네트워크

How-To : 네트워크 스위치의 역할과 동작 방식

Keith Shaw | Network World 2022.10.14
현대적인 네트워크는 모든 기업에서 매우 중요한 역할을 한다. 네트워크는 비즈니스 애플리케이션과 멀티미디어 메시지, 그리고 핵심 데이터를 전 세계의 최종 사용자에게 전달한다. 네트워크의 기반이 되는 요소 중 하나인 네트워크 스위치는 디바이스 간의 연결을 통해 LAN(Local Area Network) 내에서 자원을 공유할 수 있도록 지원한다.
 
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네트워크 스위치란?

네트워크 스위치는 OSI 모델에서 2계층 데이터 링크 계층에서 동작하는 물리 장비이다. 네트워크 스위치는 물리 포트에 연결된 디바이스가 보낸 패킷을 받아서 패킷이 도달하려는 다른 디바이스로 전달(Forward)한다. 라우팅이 일어나는 3계층 네트워크 계층에서도 운영할 수 있다.

스위치는 이더넷(Ethernet)이나 파이버 채널(fibre Channel), ATM, 인피니밴드 등을 기반으로 하는 네트워크의 공통된 요소이지만, 오늘날 스위치 대부분은 이더넷을 사용한다. 이 때문에 네트워크 스위치 또는 스위치는 이더넷 스위치를 의미하는 경우가 많다.
 

네트워크 스위치의 동작 방식

어떤 디바이스가 스위치에 연결되면, 스위치는 이 디바이스의 MAC(Media Access Control) 주소를 기록한다. MAC 주소는 디바이스의 네트워크 카드(Network Interface Card, NIC)에 할당된 고유 식별 코드이다. NIC는 이더넷 케이블에 연결되고, 케이블은 스위치에 연결된다. 스위치는 MAC 주소를 사용해 어떤 디바이스가 외부 송출 패킷을 전송했는지, 전송된 패킷을 어디로 전달해야 하는지 파악한다.

MAC 주소는 물리 디바이스를 식별하며 변하지 않는다. 동적으로 디바이스에 할당되고 여러 차례 바뀌는 IP 주소와는 차이점 중 하나이다. MAC 주소가 차대번호라면, IP 주소는 자동차 번호판과 같다.

패킷이 스위치에 전달되면, 스위치는 패킷의 헤더를 읽어 목적지 주소(또는 주소들)을 맞춰 본 다음, 목적지 디바이스로 가는 적절한 포트를 통해 패킷을 보낸다.

스위치로 들고나는 네트워크 트래픽 간의 충돌을 줄이기 위해 대부분 스위치는 풀듀플렉스(Full Duplex, 전이중) 기능을 제공해 디바이스로 송수신되는 패킷이 스위치 연결의 전체 대역폭을 이용해 송수신을 동시에 진행할 수 있다. 무전기로 이야기하는 두 사람과 스마트폰으로 통화하는 두 사람을 비교하면 된다. 

스위치는 2계층 장비이지만, 3계층에서도 운영할 수도 있다. 스위치의 3계층 운영은 가상 LAN에 필수적인데, 논리적인 네트워크 분할을 서브넷까지 적용할 수 있다. 한 서브넷에서 다른 서브넷으로 트래픽을 전달하기 위해서는 스위치와 스위치 사이를 거쳐야만 하는데, 이때 스위치에 탑재된 라우팅 기능을 이용한다. 
 

스위치와 허브의 차이

네트워크 장비 중 허브(Hub) 역시 여러 디바이스를 함께 연결해 자원을 공유할 수 있으며, 허브 한 대에 연결된 디바이스의 집합을 LAN 세그먼트라고 부른다. 

허브와 스위치의 차이점은 연결된 디바이스 한 대에서 전송한 패킷이 허브에 연결된 모든 디바이스로 전달된다는 것이다. 이를 브로드캐스트(Broadcast) 방식이라고 한다. 반면 스위치는 목적지 디바이스로 이어지는 포트로만 패킷을 보낸다.

보통 스위치는 LAN 세그먼트에 연결되고, 그래서 허브 역시 스위치에 연결한다. 스위치는 같은 LAN 세그먼트 상에서 목적지 디바이스로 가는 트래픽을 걸러낼 수 있다. 이 기능 때문에 스위치는 네트워크 대역폭은 물론, 자체의 처리 성능도 더 효율적으로 활용할 수 있다.
 

스위치와 라우터의 차이

스위치는 종종 라우터(Router)와 혼동되곤 하는데, 라우터 역시 네트워크 트래픽을 전달하고 경로를 정한다. 라우터란 이름 그대로이다. 하지만 사용 목적과 설치되는 위치가 다르다.

라우터는 3계층 네트워크 계층에서 동작하며, 네트워크를 다른 네트워크와 연결하는 데 사용한다.

스위치와 라우터의 차이는 LAN과 WAN(Wide Area Network)를 생각하면 쉽다. 디바이스는 스위치를 통해 현장에서 연결되고, 네트워크는 라우터를 통해 다른 네트워크와 연결된다. 패킷이 인터넷에 도달하는 경로를 그려보면, 디바이스 → 허브 → 스위치 → 라우터 → 인터넷의 순이다.

물론, 라우터 하드웨어에 스위칭 기능을 탑재하는 경우도 있고, 라우터가 스위치처럼 동작하는 경우도 있다. 가정의 무선 공유기를 생각해 보자. 무성 공유기는 WAN 포트를 통해 브로드밴드 접속을 제공하지만, 보통은 추가 이더넷 포트가 있어 이더넷 케이블로 PC와 TV, 프린터, 게임기 등을 연결할 수 있다. 노트북이나 스마트폰 등 네트워크 상의 다른 디바이스는 와이파이 라우터를 통해 연결하지만, 여전히 LAN을 통해 스위칭 기능을 제공한다. 따라서 라우터는 실질적으로 스위치이기도 하다. 또한 별도의 스위치를 라우터와 연결해 추가 디바이스를 위한 인터넷 및 LAN 액세스를 제공할 수도 있다.
 

스위치의 종류

스위치는 필요한 네트워크 속도나 대역폭은 물론, 특정 영역에서 얼마나 많은 디바이스를 연결해야 하는지에 따라 크기가 다르다. 소규모 사무실이나 홈 오피스라면 4~8포트 스위치면 충분하지만, 규모가 큰 환경에서는 최대 128포트 스위치를 사용한다. 소형 스위치는 책상 위에 올려놓을 수 있는 폼팩터이지만, 대형 스위치는 데이터센터의 랙에 탑재한다. 랙 탑재형 스위치의 크기는 보통 1U~4U이다.

스위치는 또한 지원하는 네트워크 속도에 따라서도 다른데, 고속 이더넷(10/100Mbps), 기가비트 이더넷(10/100/1000Mbps), 10기가비트 이더넷(10/100/1000/10000Mbps) 등이며, 40/100Gbps 속도를 지원하는 스위치도 있다.

이외에 스위치가 지원하는 기능에 따라서 다음과 같이 나눌 수 있다.

언매니지드 스위치(Unmanaged Switch). 가장 기본적인 스위치로, 고정된 환경 구성을 제공한다. 보통 플러그 앤 플레이 방식이어서 사용자가 고를 수 있는 옵션은 거의 없다. QoS 같은 기능을 기본값으로 제공할 수도 있지만, 변경할 수는 없다. 비교적 저렴하다는 장점이 있지만, 기능이 부족해 대부분 기업 환경에는 맞지 않다.

매니지드 스위치(Managed Switch). IT 전문가를 위한 여러 가지 기능을 제공하는 스위치로, 일반적인 기업 환경에서 쉽게 볼 수 있는 종류이다. 매니지드 스위치는 설정을 위한 CLI(command Line Interface)를 제공한다. SNMP(Simple Network Management Protocol) 에이전트를 지원해 네트워크 문제 해결에 사용할 수 있는 정보를 제공한다. 가상 LAN이나 QoS 설정, IP 라우팅도 지원한다. 보안 역시 처리하는 모든 종류의 트래픽을 보호할 할 수 있다. 이런 향상된 기능 때문에 매니지드 스위치는 언매니지드 스위치보다 훨씬 비싸다.

인텔리전트 스위치(Intelligent Switch). 언매니지드 스위치보다는 많은 기능을 제공하지만, 매니지드 스위치보다는 적은 기능을 제공한다. 언매니지드 스위치보다는 훨씬 정교하지만, 온전한 매니지드 스위치보다는 저렴하다. 일반적으로 텔넷 액세스를 지원하지 않으며, 웹 기반의 GUI를 제공한다. 가상 LAN과 같은 기능은 제공하지 않는다. 저렴한 가격 때문에 많은 기능이 필요하지 않은 소기업 환경에 적합하다.
 

네트워크 스위치의 관리 기능

네트워크 스위치가 제공하는 기능의 전체 목록은 스위치 제조업체와 추가 소프트웨어에 따라 달라진다. 하지만 일반적으로 제공하는 기능은 다음과 같다.
 
  • 스위치 상의 특정 포트 활성화/비활성화
  • 대역폭과 듀플렉스 구성 설정
  • 특정 포트의 QoS 수준 설정
  • MAC 필터링 및 기타 접근 제어 기능
  • 링크 상태 확인을 포함해 디바이스의 SNMP 모니터링 설정
  • 네트워크 트래픽 모니터링을 위한 포트 미러링 구성
 

네트워크 스위치의 가치

네트워크 스위치는 현대화된 기업에서도 여전히 중요한 위치를 차지하고 있으며, 무선 연결성, IoT 디바이스나 스마트 빌딩 지원 등으로 역량을 확대하고 있다. 산업 현장에서 센서와 기계류를 연결하는 산업용 IoT 디바이스의 증가 역시 스위치 기술을 필요로 한다.

현대적인 스위치는 PoE(Power over Ethener)을 통해 최대 100와트의 전력을 네트워크에 연결된 디바이스에 전달한다. 이 기능은 별도의 전원 아웃렛이 없는 지역에 디바이스를 배치할 수 있는데, 감시 카메라나 외부 조명, 무선 AP, VoIP 폰, 원격 지역을 모니터링할 수 있는 소형 센서 등을 연결하는 데 유용하다. IoT 디바이스에서 수집해 전송하는 데이터는 스위치에서 취합되는데, 여기에 AI/ML 알고리즘을 적용해 환경을 최적화하는 데 이용할 수 있다.
 

네트워크 스위치의 또 다른 용도

대규모 네트워크 환경에서 스위치는 종종 분석을 위한 트래픽 오프로드용으로 사용한다. 보안 전문가에게는 매우 중요한 요소인데, 스위치를 WAN 라우터 바로 앞에 설치해 트래픽이 LAN으로 유입되기 전에 위험성을 확인할 수 있다. 침입 탐지나 성능 분석, 방화벽용으로도 사용한다. 많은 경우, 포트 미러링으로 스위치에 유입되는 데이터의 미러 이미지를 생성한다.

스위치는 대규모 데이터센터나 클라우드 환경에서도 계속 사용되는데, 디지털 트윈 기술이나 네트워크 통합, SD-WAN 환경 등 새로운 혁신 기술이 계속 등장하기 때문이다.

하지만 네트워크 스위치의 가장 기본적인 역할은 A 디바이스에서 B 디바이스로 패킷을 빠르고 효율적으로 전달하는 것이다. 두 디바이스는 복도를 두고 마주보고 있을 수도 있고, 지구 반대편에 있을 수도 있다. 이 과정에는 다양한 네트워크 장비가 기여하지만, 스위치는 네트워크 아키텍처에서 가장 핵심적인 요소이다.
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