- 스위치는 링크 계층에서 작동하기 때문에 링크 계층 프레임을 교환하고, 네트워크 계층 주소를 인식하지 않으며, 라우팅 알고리즘을 사용하지 않음
-> IP 주소가 아닌 링크 계층 주소를 사용
4.1 링크 계층 주소체계와 ARP
MAC 주소
- 링크 계층 주소는 랜 주소(LAN address), 물리 주소(physical address), MAC 주소(MAC address)라고 부름
- 실제로 링크 계층 주소를 가진 것은 호스트나 라우터의 어댑터(네트워크 인터페이스)임
- 링크 계층 스위치는 인터페이스에 링크 계층 주소를 할당받지 않음
특징
- 길이는 6바이트, 2^48개만큼의 사용가능한 랜 주소가 있음
- 어떤 어댑터도 동일한 MAC 주소를 가지지 않음
- IEEE가 MAC 주소 공간을 관리하기 때문
- 어댑터의 MAC 주소는 평면 구조를 가지며 어댑터의 위치에 따라 변경되지 않음
- <-> IP 주소는 계층 구조를 가지며 호스트가 이동하면 변경됨
- 랜상의 다른 모든 어댑터가 자신이 전송한 프레임을 수신하고 처리하기를 원할 때 프레임의 목적지 주소 필드에 MAC 브로드캐스트 주소를 넣음
ARP (Address Resolution Protocol)
- 네트워크 계층 주소와 링크 계층 주소 사이의 변환을 해주는 프로토콜
- ARP 모듈은 입력값으로서 동일한 랜상의 임의의 IP 주소에 대해 대응되는 MAC 주소를 돌려줌
- 호스트와 라우터는 자신의 메모리에 ARP 테이블을 갖고 있음
- IP 주소-MAC 주소 매핑 정보, 각 매핑이 언제 삭제되는지 나타내는 TTL 값을 포함
- ARP는 플러그 앤 플레이= ARP 테이블은 자동으로 구축됨
4.2 이더넷
- 오늘날 가장 우세한 랜 기술
- 인터넷은 글로벌 네트워킹, 이더넷은 근거리 네트워킹
성공한 이유
- 처음으로 널리 사용된 고속랜
- 토큰링과 FDDI, ATM은 이더넷보다 복잡하고 비쌈
- 높은 데이터율로 경쟁
- 이더넷 하드웨어가 저렴
발전 과정
- 1980년대
- 버스 토폴로지의 이더넷은 브로드캐스트 랜을 전송되는 모든 프레임은 버스에 연결된 모든 어댑터를 거치며 이들에 의해 처리됨
- 1990년대
- 허브 기반의 스타 토폴로지
- 허브는 프레임이 아닌 각각의 비트에 대한 처리를 하는 물리 계층 장치
- 2000년대
- 중앙 허브 -> 스위치로 대체
이더넷 프레임 구조
- 송신 어댑터는 IP 데이터그램을 이더넷 프레임에 캡슐화하고 그 프레임을 물리 계층으로 전달
- 데이터 필드 (46~1500바이트)
- IP 데이터 그램을 운반
- 목적지 주소 (6바이트)
- 목적지 어댑터의 MAC 주소
- 출발지 주소 (6바이트)
- 프레임을 랜으로 전송하는 어댑터의 MAC 주소
- 타입 필드 (2바이트)
- 네트워크 계층 프로토콜을 이더넷으로 하여금 다중화하도록 허용
- 순환 중복 검사(CRC) (4바이트)
- 수신 어댑터가 프레임에 오류가 생겼는지 검출할 수 있도록 함
- 프리앰블 (8바이트)
- 프리앰블의 첫 7바이트는 10101010 값을 갖고 마지막 바이트는 10101011
- 프리엠블의 첫 7바이트는 수신 어댑터를 깨우고, 수신자의 클록을 송신자의 클록과 동기화하는 역할을 함
- 8번째 바이트의 마지막 두비트는 수신 어댑터에게 중요한 것이 오고 있음을 알려줌
- 모든 이더넷 기술은 네트워크 계층에게 비연결형 서비스, 비신뢰적인 서비스를 제공함
이더넷 기술
- 이더넷은 초기에는 동축케이블의 일부로 여겨졌는데 이는 브로드캐스트 매체로 간주하는 것과 일치
- 한 인터페이스에서 전송된 모든 프레임이 다른 모든 인터페이스에 의해 수신되고, 이더넷의 CSMA/CD 프로토콜이 다중 접근 문제(프레임 충돌)를 해결
- 하지만, 오늘날의 이더넷은 초기 이더넷과 상당히 많이 달라짐
- 스위치 기반 이더넷 랜에는 충돌이 없으며 MAC 프로토콜이 필요 없음
4.3 링크 계층 스위치
- 스위치의 역할은 들어오는 링크 계층 프레임을 수신해서 출력 링크로 전달하는 것
- 스위치는 그 자체가 서브넷의 호스트와 라우터들에게 투명함
- 즉, 호스트/라우터는 중간에 스위치가 프레임을 받아서 다른 노드에게 전달하는 것을 알지 못함
- 스위치 출력 인터페이스는 버퍼를 갖고 있음
전달(forwarding) 및 여과(filtering)
- filtering: 프레임을 인터페이스로 전달할지 또는 폐기(drop)할지 결정하는 스위치의 기능
- forwarding: 프레임이 전송될 인터페이스를 결정하고 프레임을 해당 인터페이스로 내보내는 기능
- filtering, forwarding에는 스위치 테이블을 사용함
자가학습
- 스위치가 자신의 테이블을 자동으로, 동적으로, 자치적으로 구축하는 것
- 스위치는 네트워크 관리자나 사용자의 개입을 요구하지 않으므로 플러그 앤 플레이 장치
과정
- 스위치 테이블은 초기에 비어있음
- 인터페이스로 수신한 각 프레임에 대해 스위치는 (1) 프레임의 출발지 주소 필드에 있는 MAC 주소, (2) 프레임이 도착한 인터페이스, (3)현재 시간을 테이블에 저장함
- 수명 시간(aging time)이 지난 후에도 스위치가 해당 주소를 출발지 주소로 하는 프레임을 수신하지 못하면 테이블에서 이 주소를 삭제함
링크 계층 스위치의 특성
- 충돌 제거
- 스위치로 구축된 랜에는 충돌로 인해 낭비되는 대역폭이 없음
- 브로드캐스트 링크를 사용하는 랜보다 성능이 월등히 향상
- 이질적인 링크들
- 링크들을 별개로 분리하기 때문에 랜의 각 링크는 상이한 속도로 동작할 수 있으며 상이한 매체를 사용할 수 있음
- 관리
- 스위치는 향상된 보안을 제공할 뿐만 아니라 네트워크 관리를 쉽게 할 수 있게 함
스위치 대 라우터
- 일반적으로, 작은 네트워크는 트래픽이 지역적으로 제한되어 있고 IP 주소의 구성을 요구하지 않으면서도 총 처리율을 증가시키므로 스위치로도 충분함
- 그러나 보통 수천 개의 호스트로 구성된 큰 네트워크에서는 라우터도 포함
스위치
- 저장후 전달 패킷 스위치이지만 MAC 주소를 사용해서 패킷을 전달
- 2계층 패킷 스위치
라우터
- 네트워크 계층 주소를 사용해서 패킷을 전달하는 저장 후 전달(store-and-forward) 패킷 스위치
- 3계층 패킷 스위치
공통점
- store-and-forward
- forwarding table을 가짐
4.4 가상 근거리 네트워크(VLAN)
- 위 구조에서 스위치는 계층적으로 구성되어있음
위 구조의 3가지 단점
- 트래픽 격리의 부족
계층 구조는 그룹 트래픽을 단일 스위치 내로 격리해주지만, 브로드캐스트 트래픽은 여전히 전체 네트워크로 전달되어야만 함 - 스위치의 비효율적인 사용
- 사용자 관리
사원이 한 그룹에서 다른 그룹으로 이동하는 경우 이 사원을 다른 스위치에 연결하기 위해 물리적 케이블 연결을 변경해야만 함
- 가상 근거리 네트워크를 지원하는 스위치(VLAN)를 사용해서 문제들을 해결할 수 있음
VLAN
- VLAN을 지원하는 스위치는 하나의 물리적 근거리 네트워크 인프라스트럭처상에서 여러 개의 가상 근거리 네트워크들을 정의할 수 있음
- 포트 기반 VLAN에서는 네트워크 관리자가 스위치 포트(인터페이스)를 그룹으로 나눔
- 나뉜 각 그룹은 하나의 VLAN을 구성하며, 한 VLAN 포트들은 하나의 브로드캐스트 도메인을 형성함
- 같은 그룹의 다른 포트에만 브로드캐스트 트래픽을 전달할 수 있음
EE학과와 CS학과 교수의 일부가 별도의 건물에 있을 때 스위치 어떻게 연결할 수 있을까?
- VLAN의 스위치 포트를 외부 라우터에 연결학 이 포트를 EE VLAN과 CS VLAN에 모두 속하게 구성
VLAN 트렁킹
- VLAN 스위치들을 연결하는 좀 더 확장 가능한 방법
- 스위치 마다 하나의 특수 포트가 2개의 VLAN을 연결하는 트렁크 포트(trunk port)로 구성되어 있음
- 그러나, 트렁크 포트로 온 프레임이 어떤 VLAN에 속하는지 알 수 없음
-> VLAN 태그로 해결
VLAN 태그 (tag)
- 프레임이 속한 VLAN을 식별해주는 4바이트 태그
- VLAN 트렁크의 송신 측의 스위치에 의해 추가되고, 수신 측에 있는 스위치에 의해 파싱되고 제거됨
