[기본모델>장비] 스위치

스위치 개요

개념	네트워크 스위치는 수신한 프레임 또는 패킷의 목적지 정보를 분석하여, 해당 목적지 포트로만 데이터를 전달하는 네트워크 장비이다.
필요성	충돌 감소와 전송 효율 향상을 위해 사용

 

OSI 7에 따른 스위치 유형

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L2

가. 개념

L2 스위치는 MAC 주소를 기반으로 프레임을 목적지 포트에 전달하는 데이터링크 계층 장비

나. 기능 

기능	설명	관련기술
Learning	출발지 MAC 주소와 포트를 MAC 테이블에 학습하는 기능 (이 MAC 주소는 이 포트에 연결돼 있구나”하고 기억)	• MAC table
Flooding	목적지 MAC 주소가 MAC 테이블에 없을 때 전체 포트로 프레임을 전송하는 기능 (스위치가 목적지를 모르면  일단 다 보내자)	• Broadcasting
Forwarding	목적지 MAC 주소가 MAC 테이블에 있으면 해당 포트로만 전달하는 기능 ( 목적지 알면 딱 그 포트로만 보내는 것.스위치가 효율적인 이유)	• Unicasting
Filtering	불필요한 프레임이 다른 세그먼트로 전달되지 않도록 차단 (안 보내도 되는 곳에는 굳이 안 보내서 트래픽 낭비를 줄임)	• Collision Domain(충돌 도메인)데이터 전송 시 충돌이 발생할 수 있는 네트워크 영역
Aging	일정 시간이 지나면 MAC 테이블의 주소 정보를 삭제	• Aging Timer

다. 동작 절차

동작	절차	설명
학습 및 플러딩 (Learning & Flooding)		출발지 MAC 주소를 학습하고, 목적지 MAC 주소를 알면 해당 포트로만 전달 ① 1번 포트에 연결된 PC1 (MAC 주소 A)에서 MAC 주소 B로 프레임 전송 ② 출발지 MAC 주소와 포트번호 (A,1)를 MAC Table에 저장 (Learning) ③ 목적지 MAC 주소 B가 MAC Table에 없으므로 전체 포트에 전송 (Flooding) (예로  A가 B에게 보내는데 스위치가 아직 B를 모르면 A가 들어온 포트를 기억하고 B가 어디 있는지 모르니까 전체 포트로 보냄)
학습 및 포워딩 (Learning & Forwarding)		목적지 주소만 확인 후 즉시 전달하는 방식 ① PC2 (MAC 주소 B)에서 MAC 주소 A로 프레임 전송 ② 출발지 MAC 주소와 포트번호 (B,4)를 MAC Table에 저장 (Learning) ③ 목적지 MAC 주소 A가 MAC Table에 있으므로, 저장된 포트 (1번)으로만 전달 (Forwarding) (스위치가 이미 A 위치를 알고 있다면 B가 A에게 보낼 때 A가 있는 포트로만 딱 보내는 것)

라. 전송방식

전송방식	설명	특징
Cut-through 방식	목적지 주소만 확인 후 즉시 전달하는 방식 (프레임을 끝까지 다 안 보고 앞부분만 보고 바로 보내는 방식. 빠르지만 오류확인 약함)	• 처리속도 빠름 • 에러 감지 어려움
Store-and-forward 방식	전체 프레임을 수신한 뒤 오류를 확인하고 전달하는 방식 (프레임을 다 받아보고 이상 없으면 보내는 방식. 느리지만 정확함)	• 처리 속도 느림 • 에러 감지 용이
Fragment Free 방식	프레임의 초기 64바이트를 확인한 후 전달하는 방식 (아주 초반 부분만 확인해서 속도와 오류검사를 적당히 절충)	• 적당한 처리 속도 • 적당한 에러감지

마. 부가기능

부가기능	설명	관련기술
VLAN	하나의 물리적 스위치를 여러 개의 논리적 LAN으로 분리하는 기능	• 802.1q
Link Aggregation	여러 포트를 하나처럼 묶어 대역폭과 가용성을 높이는 기능	• 802.3ad
Spanning Tree Protocol	스위치 간 무한루프현상을 방지하기 위해 하나의 경로만 활성화하는 프로토콜	• 802.1d
Port Mirroring	특정 포트의 트래픽을 복사하여 다른 포트로 보내는 기능	• SPAN (Switch Port Analyzer)

 

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L3

가. 개념

개념	L3 스위치는 L2 스위칭 기능과 L3 라우팅 기능을 결합하여, IP 주소 기반으로 패킷의 경로를 결정하고 QoS를 제공하는 네트워크 장비 (쉽게 말하면 스위치처럼 빠르게 보내면서, 라우터처럼 길도 판단하는 장비)
특징	L2 + L3 기능( L2기능을 포함), 경로제어, 고속 라우팅
개념도

 

나. 주요기능

기능	설명	핵심
라우팅 기능	내부망과 외부 망 연결 (서로 다른 네트워크 간 패킷을 연결하고 전달하는 기능)	내부망 식별
네트워크 구성	IP주소를 통해 통신 연결 (IP 주소를 기반으로 네트워크 간 통신 환경을 구성하는 기능)	다수 간 연결
IP 레이어 전송	IP 계층에서 패킷을 전달	IP 패킷 처리
SW기반 제어	레이어 2 통신 체계를 SW 기반 제어 (일부 네트워크 기능을 소프트웨어적으로 더 유연하게 제어·구성할 수 있는 기능)	SW기반 가상화
VLAN 환경	다른 그룹간의 네트워크 연결 가능 (서로 다른 VLAN 간 통신을 가능하게 하는 기능)	VLAN 간 연결 (VLAN 분리는 L2)
허브 + 라우터	L2의 허브기능에 라우팅 기능 추가	L2 기능 포함

 

 

 

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L4

가. 개념

개념	TCP/UDP의 포트 정보와 IP 주소를 기반으로 네트워크 트래픽을 분산하고, 경로를 결정하는 스위칭 기술 (서버 여러 대 중 어디로 보내는 게 좋을지 정해서 ( IP만 보는 게 아니라 포트 번호까지 확인해서 어떤 서비스 요청인지 보고) 나눠 보내는 장비)
특징	- VIP 제공(Virtual IP) : 서버 증설 시 기존 IP변경 없이 사용 가능하도록 가상 IP 제공 (여러 실제 서버를 하나의 서비스처럼 보이게 함) - Fail Over 기능 : Master 서버에서 장애가 발생하는 경우 L4에서 Slave서버로 자동 스위칭 동작
개념도

 

나. 주요기능

구분	설명	특징
부하 분산	서버 기반의 Load Balancing 제공 (다수 서버에 트래픽을 분산하여 성능, 확장성, 가용성을 높이는 기능)	여러 대의 서버 가상화
캐싱 서비스	요청을 캐시 서버(원래서버까지 안가고 대신빨리 보여주는)로 유도하여 응답 속도와 처리 효율을 높이는 기능	사용자 설정 필요 없음
서비스 연결	트래픽 종류와 서비스 포트에 따라 서로 다른 서버 또는 서비스로 연결	서비스 포트에 따라 연결
QoS	서비스 중요도와 포트 정보를 기준으로 트래픽 우선순위를 제어하는 기능 ( 더 많은 대역폭과 더 높은 우선순위를 주는 거) - 어플리케이션의 중요도에 따라 우선 순위 결정 - TCP/UDP 헤더의 포트값을 인식하여 서비스별 분류가 가능 - 전자우편에 비해 화상회의에 더 많은 대역폭 제공	서비스 포트 이용

 

다. 이더넷 스위치의 발전방향

구분	내용
부하분산 강화	현재 인터넷 트래픽의 대부분을 차지하는 웹 데이터에 대한 부하분산 기능 강화 (요즘 인터넷 트래픽은 대부분 웹 기반이므로 스위치의 단순 전달보다 웹 요청을 얼마나 잘 나눠 처리하느냐가 중요)
처리기준 고도화	IP 주소, TCP/UDP 포트뿐만 아니라 URL, Cookie 정보까지 활용하여 보다 효율적인 부하분산 수행 (같은 더 자세한 정보까지 보고 분산. 즉, 단순 L4에서점점 L7 성격까지 강화되는 흐름)

 

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L7

가. 개념

개념	L7에 해당하는 Application 정보를 바탕으로 지능적으로 트래픽 관리를 수행하는 네트워크 스위치 장비 (IP나 포트만 보는 장비가 아니라, 웹 요청 내용까지 보고 판단하는 스위치)
필요성	정교한 트래픽 제어 필요, 세션정보 관리 필요, 차등 서비스 제공 필요
개념도

 

나. 동작과정 및 주요기능

기능	설명
보안 기능 강화 (Packet Filtering)	패킷 분석을 통해 이상패턴(악성코드, 바이러스, 이상 트래픽)을 차단하는 기능 (트래픽 분산 장비이면서 보안 기능도 일부 수행)
Content Switching	확장자 기준으로 서버를 동적으로 선택하는 기능 (요청 내용에 따라 다른 서버로 보내는 기능)
로드 밸런싱 (Load Balancing)	다수의 서버에 트래픽을 분산하여 성능과 가용성을 높이는 기능
URL/쿠키 기반 로드밸런싱	응용정보를 이용하여 정교하게 서버를 분산 (IP나 포트가 아니라, URL이나 쿠키 값까지 보고 더 정교하게 분산)
차별화된 서비스 제공	서비스 특성에 따라 보안·트래픽 제어·우선순위를 달리 제공하는 기능 (서비스 특성에 따라 보안·트래픽 제어·우선순위를 달리 제공)

 

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[L2, L3 비교]

구분	L2 스위치	L3 스위치
참조테이블	MAC 주소 테이블 (브리지 테이블)	라우팅 테이블
참조 PDU (장비가 처리시 기준으로보는 단위)	이더넷 프레임	IP 패킷
참조 필드	목적지 MAC 주소	목적지 IP 주소
스위칭 프레임	이더넷 프레임	이더넷 프레임, 프레임 릴레이 프레임, PPP 프레임 등 (L3는 IP를 보고 판단하지만 실제 전송은 여러 종류의 링크 프레임 위에서 이뤄질 수 있다는 뜻. 즉, L2는 프레임 자체를 보고 전달, L3는 IP를 보고 판단한 뒤, 그 구간에 맞는 프레임으로 다시 싸서 전달)
L2 헤더 처리 **	그대로 유지	새로운 헤더로 변경 교체

[L4, L7 비교]

구분	L4 스위치	L7 스위치
동작 계층	전송계층	응용계층
판단 기준	IP 주소, TCP/UDP 포트, 세션 정보	URL, Cookie, HTTP Header, SSL 세션 ID 등
처리 단위	서비스 포트 기반 분산	콘텐츠/요청 내용 기반 분산
주요 기능	부하분산, Fail Over, QoS, VIP 제공	부하분산, Content Switching, 보안제어, 차별화 서비스
장점	처리 속도 빠름, 구조 단순	정교한 트래픽 제어 가능, 서비스별 세밀한 분산 가능
단점	콘텐츠 기반 제어 불가	패턴 분석으로 인한 성능 저하 가능
적합 환경	대량 트래픽의 고속 분산 처리	웹, API, 콘텐츠 기반 서비스 제어
대표 특징	포트 기반 로드밸런싱	URL/쿠키 기반 로드밸런싱

 

종합

구분	내용
발전 및 적용	OSI 계층별 처리 정보에 따라 L2, L3, L4, L7으로 발전하였으며, 최근에는 단순 패킷 전달을 넘어 부하분산과 트래픽 제어를 수행하는 지능형 네트워크 장비로 활용
종합	스위치는 단순 연결장비를 넘어 성능, 가용성, 서비스 품질을 좌우하는 핵심 인프라 장비