 UTP | 100m |
| 1000BASE-T | 1 Gbps | 카테고리 5e/6 UTP | 100m |
| 10GBASE-T | 10 Gbps | 카테고리 6a/7 UTP | 100m |
| 1000BASE-SX | 1 Gbps | 멀티모드 광섬유 | 550m |
| 10GBASE-SR | 10 Gbps | 멀티모드 광섬유 | 400m |
| 100GBASE-SR10 | 100 Gbps | 멀티모드 광섬유 | 150m |
MAC 주소가 가리키는 통신 대상
이더넷 통신은 MAC(Media Access Control) 주소를 기준으로 전달 대상을 식별한다. MAC 주소는 48비트, 즉 6바이트로 표현된다. 앞 24비트는 제조업체를 식별하는 OUI(Organizationally Unique Identifier)이고, 뒤 24비트는 제조업체가 할당한 고유 번호다.
주소는 단일 장치를 향하는 유니캐스트, 특정 그룹에 전달하는 멀티캐스트, 네트워크 전체를 대상으로 하는 브로드캐스트로 나뉜다. 브로드캐스트 주소는 FF:FF:FF:FF:FF:FF다.
스위치는 MAC 테이블로 전달 범위를 좁힌다
현대 이더넷은 대체로 스위치 기반으로 운영된다. 허브는 수신한 데이터를 모든 포트에 브로드캐스트하고 충돌 도메인을 공유한다. 반면 스위치는 MAC 주소 테이블을 유지해 목적지 포트로만 프레임을 보내며 충돌 도메인을 분리한다.
스위치는 인입 프레임의 소스 MAC 주소와 포트 정보를 저장하는 학습(Learning)을 먼저 수행한다. 목적지 MAC 주소가 테이블에 없으면 모든 포트로 보내는 플러딩(Flooding)이 일어나고, 테이블에 있으면 해당 포트에만 보내는 포워딩(Forwarding)이 이뤄진다. 소스와 목적지가 같은 세그먼트에 있으면 다른 포트로 전송하지 않는 필터링(Filtering)을 적용한다.
VLAN으로 나누는 논리적 네트워크
VLAN(Virtual LAN)은 이더넷 네트워크를 논리적으로 분할하는 기술이다. 트래픽을 분리하고 보안을 강화하며 브로드캐스트 도메인을 제한하는 데 사용한다.
IEEE 802.1Q는 VLAN 태깅 표준이다. 기존 이더넷 프레임에 4바이트 VLAN 태그를 추가하며, VLAN ID는 12비트로 최대 4,096개 VLAN을 지원한다.
전이중 링크와 전력 공급
절반 이중(Half-Duplex) 통신은 한 번에 한 방향으로만 통신하며 CSMA/CD를 사용한다. 전이중(Full-Duplex) 통신은 양방향 동시 통신이 가능하고 충돌이 없다. 스위치 기반 네트워크에서 주로 쓰이며 대역폭 효율성은 두 배 증가한다.
PoE(Power over Ethernet)는 데이터 케이블로 전력을 함께 공급한다. IEEE 802.3af(PoE)는 최대 15.4W, IEEE 802.3at(PoE+)는 최대 30W, IEEE 802.3bt(PoE++)는 최대 100W를 공급한다. IP 전화기, 무선 AP, IP 카메라, IoT 장치 등이 활용 대상이다.
데이터센터와 산업 현장이 요구하는 이더넷
데이터센터 이더넷(DCE)은 클라우드 컴퓨팅과 대규모 데이터센터 환경에 맞춘 이더넷 기술이다. 무손실 패킷 전달(Lossless delivery), 낮은 지연시간(Low latency), 우선순위 기반 흐름 제어(Priority-based flow control), 대역폭 관리(Bandwidth management)를 특징으로 한다.
산업용 이더넷은 실시간 통신(Real-time communication), 결정적 네트워킹(Deterministic networking), 높은 신뢰성과 내구성을 요구하는 산업 환경을 대상으로 한다. EtherNet/IP, PROFINET, EtherCAT, Modbus TCP가 대표적 프로토콜이다.
확장되는 전송 속도와 적용 범위
이더넷은 800GbE와 1.6TbE 표준 개발을 통해 초고속화를 이어가고 있다. Single-Pair Ethernet(SPE)은 단일 페어 케이블로 데이터와 전력을 전송하며, 시간민감형 네트워킹(TSN)은 IEEE 802.1 TSN 표준으로 실시간 통신을 보장한다.
스마트 빌딩과 스마트 시티 적용은 확대되고 있고, 에지 컴퓨팅 환경에서도 이더넷의 중요성은 커질 전망이다.
계층형 엔터프라이즈 네트워크
엔터프라이즈 환경에서는 라우터, 코어 스위치, 분배 스위치, 액세스 스위치를 계층으로 구성할 수 있다.
스파인-리프 데이터센터 네트워크
데이터센터에서는 코어 라우터와 스파인 스위치, 리프 스위치, 서버를 연결하는 구조를 사용할 수 있다.
이더넷은 초기 공유 매체 기반 네트워크에서 고속·신뢰성·유연성을 갖춘 통신 기술로 발전했다. IoT, 클라우드 컴퓨팅, 에지 컴퓨팅, 5G 통합과 결합하며 새로운 요구사항과 사용 사례에 맞춰 계속 확장되고 있다.