데이터링크 계층: 인접 노드 전송과 매체 접근 제어
OSI 데이터링크 계층의 프레임 전송, 오류·흐름 제어, MAC 주소와 CSMA/CD·CSMA/CA, 이더넷·HDLC·PPP를 정리한다.
2026-08-14 · 최초 발행 2025-07-16
OSI 참조 모델의 2계층인 데이터링크 계층은 물리적으로 연결된 인접 노드 사이의 전송을 맡는다. 물리 계층에서 생길 수 있는 오류를 다루고 송신 측과 수신 측의 처리 속도 차이를 조절하며, 데이터는 프레임(Frame) 단위로 캡슐화해 전달한다.
프레임 전송에서 맡는 역할
이 계층은 인접 노드로 프레임을 전달하는 데 그치지 않는다. 신뢰성 있는 전송을 위한 오류 제어와 효율적인 데이터 흐름을 위한 흐름 제어를 함께 제공한다. 여러 장치가 하나의 매체를 공유할 때는 접근 제어도 담당한다.
오류를 복구하거나 재전송하는 방식
오류 제어는 수신 측이 오류를 고치는 FEC와 송신 측에 재전송을 요청하는 BEC로 구분할 수 있다.
FEC(Forward Error Correction, 전진 오류 수정)
FEC는 수신 측이 오류를 직접 검출하고 수정할 수 있도록 추가 비트를 첨부해 전송하는 기법이다. 별도의 재전송 요청이 필요하지 않아 실시간 통신에 적합하다.
해밍 코드와 리드-솔로몬 코드가 구현 예시다. 지연시간을 줄이고 실시간성을 높일 수 있는 반면, 오버헤드가 늘고 구현이 복잡해진다.
BEC(Backward Error Correction, 후진 오류 수정)
BEC는 오류가 발생하면 송신 측에 재전송을 요청하는 방식이다. ARQ(Automatic Repeat reQuest)와 연계해 사용하며, 패리티 비트와 CRC(Cyclic Redundancy Check)가 구현 예시다.
구현은 상대적으로 단순하지만, 재전송 때문에 지연이 발생할 수 있다.
송수신 속도 차이를 다루는 ARQ
흐름 제어는 송신 측과 수신 측의 데이터 처리 속도 차이를 관리한다. ARQ는 확인응답과 재전송을 이용해 이를 처리하는 대표적인 방식이다.
정지-대기(Stop-and-Wait) ARQ
정지-대기 ARQ는 한 번에 하나의 프레임을 전송하고 확인응답(ACK)을 기다린다. 타임아웃이 발생하면 해당 프레임을 다시 전송한다. 구조는 단순하지만 효율성은 낮으며, 단순한 포인트-투-포인트 연결에 적용된다.
슬라이딩 윈도우(Sliding Window) 방식
슬라이딩 윈도우는 윈도우 크기로 한 번에 전송할 수 있는 프레임 수를 조절한다. Go-Back-N ARQ는 오류가 발생한 프레임부터 모두 재전송하고, 선택적 재전송(Selective Repeat) ARQ는 오류가 난 프레임만 다시 보낸다.
효율성은 높지만 구현은 복잡하다. TCP 프로토콜이 적용 사례다.
적응적 ARQ(Adaptive ARQ)
적응적 ARQ는 네트워크 상태에 맞춰 윈도우 크기를 동적으로 조절한다. 네트워크 혼잡도에 따라 전송 속도를 최적화하며, 구현은 고급이지만 효율성을 극대화할 수 있다. TCP의 혼잡 제어 알고리즘이 적용 사례다.
LLC와 MAC이 나누는 책임
데이터링크 계층의 주소 지정 기능은 LLC(Logical Link Control)와 MAC(Media Access Control) 서브레이어로 나뉜다.
LLC는 IEEE 802.2 표준으로 정의되며, 흐름 제어·오류 제어·다중화 기능을 제공한다. 상위 계층 프로토콜과 연결되는 인터페이스 역할을 하고, 비연결형·연결지향형·확인형의 세 가지 서비스 유형을 제공한다. 다양한 MAC 프로토콜과 상위 계층 사이에 통일된 인터페이스를 둔다는 점도 LLC의 역할이다.
MAC은 물리적 주소인 MAC 주소로 장치를 식별한다. 주소체계는 48비트이며 00:1A:2B:3C:4D:5E와 같은 형태를 사용한다. OUI(Organizationally Unique Identifier) 24비트와 제조사 할당 24비트로 구성되며, CSMA/CD·CSMA/CA 같은 접근 제어 프로토콜과 프레임 형식의 정의·처리도 담당한다.
공유 매체에서 충돌을 다루는 방법
여러 장치가 같은 매체를 사용할 때는 충돌을 방지할 접근 제어 메커니즘이 필요하다. 유선 환경과 무선 환경은 이 문제를 다른 방식으로 처리한다.
CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)
CSMA/CD는 이더넷(IEEE 802.3)에서 사용하는 매체 접근 방식이다. 장치는 전송 전에 캐리어를 감지하고, 충돌이 생기면 즉시 감지한다. 충돌을 감지한 뒤에는 임의 시간 동안 대기한 후 재전송하며, 이때 백오프 알고리즘을 사용한다.
유선 네트워크에서 효과적으로 동작하며, 현대 이더넷은 스위치 기반으로 바뀌면서 충돌 도메인이 축소됐다.
CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)
CSMA/CA는 무선 LAN(IEEE 802.11)에서 사용하는 방식으로, 충돌 감지보다 충돌 회피에 초점을 둔다. RTS(Request to Send)와 CTS(Clear to Send) 메커니즘을 활용해 숨겨진 노드 문제(Hidden Node Problem)를 해결하고, 무선 환경에서 충돌을 감지하기 어려운 문제를 극복한다. ACK 프레임은 전송 성공 여부를 확인하는 데 사용된다.
연결 환경에 따른 데이터링크 프로토콜
이더넷(Ethernet, IEEE 802.3)은 가장 널리 쓰이는 유선 LAN 기술이다. CSMA/CD 방식으로 매체 접근을 제어하며, 10Mbps, 100Mbps, 1Gbps, 10Gbps, 100Gbps의 다양한 속도를 지원한다. 프레임은 목적지 주소(6바이트), 출발지 주소(6바이트), 타입(2바이트), 데이터(46-1500바이트), FCS(4바이트)로 구성된다. 기술은 허브에서 스위치, 고속 스위치 기술로 발전해 왔다.
HDLC(High-level Data Link Control)는 ISO에서 표준화한 비트 지향 프로토콜이다. 포인트-투-포인트와 멀티포인트 연결을 지원하며, 정보 전송(Normal Response Mode), 비동기 균형 모드(Asynchronous Balanced Mode), 비동기 응답 모드(Asynchronous Response Mode)로 동작한다. 프레임은 플래그(1바이트), 주소(1바이트), 제어(1-2바이트), 정보(가변), FCS(2바이트), 플래그(1바이트)로 구성되고 비트 스터핑 기법을 사용한다.
PPP(Point-to-Point Protocol)는 두 노드를 직접 연결하는 프로토콜로, 다이얼업과 DSL 등의 인터넷 연결에 널리 사용된다. LCP(Link Control Protocol)는 링크 설정·유지·종료를 담당하고, NCP(Network Control Protocol)는 다양한 네트워크 계층 프로토콜을 지원한다. PAP와 CHAP 인증 기능도 제공한다. 프레임은 플래그(1바이트), 주소(1바이트), 제어(1바이트), 프로토콜(2바이트), 정보(가변), FCS(2-4바이트), 플래그(1바이트)로 구성된다.
가상화·데이터 센터·제조 환경으로 확장된 역할
VLAN은 물리적 네트워크를 논리적으로 분할하는 기술이다. IEEE 802.1Q 표준으로 구현하며, 프레임에 VLAN 태그를 추가해 구분한다. 보안을 강화하고 네트워크 트래픽 관리를 개선하며, 대규모 네트워크 관리에 유연성을 제공한다.
데이터 센터에서는 고속 데이터 처리를 위한 최적화된 이더넷 기술이 중요하다. DCB(Data Center Bridging)는 무손실 이더넷을 구현하고, FCoE(Fibre Channel over Ethernet)는 스토리지 네트워크 통합에 사용된다. 소프트웨어 정의 네트워킹(SDN)과도 연계된다.
산업용 이더넷은 제조 환경에 맞춘 실시간 통신을 지원한다. EtherCAT, Profinet, EtherNet/IP 등의 프로토콜을 사용하며, 결정적(deterministic) 지연시간 보장과 견고한 오류 복구 메커니즘을 구현한다.
데이터링크 계층은 물리 매체 위에서 신뢰성 있는 프레임 전송을 만들고, 오류 제어·흐름 제어·접근 제어를 통해 상위 계층이 사용할 안정적인 통신 채널을 제공한다. 가상화, 고속화, 실시간성 요구가 커지는 환경에서도 이 계층의 기능은 네트워크 인프라의 기반으로 작동한다.