7. 스위치와 라우터에 대해 배워보자

1. 스위치의 구조

1-1. 스위치란?

• 스위치
  • PC나 서버 등을 네트워크에 연결시킨다.
  • 같은 네트워크 내부의 LAN 포트 사이에서 데이터 전송을 수행한다.
    
    

1-2. MAC 주소

• MAC 주소
  • LAN 포트의 주소이다.
  • 스위치가 어느 LAN 포트로 데이터를 전송하지를 판단할 때 사용한다.
  • MAC 주소의 48비트가 모두 1로 채워진 주소를 브로드캐스트 MAC 주소라고 하고, 16진수로 표기하면 FF-FF-FF-FF-FF-FF 이다.
    
    

1-3. 스위치의 데이터 전송

• 스위치는 MAC 주소들이 저장되는 MAC 주소 테이블MAC Address Table을 가지고 있다.

  

  PC A가 PC B로 데이터를 송신할 경우를 가정하자.

  1. 목적지 MAC 주소가 B이고 송신지 MAC 주소가 A인 데이터가 스위치에 도착한다.
  2. 스위치는 송신지 주소를 보고 MAC 주소 테이블에 등록한다.
  3. 스위치는 목적지 MAC 주소와 MAC 주소 테이블을 조합한다. 이 때, 모르는 MAC 주소로 보내진 데이터를 모든 포트로 전송하는데 이를 플러딩Flooding이라고 한다.

  B로부터 A로 응답이 돌아올 경우를 가정하자. 목적지 MAC 주소는 A이고 송신지 MAC 주소는 B이다.

  1. 스위치는 수신한 데이터의 송신지 MAC 주소를 가지고 MAC 주소 테이블에 포트 2의 MAC 주소로 B를 등록한다.
  2. 목적지 MAC 주소 A가 이미 테이블에 등록되어 있으므로 포트 1에만 데이터를 전송한다.

1-4. ARP

• ARPAddress Resolution Protocol
  • IP 주소에 매핑된 MAC 주소를 알아내기 위한 프로토콜이다.
  • 데이터를 송신할 때 ARP에 의해 목적지 MAC 주소가 자동으로 지정된다.
  • ARP 요청ARP Request과 ARP 응답ARP Reply을 통해 목적 IP 주소에 매핑된 MAC 주소를 조사한다.
• ARP 요청
  • 브로드캐스트로 송신된다.
  • ARP 요청에서 질의된 IP 주소를 가진 PC가 ARP 응답으로 MAC 주소를 알린다.
    
    

1-5. ARP의 동작

• 각 PC에 IP 주소가 설정된 경우 A~D를 MAC 주소로 하자.

  

  데이터 통신의 목적지가 같은 네트워크 상에 존재할 경우를 가정하자.

  1. A에서 D로 데이터를 송신할 때에는 IP 주소를 지정한다.
  2. 지정한 IP 주소에 매핑된 MAC 주소를 알아내기 위해 A가 자동으로 ARP 요청을 송신한다.
  3. ARP 요청은 브로드캐스트이므로 스위치는 A가 보낸 ARP 요청을 플러딩한다.
  4. B, C, D에 모두 ARP 요청이 전송되지만 응답은 IP 주소를 가진 D만 한다. D가 ARP 응답으로 자신의 MAC 주소를 통지한다.

2. 라우터의 구조

2-1. 라우터의 역할

• 라우터
  • 네트워크의 상호 연결을 수행한다.
  • 여러 개의 인터페이스가 있으며 물리적으로 케이블을 연결하여 IP 주소를 설정함으로써 네트워크에 연결된다.
  • 라우터의 인터페이스는 스위치에 연결되거나 PC나 서버, 라우터 등에 직접 연결되기도 한다.
  • 라우터에 의한 데이터 전송을 라우팅이라고 한다.
  • 라우팅 테이블에 데이터를 전송할 네트워크의 정보를 등록한다.
  • 수신한 데이터의 목적지 IP 주소와 라우팅 테이블을 가지고 네트워크 간의 데이터 전송을 수행한다.
    
    

2-2. 브로드밴드 라우터

• 브로드밴드 라우터
  • 인터넷에 접속하는 기능과 스위치의 기능이 갖춰진 라우터이다.
  • PC 등으로부터 인터넷으로 데이터가 송신되면 브로드밴드 라우터에서 라우팅을 수행하여 ISP 라우터에 전송된 뒤, 다른 라우터로 다시 라우팅 되며 최종 목적지까지 전달되는 구조이다.
    
    

2-3. 라우팅

• 라우팅의 동작은 다음의 두가지로 나뉜다.

  1. 최적 루트 학습
  2. 데이터 전송

2-3-1. 최적 루트 학습

• 최적 루트의 정보를 보존해두기 위한 데이터베이스가 라우팅 테이블이다.

• 라우팅 테이블에 등록된 라우트 정보의 주요 구성요소는 다음과 같다.

  라우트 정보	설명
  라우트 정보의 정보원	라우터가 라우트 정보를 어떻게 라우팅 테이블에 등록했는지를 나타낸다.
  네트워크 ID/서브넷 마스크	라우팅할 목적지의 네트워크를 가리키는 정보이다.
  매트릭	라우터로부터 목적 네트워크까지의 거리를 수치화한 것이다.
  관리 거리Administrative Distance	라우팅 프로토콜마다 다른 메트릭을 비교할 수 있도록 조절하는 파라미터이다.
  다음 홉 주소	목적 네트워크로 패킷을 보내기 위해서 이다음에 전송해야 할 라우터의 IP 주소이다.
  출력 인터페이스	목적 네트워크로 패킷을 전송할 때 패킷을 출력할 인터페이스의 정보이다.
  경과 시간	라우팅 프로토콜로 학습한 라우터 정보마다 라우팅 테이블에 등록된 시점으로부터 경과한 시간이 기재된다.

2-4. 라우트 정보 등록

• 라우트 정보의 정보원은 크게 3종류가 있다.

  • 직접 연결
  • 정적 라우팅
  • 라우팅 프로토콜

2-4-1. 직접 연결

• 라우터가 직접 연결된 네트워크의 라우트 정보이다.
• 특별한 설정 없이 라우터의 인터페이스에 IP 주소를 설정하고 그 인터페이스를 활성화시키기만 하면 된다.
• 설정한 IP 주소에 매핑된 네트워크 ID의 라우트 정보가 직접 연결 라우트 정보로서 자동으로 라우팅 테이블에 등록된다.

2-4-2. 정적 라우팅/라우팅 프로토콜

• 라우터는 특별한 설정 없이도 직접 연결한 네트워크에 연결할 수 있지만 이는 직접 연결된 네트워크밖에 모른다는 것도 된다.
• 직접 연결되어 있지 않은 원격 네트워크의 라우트 정보는 라우팅 테이블에 등록해야 한다. 그 방법이 정적 라우팅/라우팅 프로토콜이다.
• 정적 라우팅
  • 유저가 라우터에게 명령어를 입력하거나 해서 라우트 정보를 수동으로 라우팅 테이블에 등록하는 방법이다.
• 라우팅 프로토콜

  • 자동으로 라우팅 경로를 구하도록 하고 싶은 경우에 사용되는 것이다.

  • 다음과 같은 3종류가 있다.

    프로토콜	설명
    RIP	비교적 규모가 작은 기업 네트워크에 이용된다.
    OSPF	중~대규모의 기업 네트워크에 이용된다.
    BGP	인터넷상의 라우터에 주로 이용된다.

2-5. 데이터 전송

• 통신이 이루어지는 모든 경로상의 모든 라우터의 라우팅 테이블에 라우팅 정보가 올바르게 등록되어 있지 않으면 라우팅이 정상적으로 수행되지 않는다.

  

• 디폴트 라우트

  • 네트워크 ID를 여러 개 묶어서 라우팅 테이블에 등록한다. 이를 집약이라고 부른다.
  • 네트워크 ID를 가장 극단적으로 집약시킨 것이 바로 디폴트 라우트이다.
  • 네트워크 ID, 서브넷 마스크가 모두 0.0.0.0이며 이 주소는 모든 네트워크 ID를 하나로 합친 것이다.
    
    

2-6. 가정 내 PC의 라우팅

• PC의 라우팅 테이블
  • 라우팅 테이블의 첫 번째 행은 디폴트 라우트를 가리킨다.
  • PC에 기본 게이트웨이 설정을 하면 PC의 라우팅 테이블에 디폴트 라우트가 등록된다.
  • 인터넷으로 전송될 데이터는 디폴트 라우트에 의해 일단 브로드밴드 라우터로 전송하게 되어있다.
• 브로드밴트 라우터의 라우팅 테이블
  • 인터넷 접속 설정을 하고 나면 PC와 같이 자동으로 라우팅 테이블에 디폴트 라우트가 등록된다.
  • 브로드밴드 라우터의 다음 홉은 계약한 ISP의 라우터이다.
  • 따라서 PC로부터 인터넷으로 전송된 데이터는 디폴트 라우터에 의해 ISP의 라우터로 전송된다.
• 인터넷상 라우터의 라우팅 테이블
  • 데이터를 전송하고자 하는 네트워크의 라우트 정보를 관리할 필요가 있다.
  • 인터넷상의 라우터는 주로 BGP를 이용하여 네트워크들의 라우트 정보를 라우팅 테이블에 등록한다.
  • 라우팅 테이블에 따라 인터넷의 특정 네트워크로 데이터를 전송한다.
    
    
    
    

3. 데이터 전송의 전체적인 흐름

3-1. 스위치와 라우터의 데이터 전송

• 스위치와 라우터의 데이터 전송의 차이점은 다음과 같다.

  	스위치	라우터
  데이터의 전송 범위	같은 네트워크 내부	네트워크 사이
  전송을 위해 이용하는 테이블	MAC 주소 테이블	라우팅 테이블
  전송할 때 참조하는 주소	MAC 주소	IP 주소
  테이블에 필요한 정보가 없을 때의 동작	데이터를 플러딩한다.	데이터를 파기한다.

3-2. 주소 매핑

• 평소 웹 브라우저 등의 애플리케이션을 사용할 때 IP 주소나 MAC 주소를 지정할 일은 없다.
• 애플리케이션에서는 URL이나 이메일 주소 등 목적지 애플리케이션의 주소를 지정한다. 그리고 자동으로 IP 주소, MAC 주소 매핑을 수행한다.
• IP 주소의 매핑은 DNS에서, MAC 주소의 매핑은 ARP에서 수행한다.
  
  

3-3. 데이터는 다양한 상자에 담을 수 있다.

• 송신자와 목적지 사이에 있는 스위치와 라우터에서는 데이터의 헤더를 참조한다.
• 즉 스위치는 이더넷 헤더, 라우터는 IP 헤더를 참조하여 데이터 전송을 수행한다.