12. Local Area Networks

Local Area Networks (LAN)

• Addressing, ARP
• Topology
• Ethernet
• Switches
• Virtual LAN (VLAN)

MAC addresses

IP 주소 vs. MAC 주소

IP 주소 (32-bit)

• 네트워크 계층 (Layer 3)
• 서로 다른 서브넷 간 패킷 전달·포워딩
• 형식 ex. 128.119.40.136

MAC 주소 (48-bit)

• 데이터 링크 계층 (Layer 2)
• 동일 LAN(물리적 연결된 인터페이스) 내에서 프레임 전달
• 형식 ex. 1A-2F-BB-76-09-AD

IP 주소 : 서로 다른 네트워크 간 경로(path)를 찾아주는 주소
MAC 주소 : 같은 LAN 안에서 기기 간에 프레임을 주고받기 위한 로컬 식별자

비유

• MAC 주소 ≒ 주민등록번호(불변·장치 고유)
• IP 주소 ≒ 우편번호(네트워크 위치에 따라 달라짐)

portable (flat) 주소

• MAC: 네트워크 이동 시에도 변하지 않음
  → 다른 LAN으로 옮겨도 동일한 식별자 유지

• IP: 연결된 서브넷(subnet)에 종속
  → 네트워크 변경 시 새로운 IP 재할당 필요

ARP: address resolution protocol

: 같은 LAN 내에서 IP 주소를 MAC 주소로 매핑해 주는 프로토콜

IP 패킷을 이더넷 프레임으로 보내려면, 목적지 호스트의 MAC 주소가 필요

1. ARP 요청(ARP Request)
   송신 호스트가 broadcast로
   'IP X.X.X.X를 가진 호스트, MAC을 알려달라'를 전송

2. ARP 응답(ARP Reply)
   해당 IP를 가진 호스트만이 자신의 MAC 주소를 포함해 유니캐스트 응답

3. ARP 캐시(ARP Table)
   각 호스트/라우터는 <IP 주소, MAC 주소, TTL> 형태의 테이블을 유지
   응답을 받은 쌍은 캐시에 저장하여,
   이후 ARP 요청 없이 바로 MAC을 꺼내 쓸 수 있음.

ARP protocol in action

ARP 요청 (Broadcast)

• A → LAN 전체: 'IP 137.196.7.14를 가진 호스트의 MAC 주소를 알려주세요'
• LAN의 모든 노드가 이 메시지를 수신

ARP 응답 (Unicast)

• B만 '내 IP는 137.196.7.14, MAC은 58-23-D7-FA-20-B0'
  라고 A에게 응답

ARP 캐시 저장

• A의 ARP 테이블에 <137.196.7.14, 58-23-D7-FA-20-B0>
  항목을 추가

Routing to another subnet: addressing

1. A에서 프레임·데이터그램 생성

• IP 계층
  출발지 IP = A의 IP (111.111.111.111)
  목적지 IP = B의 IP (222.222.222.222)

• 링크 계층:
  출발지 MAC = A의 MAC (74-29-9C-E8-FF-55)
  목적지 MAC = 첫 홉 라우터 R의 MAC (E6-E9-00-17-BB-4B)

2. A → R 전송

• 이더넷 프레임으로 R에게 전달
• R은 프레임 헤더 제거(링크→IP 추출)

3. R에서의 포워딩 결정

• IP 헤더의 목적지(222.222.222.222)를 보고
  출력 인터페이스(오른쪽 LAN) 선택
• 해당 LAN에서 B의 MAC 주소를 ARP로 확인 (49-BD-D2-C7-56-2A)

4. R → B 전송

• 링크 계층:
  출발지 MAC = R의 MAC (1A-23-F9-CD-06-9B)
  목적지 MAC = B의 MAC (49-BD-D2-C7-56-2A)

• IP 헤더(원본 A, 목적지 B) 그대로 포함

5. B 수신 후 처리
   프레임 헤더 제거 → IP 데이터그램 추출
   IP 계층 위로 전달 → 최종 목적지 B가 데이터 처리 완료

IP 주소(IP src/dst)는 종단 간 그대로 유지.
MAC 주소는 홉마다 “직접 연결된 이웃”으로 갱신(ARP로 학습)

Bus Topology

모든 스테이션(단말)이
하나의 선형 전송 매체(bus)에 직접 연결되는 네트워크 구조

• 각 스테이션은 매체에 tap을 통해 붙어 있음

• Full-duplex: 스테이션 ↔ tap 간 양방향 동시 송·수신 가능

• 한 스테이션에서 보낸 전기 신호는 버스 양쪽 끝 방향으로 전파(propagation) 되어, 모든 스테이션이 해당 신호를 수신

• 매체 양 끝단에는 터미네이터(terminator)
  : 버스 끝에서 반사된 신호를 흡수하여 충돌·왜곡 방지

Star Topology

각 스테이션(단말)이 중앙의 허브(central node)에
point-to-point 링크로 연결된 구조

• point-to-point 링크
  : 스테이션↔허브 간 1:1 전용 연결 (송신용·수신용 별도 또는 양방향)

• 동시 전송 제한
  : 허브 방식에서는 한 번에 하나의 스테이션만 전송 가능

Hubs

스타 토폴로지의 중앙 장치

• 각 스테이션이 허브에
  2개의 포인트-투-포인트 링크(송신용·수신용)로 연결됨

repeater 기능

• 허브에 들어온 신호를 받아 증폭(repeat)하여 모든 포트로 전송

물리적 스타, 논리적 버스

• 전송된 프레임은 허브에 연결된 모든 스테이션에 브로드캐스트됨
• 한 번에 하나의 스테이션만 전송 가능, 동시 전송 시 충돌 발생

Two-Level Star Topology

LAN 허브(Hub) vs. 스위치(Switch)

공유 버스/허브 (Shared Bus/Hub)

• 모든 포트가 하나의 공유 케이블(또는 허브 내부 버스)에 연결
• 전체 네트워크 대역폭(10 Mbps)을 모든 포트가 공유
  → 누군가 전송하면 다른 포트는 대기해야 함, 40 Mbps 보내기 불가

레이어-2 스위치 (Bridge/Switch)

• 각 포트마다 독립된 포인트-투-포인트 링크로 연결
• 각 포트별로 개별 대역폭(각 10 Mbps) 보장
  → 서로 다른 포트 간 동시 전송 가능

허브: 모든 트래픽을 전 포트로 무차별 브로드캐스트
→ 대역폭 공유, 충돌 발생

스위치: 목적지 MAC 기반으로 해당 포트에만 전달
→ 충돌 영역 분리, 효율성·보안성↑

Ethernet switch

링크 계층 장치 (Link-layer device)

• 들어온 이더넷 프레임을 받아 저장(store) 후 포워딩(forward)
• 프레임 헤더의 목적지 MAC 주소를 확인해, 해당 포트로만 선별적 전송

Transparent

• 호스트(PC)는 스위치의 존재를 전혀 인식하지 못함
• 소프트웨어나 설정 변경 없이 연결만 하면 자동 동작

plug and play & Self-learning

• 통신 흐름을 관찰하며 MAC 주소 테이블을 자동 생성

Layer 2 Switch Benefits

Layer 2 스위치의 주요 장점

무설정 전환 가능 (Plug-and-Play)

• 버스 LAN이나 허브 LAN을 스위치 LAN으로 바꿀 때,
  연결된 기기의 소프트웨어·하드웨어 변경 불필요

전용 대역폭 보장 (Dedicated Capacity)

• 각 포트마다 원래 LAN 전체 대역폭(ex. 10 Mbps 혹은 1 Gbps)을 독립적으로 할당

손쉬운 확장성 (Scalability)

• 참여 기기 수가 늘어나도 전체 대역폭은 영향을 받지 않고 선형적 증가 가능

Types of Layer 2 Switches

Store-and-Forward Switch

입력 포트로 들어온 프레임을 일단 버퍼(buffer)에 저장,
프레임 전체를 받아 적절한 출력 포트로 전달

• 한 프레임마다 전체를 받아야 하므로 전송 지연(delay) 발생
• 손상된 프레임(에러 프레임)을 걸러낼 수 있어 신뢰성 높음

Cut-Through Switch

목적지 MAC 주소만 받으면 바로 출력 포트로 전달 시작
프레임 전체를 받을 때까지 기다리지 않으므로 낮은 지연·높은 처리량 달성

Switch: multiple simultaneous transmissions

스위치의 동시 전송

전용 연결

• 각 호스트(PC)는 스위치의 포트와 1:1 전용 링크(점대점)로 연결
• 한 호스트의 전송이 다른 호스트에 간섭하지 않음

동시 전송

• A→A' 흐름과 B→B' 흐름을 동시에 처리해도 서로 간섭 없이 전송 가능
• 동일한 목적지 포트를 공유하는 흐름(A→A′와 C→A′)은
  동시에 전달할 수 없음

Switch: self-learning

스위치 테이블

• 각 스위치는 내부에 MAC 주소, 해당 호스트가 연결된 포트 번호, 타임스탬프 정보를 가진 테이블을 유지

학습(learning)

• 들어오는 프레임의 출발지 MAC을 보고
  '출발지 MAC이 이 포트(port=X)를 통해 들어왔다'는 정보를
  스위치 테이블에 저장

전달(forwarding)

• 목적지 MAC이 테이블에 있으면 해당 포트로만 프레임 전달

TTL(유효 시간)

• 일정 시간(TTL) 이후 사용되지 않은 항목은 자동 삭제
  ex. 60초 경과 후 갱신 없으면 삭제 → 네트워크 변화 반영

Switch: frame filtering/forwarding

프레임 수신 후 포워딩 결정

테이블에 목적지 MAC 항목이 있는 경우

• 해당 MAC이 들어온 포트와 같으면 → 프레임 폐기(drop)
• 그렇지 않으면 → 학습된 포트로만 프레임을 전달(forward)

테이블에 목적지 MAC 항목이 없는 경우
→ 도착 포트를 제외한 모든 포트로 브로드캐스트(flood)

Self-learning, forwarding: example

A→A′ 사이 통신이 시작되면

• A의 프레임을 1번 포트로 받으며 “A → 포트 1”을 테이블에 기록
• A′의 응답을 4번 포트로 받으며 “A′ → 포트 4”를 테이블에 기록

Interconnecting switches

스위치끼리 연결했을 때도 self learning 동작 원리는 동일

S₁, S₂, S₃, S₄ 모두 자신에게 들어오는 프레임의 출발지 MAC·포트를 기록

G→A 통신이 시작되면

• S₃는 G가 1번 포트에 있음을 학습
• S₄는 S₃가 3번 포트에 있음을 학습
• S₁은 S₄가 1번 포트에 있음을 학습

Small institutional network

하나의 IP 서브넷 (LAN)

• 캠퍼스/기관 내 모든 장치(PC, 서버 등)는 동일한 IP 서브넷에 속함
• 서로 라우팅(3계층) 없이 스위치(2계층)만으로 통신

경계 라우터 (Router)

• LAN과 외부(인터넷) 연결 지점

코어 스위치(Core Switch)

• 전체 LAN 트래픽 집중 처리

액세스 스위치(Access Switch)

• 최종 사용자 PC/단말 연결 포인트

Bridge

동일한 물리·링크 계층 프로토콜을 사용하는 LAN 세그먼트들을 연결

LAN→브리지→LAN 경로의 모든 프레임을 MAC 헤더만 변환해서 전달

• 받은 이더넷 프레임에서 기존 MAC 헤더(출발지·목적지 주소)를 떼어내고,
• 내보낼 LAN 구간에 맞는 새 MAC 헤더를 붙여서 전송

Bridge Design Aspects

• 라우팅·어드레싱 테이블을 보유하여 MAC 학습·조회·필터링을 수행
• 두 개 이상의 LAN 세그먼트를 동시에 연결 가능

Layer 2 Switch vs. Bridge

Bridge

• 서로 다른 LAN(또는 세그먼트)을 연결
• 소프트웨어 기반
• 한 번에 하나의 프레임만 분석·포워딩
• Store-and-forward (전체 프레임을 받은 뒤 검사 후 전달)

Switch

• 하나의 LAN 내에서 다수 포트 간에 프레임을 고속·병렬 전달
• 하드웨어 기반
• 포트별로 여러 프레임을 동시에 처리(풀 듀플렉스)
• Store-and-forward 또는 Cut-through (헤더만 보고 곧바로 전달)

Switches vs. routers

스위치 (Switch)

• 2계층, 링크 계층 (MAC 헤더만 검사)
• forwarding 단위 : 이더넷 프레임
• 학습(flooding+learning)으로 MAC-포워딩 테이블 생성

라우터 (Router)

• 3계층, 네트워크 계층 (IP 헤더 검사)
• IP 데이터그램
• 라우팅 프로토콜로 최적의 경로 계산하여 라우팅 테이블 구성

Virtual LANs (VLANs): motivation

VLAN 도입 배경 및 동기

단일 브로드캐스트 도메인의 한계

• 불필요한 호스트가 브로드캐스트를 수신 → 네트워크 성능 저하
• 모든 사용자가 동일 도메인에 노출 → 보안·프라이버시 취약

물리적 이동 vs 논리적 소속 유지
ex. CS 사용자가 EE 구역으로 이동하더라도

• 물리적으론 EE 스위치에 연결되지만
  = 여전히 논리적으로는 CS VLAN에 속하길 원함

Port-based VLANs

VLAN
: 하나의 물리적 LAN 위에서 논리적으로 분할된 여러 개의 LAN

포트 기반 VLAN
: 스위치의 각 포트를 관리 소프트웨어로 그룹화해
물리적 스위치 하나를 여러 개의 '가상 스위치'로 동작시키는 방식

• 스위치 포트(ex. 1∼8번, 9∼15번)를 VLAN ID별로 묶어
  각각 독립된 브로드캐스트 도메인을 형성

트래픽 격리 (Traffic Isolation)

• 같은 VLAN에 속한 포트끼리만 L2 프레임을 주고받음
• MAC 주소별로도 VLAN 정의 가능

동적 멤버십 (Dynamic Membership)

• 필요에 따라 포트를 실시간으로 서로 다른 VLAN에 재할당

VLAN 간 포워딩 (Forwarding between VLANs)

• 서로 다른 VLAN에 속한 호스트 간 통신은
  라우터 또는 L3 스위치를 통해 처리

VLANS spanning multiple switches

서로 다른 물리 스위치를 하나의 VLAN 도메인으로 연결할 때,
Trunk라 부르는 특별 포트를 사용

Fixed Routing

모든 LAN 쌍에 대해 미리 결정된(고정된) 경로를 사용하는 라우팅 방식

• 안정성
  : 네트워크 토폴로지가 자주 변하지 않는 소규모·안정적 환경에 적합

• 경로 선정:
  LAN 간 통신 쌍마다 미리 '최소 홉 수' 등 단일 경로를 설정
  토폴로지 변경 시에만 경로를 재계산하여 갱신

Spanning Tree

스패닝 트리는

• frame forwarding
• address learning
• loop resolution

3가지 메커니즘으로 물리적 토폴로지 변화에 맞춰
브리지 간 최적·안정 경로를 자동 구성

Frame Forwarding

프레임 도착 시

1. MAC 검색
   수신된 포트 X를 제외하고 테이블에 목적지 MAC이 등록되어 있는지 검색

2. 미등록(Unknown) → Flooding
   등록된 정보가 없으면 → 프레임을 모든 포트(수신 포트 제외)로 브로드캐스트

3. 등록(Known) → 차단 여부 확인
   해당 MAC이 존재하는 포트 Y에 대해 스패닝 트리 상태(차단/포워딩)를 조회

4. 포워딩
   포트 Y가 “포워딩” 상태이면 → 그 포트로만 프레임 전송
   포트 Y가 “차단” 상태이면 → 프레임 폐기(drop)

Address Learning

프레임 수신 시 학습

• 프레임의 소스 MAC을 읽어 포트 X에 해당 MAC이 없으면 등록(create)하고, 이미 있으면 타이머만 갱신(reset)

Spanning Tree Algorithm

루프 방지: 네트워크에 다중 경로가 있으면
브리지 간에 프레임이 무한 순환(loop)될 수 있음.

X↔Y 사이에 두 개의 물리적 경로(α와 β)가 있음 : loop