[네트워크 기초] 스위치 초보 입문

1. 리피터 허브와 브릿지

스위치는 네트워크의 중심 역할을 하는 기기이다. 기업 네트워크에서는 리피터 허브도 스위치로 바뀌었다. 다음과 같은 이유를 들수 있다.

• 향상된 네트워크 속도 제공
  - 각 컴퓨터에서 주고 받는 데이터가 허브처럼 다른 모든 컴퓨터에 전송되는 것이 아니라, 데이터를 필요로 하는 컴퓨터에만 전송되기 때문에 가능
• 병목 현상이 쉽게 생기지 않음
• 전이중 통신방식(full duplex)을 지원하기 때문에 송신과 수신이 동시에 일어나는 경우 훨씬 향상된 속도를 제공

CSMA/CD 방식

리피터 허브는 PC나 네트워크 기기 등의 단말에서 LAN 케이블을 꽂고 통신 데이터를 중계하기 위한 기기다. 리피터 허브는 데이터를 보내기 위한 규칙으로 CSMA/CD 방식을 채용하고 있다.

CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)란, 다음과 같은 방식이다.

① 먼저 데이터를 기다린다 - CS(Carrier Sense)

송신한 데이터를 기다리는 단말은 전송로를 다른 단말이 사용하고 있지 않은가를 확인한다.

그림 CS(Carrier Sense)

전송로에 접속된 모든 단말은 항상 전송로 상의 모든 신호를 듣고, 보고 있으므로 저송로가 비어 있는지 알 수 있다.

② 누구라도 송신할 수 있다 - MA(Multiple Access)

데이터를 송신하고 싶은 단말은 ①의 CS에서 다른 단말이 통신하지 않는 것이 확인되면 언제든 송신할 수 있다.

이때, 어떤 특징 단말만이 아닌, 데이터를 송신하고 싶은 모든 단말에 송신할 수 있는 권리가 있다. 이것을 멀티플 액세스(이하 MA)라고 부른다.

그림 MA(Multiple Access)

③ 충돌을 검출한다 - CD(Collision Detection)

만약 거의 같은 시간에 여러 대의 단말에서 액세르를 시작했을 경우, 전송로상에서 데이터를 충돌(콜리전)이 발생한다. 이것이 발생하면 각각의 데이터가 손실되므로 송신 측 단말은 콜리전을 검출하면 정산적인 ㅈ어보를 다시 보내야만 한다. 이 콜리전을 검출하는 구조를 콜리전 디텍션(이하 CD)이라고 부른다.

그림 CD(Collision Detection)

콜리전 도메인

CSMA/CD 방식에 있어서 데이터 손실이 발생하는 범위를 콜리전 도메인이라고 부른다. 콜리전 도메인 안에서는 한 번에 일대일 단말밖에 통신할 수 없다.

그림 콜리전 도메인 내에서 통신할 수 있는 것은 일대일 통신뿐이다

예를 들어, 단말 A가 단말C에게 송신하고 있는 상황에서 다른 모든 단말은 데이터를 송신할 수 없다.

CSMA/CD에 의한 액세스 제어로는 데이터 충돌이 일어나 더는 사용할 수 없게 된다. 여기서 문제는 '하나의 콜리전 도메인 아에 여러 대의 단말이 존대하고 있다.' 라는 것이다. 콜리전 도메인을 작게 나누어서 여러 대의 단말로 분리해 대수를 줄이면 될 것이다. 이것은 리피터 허브 기능에서는 구현이 불가능하나, 스위치와 브릿지라면 구현할 수 있다.

콜리전 도메인을 분할할 수 있는 브릿지

콜리전 도메인을 분할하는 네트워크 기기로 스위치 이외에 브릿지라는 기기가 있다.

스위치와 마찬가지로 데이터 링크 계층에 위치하여 동일한 기능을 제공하는 네트워크 기기다.

콜리전도메인을 분할하는 열쇠는 브릿지가 가진 필터링 기능이다.

필터링
- 프레임 내의 MAC 주소를 평가하여 그 프레임을 브릿지를 통해 중계할 것인지를 판단하는 기능을 말한다. (네트워크 간의 필요 없는 데이터 송신을 억제, 콜리전 발생을 방지)

필터링 기능의 구조
- 네트워크를 넘어가지 못하도록 한다
- 트래픽을 정리하고 LAN의 중계 역할을 한다

2. 스위치의 기본

리피터 허브와의 차이

• 리피터 허브는 장비 자체가 콜리전 도메인
• 브릿지나 스위치는 각 포트가 콜리전 도메인

브릿지와 스위치의 차이

• 브릿지는 소프트웨어 처리
• 스위치는 하드웨어 처리

스위치의 포인트

스위치는 OSI 기본 참조 모델의 2계층(데이터링크)에 해당되는 중계기라고 생각하면 된다.

그림 스위치는 데이터링크 계층에 해당되는 중계기

레이어2 스위치는 접속하고 있는 단말의 MAC 주소나 접속 포트 등의 정보를 자동적으로 학습하고 MAC 주소 테이블에 저장하여 그 정보를 기반으로 해당 포트에 프레임을 전송한다. 그로 인해, 동시에 여러 포트로 통신함으로써 전송 효율이 높은 네트워크를 구현한다.

스위치의 사용 예

스위치는 포트별로 콜리전 도메인을 분할한다. 이것을 이용하면 효율적인 네트워크를 구상해 볼 수 있다.

예를 들어, 아래 그림과 같이 네트워크는 리피터 허브로만 구성되어 있다. 이 구성이라면 각 그룹 내에세 대량의 데이터가 오고 갈 때, 그룹 A 내에서 통신이 이루어지고 있다면, 그룹 B,C는 통신할 수 없다. 다른 그룹도 마찬가지이다.

그림 리피터 허브로는 비효율적

아래와 같이 스위치를 도입하면 그룹별로 콜리전 도메인이 분할된다. 그룹 A 내에서 통신이 이루어질 때,  그룹 B,C 내에서도 통신을 할 수 있다.

그림 스위치로 콜리전 도메인을 분할

브로드캐스트 도메인

레이어2 스위치는 MAC 주소 테이블을 참조하여 프레임의 목적지 포트를 결정하지만, 목적지 MAC 주소가 보르대캐스트 주소(FFFF:FFFF:FFFF)로 되어 있는 브로드캐스트 프레임에 대해서는 모든 포트에 전송하게 된다. 단, VLAN 기능이 있다면 이것을 조정할 수 있다.

MAC 주소의 학습 프로세스

스위치는 접속되어 있는 단말의 MAC 주소를 자동으로 학습하고 MAC 주소 테이블에 등록한다. 네트워크 관리자가 수동으로도 등록할 수도 있다.

3. VLAN

VLAN이란, 하나의 물리적인 네트워크를 복수의 논리적 네트워크로 분할하는 기술이다.

VLAN의 이점으로는 다음의 세 가지가 있다.

• 네트워크 구성을 간단히 변경
• 조직에 맞춰 네트워크를 분할하여 보안을 강화
• 브로드캐스트로 대역폭의 소비를 절약

VLAN의 종류에는 스위치 포트와 VLAN을 대응시킨 포트 VLAN(고정 VLAN)과 스위치의 포트에 접속한 호스트 정보를 보고 소속된 VLAN을 동적으로 변경하는 동적 VLAN이 있다.

4. 스위치의 종류

스위치에는 레이어2 이외의 계층을 제어할 수 있는 스위치가 있고, OSI 기본 참조 모델 일곱 계층 중에 어느 계층에 속하는지에 따라 레이어3 스위치, 레이어 4~7 스위치라고 부른다.

레이어3 스위치

- 레이어2 스위치에 라우터 기능을 추가한 것이다.

- VLAN 간 통신이 가능하다.

- IP 패킷 전송을 하드웨어로 처리한다.

네트워크 부하를 분산하는 로드밸런서(레이어4~7 스위치)

'웹서버에서 응답 속도가 느려졌다.'라는 애플리케이션 레벨의 문제는 다음 두가지 원인을 생각할 수 있다.

• 네트워크 인프라 전체에 발생한 문제인가?
• 웹 서버(애플리케이션) 자체의 문제인가?

레이어4 이상의 애플리케이션 레벨 보완에 사용되는 기기가 레이어4~7 스위치다.

※ 로드밸런서기능

• 부하분산 기능
• 산태 확인 기능

[출처]

풍부한 그림과 사진으로 배우는 네트워크  더 쉽게, 더 깊게 제3판, 미카미 노부오 지음 / 박상욱 옮김