허브와 스위치

Об этом предложении

시작하기 전에 지금까지 네트워크 장비에 대해서 계속해서 공부하고 있는데 이번 파트에서는 여러 대의 호스트를 연결하는 허브 와 MAC 주소를 통해 원하는 포트로만 내보내도록 하는 스위치 에 대해서 배울 것이다. 그 과정에서 관련된 동작 방식인 반이중 모드 통신과 전이중 모드 통신, 허브에서 발생하는 충돌이라는 문제를 해결하기 위한 프로토콜인 CSMA/CD 도 배울 것이다. 시작하기에 앞서 짚어둘 것은 물리 계층은 주소 개념이 없다 는 것이다. 그렇기에 물리 계층의 네트워크 장비는 정보를 보낼 때 어떤 조작이나 판단을 하지 않는다. 하지만 데이터 링크 계층에는 MAC 주소라는 개념이 있다. 그렇기에 이 정보의 주소에 대한 조작과 판단을 할 수 있는 것이 특징이다. 허브 허브는 여러 대의 호스트를 연결하는 장치이다. 위 그림과 같이 커넥터를 연결할 수 있는 4개의 연결 지점이 있는데 이걸 포트 라고 한다. 허브는 2가지 큰 특징이 있다. 첫째, 전달받은 신호를 다른 모든 포트로 그대로 다시 내보낸다. 아까 시작하기에 앞서 말했듯이 물리 계층에서는 주소 개념이 없기에 허브는 수신지를 특정하지 않고 신호를 전달받으면 어떠한 조작이나 판단 없이 모든 포트에 보내기만 한다. 그래서 신호를 전달받은 호스트의 데이터 링크 계층은 그 일단 전달해놓은 신호의 MAC주소를 보고 자신과 관련 없으면 폐기한다. 둘째, 반이중 모드로 통신한다. 반이중(half duplex) 모드는 송수신을 번갈아가면서 하는 통신 방식이다. 일방통행이 아닌 1차선 도로로 비유할 수 있다. 무전기가 다른 쪽 말이 끝나야 이쪽에서 말할 수 있는 그런 방식과 같다고 보면 된다. 이와 반대되는 개념인 전이중(full duplex) 모드는 송수신을 양방향으로 할 수 있는 2차선 도로와도 같은 통신 방식이다. 이러한 2가지 특징은 중요한 네트워크 개념을 내포하면서 허브의 한계를 설명하기도 한다. 콜리전 도메인 한 호스트가 허브에 송신할 때 다른 호스트가 송신해버리면 어떻게 될까? 충돌(콜리전) 이 발생한다. 이렇게 한 허브에 호스트가 많이 연결될 수록 충돌이 발생할 가능성이 높다. 이렇게 충돌이 발생할 수 있는 영역을 콜리전 도메인이라 한다. 이렇게 허브의 넓은 콜리전 도메인의 충돌 문제를 해결하기 위해 CSMA/CD 프로토콜을 사용하거나 스위치 장비를 사용한다. CSMA/CD 풀어서 쓰면 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection이다. 캐리어를 감지, 다중 접근, 충돌 검출 이라는 의미 3개가 담긴 단어이다. 이걸 하나하나 살펴보도록 하자 CS(Carrier Sense), 캐리어 감지 누가 보내고 있나? 하고 허브에 전송 중인 호스트가 있는지 눈치보는 신호 감지. MA(Multiple Access), 다중 접근 캐리어 감지를 해도 부득이하게 동시에 네트워크를 사용할 때가 있다. 물론 충돌은 발생한다. CD(Collision Detection), 충돌 검출 충돌이 발생했다면 이를 검출하는데, 이걸 충돌 검출이라 한다. 충돌을 검출한 호스트는 다른 호스트에게 충돌이 발생했다고 알리기 위해 잼 신호라는 특별한 신호를 보내고 임의의 시간 대기 후 다시 전송한다. 정리하자면 현재 누가 보내고 있는지 확인하고, 다른 호스트가 전송 중이지 않을 때만 메시지를 보낸다. 만약 부득이하게 충돌이 일어났다면 임의의 시간동안 대기 후 다시 전송한다. 스위치 허브처럼 반이중 모드로 통신하면 충돌 위험이 있지만 애초에 전이중 모드로 통신을 한다면 CSMA/CD를 사용할 필요도 없어진다. 이런 기능을 지원하는 게 스위치이다. 데이터 링크 계층에서 쓰이는 스위치는 2계층에서 사용한다 해서 L2 스위치 라고도 불린다. 여러 포트에 호스트를 연결할 수 있는 점은 허브와 유사하지만 스위치는 허브와 달리 특정 MAC 주소를 가진 호스트에만 프레임을 전달할 수 있고, 전이중 모드의 통신을 지원하는 차이점이 있다. 스위치는 특정 포트와 그 포트에 연결된 호스트의 MAC 주소와의 관계를 기억하는 MAC 주소 학습 이라는 중요한 특징이 있다. 관계를 기억하기 위해 메모리에 표 형태로 기억하는데 이 표 형태의 정보를 MAC 주소 테이블 이라고 한다. 그럼 이 MAC 주소 학습은 어떻게 이루어질까? MAC 주소 학습 MAC 주소 학습은 3가지 기능을 통해 이루어진다. 플러딩 포워딩과 필터링 에이징 위 사진에서 A에서 C로 프레임을 전송하는 상황을 보자. 처음에 A가 스위치로 프레임을 송신하면 받은 프레임의 송신지 MAC 주소 를 바탕으로 A의 MAC 주소와 연결된 포트를 **MAC 주소 테이블에 저장한다. 그 다음 수신했던 1번 포트를 제외한 나머지 모든 포트(2,3,4번)에 프레임을 전송하는데 이걸 플러딩 이라고 한다. B와 D는 자신과 관련 없는 프레임이라 폐기한다. 반면 C는 자신이 받은 프레임에 대해 응답 프레임을 전송하고 이 때 C가 스위치에게 프레임을 줄 때 송신지 MAC 주소 도 같이 주므로 스위치는 C의 MAC 주소와 연결된 포트를 알아낸다. 이제 A와 C의 MAC 주소와 연결된 포트를 알기에 두 호스트끼리 프레임을 주고 받을 땐 아까처럼 B와 D에게 프레임을 보내지 않아도 된다. 이렇게 두 호스트의 MAC 주소와 연결된 포트를 알았을 때 보낼 포트를 제외하고 다른 모든 포트는 가리는 것을 필터링 이라고 하고 전송될 곳에 프레임을 보내는 것을 포워딩 이라고 한다. 만약 A와 C같은 관계에서 일정 시간동안 프레임을 주고받지 않았다면 해당 항목은 삭제된다. 이를 에이징 이라고 한다. 브리지 스위치랑 유사한 장비로 브리지 라는 장비도 있는데 네트워크 영역을 구획해 도메인을 나누거나 네트워크를 확장하는 용도로 쓰인다. 앞서 설명한 스위치의 기능도 제공하지만 최근엔 스위치가 대중화되어 사용 빈도는 줄어드는 추세이다. VLAN 스위치의 또 다른 중요한 기능인 VLAN은 Virtual LAN의 줄임말로 말 그대로 한 대의 스위치로 가상의 LAN을 만든다. 한 대의 스위치에 연결된 모든 호스트들이 언제나 서로 메시지를 자주 주고 받는 소속감이 강한 경우가 아닐 수 있다. 위 사진과 같이 하나의 스위치에 서로 다른 부서가 나누어질 수도 있는 것이다. 이렇게 되면 굳이 받지 않아도 될 브로드캐스트 메시지를 안 받는다고 분리하고자 새로운 스위치 장비를 구비하는 것은 낭비가 될 것이다. 이럴 때 VLAN을 구성하면 한 대의 물리적 스위치로 여러 대의 스위치가 있는 것 처럼 논리적인 LAN을 구획할 수 있다. 이렇게 VLAN을 구성하면 호스트 A D와 호스트 E I는 물리적인 거리와 관계없이 다른 LAN에 있는 것처럼 인식하고 브로드캐스트 도메인도 달라지게 된다. 이런 VLAN을 구성하는 방법 중 가장 대중적인 방식으로 포트 기반 VLAN 이 있다. 사전에 특정 포트에 VLAN을 할당하고 그 포트에 호스트를 연결하는 방법이다. 하지만 이는 포트 수가 부족해질 때 여러 대의 스위치를 구비해 같은 VLAN 포트끼리 연결할 때 포트가 낭비되는 문제가 생긴다. 이럴 때 VLAN 트렁킹 이라는 방법으로 해결할 수 있다. 스위치 간 통신을 위한 특별한 포트인 트렁크 포트 에 VLAN 스위치를 서로 연결해, 낭비되는 포트를 최소화 하고 같은 스위치에 연결되어 있지 않아도 같은 LAN에 속하도록 네트워크를 구성할 수 있다. 트렁크 포트로 전달받은 프레임이 어떤 VLAN 소속인지 확인하는 방법 프레임이 스위치 A에서 B로 트렁크 포트로 전달될 때 어떤 VLAN에 속한 프레임인지 알 수 있을까? 스위치가 학습되지 않은 MAC 주소를 포함한다면 잘 알 수 없기에 802.1Q 프레임 이라는 확장된 이더넷 프레임에 포함된 32비트 크기의 VLAN 태그 라는 정보로 식별한다. MAC 기반 VLAN MAC 주소에 따라 VLAN이 결정되는 방식. 위 그림과 같이 MAC 주소 테이블 같은 표 형식의 매핑 테이블을 통해 VLAN을 결정한다.