챕터 02 물리 계층과 데이터 링크 계층 - 허브, 스위치

네트워크 장비

02-3 허브

• 허브: 물리 계층의 네트워크 장비 

 

주소 개념이 없는 물리 계층

• 물리 계층에는 주소 개념이 없음
• 물리 계층에서는 호스트와 통신 매체 간의 연결과 통신 매체 상의 송수신만 이루어짐
• => 따라서 물리 계층의 네트워크 장비는 송수신되는 정보에 대한 조작이나 판단 하지 않음

 

• 데이터 링크 계층에는 주소 개념 있음
• 송수신지를 특정할 수 있는 주소는 데이터 링크 계층부터 존재, MAC 주소가 여기에 속함
• => 따라서 송수신지를 특정할 수 있고 송수신되는 정보에 대한 조작과 판단을 할 수 있음

 

허브

• 여러 개의 호스트를 연결하는 장치
• 리피터 허브, 이더넷 네트워크의 허브는 이더넷 허브라고도 함
• 오늘 날 인터넷 환경에서는 잘 사용되지 않음 (-> 허브의 특징이 문제점으로 작용해서)

- 허브의 특징

1) 전달받은 신호를 다른 모든 포트로 그대로 다시 보냄

• 물리 계층에는 주소 개념이 없기 때문에 허브는 수신지 특정 못 함
• 따라서 신호를 전달 받으면 조작이나 판단 하지 않고 그냥 모든 포트에 보내기만 함 (불필요한 트랙픽 많음)
• 자신과 관련 없는지 있는지는 데이트 링크 계층에서 판단하고 관련 없으면 폐기

 

2) 반이중 모드로 통신

• 반이중 모드: 송수신을 번갈아 가면서 하는 통신 방식 = 동시에 송수신 불가능
• (전이중 모드: 송수신을 동시에 양방향으로 할 수 있는 방식)

 

*리피터: 물리 계층의 또 다른 장비로, 전기 신호가 감소하거나 왜곡되는 것을 방지하기 위해 전기 신호를 증폭시키는 장비로 허브는 이러한 리피터 기능을 포함하기도 함

- 콜리전 도메인

• 충돌(콜리전): 허브는 반이중 통신이라 한 호스트에서 송신하는 동안 다른 호스트는 기다려야 하는데 두 호스트가 동시에 허브에 신호를 송신했을 때 발생하는 충돌
• 콜리전 도메인: 충돌이 발생할 수 있는 영역으로 허브에 연결된 모든 호스트는 같은 콜리전 도메인에 속함, 따라서 콜리전 도메인은 작아야 함
• 허브에 호스트가 많이 연결되어 있을 수록 충돌 발생 가능성 높음
• 충돌 방지를 위해 CSMA/CD 나 스위치 장비를 사용

 

CSMA/CD

• 반이중 이더넷 네트워크에서 충돌을 방지하는 프로토콜
• CS: 캐리어 감지, 통신 매체의 현재 사용 가능 여부 검사, 메시지를 보내기 전에 현재 네트워크 상에서 전송 중인 것이 있는지를 확인
• MA: 다중 접근 = 복수의 호스트가 네트워크에 접근하려는 상황 - > 충돌 발생 가능성 있음
• CD: 충돌 검출, 충돌이 발생했음을 검출 이 때 전송이 중단되고 충돌을 검출한 호스트는 다른 이들에게 충돌이 발생했음을 알리고자 잼 신호를 보냄, 그 후 어느 정도 시간을 기다린 뒤 다시 전송

 

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02-4 스위치

• 허브의 충돌을 해결할 근본적인 해결법 = 전달받은 신호를 수신지 호스트가 연결된 포트로만 보냄 + 전이중 통신 => 스위치는 이러한 기능을 지원함
• 스위치: 데이터 링크 계층의 네트워크 장비

스위치

• 2계층에서 사용한다 하여 L2 스위치 라고도 함
• MAC 주소를 학습해 특정 MAC 주소를 가진 호스트에만 프레임을 전달하며 전이중 통신을 지원
• 따라서 포트 별로 콜리전 도메인이 나뉘고 전이중 통신이므로 CSMA/CD 프로토콜 필요 없음

- 스위치의 특징

• 포트와 그 포트에 연결된 호스트의 MAC 주소를 기억 => 원하는 호스트에만 프레임 전달 가능 (MAC 주소 학습)
• 포트와 MAC 주소를 메모리에 표 형태로 기억 (MAC 주소 테이블)

MAC 주소 학습

1)

처음에는 호스트 A, B, C, D의 MAC 주소가 어느 포트와 연결되어 있는지 모름 (MAC 주소 테이블 비어 있음)

스위치의 MAC 주소 학습은 프레임 내 송신지 MAC 주소 필드를 바탕으로 이루어짐

스위치가 호스트 A에서 프레임을 수신하면, MAC 주소 테이블에 호스트 A의 송신지 MAC 주소와 연결된 포트를 저장

 

2)

플러딩:

• 수신지 포트가 MAC 주소 테이블에 없기 때문에 일단 A를 제외한 모든 포트로 전송
• 호스트 B, D는 관련이 없는 주소기 때문에 프레임 폐기하고 호스트 C는 응답 프레임 전송
• 이 때, MAC 주소 테이블에는 호스트 C의 송신지 MAC 주소와 연결된 포트를 저장

=> 이제 호스트 A, C 에 연결된 포트를 알았기 때문에 두 호스트가 프레임을 주고 받을 때는 다른 호스트로 프레임을 보내지 않음

 

 

3)

• 필터링: 프레임을 어디로 보내고 보내지 않을지를 결정하는 기능
• 포워딩: 프레임이 전송될 포트에 실제로 프레임을 내보내는 것

 

4) 

• 에이징: MAC 주소 테이블에 등록된 특정 포트에서 일정 시간 동안 프레임을 전송받지 못 했을 때, 해당 항목 삭제

* 브리지: 데이트 링크 계층의 스위치와 유사한 장비, 스위치의 기능들도 제공, 일반적으로 스위치의 기능이 더 다양하고 성능이 우승하기 때문에스 스위치에 비해 사용 빈도 줄어들고 있는 추세

VLAN

스위치에 연결된 호스트 중에서도 서로 메시지를 주고받을 일이 적거나 브로드캐스트 메시지를 받을 필요가 없어서 굳이 같은 네트워크(LAN)에 속할 필요가 없는 호스트도 있을 수 있는데 이들을 분리하고자 매번 새로운 스위치 장비를 구비하는 것은 낭비

 

한 대의 물리적 스위치로 여러 대의 스위치가 있는 것처럼 논리적인 단위로 (가상의) LAN 을 구획할 수 있음 

 

- 포트 기반 VLAN

스위치의 포트가 VLAN을 결정하는 방식

특정 포트에 VLAN을 할당하고 해당 포트에 호스트를 연결해서 VLAN에 포함시킬 수 있음

그런데 포트 수가 부족해질 수 있다는 문제점이 있음

 

이 때 사용할 수 있는 게 VLAN 트렁킹: 두 대 이상의 VLAN 스위치를 연결하여 확장하는 방법

- MAC 기반 VLAN

MAC 주소에 따라 VLAN이 결정되는 방식

송수신하는 프레임 속 MAC 주소가 호스트가 속할 VLAN을 결정하는 방식

즉 어떤 MAC 주소가 특정 VLAN에 할당되었다면 어떤 포트에 연결되든 상관 없음

 

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https://youtu.be/N-oUxyUMnAk?si=MnnTffKaVwBbvJrn

 

https://youtu.be/Q9yiKrR1lWI?si=zFHPjM5AXRxRXtzM

 

https://youtu.be/hHg88sWPzus?si=zZqOcu2Mq-8prvc-