Booil Jung

이더넷 기술

이더넷(Ethernet)은 컴퓨터 네트워크 기술의 핵심 규격 중 하나로, 근거리 통신망(LAN), 도시권 통신망(MAN), 광역 통신망(WAN)에 걸쳐 현대 통신 인프라의 근간을 이루는 가장 보편적인 기술이다.1 오늘날 유선 인터넷 환경은 사실상 이더넷을 표준(de facto standard)으로 사용하고 있다고 해도 과언이 아니다.3 ‘이더넷’이라는 명칭은 과거 빛의 매질로 가정되었던 가상의 물질 ‘에테르(ether)’에서 유래했으며, 이는 마치 에테르처럼 네트워크 매체를 통해 데이터가 어디에나 존재하며 전파된다는 개념을 상징한다.1 이더넷 기술은 대부분 전기 전자 기술자 협회(IEEE)의 802.3 규약으로 표준화되어 있으며, 과거의 토큰 링(Token Ring), FDDI(Fiber Distributed Data Interface)와 같은 다른 표준들을 대부분 대체하며 시장을 장악했다.1

흔히 이더넷은 인터넷과 혼동되기도 하지만, 두 개념은 명확히 구분된다. 인터넷이 전 세계 컴퓨터들을 연결하는 TCP/IP 프로토콜 기반의 거대한 네트워크 환경 그 자체를 의미한다면, 이더넷은 해당 환경에 접근하기 위한 구체적인 통신 수단 중 하나이다.3 이를 비유하자면, 인터넷이 국가의 ‘교통 시스템’이라면 이더넷은 차량이 다니는 ‘도로망’에 해당한다. 도로 없이는 교통 시스템이 성립하기 어렵지만, 도로만으로 모든 교통이 이루어지지는 않으며 철도, 해운, 항공 등 다른 수단이 존재하는 것과 같은 이치다.3 네트워크 프로토콜 계층 모델의 관점에서 보면, 이더넷은 주로 물리적 신호와 하드웨어 주소를 다루는 OSI 7계층의 1계층(물리 계층)과 2계층(데이터 링크 계층)에 속하며, 인터넷 프로토콜(IP)은 경로 설정을 담당하는 3계층(네트워크 계층) 이상에서 동작한다.2

본 보고서는 이더넷의 탄생 배경부터 핵심 동작 원리, 표준화 과정, 속도 및 매체의 발전, 그리고 400GbE를 넘어 테라비트 시대로 향하는 미래 전망까지, 기술적 변곡점을 중심으로 심층 분석하는 것을 목적으로 한다. 각 기술의 근본 원리를 파헤치고, 그 발전이 전체 네트워크 패러다임에 미친 영향을 고찰함으로써 이더넷 기술의 본질과 그 미래 가치를 조망하고자 한다.

이더넷의 탄생을 논하기 위해서는 1970년대 혁신의 산실이었던 제록스 PARC(Palo Alto Research Center)를 먼저 언급해야 한다. 제록스는 복사기 사업의 성공을 바탕으로 1970년 PARC를 설립하여 연구자들에게 전례 없는 자율성을 부여했다.6 이러한 자유로운 연구 환경은 앨런 케이, 밥 멧칼프, 찰스 시모니 등 당대 최고의 컴퓨터 과학자들을 끌어모았고, 그 결과 PARC는 그래픽 사용자 인터페이스(GUI), 객체 지향 프로그래밍, 레이저 프린터와 더불어 이더넷이라는 기념비적인 기술을 탄생시켰다.6

이더넷의 직접적인 기술적 영감은 하와이 대학교에서 개발한 무선 패킷 네트워크인 ‘알로하넷(ALOHAnet)’에서 비롯되었다.1 1973년, 로버트 멧칼프(Robert Metcalfe)는 자신의 박사 학위 논문을 위해 연구했던 알로하넷의 개념을 유선 환경에 적용하고자 했다.1 알로하넷은 여러 단말기가 하나의 공유된 무선 채널을 통해 중앙 컴퓨터와 통신하는 시스템이었다.14 여기서 핵심은 ‘공유 매체’ 환경에서 어떻게 충돌을 관리하는가였다. 알로하넷의 방식은 지극히 단순했다. 각 단말기는 전송할 데이터가 있으면 채널의 상태를 확인하지 않고 즉시 전송한다(이를 ‘Pure ALOHA’라 한다). 만약 전송 후 일정 시간 내에 중앙 컴퓨터로부터 확인 응답(ACK)을 받지 못하면 충돌이 발생한 것으로 간주하고, 임의의 시간 동안 대기한 후 데이터를 재전송하는 방식이었다.12 이 ‘공유 매체’와 ‘충돌 후 임의 시간 재전송’이라는 개념은 멧칼프가 처음 구상한 ‘알토 알로하 네트워크(Alto Aloha Network)’, 즉 이더넷의 원형에 그대로 계승되었다.12

알로하넷의 랜덤 액세스 방식은 단순했지만, 채널을 미리 확인하지 않기 때문에 충돌이 빈번하게 발생했고, 이로 인해 채널의 최대 효율성이 이론적으로 18.4%에 불과한 심각한 한계를 가지고 있었다.14 멧칼프는 이 문제를 해결하기 위해 유선 동축 케이블이라는 통제된 매체의 장점을 활용했다. 그는 알로하넷의 기본 개념에 두 가지 핵심적인 기능을 추가하여 ‘CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)’라는 새로운 프로토콜을 완성했다.1

첫째, 반송파 감지(Carrier Sense) 기능이다. 이는 데이터를 전송하려는 노드가 먼저 케이블에 신호(반송파)가 흐르고 있는지, 즉 다른 노드가 전송 중인지를 ‘듣는(listen)’ 기능이다.12 만약 채널이 사용 중(busy)이면, 채널이 유휴 상태(idle)가 될 때까지 기다린다. 이는 마치 여러 사람이 대화할 때 다른 사람이 말하는 중에는 끼어들지 않고 기다리는 것과 같다. 이 간단한 절차만으로도 불필요한 충돌의 대부분을 사전에 방지할 수 있었다.

둘째, 충돌 감지(Collision Detection) 기능이다. 반송파 감지 기능에도 불구하고, 두 개 이상의 노드가 거의 동시에 채널이 비어있다고 판단하고 전송을 시작하면 충돌은 여전히 발생할 수 있다. 충돌 감지는 노드가 데이터를 전송하는 ‘동시에’ 케이블을 계속 감시하여 자신의 신호와 다른 노드의 신호가 섞이는지를 확인하는 기능이다.20 유선 동축 케이블 환경에서는 충돌이 발생하면 신호의 전압 레벨이 정상적인 수준보다 비정상적으로 높아지기 때문에, 이를 감지하는 것이 비교적 용이했다.21 만약 충돌이 감지되면, 노드는 즉시 전송을 중단한다. 이는 대화 중에 다른 사람이 동시에 말을 시작하면 즉시 말을 멈추는 것과 유사하다.23 충돌 발생 즉시 전송을 멈춤으로써, 충돌로 인해 손상된 프레임을 끝까지 전송하며 채널을 낭비하는 알로하넷의 비효율성을 크게 개선할 수 있었다.23

이더넷의 성공은 이러한 ‘실용적 절충주의’의 산물이라 할 수 있다. 알로하넷은 이론적으로는 단순했지만 무선 환경의 특성상 충돌을 미리 방지할 방법이 없어 효율이 매우 낮았다.14 멧칼프는 유선 동축 케이블이라는 통제된 물리적 환경의 장점을 극대화하여 ‘채널 감지’와 ‘충돌 감지’라는 실용적인 해결책을 도입했다.12 이는 순수 이론적 완벽함보다는 주어진 환경에서 성능과 구현 복잡성 사이의 최적점을 찾은 엔지니어링적 타협의 결과였다. 이러한 실용주의적 접근은 이더넷이 토큰 링과 같이 보다 복잡하고 결정론적인 프로토콜과의 초기 경쟁에서 승리할 수 있었던 핵심 요인 중 하나로 작용했다.

CSMA/CD 프로토콜에서 충돌이 감지된 이후의 처리 과정은 네트워크의 안정성을 보장하는 데 매우 중요하다. 이 과정은 잼(Jam) 신호 전송과 이진 지수 백오프(Binary Exponential Backoff) 알고리즘이라는 두 단계로 구성된다.

• 잼(Jam) 신호: 노드가 충돌을 감지하면, 진행 중이던 프레임 전송을 즉시 중단하고, 네트워크상의 다른 모든 노드에게 충돌이 발생했음을 명확하게 알리기 위해 32비트 길이의 특정 패턴인 ‘잼 신호’를 전송한다.21 이 신호의 목적은 충돌로 인해 프레임의 일부만 수신했을 수 있는 다른 노드들이 해당 프레임이 손상되었음을 확실히 인지하고 폐기하도록 만드는 것이다.23 잼 신호가 없다면, 일부 노드는 충돌을 인지하지 못하고 너무 짧게 잘린 프레임(Runt Frame)을 수신하여 불필요한 처리를 시도할 수 있다.
• 이진 지수 백오프(Binary Exponential Backoff) 알고리즘: 잼 신호 전송이 끝나면, 충돌에 관여했던 모든 노드들은 즉시 재전송을 시도하지 않는다. 만약 즉시 재전송한다면 거의 확실하게 또 다른 충돌이 발생할 것이기 때문이다. 대신, 각 노드는 임의의 시간 동안 대기한 후 재전송을 시도하는데, 이 대기 시간을 결정하는 것이 바로 이진 지수 백오프 알고리즘이다.21 알고리즘의 동작 원리는 다음과 같다.
  1. 첫 번째 충돌(n=1)이 발생하면, 각 노드는 0과 1 (21−1) 중에서 임의의 정수 k를 선택하고, k×슬롯 타임 만큼 대기한다.
  2. 재전송 시도에서 또다시 충돌이 발생하면(n=2), 이번에는 0에서 3 (22−1) 사이에서 임의의 정수 k를 선택하여 대기 시간을 계산한다.
  3. 이처럼 충돌 횟수(n)가 증가할수록 대기 시간의 상한선이 2n−1로 지수적으로 증가한다. 단, 이 상한선은 최대 1023 (210−1)까지 증가하며, 그 이후의 충돌에서는 상한선이 더 이상 늘어나지 않는다.23
  4. 만약 16번 연속으로 충돌이 발생하면, 노드는 재전송을 포기하고 상위 계층 프로토콜에 전송 실패 오류를 보고한다.21

이 알고리즘은 분산 시스템의 안정성을 확보하기 위한 초기 형태의 피드백 제어 메커니즘으로 해석될 수 있다. 단순히 고정된 임의 시간만 대기할 경우 네트워크 부하가 높을 때 충돌이 재발할 확률이 높다. 반면 이진 지수 백오프 알고리즘은 ‘충돌’이라는 부정적 피드백을 수신하여 대기 시간의 범위를 동적으로, 그리고 지수적으로 늘린다.21 이는 네트워크의 현재 상태(혼잡도)를 암시적으로 추정하고 각 노드가 자율적으로 자신의 전송률을 조절하게 만드는 분산 제어 방식이다. 중앙 컨트롤러 없이 각 노드가 독립적으로 행동하면서도 전체 시스템의 붕괴(Congestion Collapse)를 막는 강건함(Robustness)을 제공하는 것이다. 이는 오늘날 TCP의 혼잡 제어 알고리즘과 같은 더 정교한 네트워크 제어 메커니즘의 철학적 원형으로 볼 수 있다.

CSMA/CD 프로토콜의 성능을 이해하기 위해서는 ‘경쟁 구간(Contention Period)’ 또는 ‘슬롯 타임(Slot Time)’이라는 핵심 개념을 먼저 이해해야 한다. 이는 네트워크의 물리적 특성과 프레임 크기, 그리고 최종적으로 네트워크의 효율성을 결정하는 중요한 요소이다.

• 경쟁 구간과 최소 프레임 크기: 경쟁 구간은 네트워크의 한쪽 끝에서 전송한 신호가 가장 먼 반대쪽 끝에 도달했다가, 그곳에서 발생한 충돌 신호가 다시 원래 송신자에게 돌아오는 데 걸리는 최대 시간을 의미한다. 즉, 최대 왕복 전파 지연 시간(2\tau)과 같다.26 송신자는 최소한 이 경쟁 구간 동안에는 전송을 계속하고 있어야만 충돌을 안정적으로 감지할 수 있다. 만약 프레임 전송이 경쟁 구간이 끝나기 전에 완료된다면, 송신자는 이미 전송을 마친 상태이므로 뒤늦게 도착하는 충돌 신호를 감지하지 못하는 ‘후발 충돌(Late Collision)’ 문제가 발생할 수 있다.23 이러한 문제를 방지하기 위해 이더넷 표준은 최소 프레임 크기를 64바이트(512비트)로 규정했다. 10 Mbps 이더넷에서 512비트를 전송하는 시간은 51.2 마이크로초이며, 이것이 바로 이더넷의 표준 슬롯 타임이다. 이 제약 조건, 즉 프레임 전송 시간(

  Tfr)이 왕복 전파 지연 시간(2\tau)보다 크거나 같아야 한다는 관계(Tfr≥2\tau)는 CSMA/CD 기반 네트워크의 최대 거리를 제한하는 근본적인 요인이 된다.26

• 처리율(Throughput) 분석: CSMA/CD 네트워크의 효율성(η)은 네트워크가 얼마나 효과적으로 데이터를 전송하는지를 나타내는 척도이다. 이는 성공적으로 데이터를 전송하는 시간과 충돌 및 유휴 시간으로 낭비되는 시간의 비율로 정의할 수 있다. 이 효율성은 전파 지연 시간과 프레임 전송 시간의 비율인 a=Tp/Tt 값에 크게 좌우된다. 여기서 Tp는 단방향 최대 전파 지연 시간(\tau)이고, Tt는 프레임 전송 시간이다. a 값이 크다는 것은 프레임 전송 시간에 비해 신호가 네트워크를 왕복하는 데 걸리는 시간이 상대적으로 길다는 의미이며, 이는 충돌 가능성이 높아지고 충돌로 인한 시간 낭비가 커짐을 의미한다. CSMA/CD의 효율성을 나타내는 널리 알려진 근사 공식은 다음과 같다.27 \(\eta \approx \frac{1}{1 + 5a \text{ (or } 6.44a)}\) (상수 값은 분석 모델에 따라 5 또는 6.44 등 약간의 차이를 보인다).27

  이 공식은 중요한 시사점을 가진다. 효율성을 높이려면 a 값을 최소화해야 한다. 즉, 전파 지연 시간(Tp)을 줄이거나(네트워크 거리 단축) 프레임 전송 시간(Tt)을 늘려야(프레임 크기 증가 또는 전송 속도 감소) 한다.28 예를 들어, 같은 10 Mbps 속도에서 네트워크 거리가 길어지면

  Tp가 증가하여 a가 커지고 효율은 급격히 떨어진다. 이 때문에 CSMA/CD는 장거리 통신망(WAN)에는 부적합하고 근거리 통신망(LAN)에 최적화된 기술임을 수학적으로 알 수 있다.28 또한, 네트워크 속도가 10 Mbps에서 100 Mbps로 10배 증가하면, 동일한 크기의 프레임을 전송하는 시간(

  Tt)은 1/10로 줄어든다. 효율성을 유지하기 위해서는 a 값을 비슷하게 유지해야 하므로, 네트워크의 최대 허용 거리 또한 1/10로 줄어들게 된다. 이는 고속 이더넷으로 발전하면서 네트워크의 물리적 크기가 제약을 받게 되는 이유를 설명해준다.30

네트워크 통신 과정을 기능별로 나눈 표준 모델인 OSI 7계층 참조 모델에서 이더넷은 하위 두 개의 계층에 걸쳐 그 역할이 정의된다.2

• 물리 계층 (Layer 1): 이 계층에서 이더넷은 데이터를 구성하는 0과 1의 비트 스트림을 물리적인 매체(구리선, 광섬유 등)를 통해 전송할 수 있는 전기적 신호나 광 신호로 변환하는 규칙을 정의한다.31 여기에는 케이블의 종류(예: UTP, 동축), 커넥터의 기계적 사양(예: RJ-45), 신호의 전압 레벨, 비트 전송률 등이 포함된다. 물리 계층은 데이터의 의미나 주소에 대해서는 전혀 관여하지 않고 오직 신호의 물리적 전송만을 책임진다.33 허브(Hub)와 리피터(Repeater)는 들어온 신호를 단순히 증폭하고 재전송하는 장비로, 이 물리 계층에서 동작한다.36
• 데이터 링크 계층 (Layer 2): 이 계층은 물리 계층을 통해 연결된, 동일한 네트워크 세그먼트 내의 인접한 노드(장치)들 간에 신뢰성 있는 데이터 전송을 담당한다.31 이더넷은 이 계층에서 두 가지 중요한 하위 계층으로 나뉘어 기능을 수행한다.
  • 매체 접근 제어 (Media Access Control, MAC): 공유 매체에 대한 접근을 제어하는 규칙(예: CSMA/CD)을 정의하고, 각 네트워크 인터페이스 카드(NIC)에 부여된 전 세계적으로 고유한 48비트 물리 주소, 즉 MAC 주소를 사용하여 데이터의 출발지와 목적지를 식별한다.36 데이터에 MAC 주소를 포함한 헤더를 붙여 ‘프레임(Frame)’이라는 전송 단위를 만든다.37
  • 논리적 연결 제어 (Logical Link Control, LLC): 상위 계층인 네트워크 계층(Layer 3)과 데이터 링크 계층을 연결하는 인터페이스 역할을 한다. 하나의 물리적 네트워크 위에서 여러 상위 프로토콜(예: IP, IPX, AppleTalk)이 동시에 사용될 수 있도록 이들을 구분하고 데이터를 전달하는 다중화(Multiplexing) 기능을 제공한다.5

실제 인터넷에서 널리 사용되는 TCP/IP 모델은 OSI 모델을 보다 실용적으로 간소화한 구조를 가진다. 이 모델에서 OSI의 물리 계층과 데이터 링크 계층은 ‘네트워크 액세스 계층(Network Access Layer)’ 또는 ‘링크 계층(Link Layer)’이라는 단일 계층으로 통합된다.39 이더넷은 이 네트워크 액세스 계층에서 동작하는 가장 대표적인 프로토콜 스위트로서, 물리적 신호화부터 MAC 주소 기반의 프레임 전송까지의 모든 과정을 책임진다.41

상위 계층(예: 네트워크 계층의 IP 패킷)에서 생성된 데이터는 데이터 링크 계층으로 전달되면서 이더넷 헤더(Header)와 트레일러(Trailer)가 추가되는 ‘캡슐화(Encapsulation)’ 과정을 거친다.31 이렇게 만들어진 데이터 단위를 ‘이더넷 프레임(Ethernet Frame)’이라고 부른다. 현재 가장 널리 사용되는 이더넷 II(Ethernet II, 또는 DIX v2.0) 프레임과 표준인 IEEE 802.3 프레임은 약간의 차이가 있지만, 기본적인 구조는 유사하다.

필드 (Field)	크기 (Bytes)	기능 및 설명
Preamble	7	10101010 패턴의 반복. 수신 측 클럭 동기화
SFD (Start Frame Delimiter)	1	10101011 패턴. 프레임의 시작을 알림
Destination MAC Address	6	목적지 장비의 48비트 물리적 주소
Source MAC Address	6	출발지 장비의 48비트 물리적 주소
EtherType / Length	2	상위 프로토콜 식별자(>1536) 또는 페이로드 길이(≤1500)
Payload (Data & Pad)	46-1500	상위 계층으로부터 전달받은 데이터. 최소 크기 미달 시 패딩 추가
FCS (Frame Check Sequence)	4	CRC-32 알고리즘을 이용한 오류 검출 코드

각 필드의 상세 기능은 다음과 같다.44

• Preamble (7 bytes) & SFD (1 byte): 프레임의 실제 내용이 시작되기 전에 전송되는 8바이트의 신호이다. 앞의 7바이트 프리앰블은 10101010 패턴을 반복하여 수신 측 NIC가 송신 측의 클럭 속도와 위상을 맞출 수 있는 동기화 시간을 제공한다.5 마지막 1바이트인 SFD(Start Frame Delimiter)는

  10101011 패턴을 가지며, 동기화가 끝나고 이제부터 실제 프레임 데이터가 시작됨을 알리는 역할을 한다.46

• Destination/Source MAC Address (각 6 bytes): MAC 주소는 네트워크 장비의 NIC에 하드웨어적으로 부여된 48비트의 고유한 물리 주소이다.36 앞 24비트는 제조사를 식별하는 OUI(Organizationally Unique Identifier)이고, 뒤 24비트는 제조사가 할당한 일련번호로 구성된다.36 프레임에는 목적지 MAC 주소와 출발지 MAC 주소가 포함되어, 동일 네트워크 내에서 정확한 송수신을 가능하게 한다. 목적지 주소는 특정 장치를 가리키는 유니캐스트, 특정 그룹을 가리키는 멀티캐스트, 네트워크 내 모든 장치를 가리키는 브로드캐스트(

  FF:FF:FF:FF:FF:FF)로 구분된다.46

• EtherType / Length (2 bytes): 이 2바이트 필드는 이더넷 II 프레임과 IEEE 802.3 프레임을 구분하는 중요한 역할을 한다. 이 필드의 값이 1536(16진수 0x0600) 이상이면, 이 프레임이 어떤 상위 계층 프로토콜의 데이터를 담고 있는지를 나타내는 ‘EtherType’으로 해석된다.46 예를 들어,

  0x0800은 IPv4를, 0x0806은 ARP를, 0x86DD는 IPv6를 의미한다. 반면, 값이 1500 이하이면 IEEE 802.3 프레임의 ‘Length’ 필드로 해석되어, 뒤따르는 페이로드의 길이를 바이트 단위로 나타낸다.47

• Payload (46-1500 bytes): 상위 계층으로부터 전달받은 실제 데이터(예: IP 패킷)가 위치하는 부분이다. 최소 페이로드 크기가 46바이트로 정해진 이유는, 헤더와 FCS를 포함한 전체 프레임의 최소 크기를 CSMA/CD의 충돌 감지를 위한 최소 프레임 크기인 64바이트로 맞추기 위함이다. 만약 상위 계층 데이터가 46바이트보다 작으면, 부족한 부분을 0으로 채우는 ‘패딩(Padding)’ 과정이 수행된다.46 최대 페이로드 크기는 1500바이트로, 이를 MTU(Maximum Transmission Unit)라고 한다.45

• FCS (Frame Check Sequence, 4 bytes): 프레임 전송 과정에서 발생할 수 있는 오류를 검출하기 위한 4바이트 필드이다. 송신 측은 목적지 MAC 주소부터 페이로드 끝까지의 모든 비트에 대해 CRC-32(Cyclic Redundancy Check)라는 수학적 알고리즘을 적용하여 32비트의 체크섬 값을 계산하고, 이 값을 FCS 필드에 담아 전송한다.38 프레임을 수신한 측은 동일한 범위의 데이터에 대해 똑같이 CRC-32 계산을 수행한다. 계산된 값이 수신된 FCS 값과 일치하면 데이터에 오류가 없는 것으로 판단하고 상위 계층으로 전달하며, 만약 값이 다르면 전송 중 오류가 발생한 것으로 간주하고 해당 프레임을 조용히 폐기한다.43

여기서 EtherType 필드의 존재는 이더넷이 가진 유연성과 확장성의 핵심이다. 초기 네트워크 프로토콜들은 특정 상위 프로토콜에 종속적으로 설계되는 경우가 많았다. 하지만 이더넷은 EtherType을 통해 동일한 물리적 네트워크 위에서 IP, ARP, IPX 등 다양한 상위 계층 프로토콜 패킷을 동시에 실어 나를 수 있는 ‘프로토콜 다중화’를 구현했다.13 수신 측 운영체제는 이 EtherType 값을 식별하여 수신된 프레임을 적절한 프로토콜 처리기(IP 스택, ARP 모듈 등)로 전달한다. 이로써 이더넷은 특정 프로토콜에 얽매이지 않는 ‘범용 데이터 전송 플랫폼’으로서의 정체성을 확립했고, 이는 TCP/IP의 폭발적인 성장과 함께 인터넷의 표준 인프라로 자리 잡는 데 결정적인 역할을 했다. 즉, 이더넷은 스스로를 ‘데이터의 운반체’로만 정의하고 ‘데이터의 내용’은 상위 계층에 위임함으로써 엄청난 유연성을 확보한 것이다.

이더넷 프레임이 물리 계층으로 전달되면, 0과 1의 디지털 비트 스트림은 케이블을 통해 전송될 수 있는 아날로그 신호로 변환된다. 이 과정에서 ‘인코딩(Encoding)’ 또는 ‘라인 코딩(Line Coding)’이라는 중요한 기술이 사용된다. 인코딩의 주된 목적은 두 가지이다. 첫째, 수신 측이 비트의 시작과 끝을 정확히 구분하여 클럭을 동기화할 수 있도록 충분한 신호 전환(transition)을 보장하는 것이다. 둘째, 신호에 직류 성분(DC component)이 누적되는 것을 방지하여 신호 왜곡을 최소화하는 것이다.50

• 맨체스터 인코딩 (Manchester Encoding): 10BASE-T와 같은 초기 이더넷에서 사용된 방식이다. 이 방식은 각 비트 전송 시간의 중앙에서 반드시 전압 레벨의 전환이 일어나도록 설계되었다. 예를 들어, 0은 High에서 Low로, 1은 Low에서 High로 전환되는 식이다. 이 덕분에 데이터 값과 클럭 정보를 하나의 신호에 함께 실어 보낼 수 있어 수신 측의 클럭 동기화가 매우 용이하다. 하지만 매 비트마다 신호 전환이 발생하므로, 데이터 전송률의 두 배에 달하는 넓은 주파수 대역폭을 요구하는 단점이 있다. 10 Mbps 전송을 위해 20 MHz의 대역폭이 필요한 셈이다.5
• 4B/5B 인코딩: 100 Mbps 고속 이더넷(100BASE-TX)에서는 맨체스터 인코딩의 대역폭 비효율성 문제를 해결해야 했다. 만약 맨체스터 인코딩을 그대로 사용한다면 200 MHz의 대역폭이 필요하여, 당시 보편적이던 UTP Category 5 케이블의 주파수 한계(100 MHz)를 초과하기 때문이다.50 이를 해결하기 위해 2단계 인코딩 방식이 도입되었다. 먼저, 4비트의 데이터를 5비트로 변환하는 4B/5B 인코딩을 수행한다.5 32개의 5비트 코드 중에서, 연속된 0이 3개를 초과하지 않고 DC 밸런스를 해치지 않는 16개의 코드만을 데이터 표현에 사용한다. 이 과정을 통해 긴 0의 연속으로 인해 신호 전환이 없어지는 문제를 원천적으로 방지한다.50 이렇게 변환된 5비트 스트림은 이후 MLT-3(Multi-Level Transmit, 3-level)와 같은 라인 코딩을 통해 실제 전기 신호로 변환되어 케이블로 전송된다. 이 방식은 25%의 오버헤드(4비트를 보내기 위해 5비트 사용)가 발생하지만, 신호의 주파수 대역을 크게 낮출 수 있어 효율적이다.
• 8B/10B 인코딩: 기가비트 이더넷(1000BASE-X, 광섬유)에서는 더 높은 데이터 전송률과 신호 품질을 위해 8B/10B 인코딩이 도입되었다.53 이는 8비트 데이터를 10비트 코드로 변환하는 방식으로, 4B/5B보다 더 정교한 규칙을 적용한다. 8B/10B 인코딩은 충분한 신호 전환을 보장할 뿐만 아니라, 전송되는 0과 1의 개수를 거의 동일하게 유지하는 ‘DC 밸런스’ 특성이 매우 우수하다.50 이는 특히 광섬유 통신에서 레이저 다이오드의 수명과 신호 안정성에 큰 영향을 미치기 때문에 중요하다. 25%의 오버헤드는 4B/5B와 동일하지만, 더 뛰어난 신호 특성을 제공하여 고속 통신에 적합하다.

이러한 계층적 분리는 이더넷 기술 발전의 핵심 동력이었다. 물리 계층(L1)과 데이터 링크 계층(L2)의 역할이 명확히 구분되었기 때문에, 데이터 링크 계층의 핵심 로직인 MAC 주소 체계나 프레임 구조를 그대로 유지하면서 물리 계층의 기술, 즉 케이블링이나 인코딩 방식만을 교체하여 속도를 비약적으로 향상시키는 것이 가능했다.2 10 Mbps 동축 케이블에서 100 Mbps UTP 케이블로, 다시 1 Gbps 광섬유로 매체가 바뀌어도 MAC 주소 기반의 스위칭 원리는 변하지 않았다. 이러한 모듈성과 추상화는 이더넷의 놀라운 하위 호환성과 진화 능력의 근간이 되었고, 개발자들이 전체 스택을 재설계할 필요 없이 특정 계층의 기술 혁신에만 집중할 수 있게 함으로써 지난 50년간 이더넷이 시장 지배력을 유지할 수 있게 한 원동력이 되었다.

1980년, 멧칼프가 설립한 3Com은 DEC, 인텔과 함께 이더넷을 상용 표준으로 만들기 위한 컨소시엄을 결성했고, 이는 ‘DIX’ 표준의 발표로 이어졌다.1 이후 IEEE 802.3 위원회에서 이를 공식 표준으로 채택하면서 이더넷의 시대가 본격적으로 열렸다.57

• 10BASE5 (Thicknet): 1983년에 승인된 최초의 공식 이더넷 표준(IEEE 802.3)으로, ‘굵은 이더넷(Thick Ethernet)’이라고도 불린다.57 이름처럼 직경 약 9.5mm의 노란색 동축 케이블을 사용했으며, 케이블의 단단함 때문에 설치가 매우 까다로웠다.13 네트워크에 장비를 연결하기 위해서는 ‘뱀파이어 탭(Vampire Tap)’이라 불리는 특수 장비를 이용해 케이블의 피복에 구멍을 뚫고 내부 도체에 직접 접촉시켜 트랜시버(Transceiver)를 연결해야 했다.56 이 트랜시버에서 나온 AUI 케이블을 통해 컴퓨터의 NIC와 연결되는 복잡한 구조였다.
• 10BASE2 (Thinnet): 1985년에 등장한 10BASE2는 10BASE5의 높은 비용과 설치의 어려움을 개선한 표준이다.58 ‘얇은 이더넷(Thin Ethernet)’ 또는 ‘칩퍼넷(Cheapernet)’으로 불렸으며, 훨씬 가늘고 유연한 RG-58 동축 케이블을 사용했다.13 장비들은 BNC T-커넥터를 사용하여 직렬로, 즉 데이지 체인(daisy-chain) 방식으로 연결되었다.

이들 초기 이더넷은 모두 ‘버스형(Bus) 토폴로지’를 기반으로 했다. 즉, 하나의 긴 케이블(버스)이 네트워크의 중심 뼈대를 이루고 모든 장비가 이 버스에 연결되는 구조였다. 이는 모든 장비가 하나의 전송 매체를 공유함을 의미하며, CSMA/CD 프로토콜이 필수적이었다. 하지만 버스형 토폴로지는 치명적인 단점을 안고 있었다. 케이블의 한 지점에서 단선이 발생하거나 T-커넥터 하나가 불량이 나면, 신호 반사 문제로 인해 전체 네트워크 세그먼트가 마비되는 ‘단일 장애점(Single Point of Failure)’ 문제를 가지고 있었다.13 또한, 장애가 발생했을 때 문제의 원인이 되는 지점을 찾아내는 것이 매우 어려워 네트워크 유지보수를 극도로 힘들게 만들었다.

버스형 토폴로지의 한계를 극복한 것은 1990년에 표준화된 10BASE-T였다.24 10BASE-T는 전송 매체로 당시 전화선으로 널리 보급되어 있던 저렴한 UTP(Unshielded Twisted Pair, 비차폐 꼬임쌍선) 케이블을 채택했다. 그러나 더 중요한 변화는 네트워크의 물리적 구조, 즉 토폴로지를 근본적으로 바꾼 데 있었다.

10BASE-T는 ‘허브(Hub)’라는 중앙 집중 장치를 두고, 각 컴퓨터를 허브의 개별 포트에 점대점(point-to-point) 방식으로 연결하는 ‘스타형(Star) 토폴로지’를 도입했다. 이는 이더넷 역사상 가장 중요한 패러다임 전환 중 하나였다. 스타형 토폴로지는 버스형의 고질적인 문제였던 단일 장애점 문제를 해결했다. 한 컴퓨터에 연결된 UTP 케이블에 문제가 생기더라도, 그 영향은 해당 컴퓨터에만 국한될 뿐 네트워크의 다른 부분은 정상적으로 통신할 수 있었다. 또한, 허브의 LED 표시등을 통해 어떤 포트에 문제가 있는지 직관적으로 파악할 수 있게 되어 네트워크 관리와 장애 해결의 편의성이 획기적으로 향상되었다. 이로 인해 이더넷은 복잡한 전문 기술에서 벗어나 일반 사무실과 가정에서도 쉽게 설치하고 관리할 수 있는 대중적인 기술로 발돋움할 수 있었다.

스타형 토폴로지의 도입으로 이더넷의 안정성과 관리 편의성은 크게 향상되었지만, 초기 허브는 성능 측면에서 여전히 한계를 가지고 있었다.

• 허브(리피터 허브)의 작동 방식과 한계: 허브는 OSI 모델의 물리 계층(Layer 1)에서 동작하는 단순한 장비이다. 허브의 역할은 한 포트로 들어온 전기 신호를 단순히 증폭(repeating)하여 자신에게 연결된 ‘나머지 모든 포트’로 그대로 복제하여 전송(flooding)하는 것이다.5 이 때문에 허브에 연결된 모든 장비는 논리적으로는 여전히 하나의 공유 버스에 연결된 것과 같았다. 즉, 모든 포트가 하나의 거대한 ‘충돌 도메인(Collision Domain)’을 형성했다.59 따라서 장비들은 여전히 CSMA/CD 프로토콜을 사용해야 했고, 한 번에 한 장비만 데이터를 전송할 수 있는 반이중(Half-duplex) 통신 방식에 머물러 있었다.1 네트워크에 연결된 장비 수가 늘어날수록 충돌 확률은 기하급수적으로 증가했고, 이는 전체 네트워크 성능 저하의 주된 원인이 되었다.
• 스위치(스위칭 허브)의 혁신: 1990년대 중반에 등장한 이더넷 스위치는 이러한 허브의 한계를 극복한 혁신적인 장비였다. 스위치는 데이터 링크 계층(Layer 2)에서 동작하며, 허브보다 훨씬 지능적으로 작동한다.43 스위치는 각 포트에 연결된 장비가 보내는 프레임의 출발지 MAC 주소를 읽어, 어떤 MAC 주소가 어느 포트에 연결되어 있는지를 학습하고 이 정보를 ‘MAC 주소 테이블(MAC Address Table)’이라는 내부 메모리에 저장한다.43 이후 프레임이 들어오면, 스위치는 프레임의 목적지 MAC 주소를 확인하고 MAC 주소 테이블을 참조하여 해당 목적지 장비가 연결된 특정 포트로만 프레임을 전달(forwarding)한다.59

이러한 스위치의 작동 방식은 두 가지 혁명적인 변화를 가져왔다. 첫째, 충돌 도메인의 분리이다. 각 스위치 포트는 그 자체로 독립적인 충돌 도메인이 된다.59 즉, 포트 A에 연결된 컴퓨터와 포트 B에 연결된 컴퓨터는 서로 다른 충돌 도메인에 속하므로, 동시에 데이터를 전송하더라도 충돌이 발생하지 않는다. 이로써 CSMA/CD의 필요성이 사라졌다. 둘째, 전이중(Full-duplex) 통신의 실현이다. 충돌의 위협이 사라졌기 때문에, 각 장비는 더 이상 채널을 감지하거나 충돌을 걱정할 필요 없이 데이터를 보내는 동시에 받을 수 있게 되었다.1 이는 이론적으로 각 링크의 대역폭을 두 배(예: 10 Mbps 송신 + 10 Mbps 수신 = 20 Mbps 처리량)로 만드는 효과를 가져왔으며, 이더넷의 성능을 비약적으로 향상시켰다.61

전이중 스위칭으로의 전환은 이더넷이 경쟁 프로토콜과의 싸움에서 최종 승자가 된 결정적 변곡점(Inflection Point)이었다. CSMA/CD 기반의 초기 이더넷은 확률적 매체 접근 방식으로 인해 네트워크 부하가 높을 때 성능이 급격히 저하되는 본질적 한계가 있었다. 이는 토큰 링과 같이 결정론적 접근 방식을 사용하던 경쟁 기술에 비해 명백한 약점이었다.1 그러나 스위치의 도입과 전이중 통신의 구현은 이더넷의 패러다임을 ‘경쟁(Contention)’에서 ‘독점적 사용(Dedicated Access)’으로 바꾸었다.1 각 포트가 보장된 대역폭을 갖게 되면서, 이더넷은 토큰 링이 가졌던 ‘예측 가능한 성능’이라는 장점을 흡수하는 동시에, UTP 케이블링과 저렴한 스위치 칩셋 덕분에 월등한 ‘비용 효율성’을 유지했다. 기술적 우위와 경제적 우위를 모두 확보한 이더넷은 마침내 경쟁 기술들을 시장에서 완전히 대체하고 LAN 기술의 표준으로 확고히 자리매김하게 되었다.

스위칭 기술로 성능의 족쇄를 벗어던진 이더넷은 본격적인 속도 향상의 길로 들어섰다. 이 과정은 하위 호환성을 유지하면서 점진적으로 이루어졌다.

• 고속 이더넷 (Fast Ethernet, 100Mbps): 1995년, IEEE 802.3u 표준으로 제정된 고속 이더넷은 기존 10BASE-T와의 완벽한 하위 호환성을 유지하면서 속도를 10배 끌어올렸다.5 가장 널리 사용된 표준은 UTP Category 5 케이블을 사용하는

  100BASE-TX이며, 광섬유를 사용하는 100BASE-FX도 있었다.43 특히, 장비가 서로 연결될 때 자동으로 상대방의 속도(10/100 Mbps)와 통신 방식(반이중/전이중)을 감지하여 최적의 모드로 설정하는 ‘자동 협상(Auto-Negotiation)’ 기능이 도입되어 편의성을 크게 높였다.5

• 기가비트 이더넷 (Gigabit Ethernet, 1Gbps): 1990년대 후반, 서버 성능과 데이터 양이 급증하면서 100 Mbps의 한계가 드러나기 시작했다. 이에 1998년 광섬유 기반의 1000BASE-X(SX, LX) 표준(IEEE 802.3z)이, 1999년에는 기존 UTP Category 5e 케이블을 활용하는 1000BASE-T 표준(IEEE 802.3ab)이 발표되었다.5 1000BASE-T는 4쌍의 UTP 케이블을 모두 사용하여 각 쌍으로 250 Mbps씩 전송할 뿐만 아니라, 하이브리드 회로를 통해 4쌍 모두에서 동시에 송수신을 수행하는 고도의 신호 처리 기술을 사용하여 1 Gbps의 전이중 통신을 구현했다.63

• 10기가비트 이더넷 (10GbE): 2000년대에 들어서면서 데이터 센터와 기업의 백본 네트워크는 다시 한번 대역폭의 한계에 부딪혔다. 2002년, 광섬유 기반의 10GbE 표준(IEEE 802.3ae)이 먼저 등장했고, 2006년에는 UTP Category 6a/7 케이블을 사용하는 10GBASE-T 표준(IEEE 802.3an)이 제정되었다.5 10GbE의 등장은 이더넷이 단순히 LAN을 위한 기술을 넘어, MAN과 WAN 영역까지 넘보는 핵심 기술로 자리 잡았음을 의미했다. 특히 10GbE부터는 공유 매체 개념이 완전히 사라지고 오직 스위치를 통한 전이중 점대점 연결만을 사용하게 되면서, CSMA/CD 프로토콜은 역사 속으로 사라지게 되었다.64

이더넷의 발전 과정은 ‘중앙 집중화된 물리적 토폴로지’와 ‘분산화된 논리적 제어’의 결합으로 요약할 수 있다. 초기 버스형 토폴로지는 물리적으로나 논리적으로 완전히 분산된 구조로 확장성과 안정성에 한계가 있었다.13 10BASE-T는 허브를 중심으로 하는 스타형 토폴로지를 도입하여 물리적 구조를 중앙 집중화함으로써 관리 효율을 높였다. 이후 스위치의 등장은 MAC 주소 학습을 통해 트래픽을 지능적으로 제어하는 논리적 혁신을 가져왔다.59 하지만 스위치 네트워크 전체의 동작은 여전히 각 스위치가 독립적으로 판단하고 동작하는 분산적인 방식이다. 이처럼 관리가 용이한 중앙 집중형 물리 구조와 확장성이 뛰어난 분산형 논리 제어의 이중적 특성이야말로 이더넷이 소규모 LAN부터 대규모 데이터 센터까지 아우르는 유연성과 확장성을 갖게 된 근본적인 이유이다.

표준 (Standard)	속도 (Speed)	일반적 매체 (Common Media)	토폴로지 (Topology)	매체 접근 방식 (Access Method)
10BASE5	10 Mbps	Thick Coaxial	Bus	CSMA/CD
10BASE2	10 Mbps	Thin Coaxial	Bus	CSMA/CD
10BASE-T	10 Mbps	UTP Cat3/5	Star	CSMA/CD (Hub) / Switched
100BASE-TX	100 Mbps	UTP Cat5	Star	Switched Full-Duplex
1000BASE-T	1 Gbps	UTP Cat5e/6	Star	Switched Full-Duplex
10GBASE-T	10 Gbps	UTP Cat6a/7	Star	Switched Full-Duplex
10GBASE-LR	10 Gbps	Single-mode Fiber	Point-to-Point	Switched Full-Duplex

PoE(Power over Ethernet)는 표준 UTP 이더넷 케이블을 통해 데이터 신호와 함께 저전압 직류(DC) 전력을 공급하는 기술이다.24 이 기술의 가장 큰 장점은 전원 콘센트가 없는 위치에도 IP 카메라, 무선 액세스 포인트(AP), VoIP 전화기, IoT 센서 등 다양한 네트워크 장치를 손쉽게 설치할 수 있다는 점이다.67 별도의 전원 케이블 공사가 필요 없어 설치 비용과 시간을 크게 절감할 수 있으며, 중앙의 PoE 스위치나 UPS(무정전 전원 장치)를 통해 연결된 모든 장치의 전원을 통합 관리하고 비상시에도 동작을 보장할 수 있다.70

PoE 기술은 공급할 수 있는 전력의 양에 따라 IEEE 802.3 위원회에 의해 지속적으로 표준화 및 발전되어 왔다. 각 표준은 전력을 공급하는 장치(PSE, Power Sourcing Equipment)와 전력을 공급받는 장치(PD, Powered Device) 간의 상호 운용성을 보장한다.65

특성 (Feature)	IEEE 802.3af (PoE)	IEEE 802.3at (PoE+)	IEEE 802.3bt (PoE++)
유형 (Type)	Type 1	Type 2	Type 3 / Type 4
PSE 최대 공급 전력	15.4 W	30 W	60 W / 90 W
PD 최소 수신 전력	12.95 W	25.5 W	51 W / 71.3 W
사용 페어 (Pairs Used)	2-pair	2-pair	4-pair
전압 범위 (PSE)	44–57 V DC	50–57 V DC	52–57 V DC
주요 적용 디바이스	VoIP 폰, 기본형 IP 카메라, 저전력 AP	고성능 AP, PTZ 카메라, LCD 디스플레이	고전력 PTZ 카메라, PoE 조명, 씬 클라이언트

• IEEE 802.3af (2003, PoE): 최초의 PoE 표준으로, 포트당 최대 15.4W의 전력을 공급한다. 케이블에서의 전력 손실을 감안하여 PD는 최소 12.95W의 전력을 보장받는다. UTP 케이블의 4쌍(8가닥) 중 2쌍을 이용하여 전력을 전송한다.67
• IEEE 802.3at (2009, PoE+): 더 많은 전력을 요구하는 장치(예: 고성능 무선 AP, PTZ 카메라)를 지원하기 위해 등장했다. 포트당 최대 30W를 공급하며, PD는 최소 25.5W를 수신할 수 있다. 802.3af와 마찬가지로 2쌍의 케이블을 사용하며 하위 호환성을 유지한다.67
• IEEE 802.3bt (2018, PoE++ 또는 4PPoE): 전력 공급 능력을 대폭 확장한 최신 표준이다. UTP 케이블의 4쌍 모두를 전력 전송에 사용하여 효율을 높인 것이 가장 큰 특징이다.67 Type 3는 최대 60W, Type 4는 최대 90W의 전력을 PSE에서 공급할 수 있어, PoE LED 조명, 고성능 컴퓨팅 단말기, 디지털 사이니지 등 적용 범위를 크게 넓혔다.67

특히 PoE는 ‘스마트 빌딩’의 핵심 인프라 기술로 각광받고 있다. LED 조명, HVAC(냉난방공조) 센서, 출입 통제 시스템, 재실 감지 센서 등을 모두 이더넷 케이블 하나로 연결하고 중앙에서 전력 공급과 데이터 수집, 제어를 통합적으로 수행할 수 있다.75 이를 통해 건물의 에너지 소비를 실시간으로 모니터링하고 최적화하여 운영 비용을 획기적으로 절감하며, 사용자에게는 개인화된 쾌적한 환경을 제공할 수 있다. 한 사례 연구에서는 기존 형광등을 PoE 기반 LED 조명 시스템으로 교체한 후 연간 전력 소비량이 86% 감소하고, 유지보수 비용 또한 크게 절감된 것으로 나타났다.77

전통적인 이더넷은 패킷 손실을 허용하는 ‘최선 노력형(Best-Effort)’ 서비스 모델을 기반으로 한다. 네트워크에 혼잡이 발생하면 스위치는 버퍼가 가득 찰 경우 수신되는 패킷을 폐기(drop)한다. 이는 일반적인 인터넷 트래픽에서는 상위 계층 프로토콜(TCP)이 재전송을 통해 복구할 수 있으므로 큰 문제가 되지 않는다. 그러나 데이터 센터에서 사용되는 스토리지 트래픽(FCoE, iSCSI)이나 고성능 컴퓨팅(HPC) 클러스터의 메시지 전달(RDMA)과 같은 특정 애플리케이션은 단 하나의 패킷 손실도 전체 성능에 치명적인 영향을 미치거나 프로토콜 오류를 유발할 수 있다. 이러한 트래픽을 위해 패킷 손실이 발생하지 않는 ‘무손실(Lossless) 이더넷’의 필요성이 대두되었고, 이를 구현하기 위한 기술의 집합이 바로 데이터 센터 브리징(DCB)이다.78

• PFC (Priority-based Flow Control, IEEE 802.1Qbb): 무손실 이더넷의 핵심 기술이다. 기존 이더넷의 PAUSE 프레임은 링크상의 모든 트래픽을 무차별적으로 중단시켜 다른 트래픽까지 지연시키는 문제를 야기했다. PFC는 이를 개선하여, IEEE 802.1p 표준에 정의된 8개의 트래픽 우선순위 클래스별로 흐름을 제어한다.78 스위치의 특정 우선순위 큐에 버퍼가 차기 시작하면, 스위치는 해당 우선순위 클래스에 대해서만 PAUSE 프레임을 전송하여 송신 측이 해당 트래픽의 전송을 일시 중단하도록 요청한다. 이 덕분에 손실에 민감한 스토리지 트래픽은 패킷 손실 없이 전송되도록 보장하면서, 다른 우선순위의 일반 데이터 트래픽은 영향을 받지 않고 계속 전송될 수 있다.80
• ETS (Enhanced Transmission Selection, IEEE 802.1Qaz): 서로 다른 우선순위를 가진 트래픽들이 링크 대역폭을 공정하게 공유하도록 보장하는 메커니즘이다.79 관리자는 여러 우선순위 클래스를 하나의 트래픽 그룹으로 묶고, 각 그룹에 최소 보장 대역폭을 할당할 수 있다. 이를 통해 낮은 우선순위의 트래픽이 높은 우선순위의 트래픽에 의해 대역폭을 전혀 사용하지 못하는 ‘기아(Starvation)’ 현상을 방지하고, 중요한 애플리케이션이 항상 최소한의 성능을 보장받도록 한다.78
• DCBX (Data Center Bridging Exchange Protocol, IEEE 802.1Qaz): DCB 환경에서는 연결된 스위치와 서버가 PFC, ETS 등 동일한 QoS 설정을 공유해야만 원활하게 동작할 수 있다. DCBX는 LLDP(Link Layer Discovery Protocol)를 확장한 프로토콜로, 두 장비가 연결될 때 서로의 DCB 기능과 설정 값을 자동으로 교환하고 협상하여 네트워크 전체의 QoS 설정을 일관되게 유지하도록 돕는다.79 이를 통해 수동 설정의 오류를 줄이고 네트워크 관리를 자동화한다.

PoE와 DCB의 등장은 이더넷이 단순한 ‘연결’ 기술을 넘어 ‘인프라 플랫폼’으로 진화했음을 보여주는 명백한 증거다. 초기 이더넷의 유일한 목적은 컴퓨터 간의 데이터 전송이었다. 그러나 PoE는 이더넷 케이블에 ‘전력 공급’이라는 새로운 차원의 기능을 추가하여, 이더넷을 조명, 센서, 보안 시스템 등 건물의 핵심 설비를 제어하는 물리적 인프라로 확장시켰다.75 동시에 DCB는 이더넷에 ‘서비스 품질 보장’과 ‘무손실’이라는 특성을 부여함으로써, 기존에 파이버 채널(Fibre Channel)과 같은 값비싼 전용 네트워크가 독점하던 스토리지 영역까지 통합할 수 있는 ‘통합 데이터 센터 패브릭’으로 진화시켰다.78 이더넷은 더 이상 데이터 패킷을 전달하는 파이프라인에 머무르지 않고, 물리적 세계의 장치를 제어하고 고성능 컴퓨팅의 요구사항을 충족시키면서 모든 것을 연결하는 ‘만능 인프라 플랫폼’으로 자리매김하고 있는 것이다.

표준 이더넷이 사무실이나 데이터 센터와 같이 통제된 환경을 위해 설계된 반면, 특정 산업 분야에서는 극한의 환경 조건과 엄격한 실시간 요구사항을 만족시키기 위한 특화된 이더넷 기술이 발전해왔다.

• 산업용 이더넷 (Industrial Ethernet): 공장 자동화, 스마트 팩토리, 전력 플랜트 등의 산업 현장은 극심한 온도 변화, 습기, 진동, 그리고 강력한 전자기 간섭(EMI) 등 열악한 환경에 노출되어 있다. 산업용 이더넷은 이러한 환경에서도 안정적인 통신을 보장하기 위해 견고하게 설계된 커넥터, 강화된 차폐 기능을 갖춘 케이블, 그리고 넓은 동작 온도 범위를 지원하는 산업용 등급의 스위치를 사용한다.83 또한, 로봇 제어나 공정 제어와 같이 수 밀리초(ms) 단위의 정밀한 시간 동기화와 결정론적(deterministic) 데이터 전송이 필수적인 애플리케이션을 위해, 표준 이더넷 위에 PROFINET, EtherCAT, EtherNet/IP와 같은 실시간 프로토콜을 추가하여 사용한다.
• 차량용 이더넷 (Automotive Ethernet): 현대 자동차는 수많은 전자제어장치(ECU), 카메라, 레이더, 라이다 센서, 그리고 고해상도 디스플레이로 구성된 복잡한 네트워크 시스템이다. 차량용 이더넷은 이러한 차량 내부 장치 간의 고속 데이터 통신을 위해 개발되었다. 가장 큰 특징은 무게와 비용을 절감하기 위해 차폐 처리가 되지 않은 단일 꼬임쌍선(Single Unshielded Twisted Pair, UTP)을 사용한다는 점이다.84 이는 기존의 CAN, LIN, FlexRay와 같은 차량용 통신 방식에 비해 월등히 높은 대역폭(100Mbps, 1Gbps 이상)을 제공하여 ADAS(첨단 운전자 보조 시스템)나 자율주행에 필요한 대용량 센서 데이터를 처리할 수 있게 한다.85 또한, 차량용 이더넷은 엄격한 EMI 요구사항을 충족하며, 시간 민감형 네트워킹(TSN, Time-Sensitive Networking) 표준을 통합하여 제동이나 조향과 같은 안전 필수(safety-critical) 시스템을 위한 낮은 지연 시간과 보장된 데이터 전송을 지원한다.85

산업용 및 차량용 이더넷의 등장은 이더넷의 핵심 가치가 단순히 ‘속도’에서 ‘특화된 신뢰성’으로 확장되고 있음을 시사한다. 지난 수십 년간 이더넷의 발전은 주로 더 빠른 속도에 초점이 맞춰져 왔다. 그러나 이들 특수 이더넷은 기가비트급 속도보다는 극한 환경에서의 ‘내구성’, 제어 시스템을 위한 ‘실시간성’, 그리고 차량의 무게와 비용에 직결되는 ‘케이블링 효율성’을 더 중요한 가치로 삼는다.83 이는 이더넷 기술이 사무실과 데이터 센터라는 통제된 환경을 벗어나, 물리적 세계와 직접 상호작용하는 ‘엣지(Edge)’ 환경으로 확산되고 있음을 의미한다. 미래 이더넷의 혁신은 단순히 데이터 전송률을 높이는 것을 넘어, 각 응용 분야의 고유한 요구사항(예: 기능 안전, 시간 동기화, 내환경성)을 만족시키는 방향으로 다각화될 것이며, 이는 이더넷이 ‘보편적 기술’에서 다양한 산업의 특정 요구에 맞춘 ‘맞춤형 기술’로 진화하고 있음을 보여준다.

스위치 기반의 현대 이더넷 환경은 데이터 링크 계층(Layer 2)에서 동작하므로, IP 주소나 포트 번호를 기반으로 하는 전통적인 방화벽(Layer 3/4)으로는 방어할 수 없는 고유한 보안 위협에 노출되어 있다. 이러한 위협에 대응하기 위해 스위치는 다양한 Layer 2 보안 기능을 제공한다.

• 포트 보안 (Port Security): 가장 기본적인 Layer 2 접근 제어 기능이다. 스위치의 특정 포트에 연결될 수 있는 장치의 MAC 주소를 제한한다.86 관리자는 포트당 허용할 MAC 주소의 최대 개수를 설정하거나, 특정 MAC 주소만 통신을 허용하도록 정적으로 지정할 수 있다. ‘Sticky MAC’ 기능을 사용하면 포트가 동적으로 학습한 첫 번째 MAC 주소를 자동으로 보안 정책에 등록하여 관리를 용이하게 할 수도 있다. 만약 허가되지 않은 MAC 주소를 가진 장치가 접속을 시도하면, 미리 설정된 위반 모드(Violation Mode)에 따라 동작한다. ‘Shutdown’ 모드는 해당 포트를 즉시 비활성화하여 관리자가 개입하기 전까지 사용을 막고, ‘Restrict’나 ‘Protect’ 모드는 비인가된 트래픽을 차단하면서 로그를 남기거나 조용히 폐기한다. 이를 통해 MAC 주소 위변조를 통한 네트워크 무단 접속 시도를 효과적으로 방어할 수 있다.86
• DHCP 스누핑 (DHCP Snooping): 네트워크 내에 공격자가 악의적인 DHCP 서버(Rogue DHCP Server)를 설치하여 클라이언트들에게 잘못된 IP 주소, 게이트웨이, DNS 서버 주소를 할당하는 공격을 방어하는 기능이다.86 DHCP 스누핑이 활성화된 스위치는 포트를 ‘신뢰(Trusted)’ 포트와 ‘비신뢰(Untrusted)’ 포트로 구분한다. 정상적인 DHCP 서버가 연결된 포트는 Trusted로, 일반 클라이언트 장치가 연결된 포트는 Untrusted로 설정한다. 스위치는 Untrusted 포트로부터 들어오는 모든 DHCP 서버 메시지(예: DHCPOFFER, DHCPACK)를 차단한다. 오직 Trusted 포트를 통해서만 DHCP 서버 메시지가 허용되므로, 인가되지 않은 DHCP 서버가 네트워크에 영향을 미치는 것을 원천적으로 막을 수 있다.86
• 동적 ARP 검사 (Dynamic ARP Inspection, DAI): ARP 스푸핑(ARP Spoofing) 공격을 방어하기 위한 강력한 보안 기능이다. ARP 스푸핑은 공격자가 네트워크상의 다른 장치(예: 게이트웨이)의 MAC 주소를 자신의 MAC 주소인 것처럼 속이는 위조된 ARP 응답 패킷을 보내, 희생자의 트래픽을 자신에게로 유도하여 도청하거나 변조하는 중간자 공격(Man-in-the-Middle) 기법이다. DAI는 DHCP 스누핑 기능과 연동하여 동작한다. DHCP 스누핑은 정상적인 IP 할당 과정을 감시하여 ‘IP 주소-MAC 주소’의 정확한 바인딩(binding) 정보를 데이터베이스로 구축한다. DAI가 활성화된 스위치는 수신되는 모든 ARP 패킷의 IP-MAC 매핑 정보가 이 DHCP 스누핑 바인딩 데이터베이스와 일치하는지를 검사한다. 만약 일치하지 않는 비정상적인 ARP 패킷이 감지되면, 이를 악의적인 공격으로 간주하고 해당 패킷을 차단한다. 이처럼 DAI는 신뢰할 수 있는 IP-MAC 매핑 정보를 기반으로 ARP 통신의 유효성을 검증함으로써 ARP 스푸핑 공격을 효과적으로 무력화한다.86

이더넷의 속도 발전은 멈추지 않고 있다. 특히 하이퍼스케일 데이터 센터, 인공지능(AI) 및 머신러닝(ML) 클러스터, 고해상도 비디오 스트리밍, 5G 모바일 네트워크 등에서 발생하는 데이터 트래픽의 폭발적인 증가는 100GbE를 넘어 400GbE, 800GbE, 그리고 1.6TbE(테라비트 이더넷)로의 진화를 가속화하고 있다.87 IEEE는 이러한 요구에 부응하여 2017년 400GbE 표준(IEEE 802.3bs)을 승인했으며, 현재는 800GbE 및 1.6TbE 표준화를 위한 802.3df 및 802.3dj 태스크포스를 운영 중이다.87

그러나 테라비트급 속도를 구현하는 것은 과거의 속도 향상과는 차원이 다른 기술적 과제들을 동반한다.

• 레인(Lane) 속도 향상과 신호 무결성: 과거의 고속 이더넷은 다수의 저속 레인(lane)을 병렬로 묶어 전체 대역폭을 높이는 방식을 주로 사용했다(예: 400GbE는 16x25G 또는 8x50G). 하지만 이 방식은 케이블과 커넥터의 복잡성을 증가시킨다. 따라서 더 높은 속도를 위해서는 개별 레인의 전송 속도를 100G, 200G 이상으로 높이는 것이 필수적이다.91 레인 속도가 높아지면 신호가 전송 매체를 통과하면서 발생하는 감쇠, 왜곡, 누화(Crosstalk) 등의 신호 무결성(Signal Integrity) 문제가 훨씬 심각해진다. 이를 해결하기 위해 기존의 NRZ(Non-Return-to-Zero) 방식보다 2배의 비트를 동일한 심볼 속도로 전송할 수 있는 PAM4(Pulse Amplitude Modulation, 4-level)와 같은 고차 변조 방식과, 전송 오류를 실시간으로 정정하는 강력한 순방향 오류 정정(FEC, Forward Error Correction) 기술이 핵심적인 역할을 한다.94
• 전력 소모 및 발열 문제: 속도가 두 배가 되면 스위치 칩과 광 트랜시버의 전력 소모는 두 배 이상으로 증가하는 경향이 있다. 400GbE, 800GbE급 장비의 막대한 전력 소모와 그로 인한 발열은 데이터 센터의 총소유비용(TCO)에서 전력 및 냉각 비용이 차지하는 비중을 임계점 이상으로 끌어올리고 있다.89 이는 단순한 속도 경쟁을 넘어 ‘에너지 효율성’이 차세대 이더넷 기술의 성패를 가르는 핵심 변수가 되었음을 의미한다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 전통적인 플러그형 광모듈을 스위치 칩과 동일한 패키지 내에 통합하여 전기 신호 경로를 최소화하고 전력 효율을 극대화하는 CPO(Co-packaged Optics) 기술이 차세대 솔루션으로 주목받고 있다.90 미래 이더넷 기술의 성패는 단순히 최고 속도를 달성하는 것이 아니라, 지속 가능한 전력 예산 내에서 ‘Gbps당 전력(Watt/Gbps)’과 ‘Gbps당 비용(Cost/Gbps)’을 최소화하며 가장 경제적으로 높은 대역폭을 제공할 수 있는지에 달려있다.

무선 기술의 발전은 역설적으로 유선 이더넷의 진화를 촉진하고 있다. Wi-Fi 6/6E, 그리고 최근 등장한 Wi-Fi 7은 이론적으로 수 Gbps에서 수십 Gbps에 달하는 높은 전송 속도를 제공한다.96 이러한 고성능 무선 AP(Access Point)가 제 성능을 발휘하기 위해서는 AP와 유선 네트워크를 연결하는 백홀(backhaul) 링크가 병목이 되어서는 안 된다. 기존의 1Gbps 이더넷은 이제 최신 Wi-Fi AP의 성능을 감당하기에 부족하게 되었고, 이는 1Gbps와 10Gbps 사이의 간극을 메우는 ‘멀티기가비트 이더넷(Multi-Gigabit Ethernet)’ 시장의 성장을 견인했다.97

IEEE 802.3bz 표준으로 제정된 2.5GBASE-T와 5GBASE-T는 기존에 널리 포설된 UTP Category 5e 및 Category 6 케이블 인프라를 그대로 활용하면서도 2.5Gbps 및 5Gbps의 속도를 제공할 수 있다.98 이는 값비싼 10GbE로 업그레이드하지 않고도 Wi-Fi 7 시대의 대역폭 요구사항을 충족할 수 있는 매우 비용 효율적인 솔루션을 제공한다.

이더넷과 Wi-Fi의 관계는 더 이상 ‘경쟁’이 아닌 ‘공생적 진화(Symbiotic Evolution)’의 관계로 심화되고 있다. Wi-Fi 기술의 발전이 멀티기가비트 이더넷이라는 새로운 유선 기술 시장을 창출하고, 반대로 안정적이고 빠른 이더넷 백본이 없다면 고성능 Wi-Fi는 제 성능을 발휘할 수 없다. Wi-Fi가 사용자 단말의 ‘접근성’과 ‘이동성’을 책임진다면, 이더넷은 그 막대한 트래픽을 처리하는 기간망의 ‘안정성’, ‘낮은 지연 시간’, 그리고 ‘보장된 대역폭’을 책임진다. 각 기술의 장단점을 비교하면 다음과 같다.

• 속도와 안정성: 이더넷은 물리적 케이블을 통한 전용 연결이므로 명시된 속도를 외부 간섭 없이 안정적으로 제공한다. 반면 Wi-Fi 7의 이론적 최고 속도는 여러 장치가 공유하는 총합 대역폭이며, 실제 체감 속도는 주변 전파 환경, 장애물, 연결된 장치 수에 따라 가변적이다.101
• 지연 시간 (Latency): 이더넷은 신호 처리 과정이 단순하고 외부 간섭이 없어 매우 낮은 지연 시간을 보장한다. 이는 실시간 온라인 게임, 가상현실(VR), 고품질 화상회의와 같이 응답성이 중요한 애플리케이션에서 절대적인 우위를 가진다.104 Wi-Fi 7은 MLO(Multi-Link Operation)와 같은 기술로 지연 시간을 개선했지만, 무선 통신의 본질적인 가변성으로 인해 이더넷의 안정성을 따라가기는 어렵다.96
• 보안: 물리적 접속이 필요한 이더넷은 공중으로 신호를 전파하는 Wi-Fi에 비해 본질적으로 더 높은 보안성을 제공한다.103

미래 네트워크는 어느 한쪽이 다른 쪽을 대체하는 것이 아니라, 각자의 강점을 극대화하는 방향으로 더욱 긴밀하게 통합될 것이다. 즉, 이동성이 필요한 단말은 Wi-Fi 7으로 연결하고, 고성능과 안정성이 요구되는 서버, 데스크톱, AP 백홀 등은 멀티기가비트 이더넷으로 연결하는 하이브리드 인프라가 표준이 될 것이다.

지난 50년간 이더넷은 끊임없이 변화하는 기술 환경 속에서 놀라운 적응력과 생존력을 보여주었다. 미래 네트워크 패러다임에서도 이더넷의 역할은 더욱 중요해질 것이다. AI/ML 학습을 위한 거대 클러스터, 자율주행 차량의 실시간 데이터 처리, 원격 수술 로봇 제어와 같은 미래 핵심 애플리케이션들은 단순히 ‘초고속’ 대역폭만을 요구하지 않는다. 이들은 ‘초저지연’과 ‘초신뢰성’을 동시에 요구하며, 데이터 전송의 예측 가능성이 시스템 전체의 성능과 안전을 좌우한다.

이러한 요구사항은 이더넷의 본질적인 강점과 정확히 일치한다. 유선 기반의 이더넷은 무선 통신이 극복하기 어려운 안정성, 예측 가능성, 그리고 보안성을 근본적으로 제공한다.101 또한 이더넷은 단순히 속도를 높이는 데 그치지 않고, TSN(Time-Sensitive Networking)과 같은 표준을 통해 엄격한 시간 동기화와 결정론적 데이터 전송을 보장하는 실시간 제어 네트워크로 진화하고 있다. 동시에 단일 파장(single-wavelength) 400G/800G 광전송 기술의 발전은 이더넷이 데이터 센터 내부를 넘어 통신 사업자의 장거리 광역 통신망(WAN)까지 직접적으로 포괄할 수 있는 가능성을 열어주고 있다.

결론적으로, 이더넷은 더 이상 단순한 LAN 기술이 아니다. 미래 디지털 사회의 가장 복잡하고 중요한 요구사항들을 해결하는 핵심 기반 기술로서, 속도 경쟁을 넘어 다양한 산업의 특화된 요구를 수용하는 방향으로 그 영역을 계속 확장해 나갈 것이다.

이더넷은 1973년 제록스 PARC의 한 메모에서 시작하여 지난 50년간 디지털 시대를 이끌어온 가장 성공적인 네트워크 기술로 자리매김했다. 이더넷이 수많은 경쟁 기술을 물리치고 시장을 지배할 수 있었던 핵심 성공 요인은 몇 가지로 요약할 수 있다. 첫째, 개방형 표준화이다. 특정 기업에 종속되지 않고 IEEE라는 공신력 있는 기관을 통해 표준이 제정됨으로써, 수많은 제조사가 상호 운용 가능한 장비를 저렴하게 생산할 수 있는 생태계가 조성되었다.56 둘째,

철저한 하위 호환성이다. 10Mbps에서 400Gbps에 이르기까지, 이더넷은 기존 인프라와의 호환성을 최대한 유지하며 점진적으로 발전하여 사용자들이 막대한 투자 비용 없이도 네트워크를 업그레이드할 수 있도록 했다.56 셋째,

단순성과 비용 효율성이다. CSMA/CD에서 시작된 단순한 프로토콜 구조와 저렴한 UTP 케이블의 채택은 이더넷을 누구나 쉽게 접근하고 설치할 수 있는 기술로 만들었다. 넷째, 뛰어난 확장성이다. 특히 스위칭 기술의 도입은 충돌 도메인을 분리하고 전이중 통신을 가능하게 함으로써, 이더넷이 소규모 사무실 네트워크에서부터 수만 대의 서버를 연결하는 하이퍼스케일 데이터 센터까지 아우를 수 있는 기반을 마련했다.

이더넷은 과거의 유산에 머무르지 않고 현재도 끊임없이 진화하고 있다. PoE 기술을 통해 데이터와 전력을 통합하는 스마트 빌딩의 중추 신경망으로, DCB 기술을 통해 무손실 데이터 전송이 요구되는 데이터 센터의 통합 패브릭으로, 그리고 TSN 기술을 통해 정밀한 실시간 제어가 필요한 산업 및 차량용 네트워크로 그 영역을 확장하고 있다. 속도, 안정성, 저지연, 보안이라는 이더넷의 근본적인 가치는 AI, 클라우드, 자율주행 기술이 고도화될수록 더욱 중요해질 것이다. 따라서 이더넷은 앞으로도 디지털 인프라의 가장 신뢰할 수 있는 기반으로서 그 역할을 굳건히 수행하며 미래 네트워크 패러다임을 이끌어 나갈 것으로 전망된다.

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38. [개발 일기] 2025.01.07 - OSI 7계층 (데이터 링크 계층) - 형석이의 성장일기, 8월 8, 2025에 액세스, https://gudtjr2949.tistory.com/59
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42. TCP/IP 란? - 쫌쫌따리 공부하깅 - 티스토리, 8월 8, 2025에 액세스, https://seokhee0516.tistory.com/entry/TCPIP-%EB%9E%80
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78. Data Center Bridging (DCB) - 30.3 - ID:705831

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82. Data center bridging for storage and lossless Ethernet - HPE Aruba Networking, 8월 8, 2025에 액세스, https://arubanetworking.hpe.com/techdocs/AOS-CX/10.11/HTML/qos_8400/Content/Chp_DCB/dcb.htm
83. What Is The Difference Between Automotive Ethernet And Industrial …, 8월 8, 2025에 액세스, https://www.indmall.in/faq/what-is-the-difference-between-automotive-ethernet-and-industrial-ethernet/
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87. Terabit Ethernet - Wikipedia, 8월 8, 2025에 액세스, https://en.wikipedia.org/wiki/Terabit_Ethernet
88. 400Gb Ethernet gear rolls out as 800GbE spec revealed - TechCentral.ie, 8월 8, 2025에 액세스, https://www.techcentral.ie/just-as-400gb-ethernet-gear-rolls-out-an-800gbe-spec-is-revealed/
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90. TEF 2021: The Road beyond 400 Gigabit Ethernet- Opportunities and Challenges, 8월 8, 2025에 액세스, https://ethernetalliance.org/blog/2021/02/16/tef-2021-the-road-beyond-400-gigabit-ethernet-opportunities-and-challenges/
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92. The Journey to 800GbE and 1.6TbE

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94. Key Challenges and Innovations for 800G and 1.6T Networking

    Keysight Blogs, 8월 8, 2025에 액세스, https://www.keysight.com/blogs/en/inds/2023/02/15/key-challenges-and-innovations-for-800g-and-16t-networking

95. Cisco Makes Terabit Scale Ethernet Networking a Reality with 400 GbE Technology, 8월 8, 2025에 액세스, https://blogs.cisco.com/datacenter/cisco-makes-terabit-scale-ethernet-networking-a-reality-with-400-gbe-technology
96. Wi-Fi 7 vs. Ethernet: Which is best? - Meter, 8월 8, 2025에 액세스, https://www.meter.com/resources/wi-fi-7-vs-ethernet

97. Multi-Gig Explained: Wi-Fi 7’s Best Friend

    Dong Knows Tech, 8월 8, 2025에 액세스, https://dongknows.com/multi-gig-explained/

98. Enabling Multi-Gig Connectivity with High-Performance 2.5G Ethernet Solutions - MaxLinear, 8월 8, 2025에 액세스, https://www.maxlinear.com/news/white-papers/2025/enabling-multi-gig-connectivity-with-high-performance-2-5g-ethernet-solutions

99. PUTTING 2.5 & 5 GIGABIT ETHERNET TO THE TEST - NextGig Systems

    , 8월 8, 2025에 액세스, https://www.nextgigsystems.com/new/wp-content/uploads/Xena-2.5-5GE-WP.pdf

100. 2.5GBASE-T and 5GBASE-T - Wikipedia, 8월 8, 2025에 액세스, https://en.wikipedia.org/wiki/2.5GBASE-T_and_5GBASE-T
101. Ethernet vs WiFi: Comparing Network Latency - Lightyear.ai, 8월 8, 2025에 액세스, https://lightyear.ai/tips/ethernet-versus-wifi-latency
102. Wi-Fi vs. Ethernet: How Much Better Is a Wired Connection? - How-To Geek, 8월 8, 2025에 액세스, https://www.howtogeek.com/217463/wi-fi-vs.-ethernet-how-much-better-is-a-wired-connection/

103. Wired vs. Wireless: Is Ethernet Faster Than Wi-Fi?

     All About Cookies - AllAboutCookies.org, 8월 8, 2025에 액세스, https://allaboutcookies.org/is-ethernet-faster-than-wifi

104. Ethernet vs Wi-Fi: Does Wired Still Matter in 2025? - MATE, 8월 8, 2025에 액세스, https://www.letsbemates.com.au/mate/ethernet-vs-wifi-2025-wired-still-matters/
105. Ethernet Evolution: Trends, Challenges, and the Future of Interoperability - Synopsys, 8월 8, 2025에 액세스, https://www.synopsys.com/blogs/chip-design/ethernet-evolution-trends-challenges-future.html