[네트워크] 스위치 & 브리지

1     스위치 & 브리지

1.1    브리지

-      허브와 마찬가지로 Ethernet 장비를 물리적으로 연결하고 Frame의 전송거리를 연장한다.

-      허브는 어떠한 필터링도 하지 않는 반면, 브리지의 동작 원리는 MAC 주소를 기반으로 패킷을 분석하여 폐기하거나 전송한다.

-      허브와는 달리 Layer 2주소인 MAC주소를 보고 Frame전송 포트를 결정한다

-      단순히 전기적 신호만을 증폭시키는 것이 아니라 Frame을 다시 만들어서 전송한다.

-      소프트웨어 기반으로 작동한다.

-      필터링 기능을 통해 불필요한 트래픽을 줄이거나 콜리전 도메인의 크기를 줄여 효율성을 높인다.

1.2    스위치

-      MAC주소와 해당 장비의 포트번호가 기록된 MAC Address 테이블을 보고 목적지에게만 Frame을 전송한다.

-      한 포트에서 전송되는 Frame이 MAC Address 테이블에 있는 특정 포트로만 전송하기 때문에 다른 포트가 전송하는 Frame과 충돌이 발생하지 않는다.

-      브리지와 기능은 같지만 하드웨어 기반으로 작동한다.

-      각각의 포트가 하나의 Collision Domain에 있다고 표현한다.

1.3    브리지와 스위치의 기능

1)    Learning

브리지나 스위치는 자신의 포트에 연결된 PC가 통신을 위해 Frame을 보내면 이 PC의 MAC Address 읽어서읽어서 자신의 MAC Address테이블에 저장하고 나중에 참고하여 다리를 건너게 할지를 결정한다.

2)    Flooding

들어온 포트를 제외한 나머지를 모든 포트로 Frame을 뿌리는 것을 의미한다. 브로드캐스트나 멀티 캐스트의 경우에도 발생한다.

3)    Forwarding

브리지가 목적지의 MAC Address를 자신의 브리지 테이블에 가지고 있고, 이 목적지가 출발지의 목적지와 다른 세그먼트에 존재하는 경우에 일어난다. 즉, 목적지가 어디 있는지를 알고 있는데 그 목적지가 다리를 건너가야만 하는 경우에 발생하며 해당 포트로만 Frame을 뿌린다.

4)    Filtering

브리지를 못 넘어가게 막는다는 뜻이다. 브리지가 목적지의 MAC Address를 알고 있고 출발지와 목적지가 같은 세그먼트 상에 있는 경우 브리지를 건너가지 않아도 통신이 일어날 수 있기에 이때 Filtering을 하게 된다. Filtering으로 인해 허브와는 다르게 콜리전 도메인을 나누어 줄 수 있다.

5)    Aging

새로운 MAC Address를 기억하는데 Default로는 300초이다. Aging이란 이것에 관련된 타이머이다. 어떤 MAC Address를 브리지 테이블에 저장하고 나면 그때부터 300초가 지나도록 더 이상 그 출발지 주소를 가진 Frame이 들어 오지 않으면 테이블에서 삭제시킨다.

1.4    브리지와 스위치의 차이점

	브리지	스위치
처리방식	소프트웨어	하드웨어
포트별 속도	포트별 같은 속도 지원	포트별 다른 속도 지원
포트 수	2~3개	몇 십 ~ 몇 백 개
전송방식	Store and Forwarding	Store and Forwarding, Cut through, Fragment Free

-      Store and Forwarding

스위치나 브리지가 일단 들어오는 프레임을 전부 받아들인 다음 처리를 시작하는 방식이다. 프레임을 모두 받아들이고 나서 이 프레임이 제대로 다 들어왔는지, 에러는 없는지, 출발, 목적 주소는 어디인지 파악해 처리를 하는 방식으로써 만약 이때 에러가 발견되면 브리지나 스위치는 이 프레임을 버리고 재전송을 요구하기 때문에 에러 복구 능력이 뛰어나다. 따라서 회선 상에 에러가 자주 발생하거나 또는 출발지와 목적지의 전송 매체가 다른 경우 자주 사용되는 방식이다.

-      Cut Through

스위치가 들어오는 프레임의 목적지 주소만을 본 다음 바로 전송 처리를 시작하는 방식이다. Store and Forwarding 방식처럼 프레임이 다 들어오기를 기다리지 않고 앞에 들어오는 목적지 주소만을 본 다음 바로 목적지로 전송하기 때문에 처음 48비트 만을 보게 된다. 처리를 빨리 한다는 장점을 가지고 있지만 프레임에 발생됐을지 모를 에러를 찾아내기 어렵다.

-      Fragment Free

Store and Forwarding 방식과 Cut Through방식의 장점을 결합한 방식이다. 전체 프레임이 다 들어올 때까지 기다릴 필요가 없다는 측면에서는 Cut Through방식을 닮았지만 Cut Through처럼 처음 48비트 만을 보는 것이 아니라 처음 512비트를 보게 된다. 따라서 에러 감지 능력이 Cut through에 비해서 우수하다.

1.5    허브와 스위치의 차이점

-      가장 큰 차이점은 스위치는 포트 별로 콜리전 도메인이 나눠져 있지만 허브는 그렇지 않다는 것이 가장 큰 차이점이다.

	허브	스위치
작동 원리	허브의 경우에는 단순히 중계기 역할을 한다. 허브에 여러 대의 컴퓨터가 연결되어 있고 컴퓨터 A가 컴퓨터 B로 신호를 보내면 그 신호는A와 B를 제외한 연결된 모든 컴퓨터로 전송된다. 즉 모든 신호를 브로드캐스트 한다.	스위치에는 내부에 메모리를 가지고 있어 각 포트에 연결되어 있는 컴퓨터들의 MAC 주소들이 여기에 기록되어 있다. 즉, 컴퓨터 A가 B로 신호를 보내면 그 신호는 컴퓨터 B로만 전달되고 다른 컴퓨터에는 신호를 보내지 않는다.
내부 구조	동시에 신호가 오가면 충돌이 생기게 된다. 따라서 한쪽 신호가 지나간 후에 다른 포트에서 신호를 보내게 되어있다.	허브의 경우 내부 연결 통로(버스)를 공유하는 방식이다. 하지만 스위치의 경우 각 포트 별로 상대 포트로 향하는 독립적인 통로(버스)를 가지고 있다. 허브의 경우 버스를 공유하다 보니 서로 충돌이 발생하게 되고 충돌이 발생하면 해당 컴퓨터는 다시 통신을 시도해야 하지만 스위치의 경우 다른 포트의 통신 유무에 상관없이 통신을 할 수 있다.

1.6    스위치와 라우터의 차이점

-      스위치는 포트 연결 시 자동으로 인터페이스가 활성화되어 사용 가능하므로 PnP장치라고도 한다. 라우터는 인터페이스가 자동으로 활성화되어 있지 않고, 인터페이스에 IP주소를 설정해 주어야만 통신이 가능해진다.

-      스위치는 같은 네트워크끼리만 통신이 가능하지만, 라우터는 서로 다른 네트워크 주소를 가진 네트워크 간의 통신이 가능하다.

-      스위치는 이더넷(UTP기반)만을 지원하지만, 라우터는 이더넷 외에 PPP [1]나 HDLC [2] 같은 다양한 프로토콜을 지원한다.

1.6.1     허브, 스위치, 라우터 간단 비교

Hub Layer 1
	패킷이 들어오면 들어온 패킷을 제외한 모든 포트로 패킷을 포워딩한다.	모든 포트가 하나의 콜리전 도메인으로 이루어져 있다.	연결된 모든 장비가 하나의 네트워크이다.
Switch Layer 2
	패킷이 들어오면 들어온 MAC 테이블을 통해 패킷을 포워딩한다.	VLAN을 이용하여 콜리전 도메인을 분리할 수 있다.	연결된 모든 장비가 하나의 네트워크이다.
Router Layer 3
	패킷이 들어오면 들어온 IP 테이블을 통해 패킷을 포워딩한다.	-	라우터 포트를 기준으로 네트워크가 분리된다.

1.7    브리지와 스위치의 루핑 (Looping)

-      스위치나 브리지의 경로가 2개 이상 만들어질 때 발생한다.

-      호스트가 브로드캐스트 패킷을 보내면 이더넷의 특성상 같은 세그먼트에 있는 모든 네트워크 장비에 브로드캐스트가 전달된다. 브리지는 브로드캐스트 패킷을Flooding 하여 상대방 쪽 세그먼트로 브로드캐스트 패킷을 보낸다. 반대쪽으로 건너간 브로드캐스트 패킷은 다시 양쪽 브리지에서 다시Flooding 되어 전달된다. 이러한 과정이 반복되어 루핑이 발생한다.

-      루핑이 발생되면 CSMA/CD의 특성 때문에 네트워크가 무용지물 상태로 빠지게 된다.

-      프레임이 네트워크 상에서 무한정으로 주고받으며 반복적으로 돌기 때문에 이더넷 특성상 네트워크가 조용해 지기를 기다리면서 데이터를 전송하지 못하는 현상이다. 이와 같은 루핑은 네트워크를 치명적인 상태에 빠뜨릴 수 있다.

-      루핑 현상은 스패닝 트리 알고리즘(Spanning Tree Algorithm)으로 막을 수 있다.

루핑

1.8    스패닝 트리 알고리즘 (Spanning Tree Algorithm)

-      스위치 간의 실제 링크는 두 개이지만, 데이터는 한쪽으로만 다니게 하는 것이다.

-      하나의 링크가 끊어졌을 때를 대비하는 것이다.

-      스위치나 브리지에서 발생할 수 있는 루핑을 미리 막기 위해 두 개 이상의 경로가 발생하면 하나를 제외하고 나머지 경로들을 자동으로 막아두었다가 만약 기존 경로에 문제가 생기면 막아놓은 경로를 풀어서 데이터를 전송하는 알고리즘이다.

-      스패닝 트리 알고리즘에도 불구하고 인터넷이 다시 연결되는 시간은 약 1분 정도의 시간이 소요된다. 따라서 이런 약점을 보완한 알고리즘 Ether-Channel 알고리즘이 나왔다. 이 기술은 여러 개의 링크가 마치 하나의 링크처럼 인식되게 하는 기술이다.

 

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[1] Point to Point Protocol: 컴퓨터가 TCP/IP에 접속할 수 있도록 하는 가장 일반적인 인터넷의 프로토콜

[2] High-level Data Link Control: 프로토콜은 컴퓨터가 일대일 혹은 일대다로 연결된 환경에서 데이터의 송수신 기능을 제공