6. 스위치

알아볼 내용

1. 데이터 링크 계층 장비 스위치
2. VLAN

스위치 : 여러 호스트를 연결할 수 있는 데이터 링크 계층의 네트워크 장비

• 허브와의 차이점
  • MAC주소를 학습해 특정 MAC 주소를 가진 호스트에만 프레임 전달
  • 전이중 모드로 동작
• 따라서 포트별로 콜리전 도메인이 나뉘고, 전이중 모드로 통신하므로 CSMA/CD 프로토콜 필요 없음

특징

• MAC 주소 학습 : 특정 포트와 해당 포트와 연결된 호스트의 MAC 주소와의 관계 기억
  • 프레임 내의 “송신지 MAC 주소” 필드를 바탕으로 이루어짐
    • 프레임 수신하면, 송신지 MAC 주소 바탕으로 테이블에 저장
  • MAC 주소 테이블에 스위치의 포트와 연결된 호스트의 MAC 주소 연관 관계 저장
    

---

MAC 주소 학습의 원리

• 스위치의 세 가지 기능을 통해 이루어짐
  • 플러딩 : 목적지 MAC 주소가 MAC 주소 테이블에 없을 때, 스위치는 해당 프레임을 모든 포트로 전송하는 동작
    • 초기 통신 시 자주 발생
  • 포워딩과 필터링
    • 필터링 : 전달받은 프레임을 어디로 내보내고 어디로 내보내지 않을지 결정하는 기능
    • 포워딩 : 프레임이 전송될 포트에 실제로 프레임을 내보내는 기능
  • 에이징 : MAC 주소 테이블의 항목이 일정 시간 동안 사용되지 않으면 자동 삭제하는 기능
    • 기본적으로 5분 정도
    • 필요한 이유
      • 포트 변경에 대응
      • MAC 테이블 크기 제한 (스위치의 메모리는 제한적)
      • 네트워크 안정성 확보
      • 동적 환경 대응
• 시나리오
  • 호스트 A, B, C, D가 각각 포트 1, 2, 3, 4에 연결됨
  • 처음에는 MAC 주소 학습 전이라서 연관 관계 모름
  • 호스트 A가 C로 신호 전송 ⇒ 송신지 MAC 주소 확인해서 테이블에 A 주소 추가
  • 호스트 C는 모르기 때문에 일단 모든 포트로 다 송신 ⇐ 플러딩(flooding)
    • 호스트 B, D는 폐기
    • 호스트 C는 스위치로 응답 프레임 전송 ⇒ 테이블에 C 주소 추가
  • 이제 A→C 혹은 C→A 는 플러딩 발생하지 않고 필터링 & 포워딩 발생
  • 테이블에 등록된 특정 포트에서 일정 시간 프레임 전송 받지 못하면 해당 항목 삭제 ⇐ 에이징 (aging)

브리지 (bridge)

• 스위치와 유사한 장비
• 네트워크 영역을 구획하여 콜리전 도메인을 나누거나 네트워크 확장하는 용도로 사용
  • “허브 - 브리지 - 허브” 형태로 활용
• 스위치 기능 제공
  • MAC 주소 학습
  • 포워딩, 필터링 가능
• 하지만 최근 스위치가 브리지 기능 포괄하고 더 다양해서 사용 빈도 감소

---

VLAN (Virtual LAN)

• 스위치의 또다른 중요한 기능
  • 메시지 주고받을 일이 적거나 브로드캐스트 메시지를 받을 필요가 없어서 같은 LAN에 속할 필요가 없는 호스트가 있을 수 있음
  • 분리를 위해 매번 스위치 장비 구매하는 것은 낭비 ⇒ VLAN 구성으로 해결
• 한 대의 물리적 스위치로 여러 대의 스위치가 있는 것 처럼 LAN 구획 가능
  
  • VLAN1에 속한 호스트들은 서로 동일한 LAN에 있는 것으로 인식
  • 하지만 VLAN2에 있는 호스트들은 물리적 거리에 관계없이 다른 LAN에 있는 것으로 인식
  • 서로 통신하고자 하면 네트워크 계층 이상의 상위 계층 장비 필요

포트 기반 VLAN (port based VLAN) : 스위치의 포트가 VLAN 결정

• 특정 포트에 VLAN 할당 후, 해당 포트에 호스트 연결시켜서 VLAN 결정
• VLAN 트렁킹 (VLAN Trunking) : 스위치 간의 통신을 위한 ‘트렁크 포트’에 VLAN 스위치를 서로 연결해서 두 대 이상의 VLAN 스위치를 효율적으로 연결하여 확장
  • VLAN1 호스트 4개, VLAN2 호스트 3개, VLAN3 호스트 3개, 총 10개의 호스트를 포트가 8개인 스위치에 연결하는 것이 가능해짐

트렁크 포트로 전달받은 프레임이 어떤 VLAN에 속하는지 파악하는 방법

• 어떤 프레임이 스위치 A에서 트렁크 포트를 통해 스위치 B로 넘어왔다가 해보자
  • 만약 스위치가 아직 학습되지 않은 MAC 주소를 갖고 있다면 일반적인 이더넷 프레임으로 알 수 없음
• 802.1Q 프레임 사용 : 어떤 VLAN에 속하는지 식별하기 위한 정보가 포함된 확장된 이더넷 프레임 사용
  • 헤더 송신지 MAC 주소와 타입/길이 사이에 32비트 크기의 VLAN 태그가 추가됨

MAC 기반 VLAN : 송수신하는 프레임 속 MAC 주소가 호스트가 속할 VLAN 결정

• 만약 호스트 A의 MAC 주소가 VLAN3에 할당되었으면, 호스트 A를 어떤 포트에 연결해도 호스트 A는 VLAN3에 속한 호스트