[혼공네] 2장 물리 계층과 데이터 링크 계층 - (2)

3. 허브 (물리 계층)

물리 계층에는 주소 개념이 없기 때문에 단순히 통신 매체상의 정보를 송수신하는 역할만 수행한다.

허브

• 여러 대의 호스트를 연결하는 장치로, 리피터 허브 또는 이더넷 허브라고 부른다.
• 커넥터를 연결할 수 있는 연결 지점을 포트라고 하고, 포트를 통해 호스트와 연결된 통신 매체를 연결할 수 있다.

허브의 특징

특징 1. 전달받은 신호를 다른 모든 포트로 그대로 다시 내보낸다.

• 물리 계층에는 주소 개념이 없기 때문에 수신지를 특정할 수 없다. 따라서 신호를 전달 받으면 어떠한 조작이나 판단을 하지 않고 모든 포트에 그저 내보내기만 한다.
• 신호를 전달받은 모든 호스트는 데이터 링크 계층에서 자신의 MAC 주소가 아닌 경우에는 폐기한다.

특징 2. 반이중(Half-Duplex) 모드로 통신한다.

• 허브는 송수신을 동시에 양방향으로 할 수 없는 구조로, 한 번에 송신 또는 수신 중 하나만 가능하다.

콜리전 도메인

• 허브는 반이중(Half-Duplex) 통신을 지원하므로 한 호스트가 허브에 송신하는 동안 다른 호스트는 송신하고 싶은 것이 있어도 기다려야한다.
• 만약 동시에 허브에 신호를 송신하게 되면 충돌(콜리전)이 발생하게 되고, 허브에 많은 호스트가 붙을수록 충돌 발생 가능성이 높아진다.
• 콜리전 도메인이란 충돌이 발생할 수 있는 영역을 의미하고, 허브에 연결된 모든 호스트는 같은 콜리전 도메인에 속한다.

CSMA/CD

• 반이중 이더넷 네트워크에서 충돌(콜리전)을 방지하기 위한 대표적인 프로토콜이다.

1. 메시지를 보내기 전에 현재 네트워크상에서 전송 중인 것이 있는지 확인.

2. 다른 호스트가 전송 중이지 않을 때 메시지를 전송.

3. 복수의 호스트가 네트워크에 접근하여 충돌이 발생하면 전송이 중단되고, 임의 시간 대기 후 재전송 진행.

4. 스위치 (데이터링크 계층)

스위치

• 데이터 링크 계층의 네트워크 장비로 여러 호스트를 포트를 통해 연결할 수 있다.
• 스위치는 MAC 주소를 학습하여 특정 MAC 주소를 가진 호스트가 연결된 포트로만 프레임을 전달하고, 전이중(Full-Duplex) 통신을 지원하므로 동시에 송수신이 가능하다.  
• 이러한 특징으로 인해 스위치를 이용하면 CSMA/CD 프로토콜을 이용하지 않고도 충돌 문제를 해결할 수 있다.

MAC 주소 학습

• 스위치는 각 포트에 연결된 호스트의 MAC 주소를 학습하여, 포트와 MAC 주소 간의 관계를 MAC 주소 테이블(MAC Address Table)에 저장한다. MAC 주소 테이블을 기반으로, 스위치는 해당 MAC 주소를 가진 호스트가 연결된 포트로만 프레임을 전달할 수 있다.
• MAC 주소 테이블이 어떻게 작성되는지, 유지되는지를 이해하기 위해서는 플러딩, 포워딩과 필터링, 에이징이라는 스위치의 기본 동작을 알아야한다.

플러딩 (Flooding)

• 스위치의 MAC 주소 테이블에 목 적지 MAC 주소가 존재하지 않는 경우, 허브처럼 송신지 포트를 제외한 모든 포트로 프레임을 전송하는데 이를 플러딩이라고 함.

포워딩과 필터링 

• 전달받은 프레임을 어떤 포트로 내보내고 어떤 포트로는 내보내지 않을지 결정하는 기능을 필터링이라고 함.
• 프레임이 전송될 포트에만 프레임을 내보내는 것을 포워딩 이라고 한다.

에이징

• MAC 주소 테이블에 등록된 특정 포트에서 일정 시간 동안 프레임을 전송받지 못했다면 해당 항목이 삭제되는데, 이를 에이징이라고 한다.

VLAN (Virtual LAN)

• 스위치에 연결된 호스트들 중 서로 메시지를 주고 받을 일이 없거나, 브로드캐스트 메시지를 받을 필요가 없어서 굳이 같은 네트워크에 속할 필요가 없는 호스트들이 있을 수 있다. 이때마다 호스트들을 구분하기 위해 새로운 스위치 장비를 구매하는 것은 비효율적이다.
• VLAN 이용하면 하나의 물리적 스위치를 여러 개의 스위치가 있는 것처럼 독립된 여러 개의 LAN 환경을 구성할 수 있다. 

https://www.zframez.com/articles/switching/vlan-configuration-examples

• 위의 그림처럼 VLAN을 구성하면 VLAN 10(개발 부서)에 속한 PC1, PC2는 동일한 LAN에 있는 것으로 인식하지만, VLAN 20(총무 부서)에 속한 PC3, PC4는 물리적인 거리와 관계 없이 다른 LAN에 있는 것으로 인식한다.
• VLAN10에 속한 호스트가 VLAN2에 속한 호스트와 통신하려면 데이터링크 계층(Layer 2)에서는 불가능하고, 네트워크 계층(Layer 3) 이상의 상위 계층 장비가 필요하다.

포트 기반 VLAN

• 스위치의 특정 포트에 VLAN을 할당하고, 해당 포트에 호스트를 연결함으로써 VLAN을 구성하는 방법이다. 
• 한 대의 스위치만으로 VLAN 이용 시 포트가 부족해질 수 있는데, 이런 경우 VLAN 트렁킹(VLAN Trunking)을 이용해 두 대 이상의 VLAN 스위치를 효율적으로 연결하여 확장 가능하다.
• VLAN 트렁킹이란 스위치 간의 통신을 위한 특별한 포트인 트렁크 포트(Trunk Port)에 VLAN 스위치를 서로 연결하는 방식이다.

MAC 기반 VLAN

• MAC 기반 VLAN(MAC Based VLAN)은 포트가 VLAN을 결정하는 방식이 아니라 송수신하는 프레임 속 MAC 주소를 통해서 VLAN을 인식하는 방식으로 스위치가 각 MAC 주소에 대해 VLAN ID를 매핑해 관리한다