이더넷 허브
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1. 개요
이더넷 허브는 네트워크의 한 종류로, 여러 포트를 통해 들어온 데이터를 다른 모든 포트로 전송하는 장치이다. 이는 데이터를 관리하지 않고 단순히 신호를 증폭하여 전달하는 멀티포트 리피터 역할을 한다. 허브는 스위치에 비해 충돌 도메인이 크고, 통신 속도가 제한적이며, 듀얼 속도 허브와 기가비트 이더넷 허브 형태로도 존재한다. 스위칭 허브는 허브의 단점을 보완하기 위해 MAC 주소를 해석하여 데이터를 전송하는 기능을 제공하며, 스위칭 허브의 등장으로 허브의 사용은 감소했다.
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| 이더넷 허브 | |
|---|---|
| 일반 정보 | |
| 종류 | 네트워크 장치 |
| 용도 | LAN 내에서 이더넷 장치들을 연결 네트워크 트래픽을 모든 포트로 전달 |
| 기술 정보 | |
| 전송 방식 | 브로드캐스팅 |
| 계층 | 물리 계층 |
| 프로토콜 | 이더넷 |
| 역사 | |
| 발전 과정 | 리피터 → 허브 → 스위치 |
| 특징 | |
| 장점 | 저렴한 비용 |
| 단점 | 낮은 대역폭 효율성 충돌 가능성 보안 취약 |
| 관련 기술 | |
| 관련 기술 | CSMA/CD IEEE 802.3 |
| 기타 | |
| 대체 기술 | 네트워크 스위치 |
2. 네트워크 허브의 기능 및 작동 방식
허브는 OSI 모델의 물리 계층(Layer 1)에서 작동하는 네트워크 장치이다. 허브는 한 포트에서 받은 신호를 다른 모든 포트로 복사하여 전달한다.[5] 이는 마치 여러 대의 컴퓨터가 하나의 스피커를 공유하는 것과 같아서, 한 컴퓨터가 스피커로 소리를 보내면 다른 모든 컴퓨터도 그 소리를 듣게 된다.
허브는 데이터를 전송하지만, 통과하는 트래픽을 관리하지는 않는다. 포트로 들어오는 모든 패킷은 입력 포트를 제외한 다른 모든 포트의 출력으로 반복된다. 구체적으로 각 비트 또는 심볼은 흐름에 따라 반복된다. 따라서 리피터 허브는 단일 속도로만 수신 및 전달할 수 있다. 듀얼 속도 허브는 내부적으로 두 개의 허브와 그 사이의 브리지로 구성된다. 모든 패킷이 다른 모든 포트에서 반복되므로 패킷 충돌은 전체 네트워크에 영향을 미쳐 전체 용량을 제한한다.
네트워크 허브는 스위치에 비해 단순한 장치이다.[5] 허브는 데이터를 저장할 메모리가 없으며 한 번에 하나의 전송만 처리할 수 있으므로 반이중 모드로만 작동한다. 더 큰 충돌 도메인으로 인해 허브를 사용하여 연결된 네트워크에서 패킷 충돌이 더 정교한 장치를 사용하여 연결된 네트워크보다 더 자주 발생한다.[6]
2. 1. 리타이밍 및 프리앰블 재생 기능
허브는 다음과 같은 두 가지 주요 기능을 갖는다.- '''리타이밍 기능''': 전송 신호는 전송 중에 케이블 내에서 감쇠, 파형의 왜곡, 지터 증가 등 다양한 영향을 받는다. 전송 과정에서 전기 신호로서의 품질을 유지하기 위해, 수신한 전기 신호를 복원하는 기능을 가지며, 이를 '''리타이밍 기능'''이라고 부른다.
- '''프리앰블 재생 기능''': 통신 중인 프레임에는 프리앰블이라고 불리는 7바이트의 1과 0의 연속이 맨 앞에 부가되어 케이블 내를 흐르지만, 이 프리앰블도 전송 과정에서 비트 손실 등의 현상이 발생할 수 있다. 이 프리앰블을 원래 상태로 되돌리는 기능을 '''프리앰블 재생 기능'''이라고 부른다.
2. 2. 다중 포트 및 신호 증폭
허브는 ''멀티포트 리피터''로서, 한 포트에서 수신한 전송을 다른 모든 포트로 반복하여 작동한다. 이는 물리 계층 패킷을 인식하며, 시작 부분(프리앰블), 유휴 회선(패킷 간 간격)을 감지하고 잼 신호를 전송하여 충돌을 감지하고 전파할 수 있다. 허브는 통과하는 트래픽을 더 이상 검사하거나 관리할 수 없다.[5] 허브는 데이터를 저장할 메모리가 없으며 한 번에 하나의 전송만 처리할 수 있으므로 반이중 모드로만 작동할 수 있다. 더 큰 충돌 도메인으로 인해 허브를 사용하여 연결된 네트워크에서 패킷 충돌이 더 정교한 장치를 사용하여 연결된 네트워크보다 더 자주 발생한다.[6]허브는 과도한 충돌이나 개별 포트의 재버링(jabbering)과 같은 일반적인 문제를 감지하여 해당 포트를 ''분할''하여 공유 매체에서 분리한다. 따라서 허브 기반의 연선 이더넷은 잘못된 장치가 전체 충돌 도메인에 부정적인 영향을 미칠 수 있는 동축 케이블 기반 이더넷(예: 10BASE2)보다 일반적으로 더 견고하다.[5]
허브의 통신 동작은 다음과 같다.
# 수신
# 리타이밍/프리앰블 재생
# 수신 인터페이스 이외의 인터페이스에 전기 신호 복사
# 송신
3. 이더넷 허브의 문제점 및 한계
이더넷 허브는 스위치와 달리 단순한 장치로, 한 포트에서 들어온 데이터를 다른 모든 포트로 전달한다. 이는 신호를 전기적으로 증폭하여 모든 포트로 보내는 방식으로 작동하기 때문에, 네트워크 효율이 떨어지고 충돌(collision)이 자주 발생한다.[5][6] 허브는 데이터를 저장할 메모리가 없고 한 번에 하나의 전송만 처리할 수 있어 반이중 모드로만 작동하며, 이 때문에 충돌 도메인이 커져 네트워크에서 패킷 충돌이 더 자주 발생한다.[6]
100Mbit/s 허브와 리피터는 두 가지 클래스로 나뉜다. 클래스 I은 신호를 최대 140 비트 시간 동안 지연시켜 100BASE-TX, 100BASE-FX 및 100BASE-T4 간의 변환/재코딩을 허용한다. 클래스 II 허브는 신호를 최대 92 비트 시간 동안 지연시켜 단일 충돌 도메인에 두 개의 허브를 설치할 수 있게 한다.[8]
허브는 트위스트 페어 케이블이 아닌 동축 케이블을 사용하는 구형 이더넷 규격(10BASE5, 10BASE2)의 버스를 대체하여 집선하도록 한 것이다. 이 때문에 많은 이더넷 규격은 현재도 버스형 논리 토폴로지를 갖는다. 허브 하위의 통신 노드가 증가하면 충돌 발생 확률도 증가하여 네트워크 이용 효율이 저하된다.
3. 1. 충돌 도메인 (Collision Domain)
허브는 입력된 데이터를 전기적으로 증폭하여 모든 포트로 보내기 때문에 충돌 도메인이 발생한다. 충돌 도메인은 전기 신호의 충돌로 인해 통신 프레임이 파괴되는 현상이 발생하는 범위이며, 허브의 모든 포트가 이에 해당한다. 연결된 장치가 많아질수록 충돌 발생 확률이 높아져 네트워크 이용 효율이 저하된다.[5]10BASE-T 네트워크에서는 두 호스트 사이에 최대 5개의 세그먼트와 4개의 리피터가 허용된다.[7] 100Mbit/s 네트워크의 경우, 두 종단 간 스테이션 사이에 3개의 세그먼트만 허용되며, 허브가 Class II인 경우에만 가능하다. 일부 허브는 제조업체별 스택 포트를 가지고 있어 더 많은 허브를 결합할 수 있지만, 대규모 패스트 이더넷 네트워크에서는 허브 체이닝 제한을 피하기 위해 스위치가 필요할 수 있다.[6]
허브는 과도한 충돌이나 개별 포트의 잽버링과 같은 문제를 감지하여 해당 포트를 공유 매체에서 분리한다. 따라서 허브 기반의 연선 이더넷은 동축 케이블 기반 이더넷보다 일반적으로 더 견고하다.[5]
허브끼리 접속하는 캐스케이드 접속에서는 캐스케이드 단수가 증가하면 통신 지연이 증가하고 충돌을 인식할 수 없게 되기 때문에, 10BASE-T에서는 4단, 100BASE-TX에서는 2단으로 제한된다.
3. 2. 캐스케이드 접속 제한
허브를 여러 개 연결하는 캐스케이드 접속에서는 캐스케이드 단수가 증가하면 통신 지연이 증가하고 충돌(콜리전)을 인식할 수 없게 된다. 이러한 이유로 10BASE-T에서는 4단, 100BASE-TX에서는 2단까지만 연결이 가능하다는 제한이 있다.[6]4. 스위칭 허브 (Switching Hub)
스위칭 허브는 MAC 주소를 기반으로 데이터 전송 경로를 결정하여 불필요한 트래픽 발생을 줄이고 네트워크 효율을 높인다. 출시 초기에는 매우 고가였지만, 현재는 리피터 허브보다 유용하고 저렴하게 구할 수 있게 되면서 리피터 허브를 대체하고 있다.
현재도 리피터 허브를 패킷 캡처 등의 목적으로 네트워크 상태 관리에 사용하는 경우가 있다. 포트 미러링 기능이 있는 스위칭 허브도 동일한 용도로 사용할 수 있지만, 패킷 내용에 오류가 있으면 캡처할 수 없으므로, 단순히 분배만 하는 리피터 허브가 더 확실하다.
4. 1. 스위칭 허브의 등장 배경
허브의 단점을 보완하기 위해 MAC 주소를 해석하여 적절한 대상에만 데이터를 전송하는 기능을 가진 브리지, 일반적으로는 그 기능을 가진 허브인 스위칭 허브를 이용한다. 스위칭 허브 간의 캐스케이드 연결은 이론상 무제한이지만, 최대 7단 정도가 이상적이라고 여겨진다.스위칭 허브는 "L2 스위치" 또는 "레이어 2 스위칭 허브", "LAN 스위치"라고 불리는 경우가 많아, 기존 명칭인 "스위칭 허브"라고만 불리는 경우는 적어지고 있다. SNMP에 대응하지 않는 스위칭 허브는 "논 인텔리전트 L2 스위치", SNMP에 대응하는 스위칭 허브는 "인텔리전트 스위치" 또는 "인텔리전트 L2 스위칭 허브"라고 불린다.
스위칭 허브는 출시 초기에는 매우 고가였지만, 현재는 리피터 허브보다 유용하고 저렴하게 구할 수 있게 되면서 리피터 허브를 대체하고 있다.
4. 2. 스위칭 허브의 기능
스위칭 허브는 다음 세 가지 기능을 갖는다.[1]- 단말을 LAN에 수용
- MAC 주소 테이블 생성
- MAC 프레임 전송
; 단말을 LAN에 수용
: 컴퓨터 등의 단말이 L2 스위치에 연결되면 오토 네고시에이션을 통해 서로의 연결 조건을 확인하고 최적의 연결 조건을 설정한다. 이를 통해 해당 단말이 LAN 네트워크에 연결된다.[1]
| 항목 | 내용 |
|---|---|
| 통신 속도 | 10M/100M/1G/10G |
| 통신 모드 | 반이중/전이중 |
| 케이블 | 스트레이트/크로스 (AutoMDI/MDI-X 기능) |
; MAC 주소 테이블 생성
: 1) '''러닝''': L2 스위치는 MAC 프레임을 수신하면 해당 송신자 MAC 주소로부터 해당 포트의 MAC 주소를 MAC 주소 테이블에 저장한다.[1]
; MAC 프레임을 전송
: 2) '''포워딩''': 수신된 MAC 프레임의 목적지 MAC 주소가 MAC 주소 테이블에 존재할 경우, 해당 포트로 MAC 프레임을 전송한다.[1]
: 3) '''플러딩''': 수신된 MAC 프레임의 목적지 MAC 주소가 MAC 주소 테이블에 없거나 브로드캐스트 주소일 경우, MAC 프레임을 모든 포트로 전송한다.[1]
4. 3. 스위칭 허브의 종류
MAC 주소를 해석하여 적절한 대상에만 데이터를 전송하는 기능을 가진 스위칭 허브는 "L2 스위치", "레이어 2 스위칭 허브", "LAN 스위치"라고도 불린다. L2 스위치는 크게 섀시형, BOX형 인텔리전트 타입, BOX형 논 인텔리전트 타입의 3가지 유형으로 분류된다.; 섀시형
: 데이터 센터 등에서 사용되며, L2 스위치의 얇은 본체가 여러 장 랙(섀시)에 수납되어 다수의 서버를 묶는다. SNMP, 고속 경로 전환, 전원 이중화 등을 지원한다. 가격은 수십만 엔부터 시작한다.
; BOX형 인텔리전트 타입
: "인텔리전트"는 주로 SNMP의 관리 기능이 갖춰져 있음을 의미한다. 케이스가 튼튼하게 제작되었으며 방열도 고려되었다. 관리자가 LAN을 효율적이고 안정적으로 운용할 수 있도록 SNMP, 사용자 인증, 각종 VLAN, 필터링, PoE, 스패닝 트리 등을 지원한다. 19인치 랙에 수납되는 것도 있으며, 이 그룹의 상위 기종은 섀시형과 명확한 차이가 없다. 가격은 수만 엔부터 시작한다.
; BOX형 논 인텔리전트 타입
: 가장 저렴하며 스위칭 기능을 제공한다. SNMP 관리 기능은 없다. 자동 감지(Auto-Negotiation), AutoMDI/MDI-X 기능, 일부 기종에서는 포트 VLAN 및 링크 집선을 지원하기도 한다. 상위 기종에 비해 포트 수가 비교적 적다. 전원 어댑터가 외장형인 경우가 있다. 가격은 수천 엔부터 시작한다.
4. 4. 스토어 앤 포워드 방식과 컷 스루 방식
'''스토어 앤 포워드 (Store-and-Forward) 방식'''일반적인 방식으로, 수신 프레임을 모두 내부 메모리의 수신 프레임 버퍼에 저장한 다음 이더넷 헤더를 읽는 방식이다. 내부 처리 타이밍이 수신 상태에 영향을 받지 않아 설계를 쉽게 할 수 있다. 5μSec 정도의 내부 지연이 발생한다.
'''컷 스루 (Cut-Through) 방식'''
수신 프레임은 내부 메모리의 수신 프레임 버퍼에 저장하면서 동시에 이더넷 헤더를 읽는 작업을 병행하는 방식이다. 전송 대상을 결정할 수 있으면 프레임 수신 도중이라도 즉시 수신 프레임 버퍼에 있는 프레임의 처음부터 전송을 시작한다. L2 스위치의 내부 처리에 걸리는 지연을 최소화할 수 있어, 예를 들어 300nSec 정도의 내부 지연으로 억제할 수 있다.
특히 클러스터링이나 스토리지 네트워크 등에서의 "인터커넥트" 용도로는 지연을 억제할 필요가 있으므로, 10기가비트 이더넷 등 고속 전송에서 컷 스루 방식이 사용된다.
5. 듀얼 속도 허브 (Dual-speed Hub)
빠른 이더넷 초창기에 이더넷 스위치는 상대적으로 비싼 장치였다. 허브는 10BASE-T 장치가 연결되어 있으면 전체 네트워크가 10Mbit/s로 실행되어야 하는 문제가 있었다. 따라서 허브와 스위치의 절충안으로 '''듀얼 속도 허브'''가 개발되었다. 이러한 장치는 내부 2포트 스위치를 사용하여 10Mbit/s 및 100Mbit/s 세그먼트를 브리지한다. 네트워크 장치가 물리적 포트에서 활성화되면, 장치는 적절하게 10Mbit/s 세그먼트 또는 100Mbit/s 세그먼트에 연결한다. 이는 패스트 이더넷 네트워크로의 전면적인 마이그레이션의 필요성을 없앴다. 이러한 장치는 동일한 속도로 연결된 장치 간의 트래픽이 스위치되지 않기 때문에 허브로 간주된다.
6. 기가비트 이더넷 (Gigabit Ethernet) 허브
기가비트 이더넷 표준에는 리피터 허브가 정의되어 있지만[9], 스위칭 기술의 발전으로 인해 상용 제품은 출시되지 않았다.[10]
7. 특수 용도
프로토콜 분석기를 네트워크에 연결할 때, 허브는 네트워크 탭이나 포트 미러링을 대신하여 사용할 수 있다.[12] 10BASE-T와 10BASE2 포트가 모두 있는 허브는 10BASE2 세그먼트를 최신 트위스트 페어 이더넷 네트워크에 연결할 수 있다. 10BASE-T와 AUI 포트가 모두 있는 허브는 10BASE5 세그먼트를 최신 네트워크에 연결하는 데 사용할 수 있다. 허브는 스위치보다 지연 시간과 지터(jitter)가 낮아(충돌이 없을 때), 이더넷 파워링크와 같은 실시간 네트워크에 더 적합할 수 있다.[13]
참조
[1]
문서
IEEE 802.3-2012 Clause 9.1
[2]
문서
IEEE 802.3 9. Repeater unit for 10 Mb/s baseband networks
[3]
문서
IEEE 802.3 27. Repeater unit for 100 Mb/s baseband networks
[4]
문서
IEEE 802.3 41. Repeater unit for 1000 Mb/s baseband networks
[5]
서적
Networking: A Beginner's Guide, Fifth Edition
McGraw Hill
[6]
서적
Network+ Guide to Networks
Delmar
[7]
서적
Ethernet: The Definitive Guide
http://www.ethermana[...]
2000-02-16
[8]
웹사이트
What is the difference between Class I and Class II hubs?
http://www.intel.com[...]
2011-03-16
[9]
문서
IEEE 802.3 Clause 41
[10]
서적
Network Maintenance and Troubleshooting Guide
https://books.google[...]
Fluke Networks
2009-10-18
[11]
웹사이트
Switches and Hubs
http://www.atpm.com/[...]
2001-10-01
[12]
웹사이트
Sniffing Tutorial part 1 - Intercepting Network Traffic
http://www.netresec.[...]
NETRESEC Network Security Blog
2011-03-11
[13]
웹사이트
Ethernet POWERLINK Communication Profile Specification. Version 1.4.0
https://www.ethernet[...]
2019-05-06
[14]
잡지
HP adopts Starlan plan
https://books.google[...]
1986-11-06
[15]
잡지
HP's 10Mbit/sec. LAN needs no special wiring
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1987-08-31
[16]
잡지
Switching strategy will be key as internet markets collide
https://books.google[...]
1994-02-21
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