랜 스위칭

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1. 개요
2. 레이어2 스위칭
- 2.1. 기능 및 특징
- 2.2. 한계
3. 레이어3 스위칭
- 3.1. 기능 및 특징
- 3.2. 스위칭 원리
4. 레이어4 스위칭
- 4.1. 기능 및 특징
5. VLAN (가상 LAN)
- 5.1. VLAN 종류
6. 종류
- 6.1. 매니지드 스위치
- 6.2. 언매니지드 스위치
참조

1. 개요

랜 스위칭은 네트워크 상에서 데이터를 효율적으로 전송하기 위한 기술로, OSI 모델의 레이어 2, 3, 4에서 동작하며 각 레이어의 특성에 따라 다양한 기능을 제공한다. 레이어 2 스위칭은 MAC 주소를 기반으로 프레임을 전달하며, 하드웨어 기반의 필터 테이블을 사용하여 낮은 지연 시간과 효율적인 데이터 중계를 제공한다. 레이어 3 스위칭은 IP 주소를 기반으로 패킷을 전달하며, 하드웨어 기반으로 패킷 교환을 수행하여 라우터보다 빠른 속도를 제공한다. 레이어 4 스위칭은 QoS 설정을 통해 트래픽 관리를 가능하게 한다. 또한, VLAN 기술을 통해 스위치 인터페이스를 그룹으로 묶어 네트워크를 분리할 수 있으며, 매니지드 스위치와 언매니지드 스위치로 구분되어 네트워크 환경에 따라 선택적으로 사용된다.

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랜 스위칭

2. 레이어2 스위칭

OSI 7계층 중 2계층인 데이터 링크 계층에서 작동하는 스위칭 방식이다. L2 스위칭은 각 기기의 네트워크 카드에 할당된 고유한 MAC 주소를 식별하여 데이터 프레임을 정확한 목적지로 전달하는 역할을 한다.

이 과정은 주로 ASIC(주문형 반도체)이라는 전용 하드웨어를 통해 처리되므로 소프트웨어 방식에 비해 처리 속도가 매우 빠르고 지연 시간이 짧다는 장점이 있다. 이러한 특징 때문에 L2 스위치는 여러 개의 포트를 가진 브리지라는 의미에서 '멀티포트 브리지'라고도 불린다.

L2 스위칭은 하드웨어 기반의 빠른 데이터 전달 능력과 효율성을 바탕으로, 네트워크를 논리적으로 분할하고 통신 효율성을 높이는 데 핵심적인 역할을 수행한다. 특히 이더넷 환경에서 널리 사용되며, 네트워크 내의 불필요한 데이터 전송(충돌)을 줄여 전체적인 성능 향상에 기여한다. 스위칭 허브는 L2 스위치의 대표적인 형태 중 하나이다.

2. 1. 기능 및 특징

랜 스위칭은 특정 방식이나 개념이라기보다는, 구체적인 네트워크 장비 제품의 분류로서 자리 잡고 있다. LAN의 종류로는 이더넷(Ethernet, IEEE 802.3), 토큰 버스(Token Bus, IEEE 802.4), 토큰 링(Token Ring, IEEE 802.5) 등이 있지만, 일반적으로 랜 스위칭이라고 하면 제품 보급의 역사적 맥락상 이더넷에 관한 것을 지칭한다.

랜 스위칭 장비는 크게 브리지 기능을 수행하는 레이어 2 스위치와, 여기에 더해 서로 다른 IP 주소 등 레이어 3의 서브넷 간 라우팅 기능까지 수행하는 레이어 3 스위치로 나뉜다. 두 종류 모두 소프트웨어 처리가 아닌 ASIC에 의한 하드웨어 처리를 통해 기능을 구현하는 것이 핵심 특징이다. 레이어 2 전송 기능의 자세한 내용은 브리지 문서를, 레이어 3 전송 기능은 라우터 문서를 참고할 수 있다.

특히 라우팅 기능을 제공하는 네트워크 장비는 본래 소프트웨어 처리 방식의 라우터 제품에서 시작되었기 때문에, 이와 대비하여 하드웨어 처리 방식임을 강조하기 위해 '랜 스위칭'이라는 용어가 사용되기도 한다.

레이어 2 스위칭(L2 스위칭)은 호스트의 네트워크 카드에 있는 MAC 주소를 이용하여 프레임을 어느 곳으로 전달(포워딩)할지 결정한다. 이는 하드웨어적으로 구현된 필터 테이블(MAC 주소 테이블)을 사용하는 스위치를 의미하며, '멀티포트 브리지'라고도 불린다. 트위스트 페어 케이블을 사용하는 이더넷 LAN 환경에서는 집선 장치로서의 리피터 허브와 대비하여 브리지 기능을 제공한다는 의미에서 스위칭 허브 또는 멀티포트 브리지라는 명칭으로도 불린다. 레이어 2 스위치 중에는 섀시형으로 다양한 인터페이스 모듈을 장착할 수 있는 타입도 있지만, 스위칭 허브는 주로 인터페이스 증설이 불가능한 박스형이며 트위스트 페어 케이블 인터페이스를 주로 사용한다. 스위칭 허브는 레이어 2 스위칭의 한 종류이다.

L2 스위칭은 다음과 같은 주요 기능을 제공한다.

하드웨어 기반 데이터 중개: MAC 주소를 이용한 빠른 처리.
선로 속도 전송 / 정체 없는 포워딩: 네트워크 병목 현상 최소화.
낮은 지연 시간: 데이터 전송 지연 감소.

L2 스위칭은 일반적으로 데이터 패킷을 암호화하지 않기 때문에 매우 효율적이다. (서로 다른 매체, 예를 들어 이더넷에서 FDDI로 통과하는 경우에만 프레임 암호화가 변경된다.) 이러한 특징 덕분에 L2 스위칭은 작업그룹 연결과 네트워크 세분화(충돌 도메인 분리)에 널리 사용되며, 리피터 허브와 라우터가 결합된 전통적인 네트워크보다 더 효율적인 네트워크 설계와 세분화를 가능하게 했다. L2 스위칭은 다음과 같은 새로운 네트워크 구성 방식의 발전에 기여했다.

서버 팜: 서버들을 VLAN으로 묶어 브로드캐스트 도메인을 분리하고, 인터네트워킹을 통해 인접 네트워크와 연결할 수 있게 되면서 물리적인 위치 제약이 줄어들었다. 예를 들어, 특정 서버가 원거리에 있는 작업그룹에 속하더라도 중앙 집중식으로 구성하고 관리할 수 있다.
인트라넷: 웹 기술 기반의 통신 환경에서 스위칭 기술은 라우터의 성능 저하를 유발할 수 있는 로컬 네트워크 경로의 병목 현상을 해소하여 더 많은 데이터를 원활하게 처리할 수 있도록 지원한다.^[2]

랜 스위칭은 패킷 전송을 하드웨어로 처리하기 때문에, 소프트웨어 처리 방식의 라우터보다 높은 처리량(high throughput)과 낮은 지연 시간(low latency)이라는 특징을 가진다. 또한, 라우터에 비해 인터페이스의 고밀도 구현(포트 수가 많음)이 가능하여 인터페이스당 비용 측면에서도 유리한 경향이 있다. 따라서 네트워크에서 발생하는 대부분의 IP 트래픽 처리에는 특별한 설계상의 이유가 없는 한, 소프트웨어 처리 방식의 라우터 제품보다 랜 스위칭 장비가 더 많이 이용된다.

반면, 라우터는 통과하는 트래픽에 소프트웨어적인 처리가 필요한 경우에 주로 사용된다. 예를 들어, IBM 메인프레임 환경에서 사용되는 SNA 트래픽 처리(시리얼 회선, 토큰 링, 이더넷 간의 미디어 변환 등), Data Link Switching|데이터 링크 스위칭^eng(DLSw), 트래픽 대역폭 제어(셰이핑) 등이 필요한 경우가 이에 해당한다.

2. 2. 한계

L2 스위치는 브리지 망과 같은 한계점을 지닌다. 브리지는 80/20 법칙으로 네트워크를 설계한 경우에 장점을 지니지만, 충돌 도메인은 예방할 수 있는 반면 브로드캐스트 도메인은 예방 및 차단이 어렵다. 마찬가지로 L2 스위치 또한 네트워크 크기와 성능적 한계 때문에 브로드캐스트 도메인의 예방 및 차단이 불가능하다.^[3] 네트워크가 성장함에 따라 브로드캐스트와 멀티캐스트 트래픽은 스패닝 트리^[4]의 느린 처리 속도로 인해 큰 문제를 야기할 수 있으므로, L2 스위치는 인터네트워크 환경에서 라우터를 완전히 대체할 수 없다.

3. 레이어3 스위칭

L3 스위칭은 데이터그램 헤더에 포함된 IP 주소와 같은 3계층 정보를 기반으로 데이터의 경로를 결정하고 전송하는 방식이다. 이는 라우터의 주요 기능과 유사하지만, L3 스위치는 주로 전용 ASIC(Application-Specific Integrated Circuit)과 같은 하드웨어를 사용하여 패킷 교환을 처리한다는 점에서 차이가 있다. 이러한 하드웨어 기반 처리는 CAM(Content-Addressable Memory) 등의 기술을 활용하여 소프트웨어 기반으로 경로를 결정하는 일반적인 라우터보다 더 빠른 속도와 낮은 지연 시간을 가능하게 한다.

하지만 모든 라우터가 소프트웨어 기반으로만 동작하는 것은 아니며, 고성능 라우터 제품 중에는 L3 스위치처럼 하드웨어적인 처리 방식을 도입하여 성능을 높인 경우도 있다. L3 스위치는 서로 다른 VLAN과 같은 네트워크 세그먼트 간의 통신을 라우터를 거치지 않고 스위치 내부에서 직접 처리할 수 있어, 데이터 전송 경로를 단축하고 네트워크 효율성을 향상시키는 데 중요한 역할을 한다.^[5]

3. 1. 기능 및 특징

LAN 스위칭은 특정 방식이나 개념이라기보다는 구체적인 네트워크 장비 제품의 한 종류를 가리키며, 주로 이더넷(IEEE 802.3) 환경에서 사용되는 장비를 지칭한다.

LAN 스위치에는 크게 두 종류가 있다. 하나는 브리지 기능을 수행하는 레이어 2 스위치이고, 다른 하나는 여기에 더해 서로 다른 IP 주소 등 레이어 3의 서브넷 간 라우팅 기능까지 갖춘 레이어 3 스위치이다. 이들 장비의 가장 큰 특징은 소프트웨어 처리가 아닌 ASIC과 같은 전용 하드웨어를 통해 패킷 전송을 처리한다는 점이다. 이러한 하드웨어 기반 처리는 소프트웨어 기반 처리에 비해 고성능 패킷 스위칭과 낮은 지연 시간을 가능하게 한다.

특히 레이어 3 스위치는 기존 라우터가 소프트웨어로 처리하던 경로 설정 기능의 일부를 하드웨어로 구현하여 성능을 높인 장비이다. L3 스위치는 데이터그램 헤더에 있는 목적지 IP 주소와 같은 논리적 주소를 기반으로 데이터의 경로를 결정한다. 이는 라우터와 유사한 기능이지만, L3 스위치는 주로 하드웨어(CAM을 돕는 특수 ASIC)를 통해 패킷 교환을 수행하는 반면, 전통적인 라우터는 소프트웨어를 통해 경로 설정을 처리하는 경우가 많다(물론 고성능 라우터 중에는 하드웨어 기술을 사용하는 경우도 있다).

L3 스위치는 기존의 라우터와 유사하게 다음과 같은 기능을 수행한다:

기능	설명
경로 결정	논리적 주소(예: IP 주소)를 기반으로 데이터 경로를 결정한다.
체크섬 검사	3계층 헤더(예: IP 헤더)의 체크섬을 검사하고 처리한다.
TTL 관리	TTL(Time To Live) 값을 확인하고 감소시킨다.
프로토콜 처리	특정 프로토콜(예: ICMP) 정보를 처리하고 이에 대응한다.
관리 정보 제공	SNMP 관리자에게 MIB(Management Information Base) 정보를 제공하고 갱신한다.
보안 기능	기본적인 네트워크 보안 기능을 제공한다.

L3 스위치의 주요 이점 중 하나는 서로 다른 VLAN 간의 통신 시 발생하는 지연 시간을 줄일 수 있다는 점이다. 기존에는 L2 스위치 환경에서 다른 VLAN으로 통신하려면 패킷이 스위치에서 라우터로 전달되고(1차 L2 홉), 라우터에서 경로가 결정된 후(L3 홉) 다시 스위치로 패킷이 돌아와야 했다.^[5] 하지만 L3 스위치는 이 과정을 하나의 장비 내에서 L3 라우팅과 L2 스위칭을 동시에 처리하여, 단일 홉으로 통신 경로를 단축하고 지연 시간을 크게 줄인다.

이러한 특징들 덕분에 LAN 스위칭, 특히 L3 스위칭은 다음과 같은 장점을 제공한다:

장점	설명
하드웨어 기반 포워딩	전용 하드웨어를 사용하여 패킷을 빠르게 전달한다.
고성능 스위칭	높은 처리량(Throughput)으로 많은 양의 데이터를 효율적으로 처리한다.
고속 확장성	네트워크 규모 확장에 용이하다.
낮은 지연 시간	패킷 처리 및 전달에 걸리는 시간이 짧다.
비용 효율성	포트당 비용이 상대적으로 저렴하다.
QoS 지원	QoS(Quality of Service) 기능을 통해 특정 트래픽의 우선순위를 보장할 수 있다.

결과적으로 L3 스위치는 고가의 라우터가 제공하는 모든 다양한 기능을 갖추지는 못했지만, 라우터와 유사한 수준의 처리 속도와 낮은 지연 시간을 상대적으로 저렴한 비용으로 제공하기 때문에 많은 네트워크 환경에서 널리 사용된다. 한편, IBM 메인프레임 환경의 Systems Network Architecture|SNA^eng 트래픽 처리나 특정 종류의 브리지 변환(예: 시리얼 회선, 토큰 링, 이더넷 간 미디어 변환), Data Link Switching|DLSw^eng(RFC 1434, 1795, 2166) 사용, 혹은 정교한 트래픽 대역폭 제어(셰이핑) 등 소프트웨어적인 처리가 필수적인 경우에는 여전히 라우터가 사용된다.

레이어 2 스위칭 기능만 제공하는 장비는 트위스트 페어 케이블을 사용하는 이더넷 LAN의 집선 장치로서 리피터 허브와 대비하여 스위칭 허브 또는 멀티포트 브리지라고도 불린다. 스위칭 허브는 일반적으로 인터페이스 모듈을 증설할 수 없는 박스형 장비를 지칭하는 경우가 많으며, 레이어 2 스위치의 한 종류로 볼 수 있다.

3. 2. 스위칭 원리

스위칭 원리는 비교적 간단하다. 만약 소스 호스트가 다른 네트워크에 있는 목적지 호스트에게 패킷을 보내려고 할 때, 먼저 라우터의 MAC 주소를 알아낸다. 소스 호스트는 이 라우터의 MAC 주소로 직접 패킷을 전달하며, 이때 패킷의 네트워크 계층(프로토콜) 주소는 최종 목적지 호스트의 주소로 설정된다.

라우터는 수신한 패킷의 목적지 프로토콜 주소를 확인하여 이 패킷을 전달할지 여부를 결정한다. 만약 라우터가 패킷을 전달하지 않기로 결정하면 해당 패킷은 폐기된다. 패킷을 전달하기로 결정한 경우, 라우터는 다음 홉(Hop)이 될 라우터 또는 목적지 호스트의 MAC 주소로 패킷의 목적지 MAC 주소를 변경한 뒤 전송시킨다.

다음 홉이 목적지 호스트이든 또 다른 라우터이든 동일한 작업 처리가 진행된다. 패킷이 인터네트워크를 거쳐가는 동안 각 구간마다 패킷의 MAC 주소는 계속 변경되지만, 최종 목적지를 나타내는 프로토콜 주소는 변하지 않고 그대로 유지한다.

IEEE는 스위칭 작업을 설명하기에 유용한 계급적 용어를 만들었다. 서브네트워크 간에 패킷 분담 능력이 없는 네트워크 장치는 엔드 시스템(End System, E.S)이라고 부르고, 패킷 분담 능력을 가진 경우에는 인터미디에이트 시스템(Intermediate System, I.S)이라고 부른다. I.S는 그들의 라우팅 도메인 안에서 통신을 분할시키고, 분할된 라우팅 도메인들 간에 통신을 한다. 라우팅 도메인은 공동 관리 권한에 따라 하나의 인터네트워크의 부분으로써 간주하고 관리 지침을 준수한다.

4. 레이어4 스위칭

레이어4 스위칭은 전송 계층의 정보를 활용하여 네트워크 트래픽을 관리하는 기술이다. TCP나 UDP 포트 번호와 같은 정보를 참조하여 패킷을 처리하며, QoS(Quality of Service) 설정을 통해 사용자별 데이터 트래픽의 우선순위를 조정할 수 있다.

4. 1. 기능 및 특징

L4 스위칭의 주요 장점 중 하나는 네트워크 관리자가 사용자별로 정의된 QoS(Quality of Service)에 따라 데이터 트래픽의 우선순위를 조정할 수 있다는 점이다. 예를 들어, 여러 사용자가 동시에 참여하는 화상회의의 경우, 필요에 따라 대역폭이나 우선순위를 조절하여 끊김 없이 원활한 회의 진행을 가능하게 한다.

L4 스위칭은 TCP/UDP 포트 번호와 같은 전송 계층(Layer 4) 정보를 활용하여 패킷을 처리한다. 확장 액세스 목록(Extended Access Lists)은 이러한 L4 포트 번호를 기준으로 특정 패킷을 필터링하는 데 사용될 수 있다.

전산 경로 정보(Flow Information)는 잠시 동안 라우팅 설정을 돕는 데 활용되기도 한다. [https://en.wikipedia.org/wiki/Arista_Networks Arista Networks]나 시스코의 고급 라우터에서 사용되는 넷플로우(NetFlow)와 같은 독점 기술이나, 공개 표준으로 사용되는 [https://en.wikipedia.org/wiki/SFlow sFlow] 등이 이러한 전산 경로 정보를 활용하는 대표적인 예이다.

5. VLAN (가상 LAN)

LAN 스위치로 실현 가능하게 된 기능 중 하나로 '''VLAN'''(가상 LAN)이 있다. VLAN은 LAN 스위치의 인터페이스를 그룹으로 묶어 논리적으로 분리된 LAN 세그먼트를 만드는 기술이다.

5. 1. VLAN 종류

LAN 스위치로 실현 가능하게 된 기능으로 '''VLAN'''을 들 수 있다.

VLAN은 LAN 스위치에 장착된 인터페이스를 그룹으로 묶어 다른 LAN 세그먼트로 취급하는 기능이다.

세그먼트 분리에 사용하는 속성에 따라 다음과 같은 종류가 있다.

'''포트 기반 VLAN'''
: 스위치의 연결 포트에 따라 LAN 세그먼트를 분리하는 방식이다.

'''MAC 기반 VLAN'''
: 연결된 장치의 MAC 주소에 따라 소속된 LAN 세그먼트를 분리하는 방식이다.

'''서브넷 기반 VLAN'''
: 연결된 장치의 IP 주소 서브넷에 따라 LAN 세그먼트를 분리하는 방식이다.

'''프로토콜 기반 VLAN'''
: IP, IPX, 애플토크 등의 네트워크 프로토콜에 따라 LAN 세그먼트를 분리하는 방식이다. 이더넷 II 또는 IEEE 802.3x-1997의 EtherType 값을 참조하여 이더넷에서 본 상위 계층의 프로토콜을 식별한다. 하나의 인터페이스를 여러 VLAN에 속하게 할 수 있다.

'''태그 VLAN'''
: 이더넷 헤더의 Source MAC과 EtherType/Size 사이에 식별 태그(VLAN 태그)를 삽입하여, 이로써 LAN 세그먼트를 분리하는 방식이다. IEEE 802.1Q에서 규정하고 있다. 하나의 인터페이스를 여러 VLAN에 속하게 할 수 있다.

6. 종류

랜 스위치는 내장된 네트워크 관리 소프트웨어의 유무에 따라 '''매니지드 스위치'''와 '''언매니지드 스위치'''로 구분된다.^[1]

6. 1. 매니지드 스위치

내장된 네트워크 관리 소프트웨어의 유무에 따라 스위치는 매니지드 스위치와 언매니지드 스위치로 구분된다.^[1] 매니지드 스위치는 제어 센터를 통해 원격으로 네트워크 장비의 온·오프를 제어해야 하는 구성에 적합하며, 일반적으로 높은 관리 요구 사항이 있는 네트워크 구성의 코어 부분에서 사용된다.^[1]

6. 2. 언매니지드 스위치

언매니지드 스위치는 내장된 네트워크 관리 소프트웨어가 없어 별도의 설정 없이 설치가 간편하다. 플러그 앤 플레이 방식으로 사용할 수 있어, 상세한 설정이 필요 없는 네트워크의 주변 부분(edge)에 적합하다.^[1]

참조

_[1] 웹사이트 アンマネージドスイッチ - 産業用イーサネットスイッチ https://www.etherwan[...] 2023-10-23
_[2] 문서
_[3] 문서
_[4] 서적 쉽게 배우는 데이터 통신과 컴퓨터 네트워크 한빛아카데미(주)
_[5] 문서

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