[정보통신공학] ch11. LAN의 개요

1. 주소 지정 방식

 

1.1  유니캐스트 

• 특정 송신자가 특정 수신자 하나에게만 데이터를 전송하는 1대1 통신 방식
• 데이터 링크 계층의 프레임 헤더에는 수신자 고유의 MAC 주소 포함
• 네트워크 상 모든 노드가 이 프레임을 수신할 수 있지만 프레임 헤더의 수신자 주소가 자신의 MAC 주소와 일치하는 장치만 이를 상위 계층으로 전달, 나머지는 폐기
• 중간 네트워크는 목적지 MAC주소를 보고 딱 하나의 포트로만 데이터를 전달하면 됨

1.2 멀티 캐스트

• 특정 송신자가 그룹 내의 다수의 수신자에게 데이터를 전송하는 방식
• 특정 그룹을 식별하는 멀티캐스트 주소 사용
• 송신자가 이 주소로 데이터를 보내면 해당 그룹에 가입된 인터페이스들만 데이터 처리
• 주소 목록이나 마스킹 스킴을 이용해 그룹 구성원 필터링, 선택하는 논리적 방식 의미
• 일대일 통신을 여러번 하는 것보다 대역폭 효율성이 좋음
• 많은 사용자에게 정보를 전달할 때 (스트리밍, 대규모 업데이트) 멀티캐스트를 사용하면 네트워크 자원을 아낌

1.3 브로드캐스트

• 송신자가 동일한 LAN 내의 연결된 모든 장치에게 데이터를 전송하는 방식
• 목적지 주소를 특별하게 정의된 브로드캐스트 주소로 설정하여 전송
• 이 주소를 받은 모든 수신 장치는 이를 자신의 데이터로 받아들여 처리
• 네트워크의 모든 노드에게 도달하기 때문에 트래픽 부하 발생 가능
• 1대 다수가 아니라 네트워크 내의 모든 노드임
• 네트워크 계층은 데이터를 수신하는 모든 노드에 프레임을 복제해서 전달하므로 트래픽 비용이 제일 큼

1.4 애니캐스트

• 특정 그룹의 장치 중 가장 가까운 장치 하나에게 데이터를 전송하는 방식
• 여러 노드가 동일한 애니캐스트 주소를 공유
• 송신자가 데이터를 보내면 네트워크 라우팅 프로토콜이 계산한 최단 경로 상에 있는 장치로 데이터가 전달됨
• 주로 DNS 서버나 게이트웨이 라우터와 같이 서비스 제공 주체가 여러 곳이 분산되어 있을 때 부하 분산과 응답 속도 향상을 위해 사용됨
• 물리적으로 분산된 서버들(DNS, 로드밸런서)를 운영할 때 사용자의 요청을 가장 가까운 곳으로 유도해서 지연시간을 최소화

 

 

2. LAN

• 특정 조직(학교, 기업)이 직접 장비를 구매하고 관리, 보안 정책이나 네트워크 구성의 변겨잉 비교적 자유롭고 즉각적

2.1 LAN의 핵심 고민

• 수신자 식별: 특정 데이터가 누구에게 가야하는가?
  • MAC주소를 통해 물리적 기기를 특정
• 매체 접근 제어(MAC): 여러 장치가 공유 매체를 사용할 때 다음 송신자는 누가 되어야 하는가?
  • 충돌 방지와 공정한 채널 사용을 위한 알고리즘(CSMA/CD)으로 통제됨
• 데이터 분할(Framing): 한 사용자가 매우 긴 메세지를 보낼 때 발생하는 문제
  • 만약 하나의 거대한 프레임으로 보내면 오류 발생 시 전체를 재전송 -> 네트워크 효율 낮음
  • 데이터를 작은 프레임 단위로 쪼개서 전송, 오류 발생 시 해당 프레임만 재전송, 다른 사용자가 채널을 점유할 수 있는 기회도 균등하게 부여됨

2.2 토폴로지의 구조적 관계

• 토폴로지: 네트워들이 연결된 끝점(스테이션)들이 상호연결되는 방식
• Tree 토폴로지: 헤드엔드(중심 노드)로부터 브랜치(가지)가 뻗어나가는 구조로 Bus 구조를 확장해 여러 개의 가지를 친 일반화된 형태
• Bus 토폴로지: 트리 토폴로지에서 브랜치(가지)가 존재하지 않는, 단 하나의 Trunk(중심 선로)만 존재하는 특수한 케이스)
• Ring: 각 노드가 인접 노드와 연결되어 폐쇠 루프를 형성, 데이터가 단방향 또는 양뱡항으로 순환
• Star: 중앙에 중앙 집중 제어 장치 (스위치, 허브)가 있고 모든 단말이 이 장치에 개별적으로 연결, 중앙 장치가 고장 나면 전체가 마비될 위험이 있지만 관리가 쉽고 특정 링크 장애가 전체에 영향을 주지 않아 현대 LAN의 표준

 

 

3. 토폴로지

3.1 버스 토폴로지

• 하나의 공통된 전송 매체(Trunk)에 모든 노드가 Tap이라는 연결 장치를 통해 병렬로 연결
• 신호가 선로를 따라 양방향으로 향하는데 선로의 양 끝단에는 종단 저항이 반드시 필요
• 신호가 선로 끝에서 반사되어 돌아오지 않도록 흡수하여 데이터 충돌을 방지하기 위함
• 선로가 끊어지면 전체 네트워크가 마비되는 단점

3.2 트리 토폴로지

• 버스 토폴로지를 여러 층의 계층 구조로 확장한 것
• 한 곳의 헤드엔드에서 시작해 가지들이 뻗어 나감
• 대규모 네트워크에서 특정 구역별로 관리하기 위해 사용됨
• 각 가지는 사실상 작은 버스 네트워크
• 이들을 계층적으로 연결함으로써 관리와 확장 용이

3.3 링 토폴로지

• 모든 노드가 순차적으로 연결되어 하나의 고리 형성
• 데이터는 한 방향으로만 순환, 각 노드는 전달받은 신호를 증폭해 다음 노드로 넘겨주는 리피터 역할을 수행
• 모든 노드가 데이터 전달에 참여하므로 특정 노드가 고장남녀 링 전체가 끊길 수 있음
• 실제 구현 시에는 이중 링 구조로 신뢰성 보완

3.4 스타 토폴로지

• 중앙에 중앙 집중 장치(허브, 스위치, 리피터)가 있고 모든 단말이 개별 링크로 연결
• 현대 LAN의 표준
• 특정 노드나 그 노드로 향하는 링크가 고장나도 전체 네트워크에 영향x
• 중앙 장치에서 트래픽을 집중 제어할 수 있어 효율적 데이터 전달 가능
• 중앙 장치가 고장나면 전체 네트워트가 동작하지 않는 단일 장애 지점 문제가 있음

3.5 LAN Tap 장치

• 네트워크 패킷을 관찰하거나 보안 분석을 할 때 사용하는 장비
• 버스나 스타 네트워크의 선로 중간에서 신호를 복제해서 모니터링하기 위한 용도

 

4. 버스와 트리 토폴로지

• 모든 스테이션(컴퓨터)은 하나의 선형 전송 매체, 즉 버스에 직접 연결된다
• 물리적으로 다중 접근 채널 Multi-access Channel을 구성
• 한 스테이션이 데이터를 전송하면 해당 신호는 매체를 따라 양방향으로 전파됨
• 모든 스테이션이 이 신호를 전기적으로 감지
• 모든 노드가 신호를 수신하므로 각 프레임의 헤더에는 수신자를 특정하기 위한 고유 주소가 포함되어야 함
• 데이터를 받은 각 스테이션은 자신의 주소와 비교해서 자신에게 온 데이터만 상위 계층으로 올리고 나머지는 무시함
• 버스의 양 끝에 종단 장치가 필요함
  • 전기 신호가 케이블 끝에 도달했을 때 만약 종단 장치가 없다면 신호는 케이블의 개방된 끝 단에서 에너지가 소멸되지 못하고 반사되어 돌아옴
  • 원래 신호와 반사되어 돌아온 신호가 중첩되면 간섭 발생, 파형을 왜곡 시켜 데이터 비트를 0과 1을 판별 x, 신호 손실 초래
  • 종단 장치는 케이블의 특성 임피던스 Characteristic Impedance와 동일한 저항값을 가짐. 이를 통해 선로 끝에서 전기적 에너지를 열 에너지로 변환,흡수 함으로써 반사파를 원천적으로 차단
  • 과거 이더넷 Ethernet(10Base2, 10Base5) 표준에서 사용
  • 오늘날에는 직접적인 버스 네트워크는 거의 쓰이지 않지만 반사파 방지 개념은 고속 디지털 통신 회로나 인쇄 회로 기판 PCB 설계시 여전히 매우 중요함
  • 트리 토폴로지는 버스 세그먼트들을 나뭇가지처럼 연결한 구조이므로 각 나뭇가지 끝단에도 동일한 원리의 종단 장치가 있음

5. 스타 토폴로지

• 각 스테이션(단말기)는 중앙 노드와 일대일 연결로 이어짐
• 이때 일반적으로 두 개의 별도 링크(케이블 선)을 사용함. 하나는 송신용, 하나는 수신용. 이러한 구조로 신호 간섭 최소화, 양방향 통신(Full-Duplex) 지원
• 중앙 노드의 두가지 운영 방식
  • 브로드 캐스트 방식
    • 물리적 스타, 논리적 버스 방식
    • 선은 스타 형태로 뻗어있지만 데이터 처리 방식은 버스 구조와 같음
    • 중앙 장치인 허브에 연결된 어떤 한 포트로 데이터가 들어오면 허브는 이를 나머지 모든 포트로 무차별적으로 복제하여 전송
    • 논리적으로는 버스 구조와 같기에 충돌 도메인이 하나로 묶여있음. 즉 여러 스테이션이 동시에 데이터를 보내려 하면 충돌이 발생하므로 한번에 단 하나의 스테이션만 성공적으로 전송할 수 있음
  • 프레임 스위칭 방식
    • 중앙 장치가 스위치 역할을 함.
    • 데이터를 단순히 물리적으로 뿌리는 것이 아니라 데이터 링크 계층의 프레임을 인식함
    • 들어온 프레임을 내부 메모리 버퍼에 일시적으로 저장한 뒤 목적지의 MAC 주소를 확인해 해당 목적지와 연결된 포트로만 데이터를 전달함
    • 여러 포트에서 동시에 데이터를 주고 받아도 충돌이 발생하지 않으며 전용 대역폭을 보장받을 수 있어 네트워크 효율이 비약적 상승
• 허브: 신호를 물리적으로 중계하는 L1 장비
• 스위치: 데이터를 판단하여 전송하는 L2 장비

6. 버스와 스타의 장단점

6.1 버스의 장단점

• 장점: 물리적 케이블의 총 길이가 짧아 비용 경제적, 인프라 구축이 단순한 초기 네트워크 모델에서 선호
• 단점
  • 성능 확장성 Scalability 부족:  모든 노드가 하나의 공유 매체를 이용하므로 스테이션 단말 수가 늘어날 수록 통신 충돌 빈도가 기하급수적으로 증가 -> 네트워크 성능 저하
  • 낮은 가용성 Availability: 주 간선에 물리적 손상이 생기면 네트워크 전체가 멈추거나 두 개의 파티션으로 분리되어 통신이 불가능

6.2 스타의 장단점

• 장점: 중앙 장치(허브, 스위치)를 통해 집중 제어가 가능
  • 새로운 단말을 추가하거나 전체 네트워크 규모를 확장할 때 다른 스테이션에 영향을 주지 않고 중앙 장치에 포트만 연결하면됨
  • 특정 노드의 링크에 장애가 발생해도 해당 포트만 통신이 안될 뿐 전체 네트워크는 정상적 작동
• 단점:
  • 각 노드마다 중앙 장치까지의 전용 케이블이 필요하고 지능형 중앙 장치(스위치)를 구매해야 하므로 비쌈
  • 단일 장애 지점(Single Point of Failure): 중앙 장치 자체가 고장나면 네트워크 전체가 마비됨
  • 실제 중요 네트워크에서는 중앙 장치를 이중화

7. IEEE 802 프로토콜 레이어들

7.1 IEEE 802 Reference Model의 구조

• 데이터 링크 L2 계층을 IEEE 802 표준에서는 LLC와 MAC이라는 두 개의 부계층으로 분리
• LLC Logical Link Control
  • 상위 계층 (네트워크 계층)과 독립적인 인터페이스 제공
  • LSAP(Link Service Access Point)는 LLC가 상위 계층의 여러 프로토콜(IP, IPX)과 통신하기 위해 제공하는 논리적 연결 지점
• MAC Medium Access Control
  • 물리적인 매체에 직접 접근하는 방식을 제어함
  • 충돌 방지나 매체 점유 권한을 다루는 실제적인 하드웨어 제어 영역

7.2 데이터 캡슐화와 LAN 프로토콜

• Application Data: 상위 계층에서 생성된 원본 데이터
• TCP Segment: TCP 헤더가 붙어 신뢰성있는 전송을 보장하는 단위
• IP Datagram: IP 헤더가 붙어 라우팅을 위한 목적지 주소가 추가
• LLC PDU(Protocol Data Unit): LLC 헤더(DSAP, SSAP 포함)이 붙어 어떤 상위 프로토콜이 이 데이터를 보냈는지 식별하게 함
• MAC Frame: 최종적으로 MAC 헤더와 트레일러(FCS, Frame Check Sequence)가 붙음
  • MAC Header: 출발지와 목적지의 물리적 MAC 주소가 들어감
  • MAC Trailer(FCS): 데이터 전송 도중 오류가 발생했는지 확인하기 위한 순환 중복 검사 CRC 값이 포함됨

8. 데이터 링크 계층

• 역할을 분리함으로써 물리 계층의 기술일 발전해도 소프트웨어와 상위 프로토콜은 그대로 유지

8.1 LLC: 논리적 인터페이스

• 하드웨어의 다양성으로부터 상위 계층을 보호 Abstaction 하는 것
• 상위 계층과 어떻게 대화할 것인가?
• Multiplexing / Demultiplexing
  • LLC는 상위 계층의 다양한 프로토콜(IP, ARP)을 식별함
  • 프로토콜이 도착했을 때, 이 데이터가 상위의 어느 프로토콜로 올라가야 하는지를 결정하느 일종의 문지기 역할
• Flow/Error Control
  • 선택적 기능
  • 하위 MAC 계층의 신뢰성이 낮을 경우, LLC가 데이터 흐름을 제어하거나, 오류를 복구해서 상위 계층에서 안정적인 서비스를 제공함.
  • 하지만 오늘날 고속 스위칭 네트워크는 대부분 하드웨어 자체 신뢰성이 매우 높아 이 기능이 생략, 최소화

8.2 MAC 하드웨어 제어

• 물리적 계층과 직접 맞닿아 있는 영역으로 실제 비트를 다루는 기술적 핵심
• 물리 매체에 어떻게 데이터를 올릴 것인가?
• Assemble/Disassemble Frame
  • 데이터를 프레임 단위로 묶거나(조립), 수신된 프레임을 뜯어 상위 계층이 처리할 수 있게 만드는(분해) 작업을 수행함
• Error Detection (CRC)
  • 순환 중복 검사는 프레임 끝 Trailer에 추가되는 값으로, 전송 중 발생한 비트 오류를 감지하는 수학적 알고리즘
  • 데이터 링크 계층에서 오류를 감지하면 상위 계층이 처리하기 전에 폐기해 네트워크 효율을 높임
• Collision Resolution
  • 여러 기기가 공유 매체를 사용할 때, 누군가 동시에 데이터를 보내면 충돌이 발생
  • MAC 계층은 다중 접근 Multiple Access 규칙을 이용해 충돌을 피하거나 (CSMA/CD)\
  • 충돌 시 어떻게 재전송할 지 결정

9. IEEE 802 표준

• 공통의 상부 (IEEE 802.2 LLC): 모든 LAN 기술에 대해 공통적으로 적용되는 논리적 연결 제어 LLC 표준으로 어떤 물리적 기술 (이더넷, 와이파이)를 쓰든 상위 계층 입장에선 동일한 인터페이스를 가짐
• 다양한 하부 (다양한 MAC/PHY): 각 통신 매체와 물리적 특성에 따라 고유한 MAC과 물리 계층 (PHY)기술이 존재
• 주요 IEEE 802 표준의 예시
  • IEEE 802.3 (Ethernet): 유선 LAN, CSMA/CD(충돌 감지 후 재전송) 방식이 특징
  • IEEE 802.11 (WLAN/Wi-Fi): 무선 LAN 표준, 유선과 환경이 다르기에 충돌 제어 방식과 유선과 완전히 다른 원리 적용
  • IEEE 802.1d (MAC Bridging): 여러 LAN 세그먼트를 연결하여 하나의 큰 네트워크처럼 보이게 하는 브리지(스위치)의 기본 프로토콜
• 구현 장소: 어댑터
  • 이러한 표준들을 구현하는 하드웨어는 바로 랜 카드 NIC
    • 예전에는 PCMCIA 카드 형태로 노트북에 삽입했으나 지금은 메인보드에 내장된 칩셋(이더넷 컨트롤러)나 와이파이 모듈이 이 역할
    • 이 어댑터라는 하드웨어 안에 LLC와 MAC의 논리적 규칙들이 펌웨어나 하드웨어 로직으로 구워져( hard-wired )들어가 있음
    • 데이터 링크 계층의 서비스는 소프트웨어가 아닌 하드웨어 어댑터가 직접 수행함

10. LLC

10.1 LLC의 정의

• IEEE 802.2 표준 LAN의 일환으로 정의
• HDLC(High-level Data Link Control)는 광역 네트워크(WAN)에서 사용하던 전통적인 데이터 링크 프로토콜. LLC는 LAN환경에 맞게 이 HDLC의 핵심 기능을 가져와 단순화한 버전
• 하위의 MAC 계층과 상위의 네트워크 계층 L3 사이에 위치하며 상위 계층에 일관적인 인터페이스 제공

10.2 핵심 개념 SAP Service Access Point

• SAP은 LLC가 상위 계층의 여러 프로토콜과 소통하기 위한 논리적인 연결 지점 또는 주소
• 네트워크 계층에서 수신된 데이터는 IP일 수도 있고, ARP일 수도 있고 혹은 네트워크 관리용인 BPDU일 수도 있음
• LLC는 이 데이터가 어떤 프로토콜의 것인지 구별해야함 이때 각 프로토콜에 할당된 고유 ID가 SAP 번호
• IP 데이터그램을 담고 있으면 LLC 헤더에 DSAP 필드에 0x06 기록
• 수신 측은 이 0x06 값을 보고 이 데이터는 IP 프로토콜로 올려보내야함을 판단

10.3 왜 SAP가 필요? (다중화의 원리)

• NIC 네트워크 카드로 들어온 물리적인 비트 스트림은 하나지만 운영체제 안에서는 수 많은 네트워크 프로그램이 돌아가고 있음
• LLC는 SAP을 통해 상위 계층의 어떤 프로세스/프로토콜이 이 데이터를 받을 권한이 있는지 식별 Demultiplexing함
• 이것이 없으면 들어온 데이터가 IP 패킷인지 다른 제어용 프레임인지 구분할 수없어서 통신이 불가능
• 상위 계층 프로토콜을 위한 식별자

 

11.LLC 동작방식의 3가지 타입

11.1 Type 1 LLC1 비연결형 비확인 서비스 (Unacknowledged connectionless service)

• 연결 설정을 하지 않고 받았는지 확인하지 않음
• 데이터 그램 방식: 연결 설정(연결 맺고 끊음)의 오버헤드가 전혀 없음
• 제어 기능 부재: flow control, error control를 수행하지 않음. 데이터가 중간에 사라져도 재전송 요청x, 순서가 뒤바뀌어도 맞추지 않음
• 현대 네트워크에서의 위치
  • 상위 계층인 TCP가 이 모든 걸 책임지기 때문에 불완전한 서비스 제공
  • 만약 하위인 데이터 링크 계층에서 오류 제어를 또하면 상위 계층과 중복되기에 네트워크 성능 Throughput 떨어짐
  • 최소한의 논리만 수행하고 신뢰성은 상위 계층에 맡김
• 이더넷이나 와이파이와 같은 고속 네트워크에서 이 방식은 필수적이기에 표준이 됨
• 하드웨어가 매우 빠르기에 매 프레임마다 확인 Ack를 주고 받으면 통신 속도가 매우 느려짐
• 센서 데이터 전송, 보안 장비의 주기적인 상태보고 등 짧은 데이터를 빠르게 던져야하는 경우 최적
• 일반 LAN, TCP/IP 네트워크 (속도 중시)

11.2 Type 2 LLC2 연결형 서비스

• 데이터를 주고받기 전에 송수신자간에 논리적인 연결을 먼저 맺음
• 통신 시작 전 연결 설정 절차를 거치며 연결 상태를 관리하기 위한 정보를 연결 테이블에 기록
• flow control과 error control를 수행함 데이터 간의 순서 보장, 수신 확인, 재전송 메커니즘에 LLC 계층에 모두 포함
• 목적지 노드가 많아지면 관리해야 할 연결 테이블의 크기가 비대해져 비효율적
• 과거 IBM의 SNA 환경처럼 메인프레임과 단말기간의 안정적인 통신이 필수적인 환경에서 사용됨

11.3 Type 3 LLC3 확인형 비연결 서비스

• 연결 설정 과정은 생략하지만 보낸 데이터에 대한 확인 응답 ACK는 반드시 받는 방식
• 연결을 맺고 끊는 과정이 없으므로 Type 2처럼 큰 규모의 리소스(연결 테이블)을 점유할 필요x
• 실시간성이 중요하면서도 데이터 유실을 허용할 수 없는 비상 상황에 적합
• 자동화된 공장 환경에 적합 (수많은 센서와 제어기, 긴급 정지 신호는 연결 맺느라 지체할 시간x, 그러나 이 신호가 제대로 전달되었는지는 반드시 확인 필요) 

12. Media Access Control MAC

• 물리적 매체에 직접 접근하는 규칙 담당
• 질서 있고 효율적인 매체 용량 사용이 목적
• 매체: 데이터를 실어나르는 통신 선로 (케이블, 무선 전파) 의미
• 충돌관리: 여러 장치가 동시에 데이터를 보내려 할 때, 이를 물리적으로 충돌 없이 처리하거나 충돌이 발생했을 때, 이를 효과적으로 해결하여 매체의 대역폭 Capacity를 낭비 없이 사용하는 것이 MAC의 존재 이유
• 송신 시: 상위 계층에서 받은 데이터를 프렝미이라는 구조로 조립
  • 목적지/출발지 주소 MAC 주소를 헤더에 붙이고 전송 중 오류를 확인할 수 있는 오류 검출 필드 FCS Frame Check Sequence를 트레일러에 붙임
• 수신 시
  • 수신 된 비트 스트림에서 프레임을 분해함
  • 목적지 주소를 읽어 이 데이터가 나에게 온 것인지 판단, 자신이 목적지가 아니라면 데이터를 즉시 폐기
  • FCS를 재계산하여 전송 중 데이터가 깨지지 않았는지 확인 Error detection함
• 동일한 LLC에 대하 다양한 MAC 옵션이 가능
  • 상위 계층의 데이터(LLC가 다루는 부분)은 변하지 않았어도 물리적인 환경 (유선 LAN에서 무선 LAN으로 변경)에 따라 MAC 기술만 적절한 것(이더넷 맥, 와이파이 맥)으로 교체하면 됨
  • 하드웨어 제조사는 LLC 표준만 준수하면 되고 다양한 물리 매체 환경에 맞는 최적화된 MAC 칩 셋만 개발하면 되므로 네트워크 기술 폭발적 성장

13. MAC 프레임 구조

13.1 구조

• MAC 프레임은 다양한 MAC 프로토콜에 따라 다름
• MAC 계층은 LLC 계층으로부터 데이터를 받음
• MAC 프레임 안에 상위 계층에서 내려온 LLC PDU가 포함됨 이를 캡슐화라고 함
• MAC control: 프레임의 유형이나 우선순위등 제어 정보를 담음
• Destination MAC Address & Source MAC Address: 데이터가 어디에서 와서 어디로 가는지 즉 발신자와 수신자의 고유 물리 주소가 명시됨 이 주소를 확인해 네트워크 장비는 데이터를 전달하거나 폐기할지 결정
• LLC PDU(Payload): 실제 상위 계층 (네트워크 계층)의 데이터가 담긴 영역
  • DSAP, SSAP, LLC Control 필드가 포함되어 있어  수신 측이 이 데이터를 어떤 프로토콜로 올려보낼지 식별할 수 있음
• CRC: 프레임에 가장 마지막에 위치하는 오류 검출 Error Detection 코드로, 송신 측에서 계산한 CRC값과 수신 측에서 계산한 값이 다르면 데이터가 손상된 것으로 간주

13.2 MAC과 LLC의 업무 분담 (오류 처리 메커니즘)

• MAC Layer(감지자): 데이터 전송 도중 노이즈나 충돌로 비트가 깨지면 MAC 계층은 CRC를 통해 즉시 오류를 감지하고 프레임을 폐기함. 이는 하드웨어 레벨에서 일어나는 신속한 대응임
• LLC Layer(복구자): MAC에서 폐기된 프레임이 생기면 LLC 계층은 선택적으로 재전송을 요청함. 만약 상위 계층 TCP 등이 오류 복구 기능을 가지고 있다면 LLC는 그냥 무시할 수 도 있음

13.3 MAC 주소 다음에 LLC PDU

• MAC 필터링: 내 MAC 주소와 일치하는가?
• LLC 필터링: 내 주소는 맞는데, 어떤 프로토콜(SAP)로 보내야 하는가?

 

14. MAC (Media Access Protocol)의 핵심 파라미터 - MAC 프로토콜을 선택할 때 가장 중요한 기준이 됨

14.1 어디서 제어하는가

• 네트워크의 관리 주체가 누군인지에 따라 나뉨
• 중앙 집중식
  • 모든 스테이션(단말)은 중앙 제어 장치의 허락을 받아야지만 데이터를 전송할 수 있음
  • 각 스테이션의 로직은 매우 단순
  • 장점: 우선순위 설정, 특정 트래픽 보장(QoS), 강제 차단(Override)등 정교한 제어 가능
  • 단점: 중앙 제어 장치가 고장 나면 전체가 멈추는 단일 장애 지점 Single point of failure 문제가 발생, 중앙 장치가 데이터 처리의 병목 현상을 유발하여 전체 성능을 떨어뜨릴 수 있음
• 분산식
  • 특정 중앙 장치 없이 모든 스테이션이 상호 협력하여 통신 규칙을 실행함
  • 스테이션들이 스스로 현재 매체 상황을 파악하고 전송 여부를 결정함
  • 장점: 중앙 장치가 없으므로 훨씬 높은 신뢰성을 가지며, 특정 지점이 고장 나도 전체 네트워크는 작동
  • 단점: 알고리즘이 훨씬 복잡, 다수의 기기가 통신 규칙을 합의해야 하므로 동적인 조율이 필요

14.2 어디서 자원을 할당하는가?

• 네트워크 용량 Capacity를 시간이나 대역폭으로 나누는 전략
• 동기식 Synchronous
  • 정해진 시간이나 주파수를 특정 연결에 미리 예약하며 할당 (TDM)\
  • 사용 여부와 관계없이 자원이 항상 확보되어 있어 예측이 가능하지만, 데이터 전송이 없는 시간에는 자원이 낭비되므로 비효율적
  • 트래픽 변동성이 큰 현대 데이터 통신에는 적합하지않음
• 비동기식 Asynchronous
  • 고정된 할당 없이 데이터 전송이 필요한 순간에 네트워크 자원을 동적으로 요구하고 할당 받음 (패킷 교환, CSMA/CD)
  • 즉각적인 수요에 대응하므로 네트워크 용량이 훨씬 효율적으로 사용됨. 현대 데이터 네트워크 방식

14.3 현대 LAN (이더넷, 와이파이)는 주로 분산식 제어와 비동기식 자원 할당 방식을 혼합해 사용

• 스테이션 수가 늘어날 때 확장성이 좋고, 데이터 통신의 불규칙한 특성을 잘 수용하기 때문

 

15. 비동기식 매체 접근 제어 (Asynchronous MAC)

• 데이터가 언제 발생할지 모르는 비동기 환경에서 여러 컴퓨터가 선로를 나눠쓰는 방식은 크게 통제형 Controlled-access과 경쟁형 Random access으로 나뉨 

15.1 라운드 로빈 - 통제형 프로토콜

• 각 스테이션이 순서대로 돌아가며 데이터를 전송할 권리를 가짐
• 본인 차례에 보낼 데이터가 있으면 보내고 없으면 다음 노드로 권한을 넘김
• 대표적인 구현체로 토큰 링
• 장점: 모든 스테이션이 공평하게 기회를 얻기에 전송할 데이터가 끊임없이 존재하는 헤비 트래픽 상황이나 많은 노드가 동시에 장시간 통신할 때 자원 낭비 없이 매우 효율적
• 제어구조: 중앙 장치가 순서를 지정할 수도 있고, 토큰을 돌리는 것처럼 분산형으로 구현할 수도 있음

15.2 Reservation (예약 방식) - 통제형 프로토콜

• 데이터를 보내기 전 특정 시간 슬롯을 내가 쓰겠다고 미리 예약하는 방식
• 외형적으로는 동기식 TDM과 비슷해 보이지만, 자원이 고정된 것이 아니라 필요에 따라 동적으로 예약됨
• 장점: 한번 연결이 확정되면 끊김없이 대량의 데이터 전송 가능, 스트림 트래픽에 최적화 되어있음. 음성 통신 VoIP, 대용량 파일 전송, 연속적인 원격 측정 Telemetry 데이터 전송에 필수적
• 제어 구조- 중앙 집중형과 분산형 제어 모두 가능

15.3 Contention (경쟁 방식) - 랜덤 액세스 프로토콜

• 어떠한 사전 통제나 예약 없이 데이터를 보내고 싶은 스테이션들이 스스로 선로 상태를 보고 경쟁하여 무작위로 접근하는 방식
• 이더넷(CSMA/CD)이나 와이파이(CSMA/CA)가 바로 이 방식임
• 장점: 데이터가 연속적이지 않고 갑자기 튀어나오는 간혈적 트래픽에 매우 효율적, 예약이나 순서를 기다리는 지연이 없기에 네트워크에 데이터가 적을 때는 처리 속도가 가장 빠름
• 단점: 트래픽 부하가 한계치 이상으로 높아지면 동시에 데이터를 보내려는 노드가 충돌이 빈번하게 발생, 이로 인해 재전송이 반복되면서 시스템이 완전히 마비
• 제어구조 - 통제관이 있으면 경쟁이 성립하지 않으므로 오직 분산 제어로만 동작

 

• 사무실 인터넷(웹 서핑, 이메일): 평소엔 조용하다가 클릭할 때만 데이터가 튀어나오므로 Contention 
• 인터넷 전화(Voice)나 스트리밍: 데이터가 끊기지 안되므로 안정적인 대역폭을 보장하는 예약 방식이 유리

 

16. 브릿지 - 데이터 링크 계층의 지능형 연결 장비를 설계할 때 고려해야하는 공학적 측면

• 다중 세그먼트 연결 및 버퍼링
  • LAN 세그먼트 확장: 브릿지는 두 개 이상의 독립적인 LAN 세그먼트 (물리적인 네트워크 구역)을 연결할 수 있음
  • 서로 다른 세그먼트에서 트래픽이 일시적으로 몰리는 피크 타임이 발생할 수 있음
  • 이때 브릿지는 임시 저장할 수 있는 메모리 공간 버퍼를 가짐
  • 다만 지연 시간 latency를 최소화하기 위해 버퍼링은 필요한 최소한으로만 이루어지도록 설계됨
• 주소 지정 및 라우팅 지능
  • 브릿지는 내부의 맥 주소 테이블을 참조하여 프레임을 처리하는 3가지 기본동작 수행
  • 필터링:
    • 송신자와 수신자가 동일한 세그먼트에 있다는 것을 브릿지가 알면 해당 프레임을 다른 세그먼트로 넘어가지 못하게 차단함. 이를 통해 불필요한 트래픽이 다른 네트워크 영역으로 번지는 것을 막음
  • 포워딩:
    • 수신자가 다른 세그먼트에 있다는 것을 주소 테이블을 통해 확인되면 해당 수신자가 있는 포트로만 프레임을 정확하게 전달
  • Flood 플러딩:
    • 만약 프레임의 목적지 MAC 주소가 브릿지의 주소 테이블에 없다면(Unknown Unicast) 혹은 브로드캐스트 프레임이라면 프레임이 들어온 포트를 제외한 모든 포트로 복사해서 뿌림
  • 대규모 네트워크에서는 목적지로 가기 위해 여러 개의 브릿지를 거쳐 경로가 구성되기도 함
  • 이 과정에서 루프가 발생하는 것을 막기 위해 스패닝 트리 프로토콜(STP)같은 알고리즘 적용됨
• 투명성
  • Bridging is transparent to stations
  • 투명하다는 것은 존재가 보이지 않는다는 뜻
  • LAN에 있는 개별 컴퓨터들은 중간에 브릿지가 있는지 없는지 전혀 알지 못하며 알 필요도 없음
  • 여러 개의 물리적 LAN 세그먼트가 브릿지로 연결되어 있더라도 각 단말 입장에서는 하나의 거대한 단일 LAN에 모두가 직접 연결되어 있는 것처럼 인식하고 통신함
  • 상위 계층 소프트웨어를 수정할 필요 없이 네트워크 규모를 확장할 수 있는 장점
• L2 계층에서 주소를 보고 길을 찾아주는 첫번째 지능형 장비
  • 이 브릿지의 포트 개수를 수십 개로 늘리고 하드웨어 칩셋 ASIC를 박아서 패킷 처리 속도를 극한으로 끌어올린 장비가 L2 스위치임

17. 브릿지의 작동 방식

17.1 브릿지는 자신이 연결된 LAN 선로로 흐르는 모든 프레임을 무조건 읽어들임 Promiscuous Mode

• 버스 토폴로지 특성상 신호가 공유 매체를 타고 흐르기에 브릿지의 포트도 이 신호를 전기적으로 전부 수신 가능

17.2 프레임을 읽은 후 헤더에 적인 목적지 MAC 주소 확인

• 만약 목적지가 반대편 LAN B에 속한 스테이션 이라면, 이 프레임을 버리지 않고 내부 버퍼 메모리에 수락함 
• 목적지가 같은 LAN A에 있는 스테이션이라면 여기서 차단하고 버림

17.3 수락된 프레임을 반대편 LAN으로 전송

• 단순히 신호만 넘기는 것이 아니라 LAN B가 사용하는 MAC 프로토콜 규칙 을 준수하면서 프레임을 재전송

17.4 양방향으로 동시에 일어남

• LAN B에서 일어나는 트래픽을 감시하다가 LAN A로 향하는 패킷이 있으면 똑같은 단계를 거쳐 위로 보냄

 

18 브릿지 심화

18.1 두가지 유형의 브릿지

• 브릿지가 연결하는 두 네트워크가 같은 프로토콜을 쓰는지 다른 프로토콜을 쓰는지에 따라 설계 복잡도가 달라짐
• 동일 프로토콜 연결 브릿지 Identical protocols
  • 양쪽 LAN 세그먼트가 물리 계층과 데이터 링크 계층 프로토콜이 완전히 동일한 경우 ex 양쪽 모두 유선 이더넷인 IEEE 802.3 표준을 따를 때
  • 양쪽의 프레임 구조(포맷)이 완벽하게 일치하므로 브릿지는 주소만 확인하고 그대로 패킷을 넘겨줌
  • 헤더를 변환할 필요가 없어 연산 처리 Minimal processing가 매우 단순하고 속도가 빠름
• 이종 프로토콜 연결 브릿지 Sophisticated bridge
  • 서로 다른 프로토콜을 사용하는 네트워크를 연결하는 고도로 정교한 브릿지 ex. 유선 이더넷 LAN과 무선 와이파이 LAN을 연결할 때
  • IEEE 802.3 이더넷 프레임 포맷과 IEEE 802.11 와이파이 프레임 포멧은 주소 필드 개수나 제어 비트 구조가 완전히 다름
  • 따라서 이 브릿지는 한쪽에서 받은 프레임의 내용을 뜯어 낸뒤, 반대편 프로토콜 규격에 맞게 MAC 포맷 변환 및 매핑 Mapping from one MAC format to another 작업 수행
  • 프로토콜 변환 오버헤드 발생

 

18.2 브릿지로 다중 LAN을 구성하는 이유

• Reliability
  • 하나의 공유 매체(bus)로 전체를 묶으면 물리적 단선이나 시스템 오류가 발생했을 때 전체 네트워크가 마비됨
  • 브릿지로 세그먼트를 분할하면 특정 구역의 장애가 다른 구역으로 번지지 않고 해당 영역 내로 격리 되므로 전체 시스템의 가용성이 높아짐
• Performance
  • 네트워크 안에서 일어나는 통신의 대부분은 같은 부서, 같은 공간 내부 기기끼리 일어남 = intra-traffic
  • 브릿지는 필터링 기능을 통해 내부 트래픽이 바깥으로 나가지 못하게 막아줌
  • 즉 자주 통신하는 장치들끼리 묶어 Clustering devices 독립된 도로를 만들어줌으로써 전체 네트워크의 대역폭 낭비를 막고 성능을 극대화
• Security
  • 1계층 허브 환경이나 분할되지 않은 버스 환경에서는 한 사람이 데이터를 보내면 모든 사람이 그 신호를 받을 수 있어 스니핑같은 보안 취약점에 노출
  • 브릿지를 이용해 보안 요구 수준이 다른 트래픽들을 물리 논리적으로 분리된 매체에 유지
  • 데이터 유출을 원천 차단
• Geography
  • 물리적인 케이블 전송 거리는 신호 감쇄 문제로 한계가 있음
  • 물리적으로 먼 거리를 연결할 때 선을 직접 깔 수 없음
  • 이때 각 건물에 LAN을 구축하고 그 사이를 마이크로웨이브 무선 링크 Microwave bridge link같은 장거리 매체와 브릿지로 연결하면 지리적 한계 극복 가능

 

19. 브릿지의 표준 프로토콜 아키텍처 IEEE 802.1D MAC Bridge의 내부 계층 구조

• MAC 레벨에서의 브릿지 동작
• 브릿지가 인식하는 주소는 오직 MAC(물리 주소) 뿐임 3계층의 IP 주소는 브릿지 입장에서 데이터 Payload의 일부임 해독 불가
• 브릿지의 핵심 임무는 프레임을 한쪽 매체에서 다른 쪽 매체로 중계 Relay 하는 것
• 브릿지는 상위 계층의 프로토콜 IP등을 식별할 필요가 없기 때문에 LLC 계층을 가지고 있지 않음
• 오직 MAC 계층과 물리 PHY 계층으로만 구성됨

• 상위 계층에서 내려온 데이터가 MAC A 계층에서 프레임으로 조립된 후 PHY1를 통해 전기 신호로 LAN 1 매체에 뿌려짐
• LAN 1과 맞닿은 물리 계층 PHY1이 이 신호를 받아 비트로 복원
• 바로 위 계층인 MAC 엔티티가 프레임 헤더를 읽고 목적지가 LAN 2에 있음을 확인
• 중간의 브릿지 엔티티가 이 프레임을 오른쪽 포트의 MAC 엔티티로 넘겨줌
• 오른쪽 포트의 MAC은 LAN2의 매체 접근 규칙에 맞추어 PHY2를 통해 신호를 발사
• LAN 2 매체로부터 PHY 2를 통해 신호를 받고 MAC B에서 자신의 주소임을 확인하며 상위 계층으로 올림
• 브릿지는 LLC가 없기에 데이터가 기기 꼭대기까지 올라가지 않고 2계층 MAC 레벨에서 산 모양으로 꺽여서 반대편 포트로 나가는 구조

20. 브릿지의 프레임 전달 원칙

• 받은 프레임을 다른 세그먼트로 넘길지 (Foward)아니면 여기서 차단할지 (Filter/Drop) 결정
• L2 라우팅 목적지 단말에 더 가까워지도록 어떤 포드로 포워딩할지 결정
• 신뢰성을 위해 다중 경로를 만들어두면 프레임이 네트워크안에서 도는 루핑 현상일 발생
• 이를 하드웨어적으로 해결하기 위해 브릿지는 내부적으로 스패닝 트리 프로토콜 STP를 실행하여 논리적으로 몇몇 경로를 차단해 유일한 경로만 남겨둠

20.1 충돌 도메인

• 신호 충돌이 발생할 수 있는 물리적인 공유 매체 단위
• L2 장비 (브릿지, 스위치)의 포트 하나하나는 충돌 도메인을 물리적으로 완벽히 분리함
• 반면 1계층 매체(케이블선 자체나 허브)는 하나의 충돌 도메인으로 묶임
• 계산법: 브릿지 장비들과 단말기 사이에 놓인 독립된 3계층/2계층선(Lan 세그먼트 버스선)의 개수를 세면 됨
• 버스선이 총 7개이므로 충돌 도메인은 7개

20.2 브로드캐스트 도메인

• 어떤 한 장비가 브로드캐스트 패킷을 보냈을 때 이 패킷이 도달할 수 있는 논리적인 네트워크 영역 전체
• 브릿지(L2 스위치)는 브로드캐스트 프레임을 차단하지 못하고 모든 포트로 플러딩 Flood을 함
• 브로드캐스트를 차단하고 네트워크 영역을 나눌 수 있는건 3계층 장비인 라우터뿐임
• 현재 주어진 토폴로지에는 3계층 라우터나 가상 네트워크 분할 기술 VLAN이 전혀 존재하지 않음
• 모든 LAN 세그먼트 (A-G)가 브리지들로 촘촘히 다리 연결이 되어있음
• 따라서 station 1이 브로드캐스트를 쏘면 모든 브리지를 타고 결국 Station 7까지 전체 네트워크의 모든 기기에 전달됨
• 따라서 라우터에 의해 차단되지 않고 하나의 거대한 통신 구역으로 묶여 있으므로 Broadcast Domain은 총 1개

 

21. L2 라우팅과 L3 라우팅

21.1 공통점

• 목적지 주소 기반 포워딩 결정. 언제나 프레임이나 패킷 헤더 내의 목적지 주소를 기준으로 내보낼 포트를 결정
• 출발지는 오로지 학습이나 역경로 확인용으로만 사용

21.2 L2 라우팅

• 출발지와 목적지가 동일한 서브넷, LAN에 있을 때 일어남
• 옆 방이나 같은 사무실 안에 있는 컴퓨터끼리 통신할 때는 굳이 라우터로 나갈 필요없이 L2 스위치 선에서 통신이 끝남
• MAC 주소(평면적 주소 구조): MAC 주소는 전 세계 제조사가 임의로 할당한 고유 번호로 주소 자체에 지리적, 계층적 위치 정보가 전혀 없음 고유한 식별자 번호임
• 이를 평면적 주소라고 하며 주소 간의 상하관계가 없기에 L2 장비는 들어오는 맥 주소를 하나하나 개별 매칭 테이블에 등록해서 찾아야 함
• 스위치가 프레임을 받았는데 내부 MAC 주소 테이블에 목적지 MAC 주소가 없다면 스위치는 패킷을 잃어버리지 않기 위해 일단 프레임이 들어온 포트를 제외한 모든 포트로 복사해서 뿌리는 플러딩을 수행

21.3 L3 라우팅

• 출발지와 목적지가 서로 다른 서브넷, WAN에 있을 때 일어남
• 학교 컴퓨터에서 네이버나 구글 서버로 데이터를 보낼 때처럼 로컬 영역을 벗어나기 위해 3계층 장치의 경로 제어가 필연적으로 개입
• IP 주소(계층적 주소): 네트워크 ID와 호스트 ID로 엄격하게 나뉜 계층적 구조로 앞부분만 보면 이 패킷이 어느 나라, 어느 기관, 어느 대학교 네트워크인지 알 수 있음
• 이 덕분에 라우터는 전 세계의 모든 컴퓨터 주소를 외울필요 없이 앞부분의 네트워크 주소 그룹 Prefix만 보고 대량의 패킷을 묶어서 효율적으로 라우팅 가능
• 라우터가 패킷을 받았는데 자신의 라우팅 테이블에 해당 목적지 네트워크 주소가 등록되어있지 않는다면 무작정 사방에 뿌리지 않음
• 대신 외부 세상으로 나가는 탈출구로 지정된 기본 게이트웨이, 디폴트 라우터의 포트로 패킷을 던져서 상위 라우터가 처리하도록 위임함
• 이마저도 없다면 패킷을 폐기하고 에러메세지 ICMP보냄

 

22. L2 포워딩 데이터베이스 (MAC 주소 테이블)

• 포워딩 데이터 베이스 엔트리의 구조
• Entry = ((dst) MAC 주소, outgoing port, (port의) status, timer)
  • MAC 주소: 식별하고자 하는 목적지 단말의 물리 주소
  • Outgoing port: 해당 MAC 주소를 가진 단말에게 가려면 장비의 몇 번 port로 패킷을 던져야하는지 나타내는 출력 포트 번호
  • Status: 그 output port가 block인지 foward 상태인지
  • Timer: 동적으로 학습된 주소가 영원히 메모리를 차지하지 않도록 관리하는 에이징 타이머가 있으미. 일정 시간 동안 해당 주소로부터 패킷이 들어오지 않으면 테이블에서 엔트리를 자동으로 삭제해 메모리를 효율적 관리
• 데이터 빌드 방식 : 수동 vs 동적
  • 수동 빌드
    • 네트워크 관리자가 명령어를 통해 특정 포트에 특정 MAC 주솔르 고정해 두는 방식
    • 보안이 극도로 중요한 서버 연결 포트 등에 사용됨
    • 타이머가 작동하지 않아 절대 지워지지 않음
  • 동적 빌드
    • 장비가 켜진 후 포트로 들어오는 프레임의 src MAC 주소를 관찰하면서 스스로 테이블을 채워나가는 방식
    • 현대 스위치는 99퍼 이 방식임
    • port 1번선으로 device 1번이 패킷을 보냈네? 그럼 앞으로 목적지가 device 1인 패킷이 오면 port1로 던지면 되겠다

23. 프레임 전달

• L2 포워딩 데이터베이스 기반으로 작동
• 1단계 데이터베이스 검색
  • 포트 x로 프레임이 들어오면 장비는 프레임 헤더의 목적지 MAC 주소를 추출해서 포워딩 데이터베이스에서 검색
  • 이때 입력 포트 x를 제외한 나머지 포트들에 해당 주소가 등록되어있는지 확인
• 2단계 주소를 찾지 못한 경우
  • db에 목적지 주소가 없다면 장비는 패킷을 잃어버리지 않기 위해 프레임이 들어온 포트 x를 제외한 나머지 모든 활성화된 포트로 프레임을 복사해서 전송함
  • 이를 플러딩 flooding이라 함 
  • 목적지 주소가 브로드캐스트 FF:FF:FF:FF:FF:FF 일때도 이 단계로 분기함
• 3단계 주소를 찾았으나 상태 확인이 필요한 경우
  • 검색 결과 목적지 주소가 특정 포트 y에 있다고 매핑된 경우
  • 예외처리 1 op == x인 경우 - filtering
    • 만약 목적지 주소의 출력 포트가 프레임이 들어온 포트 x와 같다면 이는 목적지 단말이 이미 같은 세그먼트에 있다는 의미
    • 이미 상대방이 신호를 들었거나 들을 수 있는 위치이므로 브릿지가 중계할 필요가 없음 
    • 따라서 반대편으로 넘기지 않고 프레임을 즉시 무시하고 폐기, 이를 필터링이라고함
  • 예외처리 2 op == y 인경우 stp로 상태 확인
    • 목적지가 제 3의 포트 y라면 무작정 보내기 전에 스패닝 트리 프로토콜 stp에 의한 포트 상태를 확인해야 함
    • 루프 방지를 위해 네트워크 설계상 포트 y가 차단 상태로 지정되어있다면 데이터를 보내지 못하고 버려야 함
• 4단계 최종 전송
  • 포트 y의 상태가 정상적인 포워딩 상태임이 확인 되면 프레임을 해당 포트 y선로로만 정확하게 분출함
  • 이것이 포워딩

24. 브릿지 - 고정 라우팅 (정적 라우팅)

• 고정 라우팅은 네트워크 경로가 변하지 않는다는 가정하에 관리자가 장비에 직접 경로 규칙을 주입하는 방식임
• 토폴로지(네트워크의 구조)의 변화가 거의 없고 규모가 작으며 구조가 안정적인 환경에 적합
• 포워딩 데이터베이스나 포워딩 테이블의 엔트리를 관리자가 일일히 명령어로 입력함
• LAN과 LAN 사이에 장비가 여러 대 얽혀 있어 목적지로 가는 길이 두 개 이상 존재할 때 관리자는 일반적으로 거치는 브릿지의 개수가 가장 적은 경로(least hop route)를 최적의 경로로 선택하여 고정함 
• 여기서 hop은 장비를 거쳐 건너뛰는 단위를 의미
• 테이블에는 목적지의 MAC주소와 그 목적지로 가기 위해 다음 LAN으로 빠져나가는 출력 포트 번호가 1대1로 매핑되어 저장됨
• 만약 새로운 장비가 추가되거나 선로의 위치가 바뀌는 등 토폴로지 변경이 발생하면 관리자가 모든 브리지 장비에 일일이 접속하여 수동으로 엔트리를 업데이트 해줘야 함
• 장점
  • 단순성과 연산 최소화
  • 브릿지가 스스로 패킷을 관찰하며 주소를 학습하거나 루프를 막기 위해 stp 알고리즘을 계산할 필요가 전혀 없음
  • 장비 입장에서는 들어오는 패킷의 목적지 주소를 보고 이미 적혀있는 표대로만 던지면 되기에 메모리와 cpu 연산 요구량이 극도로 낮아짐
  • 하드웨어 제어 로직이 매우 단순해짐
• 단점
  • 확장성의 한계
  • 장비가 동적으로 추가되거나 복잡하게 얽힌 대규모 LAN 환경에서는 이 모든 경우의 수를 계산해 테이블을 채우는 것이 불가능
  • 장애 복구 기능 부재
  • 고정 라우팅이 가장 치명적인 약점은 우회 경로를 스스로 찾지 못함
  • 최적의 경로 상에 있던 특정 브리지나 케이블이 고장나서 끊어지면 대체 경로가 존재해도 장비는 수동으로 지정된 죽은 포트로만 패킷을 계속 던짐
  • 관리자가 테이블을 고쳐주기 전까지는 네트워크는 완전히 failure 

25. 브릿지 - 동적 라우팅

• 네트워크 토폴로지(구조)의 변경이나 장비의 추가, 선로의 장애등 주변 환경 변화에 반응하여 라우팅 테이블(포워딩 데이터베이스)을 자동을 업데이트하는 방식
• 관리자가 일일이 테이블을 수정할 필요가 없어 대규모의 복잡한 네트워크를 운영할 수 있으며 특정 선로가 끊어지면 장비들이 스스로 우회 경로를 찾아내므로 높은 가용성과 장애 허용 능력을 가지게 됨

25.1 동적 라우팅 알고리즘을 이루는 3대 하위 메커니즘

• 1. 프레임 포워딩
  • 들어온 프레임을 목적지 포트로 정확하게 전달하거나 필요 없는 포트로 가지 못하게 차단하는 실제적인 데이터 전달 실행 메커니즘
  • if-else 구조, 데이터베이스를 검색해서 상황에 따라 포워딩, 필터링, 플러딩을 수행
• 2. 주소 학습
  • 포워딩 테이터베이스(테이블)을 아무런 수동 입력없이 장비 스스로 무에서 유로 채워나가는 메커니즘
  • 장비의 각 포트로 프레임이 들어올 때 마다 그 프레임의 헤더에 적힌 출발지 MAC 주소를 읽어서 이 주소를 가진 기기는 몇번 포트로 연결되어있는지 메모리에 실시간으로 기록하고 에이징 타이머를 통해 관리함
  • 이 학습 기능이 선행되어야지 1번의 프레임 포워딩이 정상적으로 작동
• 3. 루프 해결
  • 네트워크의 신뢰성을 높이기 위해 장비나 선로를 이중화했을 때 필연적으로 발생하는 논리적 폐루프를 탐지하고 차단하는 메커니즘
  • 2계층 프레임은 3계층 IP 패킷과 달리 수명을 나타내는 TTL 필드가 없음 
  • 따라서 루프 구조가 방치되면 하나의 플러딩 패킷이 네트워크 내부에서 무한히 증식하며 전체 망을 마비시키는 브로드캐스트 스톰이 발생
  • 이를 막기 위해 브릿지들은 스패닝 트리 알고리즘 STP를 실행해 물리적으로는 연결되어 있지만 논리적으로 특정 포트를 차단함으로써 루프가 없는 하나의 거대한 트리 구조를 동적으로 유지함
• 이 세가지 메커니즘은 독립된 기능이 아니라 유기적임

 

26. 주소 학습

• 수동 사전 로드( Preload forwarding database ): 고정 라우팅처럼 관리자가 미리 데이터베이스를 채워둘 수도 있다. 하지만 이는 장비의 이동이나 변경이 있을 때 대응 불가
• 방향 학습( Learning the direction of each station): 현대 네트워크의 필수인 방식, 각 기기가 어느 포트 방향에 존재하는지 장비가 자동으로 학습하는 메커니즘

26.1 학습의 규칙

• 출발지 주소 MAC을 관찰함
• 어떤 프레임 하나가 브릿지의 입력 포트 x로 들어온 경우, 이 프레임 헤더의 출발지 MAC 주소가 S라고 기록되어있음
• 포트 x로 주소 s가 보낸 패킷이 들어왔다는 것은 물리적으로 주소 s를 가진 기기는 포트 x가 연결된 LAN 선로 어딘가에 살고있다는 뜻임
• 브릿지는 이 정보를 바탕으로 포워딩 데이터베이스에 다음과 같은 형태의 엔트리를 생성하거나 업데이트함
• Entry = (Destination MAC Address = S, Output Port = X)
• 나중에 목적지가 S인 패킷을 받게 되면 방금 학습한대로 포트 X로 내보내면 된다고 목적지 주소 테이블을 채워둠

26.2 타이머를 통한 동적 토폴로지 관리

• 각 엔트리마다 에이징 타이머가 장착됨
• 테이블에 없던 새로운 기기 S가 발견되어 엔트리가 추가되면 해당 레코드 전용 타이머가 생성되어 카운트 다운을 시작함
• 일반적으로 상용 스위치는 5분임
• 만약 지정된 시간동안 주소 S로부터 새로운 프레임이 한번도 들어오지 않아 타이머가 0이 되면 장비는 이 기기가 네트워크에서 이탈했거나 꺼졌다고 판단하여 해당 엔트리를 테이블에서 자동으로 삭제함
• 메모리를 확보하고 잘못된 경로로 패킷이 가는 것을 막는 필수적인 조치
• 만약 타이머가 아직 흘러가고 있는 와중에 주소 S로부터 새로운 프레임이 다시 포트 X로 들어온다면 장비는 기기가 여전히 잘 살아있음을 확인하고 엔트리를 유지한채 타이머를 처음 설정값으로 다시 리셋함

 

• 만약 주소 S를 가진 노트북이 포트 1번에서 통신하다가 선을 뽑고 포트 2번에 새로 꽂아서 패킷을 보내면?
• 타이머가 돌고 있는 와중에 주소 S가 이번에는 포트 2번으로 들어왔음
• 장비는 토폴로지가 변경되었음을 즉각 감지하고 기존 (S, port 1)로 되어있던 엔트리를 (S, port2)로 업데이트한 뒤에 타이머를 리셋함

 

 

27. 브릿지의 루프

• 네트워크의 신뢰성을 위해 브릿지를 이중화 했을 때 제어 알고리즘이 없으면 네트워크가 마비될 수 있음
• 3계층 IP 패킷에는 패킷의 수명을 제한해 루프를 방지하는 TTL 필드가 있지만 2계층 MAC 프레임에는 없음
• 따라서 프레임은 네트워크 내부에서 목적지를 찾지 못하거나 루프에 갇히면 물리적으로 소멸되지 않고 영원히 순환함

 

• Station A가 브로드캐스트 프레임(또는 장비들이 위치를 모르는 Unknown unicast 프레임)을 발송했다고 가정
• t0 단계: 프레임의 중계
  • Station A가 발사한 신호가 LAN X 매체를 타고 양방향으로 전파
  • LAN X에 물려있는 두 브릿지 알파와 베타는 이 프레임을 동시에 수신함
  • 두 브릿지 모두 목적지를 모르거나 브로드캐스트 이므로 규칙에 따라 프레임이 들어온 아래쪽 포트를 제외한 위쪽 포트로 프레임을 플러딩 flooding하여 LAN Y로 밀어올림
• t1, t2: 무한 루프의 시작
  • 브릿지 알파가 위로 올린 프레임 t1과 브릿지 베타가 위로 올린 프레임 t2가 동시에 LAN Y에 도착함
  • station B는 이 복제된 두 프레임을 모두 받게됨 (데이터 중복 수신 문제 발생)
  • 브릿지 알파 입장에서는 자신이 올린 프레임 외에 브릿지 알파가 올려서 LAN Y를 타고 왼쪽으로 흘러온 프레임을 위쪽 포트로 다신 수신하게 됨
  • 브릿지 베타도 마찬가지로 브릿지 알파가 올린 프레임을 위쪽 포트로 수신함
  • 두 브릿지는 위쪽 포트로 새로운 프레임을 수신했기에 이 프레임들을 다시 아래쪽 포트 LAN X로 플러딩하여 내려보냄
  • 이 고장이 시계 방향, 반 시계 방향으로 초당 수백만번 이상 무한 반복
• 브로드캐스트 스톰
  • 브로드캐스트 프레임이 루프 구조를 타고 돌면서 소멸되지 않고 스위치의 플러딩 동작에 의해 기하급수적으로 복제 증식되어 네트워크 전체를 집어 삼키는 현상
  • 선로의 대역폭이 순식간에 100프로 가득 차버림
  • 이로인해 정상적인 데이터 패킷들이 전송되지 못하고 드롭되며 네트워크에 연결된 모든 컴퓨터는 끊임없이 밀려드는 쓰레기 브로드캐스트 프레임을 처리하느라 CPU 점유율이 폭발하여 네트워크가 완전히 마비됨
• MAC 주소 Flapping
  • 브릿지가 프레임을 수신할 때마다 포워딩 테이블의 주소를 동적으로 갱신하는 과정에서 동일한 MAC주소의 매핑 포트가 미친듯이 날뛰며 바뀌는 현상
  • t0때 Station A의 패킷이 아래쪽 포트로 들어오므로 두 브릿지는 (Station A = 아래쪽 포트)라고 학습
  • t1, t2에 의해 반대편 브릿지가 넘겨준 station A 출발지 패킷이 이번에는 각 브릿지의 위쪽 포트로 들어옴
  • 브릿지들은 (Station A = 위쪽 포트)로 갱신함
  • 다시 프레임이 아래로 들어오면 테이블을 다시 갱신
  • MAC 테이블이 1초에 수만 번씩 뒤집히면서 장비의 주소 데이터베이스가 극도로 불안정해지고 데이터가 엉뚱한 포트로 배달되는 경로 불일치 재앙이 발생

 

28. IEEE 802.1 스패닝 트리 알고리즘

• 네트워크에서 백업 라인을 만들어두었다는 것은 수학적으로 폐루프가 존재한다는 의미
• 동적 주소 학습 기능은 대체 경로가 없는 트리 구조에서만 완벽하게 동작함 루프가 있으면 주소 플래핑이 일어나 시스템이 망가짐
• 연결 그래프가 주어졌을 때 모든 정점을 연결하면서 내부의 폐루프를 완벽히 제거한 부분 그래프 신장 트리가 반드시 존재함
• 즉 장비와 선로가 아무리 복잡하고 중복되게 얽혀있어도 가상의 안전한 외길을 찾아낼 수 있음
• 이 알고리즘은 동적임
• 평소에는 루프를 막기위해 특정 선로를 잠가두었다가도 사용 중이던 메인 선로가 끊어지면 즉각적으로 감지하여 잠가둔 선로를 풀어주는 동적 최신화 기능이 필수적
• 물리적으로는 루프 구조를 유지하여 안정성을 확보하되 논리적으로는 특정 포트를 차단하여 트리 구조로 만드는 것

28.1 알고리즘을 위한 4대 기초 설정

• BID 부여:
  • 각 브릿지마다 대장을 root bridge를 선출하기 위한 고유한 ID 번호가 부여됨 일반적으로 관리자가 설정하는 우선순위 값과 장비 고유의 MAC 주소를 조합해 만듦 BID
• Port cost
  • 각 브릿지의 포트마다 비용이라는 가중치 값이 할당됨 이 비용은 대게 해당 포트의 선로 속도(대역폭)에 반비례 ex) 예: 10Mbps선보다 100Mbps 속도의 선이 대역폭이 넓으므로 비용이 훨씬 저렴하게 책정. 브릿지는 당연히 비용이 가장 적제 드는 효율적 경로를 선택함
• BPDU 프레임 교환
  • 브릿지들은 서로 BPDU (Bridge Protocol Data Unit)라는 특수한 제어 프레임을 주기적으로 (2초) 주고받으며 내 ID는 무엇이고 내가 아는 경로는 이렇다고 정보를 공유함
• 자동 토폴로지 변화 처리
  • 선로가 차단되거나 새로운 스위치가 장착되는 등 변화가 감지되면 BPDU 교환을 통해 즉시 알고리즘을 재계산하여 차단했던 포트를 포워딩 상태로 바꾸거나 그 반대로 처리

29. IEEE 802.1 신장 트리 프로토콜의 단계

29.1 루트 브릿지 선출

• 가장 낮은 ID 번호를 가진 브릿지가 루트 브릿지로 선출됨
• 루트 브릿지는 이후 단계의 연산을 주도하고 네트워크 중심 역할을 수행해야하므로 실무에서는 가장 사양이 좋고 고속 백본망에 위치한 스위치의 우선순위 값을 인위적으로 낮추어 루트 브릿지로 만듦

29.2 최단 경로 선택 및 포트 역할 부여

• 루트 브릿지가 결정되면 나머지 모든 브릿지들은 자신으로부터 루트 브릿지까지 가는 가장 가깝고 빠른 길을 계산함
• 링크의 대역폭을 기반으로 비용을 계산하여 누적 합산이 가장 적은 경로를 선택
• 포트 지정 규칙: 이 과정에서 브릿지들의 포트는 두 가지 중요한 지위를 얻음
  • 루트 포트: 루트 브릿지가 아닌 일반 브릿지들이 루트 브릿지로 가기 위해 선택한 최적의 탈출구 포트, 브릿지당 딱 1개만 지정됨
  • 지정 포트: 각 LAN 세그먼트 입장에서 루트 브릿지와 가장 가까운 (비용이 적은) 포트임. 하나의 LAN 선로(세그먼트)당 무조건 1개씩 선출. 루트 브릿지에 붙어있는 모든 활성화된 포트는 언제나 비용이 0이므로 무조건 지정 포트가 됨

29.3 루프 제거를 위한 포트 차단

• 차단 규칙: 2단계에서 루프 포트도 되지 못하고 지정 포트로도 선택되지 못한 나머지 모든 포트들을 논리적으로 잠가버림
• 이를 차단 상태라고 함
• 물리적으로 존재하던 백업 선로들이 논리적으로 끊기면서 네트워크 내부의 폐루프가 완벽히 소멸하고 하나의 거대한 트리 구조만 남게됨

29.4 동적 장애 극복 Fault Tolerance\

• 만약 현재 데이터를 열심히 나르고 있던 활성 링크(루트 포트나 지정 포트가 있던 선로)가 물리적으로 끊어지는 사고가 발생하면 브릿지들은 주기적으로 주고 받는 BPDU 신호가 끊긴 것을 감지
• 토폴로지의 변화를 인지한 브릿지들은 알고리즘을 자동으로 재계산함
• 기존에 차단된 백업 포르트의 잠금을 풀어 포워딩 상태로 활성화
• 인간의 개입 없이 스스로 우회 경로를 뚫어 시스템을 복구하는 장애 허용 능력을 발휘

 

• 루트 브릿지: 전체 네트워크에 딱 1대 존재
• 루트 포트: 루트 브릿지가 아닌 일반 브릿지마다 1개 존재
• 지정 포트: 분할된 물리 선로 LAN 세그먼트마다 딱 1개 존재

 

30. 허브 - L1 장비

• 스타 토폴로지의 중심
• 허브는 외관상 모든 컴퓨터가 중앙의 허브를 중심으로 연결되는 스타 토폴로지를 가짐
• 각 station은 허브와 두 개의 점대점 라인, 송신용과 수신용 한 선으로 독립되게 연결됨
• 주로 사용하는 선로는 UTP 케이블로 최대 전송 거리는 100m며 광케이블 이용시 최대 500m로 확장 가능
• 필요에 따라 여러 허브를 계층적으로 연결하기도 함
• 허브는 상위 계층의 주소 MAC 주소를 해독하는 능력이 전혀없음
• 또한 프레임을 임시 저장할 수 있는 메모리 버퍼도 존재하지 않음
• 신호가 들어오는 즉시 옆 구멍으로 밀어냄
• 어떤 하나의 컴퓨터가 데이터를 송신하면 허브는 이 전기신호를 증폭한뒤 데이터가 들어온 포트를 제외한 나머지 모든 포트로 무조건 복제해서 동시에 뿜어냄
• 목적지가 누구든 상관없이 허브에 꽂힌 모든 컴퓨터가 그 신호를 강제적으로 수신함 보안상 매우 취약하고 대역폭 낭비가 심함
• 만약 두 개 이상의 컴퓨터가 동시에 데이터를 송신하면 허브 내부에서 전기 신호가 그대로 엉키고 부딪혀 데이터가 깨지는 충돌 발생
• 버퍼가 없어서 데이터를 붙잡아 두거나 순서를 정해줄 수 없기 때문
• 외형은 스타 토폴로지
  • 선로가 중앙의 허브로 모여 있으므로 완벽한 별 모양임. 선로 하나가 끊어져도 그 컴퓨터만 통신이 안될 뿐이라 유지보수가 편함
• 논리적으로는 버스
  • 내부 동작 매커니즘은 한 사람이 말하면 모두가 들어야 하고 동시에 말하면 충돌이 난다는 점에서 과거 한 가닥의 케이블을 공유하던 전통적인 버스 토폴로지와 완벽히 일치
• 허브를 쓰는 유선 이더넷 환경에서는 충돌을 방지하기 위해 선로를 먼저 눈치 보며 살피는 CSMA/CD ( Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) 프로토콜이 반드시 필요했음

 

31. 허브의 장단점

31.1 장점 (스타 토폴로지의)

• 최대 전송 거리 확장
  • 단일 버스 선로에 컴퓨터들을 묶으면 케이블 길이 한계 (ex. UTP 100m)에 갇히게 됨
  • 하지만 최상위 헤드 허브 아래에 중간 허브들을 계층적으로 트리 모양으로 연결하면 노드와 노드 사이의 물리적인 최대 도달 거리를 수백 미터 이상으로 크게 확장 가능
• 장애 격리 Fault Restriction
  • 만약 특정 단말의 랜선이 끊어지거나 고장 나더라도 혹은 하위 IHUB 하나가 물리적으로 오작동 하더라도 그 피해는 해당 LAN 세그먼트 구역내로만 제한됨
  • 다른쪽에 연결된 스테이션들을 여전히 허브를 통해 정상적으로 통신 가능하므로 유지보수성과 네트워크 가용성이 높아짐

31.2 단점 (버퍼 부재로 인한)

• 다른 LAN 세그먼트에 있는 모든 station들이 같은 충돌 도메인에 있음 -> 느림
  • 허브는 데이터를 잠시 담아둘 버퍼가 없기에 신호가 들어오는 즉시 사방으로 뿌림
  • 아무리 허브를 계층적으로 쪼개어 여러 세그먼트를 나누어 놓았더라도 한 장비가 신호를 쏘면 최상위 HHUB까지 신호를 타고 올라갔다가 모든 포트로 다시 복제되어 내려옴
  • 모든 컴퓨터와 모든 허브 포트가 하나의 거대한 충돌 도메인으로 묶임
  • 장치 수가 늘어날 수록 충돌이 미친듯이 발생해 실제 통신 속도가 극도로 느려짐
• 모든 LAN 세그먼트들은 반드시 동일한 이더넷 기술을 사용해야함 ex. 같은 속도로 작동
  • 버퍼가 있다면 10Mbps로 들어오는 패킷을 메모리에 잠시 저장했다가 100Mbps 속도의 선로로 빠르게 변환해서 밀어줄 수 있음
  • 하지만 허브는 버퍼가 없으므로 들어오는 속도 그대로 실시간 통과시켜야함
  • 허브에 묶인 LAN 세그먼트들은 반드시 동일한 이더넷 기술(동일한 데이터 전송 속도, rate)를 사용해야함
  • 구형 10Mbps 장치 하나가 허브에 끼어들면 나머지 고속 장치들도 전부 10Mbps 속도로 강제 하향  평준화

 

32. L2 스위치의 주요 장점과 혜택

32.1 주요 이점

• 기존 단말 장치의 로직 유지
  • 기존의 공유 버스 LAN이나 허브 LAN 환경에서 쓰던 컴퓨터들을 그대로 L2 스위치에 내보내 장착해도 컴퓨터 내부의 통신 소프트웨어나 하드웨어 설정을 바꿀 필요가 전혀 없음
  • 스위치가 투명하게 중간에서 변환처리를 해주기 때문
• 동시 다발적 프레임 포워딩
  • 허브는 한번에 단 한명만 말할 수 있었지만 스위치는 내부 스위칭 패브릭을 통해 1번 포트 -> 2번 포트 통신과 3번 포트 -> 4번 포트 통신을 동시에 충돌없이 병렬로 처리 가능
• 독점적 대역폭 제공
  • 만약 스위치의 총 처리 용량 Throughput이 20Mbps라고 가정
  • 허브였다면이 20Mbps를 모든 컴퓨터가 나눠쓰느라 기기 수가 늘어날수록 속도도 줄어듬
  • 스위치는 각 포트의 단말기들이 마치 입력 10Mbps, 출력 10Mbps의 전용 대역폭(Dedicated capacity)을 혼자 독점해서 쓰고 있는 듯한 환상을 만들어줌
  • 왜냐면 포트끼리는 충돌 영역이 완전히 분리되서 방해를 받지 않기 때문
• 손쉬운 확장성
  • 컴퓨터가 늘어나면 스위치의 포트 수와 내부 처리 용량이 더 큰 상위 장비로 교체하거나 증설하기만 하면되므로 전체 네트워크 아키텍처를 갈아엎지도 않고 유연하게 규모를 키울 수 있음

32.2 왜 버퍼링이 필요한가?

• 입력 버퍼에서는 트래픽이 폭발
  • 여러 장치에서 갑작스럽게 대량의 프레임이 동시에 들이닥치는 트래픽 폭주 현상이 발생할 때 스위치가 이를 한번에 처리하지 못하면 패킷 유실이 발생
  • 입력 버퍼는 들어오는 데이터를 임시로 담아두어 충격을 완화하는 장치
  • 스위치 내부 칩셋이 프레임의 헤더의 목적이 MAC 주소를 조회하고 포워딩 결정을 내리는 미세한 지연 시간동안 프레임을 안전하게 잡아둠
• 출력 버퍼에서는, 다대일 트래픽 패턴
  • 여러 개의 입력포트에서 들어온 프레임들이 동시에 단 하나의 출력포트로 향해 가려고 할 때 이를 many to one 트래픽 패턴 또는 병목 현상이라고 함
  • 허브는 버퍼가 없어 무조건 충돌이 일어나지만 스위치는 출력 버퍼라는 대기실에 패킷들을 큐 형태로 차례대로 줄 세움
  • 먼저 온 패킷을 내보내는 동안 뒤이어 온 패킷들을 메모리에 대기시켜 충돌 방지
• 인터페이스 속도 불일치 조율
  • 스위치에 연결된 장치들의 랜선 속도가 다를 때 발생하는 속도 불일치 환경 ex. 10Mbps 구형 PC와 100Mbps/1Gbps 신형 서버 간의 통신
  • 버퍼가 없다면 입력 속도와 출력 속도를 맞추지 못해 비트가 깨지거나 밀림
  • 스위치는 저속으로 들어오는 패킷을 버퍼 메모리에 완전히 다 채워 저장 후 고속 선로로 타이밍을 맞춰 빠르게 분출해주는 유연성이 있음

 

33. 버스, 허브, 스위치

33.1 버스 (전통적인 버스형 LAN)

• 과거 동축 케이블 한 가닥을 수 많은 컴퓨터가 노란색 뱀처럼 나누어 쓰던 방식
• 모든 스테이션이 하나의 물리적 선로 용량을 완벽하게 쪼개어 사용
• 매체가 하나이기에 동시 전송을 절대 불가능하며 오직 한 번에 단 1대의 스테이션만 데이터 전송 가능

33.2 허브 (1계층 허브형 LAN)

• 외형은 스타이지만 내부 회선이 하나로 묶여 있어 어느 한 스테이션이 보낸 신호를 다른 모든 스테이션에 무조건 강제 전달
• 버스와 마찬가지로 한번에 1대만 전송 가능하며 전체 LAN의 유효 총 대역폭은 여전히 고작 10 Mbps 수준
• 장치가 늘어날 수록 개별 기기가 체감하는 속도는 처참

33.3 스위치 (2계층 스위칭형 LAN)

• 특정 스테이션이 보낸 프레임은 무차별 유포되지 않고 목적지가 연결된 적절한 출력선으로만 골라서 스위칭
• 사용되지 않고 비어있는 다른 선로(포트)들은 그들만의 또 다른 트래픽을 독립적으로 전달 가능 -> 동시에 여러 스테이션이 간섭없이 데이터를 뿜어낼 수 있음
• LAN 용량 곱하기
  • B가 A에게 프레임을 전송하는 동안 C가 D에게 프레임 전송
  • 각 단말과 스위치 포트를 잇는 개별 선로의 속도는 여전히 10Mbps로 제한
  • 스위치 내부에서 B -> A 통신용 도로와 C -> D 통신용 도로를 하드웨어적으로 완벽하게 분리
  • 두 통신은 충돌하지 않고 완전한 병렬로 동시에 흐름
  • 각 장치는 10Mbps짜리 랜선을 쓰고 있지만 네트워크 전체가 초당 처리해내는 실질 데이터 양 Throughput은 20Mbps로 뻥튀기됨
  • 만약 8포트 스위치에서 4쌍이 동시에 대화한다면 전체 처리율을 40Mbps까지 증가

 

34. L2의 store and forward switch (저장 후 전달)  High integrity

• 프레임의 헤더(주소)만 보고 넘기는게 아니라 전체 프레임이 포트에 완벽하게 다 도착할 때까지 기다린 후에 다음 포트로 포워딩
• 프레임의 마지막 1비트까지 다 들어와서 버퍼에 쌓일 때까지 무조건 기다려야 하므로 송신자와 수신자 사이에 필연적인 전송지연이 발생
• 프레임이 길어질 수록 이 지연 시간이 늘어남
• 데이터의 높은 무결성을 보장

34.1 내부 동작 4단계 프로세스

• 입력 포트로 들어오는 프레임 신호를 수신
• 프레임 전체가 완전히 들어올 때까지 내부 메모리 버퍼에 전체 저장
• 프레임이 버퍼에 다 차면 프레임 맨 꼬리에 붙어있는 FCS를 확인해 CRC 연산을 수행
• 만약 선로 노이즈로 인해 데이터가 1비트라도 깨졌다면 스위치는 이 프레임을 반대편 포트로 넘기지 않고 즉시 폐기
• CRC 검사를 완벽히 통과한 프레임만 목적지 포트로 포워딩됨

35. L2의 Cut-Through 스위치 Fast Forward and Low latency

• 이더넷 프레임 구조 상 가장 궁금한 목적지 MAC 주소는 프레임의 가장 맨 앞에 있음
• 프레임 전체가 수신될 때까지 기다리지 않고 목적지 MAC 주소(6바이트)만 스위치 포트에 들어오면 그 즉시 포워딩 시작
• 뒷부분 데이터 payload와 에러 검출 코드가 아직 랜선을 타고 들어오는 도중에 앞머리는 이미 출력 포트를 통해 반대편으로 뿜어짐
• 지연시간이 0에 수렴
• 높은 처리율 - 고성능 금융 거래 시스템/실시간 데이터 센터망에서 이용
• 쓰레기 패킷의 전파 가능
  • CRC 체크할 방법이 없음
  • 쓰레기 프레임을 스위치가 필터링하지 못하고 이웃 네트워크로 전달 -> 네트워크 전체 대역폭 오염, 오버헤드 유발

 

36. 허브 vs 브릿지

36.1 허브

• 버퍼 없음: 전기 신호가 들어오는 즉시 실시간으로 통과시킴
• 오직 하나의 노드가 데이터를 보내면 다른 모든 노드로 무조건 신호를 복사해서 뿌리는 플러딩만 가능
• 모든 포트가 하나의 쇠파이트 선로처럼 전기적으로 연결되어있어 누군가 동시에 데이터를 보내면 무조건 충돌
• 전체 네트워크가 단 하나의 충돌 도메인으로 묶임
• 버퍼가 없으므로 허브에 꽂힌 모든 장치는 동일한 MAC 프로토콜(이더넷)과 완벽하게 일치하는 링크 속도를 써야함

36.2 브릿지

• store &  forword: 내부 버퍼 메모리로 프레임을 끝까지 안전하게 저장 후 CRC 에러가 없는지 검사하고 전달 가능
• 플러딩/필터링/포워딩을 상황에 맞게 가능
• 브릿지가 포트 간의 신호를 버퍼로 분격해주기 때문에 포트(세그먼트)마다 독립된 충돌 도메인을 가짐 -> 충돌이 획기적으로 줄어들어 통신 속도가 빨라지고 대역폭 효율성이 극대화됨
• 이더넷과 와이파이 간의 MAC 포맷 매핑 가능, 버퍼 덕에 장치간의 속도 불일치도 유연하게 흡수 및 지원

36.3 공통점

• 하나의 브로드캐스트 도메인
  • 허브는 당연하고 브릿지 역시 목적지가 FF:FF:FF:FF:FF:FF인 브로드캐스트 프레임은 필터링하지 못하고 반대편으로 무조건 통과시킴
  • 이 장비들로 네트워크를 길게 이어 붙여도 전체 시스템은 하나의 거대한 브로드캐스트 영역에 갇힘
• LAN 확장 쉽고 장애 station 고립 가능
  • 두 장비 모두 점대점 케이블 (스타 토폴로지)를 기반으로 하기에 LAN의 물리적 전송 거리를 쉽게 연장가능
  • 특정 컴퓨터가 고장 나거나 이상한 신호를 뿜어내도 그 기기의 랜선만 뽑아버리면 되므로 장애 노드 고립시키기 매우 용이

 

37. 브릿지 vs L2 스위치

37.1 브릿지

• 소프트웨어 기반 1세대 장비
• 과거 초기 LAN 환경에서 세그먼트를 분할하기 위해 등장한 초기형 모델
• 일반적인 CPU와 범용 메모리 구조에서 소프트웨어(프로그램 로직)적으로 프레임을 처리
• 운영체제나 펌웨어가 개입하여 주소 테이블을 검색하기 때문에 처리 속도에 한계
• CPU가 한번에 하나의 연산을 처리하는 구조적 한계 때문에 여러 포트에서 프레임이 동시에 들어오더라도 내부적으로는 한번에 단 하나의 프레임만 분석하고 전달할 수 있음
• store and forward 무조건 프레임 전체를 버퍼에 다 받아 적은 뒤에 crc 검사를 거쳐 포워딩 하는 저장 후 전달 방식만 고수

 

37.2 스위치

• 하드웨어 기반의 고속 진화형 장비
• 스위치는 ASIC(주문형 반도체 Application-Specific Integrated Circuit)라는 특수 목적용 하드웨어 칩셋을 탑재
• 주소 판별과 포워딩 연산이 칩셋 회로 자체에서 물리적 전압 신호 레벨로 초고속 처리됨
• 내부에 다중 병렬 데이터 경로를 가지고 있어서 1번 -> 2번 포트로 프레임이 지나가는 동시에, 3번 -> 4번 포트로 다른 프레임이 충돌 없이 동시에 다발적으로 통과(Forward multiple frames at a time)할 수 있는 압도적인 대역폭
• store and forward뿐만 아니라 cut-through 스위칭 방식도 가능
• 스위치는 각 단말과 full-duplex로 통신함
• 송신선과 수신선이 완전히 분리되어 작동하므로 데이터를 보내는 동시에 수신가능함
• 이로 인해 충돌 가능성이 수학적으로 0이 되며 과거 half-duplex로 통신하던 허브/브릿지 체계의 구조를 완전히 벗어남
• 브릿지가 수행하던 동적 주소 학습, 필터링, 신장 트리 프로토콜 STP 등의 논리적 기능을 100프로 흡수하고 포함
• 오늘날 새로운 네트워크 인프라를 구축할 때 독립된 하드웨어로서의 구형 브릿지 장비를 따로 구매해서 설치하는 경우는 없음
• L2 스위치가 브릿지의 역할을 완벽하게 대체하여 사용됨
• 현업에서 L2 스위치를 그냥 브릿지라고 부름

 

요약본