CISCO 네트워킹 4장 - 허브, 스위치, 브릿지, 스패닝 트리

01 랜 카드도 세팅해야 되나요?

LAN (Local Area Network) 카드 종류

-       데스크탑 / 프린터 / 노트북 용도 등

-       초기에는 LAN의 설정 값을 직접 잡음

n  Plug & Play (PnP) : 컴퓨터에 하드웨어를 연결하면 별도의 사용자 조작이나 프로그램 설치 없이 바로 사용할 수 있는

환경을 제공하는 기능

 

n  IRQ(Interrupt Request) : 인터럽트 신호를 처리하는 데에 쓰이는 컴퓨터 버스 라인의 인터럽트 행위

n  Base Memory : 옵션으로 업그레이드하기 전에 새 컴퓨터에 설치된 RAM의 양

 

LAN 카드

PC에 세팅된 LAN 카드

02 허브 이야기 그 첫번째

허브(Hub)

-       리피터(Repeater) : 데이터 전송 시 전송거리의 제약이 있을 때 리피터 연결을 통해 멀리 떨어진 다른 곳으로 데이터의 전송이 가능하도록 하는 장비

-       허브의 데이터 전송

 

n  1) 1번 포트가 데이터를 허브를 통해 전송하면 허브는 데이터가 들어온 1번 포트를 제외하고 나머지 모든 포트로 그 데이터를 뿌리므로 2번부터 5번까지  모든 포트로 데이터가 뿌려진다.

 

 

n  2) 그렇게 되면 나머지 PC(3~5번)은 자신에게 온 데이터가 아니라는 것을 알고 데이터를 무시한다. 여기서 데이터가 나에게 온 것인지 아닌지를 판별하는 역할을 LAN 카드가 수행한다. LAN 카드는 들어온 프레임의 목적지 MAC 주소를 보고 자신의 MAC 주소와 비교하여 자신의 것이 아니면 버린다.

 

n  3) 하지만 2번 PC는 자신에게 온 데이터라는 것을 알기 때문에 이 데이터를 받는다. 즉, LAN 카드가 CPU에게 인터럽트를 요청하여 데이터를 처리해줄 것을 요청한다. CSMA/CD를 적용하고, 허브에 연결된 모든 PC는 같은 Collision 도메인에 있다.

u  CSMA : 네트워크를 전송하기 전에 현재 채널을 사용 중인지 체크하여 다중 액세스가 되는 기능을 구현

l  CSMA/CD : 전류의 강도를 통해 케이블이 사용 중인지 확인하고 트래픽이 없으면 패킷을 송출하는 LAN의 매체 점유 방법중의 한가지 방법

 

03 허브의 한계

허브에 연결된 모든 PC는 하나의 Collision 도메인에 속함

-      어느 한 순간에는 한 PC만이 데이터를 전송

-      공유 방식 사용 : 10Mbps의 속도를 그 허브에 연결된 모든 PC들이 공유

-      따라서, 10Mbps의 허브에 만약 20대에 PC를 연결한다면 실제로는 10Mbps를 20으로 나눈 만큼의 속도를 각자 사용

-      그러므로 100Mbps 허브로는 대용량 데이터 처리를 하나의 컴퓨터만 데이터 송수신이 가능

-      Collision이 발생하면 그 허브에 붙은 모든 PC가 영향을 받음 -> 허브만으로 연결의 한계

 

 

04 허브 이야기 그 두 번째

허브의 종류

-       Intelligent 허브 (지능형 허브)

n  nms를 통해 관리가 되는 허브 또는 관리 기능을 제공하는 허브

n  auto partition 기능을 갖는 허브이며, 연결된 PC에 문제가 생기면 자동 고립시키는 기능을 제공하는 허브

-       Dummy 허브

-       Semi Intelligent 허브 (세미 지능형 허브)

n  더미 허브이지만, 지능형 허브와 연결되면 지능형 허브가 되는 허브

-       Stackable 허브 (스택이 가능한 허브)

n  스위치나 허브를 쌓아 서로 연결하면 BackPlane이 훨씬 빨라지면서 효율적으로 사용할 수 있음

n  NMS를 통해 관리 시,  전체 스택 장비를 하나의 장비처럼 관리할 수 있음

 

 

05 허브의 끝과 스위치의 시작

스위치 ( = 스위칭 허브 ) & 브릿지

-       Collision 도메인을 나눌 수 있는 장비

-       브릿지가 먼저 사용됨

 

허브와 서버와의 통신

 

 

-       허브에 연결된 PC는 서버와의 통신을 위해 어느 한 순간에 하나만 통신이 가능

-       따라서 나머지 PC는 기다림

 

 

스위치와 서버와의 통신

-       스위치는 포트 별로 Collision 도메인을 나누기 때문에, 1번 PC와 2번 PC가 통신하는 도중에 4번 PC와 5번 PC는 서로 통신이 가능

-       그러나, 모든 PC가 서버와 통신을 하려면 서버와의 통신은 하나만 가능하므로 기다림

 

 

LAN 카드, 허브, 스위치, 라우터, 서버 연결

-       허브 & PC : 다이렉트 케이블

-       허브 & 스위치 : 크로스 케이블

-       서버는 스위치에 연결

 

 

06 험한 세상의 브릿지가 되어 그대 지키리

브릿지

-       Collision 도메인을 나눔

-       MAC 주소 테이블을 통해 관리

 

-       브릿지는 허브가 나누지 못하는 Collision 도메인을 나누는 역할

n  중간에 서서 브릿지 테이블을 보며 통신이 다리 한쪽에서만 발생하면, 다리를 건너지 못하게 하고, 통신이 다리를 통과해야 가능하면 그 때만 다리를 건널 수 있게 한다.

n  스위치와 브릿지는 비슷한 기능을 수행

 

 

07 브릿지/스위치의 기능

Learning (학습)

 

-       출발지의 MAC 주소를 학습

-       브리지나 스위치는 자신이 포트에 연결된 "A"라는 PC가 통신을 위해서 프레임을 내보내면 그때 이 PC의 맥 어드레스를 읽어서 자신의 맥 어드레스 테이블(브릿지 테이블)에 저장

-       "A"에게 통신할 경우에는 자신의 브리지 테이블을 참고해서 다리를 건너게 할 것인지 아니면 못 건너가게 할 것인지를 결정

 

Flooding

-       들어온 포트를 제외한 나머지를 모든 포트로 뿌리는 것을 의미

-       들어온 프레임이 찾아가는 주소를 보니 그 주소가 만약 브리지가 가지고 있는 브리지 테이블에 없는 주소라면 나머지를 포트로 뿌림

-       브로드 캐스트나 멀티캐스트의 경우에도 발생

-       위 그림은 MAC 주소 0260.8C01.1111을 가진 PC가 MAC 주소 0260.8C01.5555를 가진 PC와 통신하려는 경우

 

 

Forwarding

-       브리지가 목적지의 맥 어드레스를 자신의 브리지 테이블에 가지고 있고, 이 목적지가 출발지의 목적지와 다른 세그먼트에 존재하는 경우 발생

-       즉, 목적지가 어디 있는지 알고 있는데 그 목적지가 다리를 건너가야만 하는 경우에 Forwarding이 발생

-       해당 포트 쪽으로만 프레임을 뿌림

 

 

Filtering

-       브리지를 못 넘어가게 막는다는 것

-       브리지가 목적지의 맥 어드레스를 알고 있고 출발지와 목적지가 같은 세그먼트 상에 있는 경우 발생

-       위 그림은 세그먼트 E0에 있는 MAC 주소 0260.8C01.1111을 가진 PC가 MAC 주소 0260.8c01.2222를 가진 PC와 통신하려는 경우

 

-       허브와는 다르게 Collision 도메인을 나누어 줄 수 있음

 

Aging

-       MAC 주소 테이블에서 MAC 주소를 저장하는 시간 주기를 기본으로 5m으로 설정

-       새로운 MAC 주소를 저장하기 위한 주기를 설정

-       리프레쉬 : Aging 타이머가 다 끝나기 전에 같은 출발지를 가진 MAC 주소가 다시 오면 브릿지는 타이머를 리셋하고 처음부터 다시 카운트

 

 

브릿지에서 프레임의 흐름

 

브릿지와 스위치의 차이점

-       스위치는 처리방식이 HW(ASIC)로 이루어지기 때문에 SW적으로 프레임을 처리하는 브릿지에 비해 빠름

-       브릿지는 포트들이 같은 속도를 지원하지만, 스위치는 서로 다른 속도를 연결

-       스위치는 브릿지에 비해 제공하는 포트 수가 많음

-       스위치의 프레임 처리는 Cut-Through, Store-and-forward 방식을 사용

-       브릿지의 프레임 처리는 Store-and-Forward만 사용

 

 

프레임 처리방식

-       Store-and-Forward 방식

n  스위치나 브릿지가 일단 들어오는 모든 프레임을 다 받아들인 다음 처리

n  에러 발생 시, 프레임을 버리고 재전송을 요구하므로 에러 복구 능력이 우수

-       Cut-Through 방식

n  스위치에 들어오는 목적지 주소만을 본 다음 바로 전송 처리하는 방식

n  처리가 빠르나, 에러 발생 시 에러 복구 능력이 저하

-       Fragment-Free 방식

n  위 두 방식을 결합

n  프레임의 처리 512bit를 보고 프레임을 전송

n  에러 감지능력이 Cut-Through보다 우수

 

08 Looping은 왜 생길까요?

Looping

-       프레임이 네트워크 상에서 무한정 돌기 때문에 이더넷의 특성상 네트워크가 조용해야 데이터를 전송할 수 있는데, 다른 PC들이 네트워크가 조용해지기를 기다릴 뿐 데이터 전송이 불가능한 상태

-       Spanning Tree 알고리즘

n  스위치나 브릿지에서 발생할 수 있는 루핑을 미리 막기 위해 두개 이상의 경로가 발생하면 하나를 제외하고 나머지 경로를 막아 두었다가 기존의 경로에 문제가 생기면 막아 놓은 경로를 풀어 데이터를 전송하는 알고리즘

 

Fault Tolerant

-       네트워크 상에서 어떤 문제가 발생 시를 대비하여 미리 장애 대비

-       네트워크의 이중 구조 형태

-       라우터 2대로 구성을 하고, 한 대가 다운되어 있다면 다른 라우터가 자동으로 기존의 라우터의 역할을 수행하는 것

 

Load Balancing

-       로드를 분산함

-       인터넷 접속을 위해 2 개의 회선을 사용하는 경우,  데이터 전송 시 하나의 회선을 선택하여 전송

-       만약, 하나의 회선이 다운되면 다른 회선으로 이전하여 사용가능

-       Load Balancing은 Fault Tolerant 지원

 

09 스패닝 트리되지 않는 스위치는 팥 없는 찐빵

스패닝 트리

n  자동으로 루핑을 검색하여 루핑이 발생할 수 있는 상황을 미리 예방

n  스위치간 2개의 링크 중 하나를 끊어서 실제 링크는 2개지만 데이터는 한쪽으로만 다니게 하여 루핑을 예방

 

 

-       스패닝 트리 알고리즘에 의해 현재의 링크가 끊어졌을 때 대기하고 있는 다른 링크가 다시 살아나서 연결해주는데 걸리는 시간은 약 1분을 소요

-       CISCO의 Ether-Channel 기술

n  여러 개의 링크가 마치 하나의 링크처럼 인식되게 하는 기술

n  2 배의 속도를 낼 수 있고 하나의 링크가 끊어져도 기다리는 시간 없이 링크 유지

n  Fast Ether Channel

n  Giga Ether Channel

n  Uplink Fast 기술 : 링크 복구시간을 2~3초 정도로 줄이는 기술

 

 

10 라우팅이냐, 스위칭이냐?

스위치로 풀 수 없는 문제

-       브로드 캐스트 영역을 나눌 때 IP는 약 500개 노드

-       로드 분배 : 스위치로는 제한적

-       QoS(Quality of Service) : 다른 응용 프로그램, 사용자, 데이터 흐름 등에 우선 순위를 정하여, 데이터 전송에 특정 수준의 성능을 보장하기 위한 능력

-       즉, 라우터가 필요

 

실전문제

1)     라우터와 허브가 연결되어 있고 허브에는 7대의 컴퓨터가 연결되어 있습니다. 이때 이 허브를 스위치로 교체했다고 가정할 때 어떤 변화가 있나?

 

 

-       Collision 도메인, 브로드 캐스트 도메인

 

 

 

 

2)     라우터 한쪽에는 허브가, 다른 한쪽에는 스위치가 연결되어 있는 상태이다. 허브와 스위치는 12번 포트라고 가정하고 허브와 스위치의 1번 포트는 라우터와 연결되어 있다. 나머지 2번 포트부터 12번 포트까지 11개 포트는 PC와 연결되어 있다. Collision 도메인, 브로드 캐스트 도메인은 몇 개 인가?

 

-       Collision 도메인 13개

-       브로드 캐스트 도메인 2개

 

허브는 물리적 계층에서 동작한다

 

-       같은 Collision 도메인에 속하는 모든 장비

-       같은 브로드 캐스트 도메인에 속하는 모든 장비

-       장비들은 같은 대역폭을 공유

 

허브 : 하나의 Collision 도메인

 

 

-       더 많은 엔드 스테이션이 더 많은 충돌을 일으킴

-       CSMA/CD가 사용됨

 

스위치, 브릿지는 데이터 링크 계층에서 동작한다

 

-       각 세그먼트에 자체 Collision 도메인이 존재

-       모든 세그먼트가 동일한 브로드 캐스트 도메인에 존재

 

스위치

-       각 세그먼트는 각자의 Collision 도메인을 소유

-       브로드 캐스트는 모든 세그먼트에게 전송됨

 

 

 

 

 

네트워크 디바이스 도메인

 

Collision 도메인

    1         4           4           4

브로드 캐스트 도메인

1         1           1           4

 

 

LAN 스위칭과 비교한 브릿지

브릿징

-       주로 SW 기반

-       브릿지 당 스패닝 트리 인스턴스 1개

-       보통 브릿지 당 최대 16개 포트

 

LAN 스위칭

-       주로 HW 기반(ASIC)

-       스위치 당 많은 스패닝 트리 인스턴스 수

-       스위치의 포트 수 증가

 

 

 

 스위치를 통해 프레임을 전송

1)     Cut-Through 방식

-       스위치가 목적지 주소를 확인하고 즉시 프레임 전송을 시작

 

2)     Store-and-Forward 방식

-       전체 프레임을 수신하고 포워딩 전에 확인

 

3)     Fragment Free 방식

 

-       스위치에서 처음에 64바이트를 확인하고 즉시 프레임을 포워딩