[Network] Switch

L2 계층에서 물리적으로 연결되어 있는 장비까지 MAC Address를 이용해 Frame을 전송하는 기능을 담당한다.

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Router vs Switch 차이점

• 목적지로 데이터를 보내는데 사용하는 주소가 다르다.  Router는 IP Address, Switch는 MAC Address를 사용한다.
• Router는 Table에 기록된 IP 주소 정보가 없다면 폐기하고, Switch는 ARP를 이용해 확인 후 목적지로 전달한다.
• Router는 Routing Algorithm을 사용하고, Switch는 Spanning Tree Algorithm을 사용한다.

 

Frame Header 구조

Syntax	Semantic	Size
Destination MAC Address	목적지 MAC 주소	6 Bytes
Source MAC Address	출발지 MAC 주소	6 Bytes
Ethernet Type	상위 계층 프로토콜 정보	2 Bytes
Data	최대 1,500 Bytes 크기를 담고, 46 Bytes도 안되면 모두 패딩 값으로 채운다.	1,500 Bytes
FCS (Frame Check Sequence)	Frame 계층 오류 체크를 위해 사용하는 값	5 Bytes

 

Switch 동작 절차

1. 목적지가 동일한 LAN에 존재하는 경우

• 출발지의 단말 장치에서 목적지의 MAC Address가 없을 경우 ARP (출발지 IP, MAC 정보와 목적지 IP 입력) 생성
• ARP Message를 전달 받은 Switch에서는 ARP Chache Table에 IP와 맵핑된 MAC 주소 정보를 반환
• ARP Chache Table에 정보가 없다면 Broadcast 패킷 생성 후 자신에게 할당되어 있는 모든 포트로 Flooding
  • 패킷을 전달 받은 단말 장치들은 패킷의 IP 정보 확인 후 자신의 IP가 아닌 경우 패킷 폐기
  • 패킷의 IP 정보가 자신의 IP와 동일한 경우 Unicast로 자신의 MAC 주소를 응답
• 목적지 MAC Address를 반환 받은 후 Frame Header에 목적지, 도착지의 IP와 MAC Address를 채워서 전송

2. 목적지가 동일한 LAN에 없는 경우

• ARP Chache Table에 맵핑된 정보가 있다면 바로 Frame Header에 채워서 전송
• ARP Chache Table에 정보가 없다면 Default로 설정된 Gateway의 MAC 주소로 ARP 패킷 전달
• Router를 거쳐 단말 장치의 LAN까지 가서 MAC 주소를 확인 후 반환

 

Switch가 ARP를 사용하는 이유

• Switch 장치는 L3 계층의 패킷 확인이 안되기 때문에 IP를 기반으로 목적지에 전달할 수 없다.
• Switch 장치 부터는 물리적으로 연결된 장치들에 대한 전송을 담당하기 때문에 MAC Address 정보를 찾아와야 한다.

 

Switch 전송방식 세 가지

1. Store and Forward

• Frame 모두 수신 한 다음 전송
• Frame을 CRC Check 이 후 전송
• 지연 시간이 가장 길다.

2. Cut-Through

• Frame Header 도착하면 목적지 MAC 주소만 보고 바로 전송
• CRC Check를 하지 못하기 때문에 오류 값이 전달되는 경우 발생
• 지연시간이 가장 적다.

3. Fragment-free

• Frame의 64 Bytes 까지 수신 후 CRC Check 한 다음 전송
• 첫 64 Bytes가 가장 많이 문제가 발생하는 구간으로 해당 구간만 CRC Check 후 전송하는 방식

 

Switch 이중화로 발생하는 문제점

1. Broadcast Storm

• 이중화 되어 있는 Switch 구성에서 GARP 패킷을 보내면 브로드캐스트 되어 동일한 패킷 송·수신을 무한 반복
• 목적지 MAC Address가 ff:ff:ff:ff:ff:ff 로 설정되어 보내진 패킷이 Switch 간에 GARP 패킷을 반복 생성하게 만듦.

GARP (Gratuitous Address Resolution Protocol)

• 네트워크 장치가 자신의 IP와 MAC 주소 정보를 네트워크의 다른 장치들에게 자발적으로 알리는 프로토콜
• 네트워크의 모든 장치에 브로드캐스트되어 ARP 테이블을 업데이트하게 한다.

2. Multiple Frame Copy

• 하나의 프레임이 여러 번 복제되어 전달되는 현상
• 목적지 MAC Address 정보가 없을 때나 STP(Spanning Tree Protocol)이 재구성 되는 과정에 발생
• ARP 과정에 Flooding 기능을 사용할 때 내부 네트워크의 타 스위치에서도 같은 프레임을 Flooding 하며 루프 발생

3. MAC Address Table Unsafe

• 스위치가 이중화 되어 있을 때 동일 프레임이 2개 이상의 경로로 들어오는 경우 Table 정보가 반복해서 변경되는 현상
• 1번 포트로 들어온 다음 스위치 테이블의 내용이 업데이트 된 다음 2번 포트로 들어오면 테이블 내용을 갱신하며 발생

 

Switch 이중화 문제를 해결하는 방법

• STP(Spanning Tree Protocol) 이용 여러 개의 회선 중 1개의 회선만 남기고 모두 단선 시킨다.
• Portchannel로 다중 회선을 논리적인 1개의 회선으로 구성해서 회선 자체의 가용성을 향상 시키고, 대역폭을 향상시킨다.