OSI 7계층별 장비

OSI7계층은 두 가지 계층으로 나뉠 수 있다. 소프트웨어 형태로 구현되며, 사용자와 애플리케이션과 가까운 상위계층(L7~L5), 하드웨어 형태로 구현되며, 데이터 전송과 관련된 하위계층(L1~L4)이 있다.

1. L1 장비(물리계층)

대표적인 장비로 리피터, 허브, 케이블이 있다.

1.1 리피터(Repeater)

케이블 내에있는 구리선을 통해서 전기적인 신호를 전송할때 저항을 받아 신호가 약해진다. 이러한 전기적 신호를 다시 증폭시켜주는 장비가 리피터이다.

*현재는 리피터를 따로 사용하기 보다는 허브, 브리지, 스위치 장비안에 리피터 기능이 내장되어 있다.

1.2 허브(멀티 포트 리피터)

사무실과 같은 근거리 장비들이 통신(LAN 통신)할때 사용하는 장치이다. 구체적인 예시로, 집에서 사용되는 공유기가 있다. 또한 여러 대의 장비를 연결한다는 특징으로 멀티 포트 리피터 라고도 불린다.

허브는 주소 체계가 없기 때문에 자신을 제외한 모든 장비에게 데이터를 보내는 Flooding 방식을 사용한다. 이러한 방식은 데이터들의 충돌을 발생할 위험이 높아 사용량이 많아질수록 네트워크 속도가 느려진다는 문제가 있다.

1.3 케이블

전기적인 신호를 전송하는 통로이다. 주요 케이블로는 트위스티드 페어(TP) 케이블, 동축 케이블, 광케이블이 있습니다.

2. L2 장비(데이터링크 계층)

대표적인 장비로는 브리지와 스위치가 있다.

2계층 장비부터는 MAC 주소라는 주소체계가 등장하여 특정 포트로만 데이터를 전송하는것이 가능하다.

여기서 포트는 물리적인 개념의 포트이다. 전송계층에서 사용하는 포트는 논리적인 개념의 포트를 의미한다.

2.1 브리지와 스위치의 차이점

스위치는 브리지보다 발전된 장비로 다양한 기능을 제공한다. 또한 네트워크에서 가장 기본적으로 사용되는 장비로 2계층 이외에도 3계층, 4계층, 7계층에도 사용되는 유연한 장비이다.

1) 프레임 처리 방식

브리지는 소프트웨어방식으로 패킷을 처리하지만, 스위치는 하드웨어방식으로 처리한다. 하드웨어 방식은 주요한 기능들을 ASIC라는 물리적인 칩에 프로그래밍해 미리 구현돼 있어 처리속도가 빠르다. 따라서 스위치는 브리지에 비해서 속도가 빠르다.

2) 각 포트별 속도지원

브리지는 각 포트에게 같은 속도만 지원할 수 있지만, 스위치는 각 포트마다 다른 속도를 지원해 줄 수 있다.

3) 포트 수

스위치는 브리지에 비해 제공하는 포트수가 많다.

4) 통신 방식

브리지는 store-and-forward 방식만 사용하지만, 스위치는 cut-through와 store-and-forward 두 가지 방식을 지원한다.

store-and-forward 방식은 프레임을 전부 받아들인 다음에 전송을 하기 때문에 속도가 느리지만 신뢰성 있는 전송을 한다. cut-through 방식은 프레임의 목적지 주소만을 본 다음에 바로 전송을 하기 때문에 속도가 빠르지만 신뢰성은 떨어진다.

2.2 브리지, 스위치 기능

Flooding -> Learning -> Forwarding -> Filtering -> Aging

1) Flooding

목적지의 MAC 주소를 읽어서 자신의 MAC 주소 테이블에 없는 경우 목적지 (MAC 주소를 찾기위해)들어온 포트를 제외한 나머지 포트로 전부 뿌려준다. 이러한 행위를 Flooding이라고 한다.

2) Learning

출발지의 MAC Address를 읽어서 자신의 MAC Address 테이블에저장한다.

3) Forwarding

목적지의 MAC Address를 테이블에 가지고 있고, 출발지의 MAC Address와 다른 세그먼트에 존재하는 경우에 일어난다. 목적지가 어디인지 아는데 다리를 건너가야만 하는 경우에 forwarding 발생한다.

4) Filtering

브리지가 목적지의 MAC Address를 알고 있고, 출발지와 목적지가 같은 세그먼트에 있는 경우 다른 포트로는 못 건너가게 막는다. 해당기능을 통해 콜리전 도메인이 나누어지는 것

5) Aging

지속적으로 테이블에 MAC Address를 저장하게 되면, 저장공간의 포화 발생. 일정시간 특정 출발지 주소를 가진 프레임이 들어오지 않으면 테이블에서 주소를 삭제.

3. L3 장비(네트워크 계층)

대표적인 장비로는 L3 스위치 있다. 라우터라는 장비는 개념적으로 존재하는 장비이고, 실제로 구현된 장비는 L3 스위치이다.

3.1 L3 스위치(라우터)

3계층에서는 IP 주소를 통해서 다른 네트워크의 장비와 통신을 하며, 이때 지나가는 효율적인 경로를 설정해주는 것을 라우팅이라고 한다. 라우팅을 수행하는 장비를 라우터라고 부르며, 라우터는 개념적으로 존재하는 장비이다. 실제로 구현된 장비는 L2스위치에 라우팅 기능이 추가된 L3 스위치 이다.

3.2 정적라우팅(Static Routing)과 동적라우팅(Dynamic Routing)

라우팅은 정적 라우팅과 동적 라우팅으로 분류할수 있다.

정적라우팅은 사용자가 직접 경로를 설정하는 방식이고, 동적 라우팅은 라우팅 프로토콜을 통해서 경로가 자동으로 설정되는 방식이다.

정적라우팅은 라우터가 경로를 설정하기 위한 연산처리를 하지 않아도 되므로 동적라우팅보다 상대적으로 속도가 빠르다는 장점이 있다. 하지만 설정된 경로의 장비가 고장 나면 수동으로 재설정해줘야 하기 단점이 있어, 대규모 네트워크에서는 비효율적이다.

동적라우팅은 경로를 자동으로 설정해 주기 때문에, 네트워크가 더 안정적으로 유지될 수 있다는 장점이 있다. 하지만 프로토콜에 의해 동작하므로, 해당 프로토콜의 동작원리를 악용할 수 있고, 경로 설정을 위한 처리로 인해 정적라우팅에 비해서는 속도가 느리다는 단점이 있다.

4. L4 장비(전송계층)

대표적인 장비로는 L4 스위치가 있다. 로드밸런서라는 장비는 개념적으로 존재하는 장비이고, 실제로 구현된 장비는 L4 스위치이다.

4.2 L4스위치(로드밸런서, LoadBalancer)

L4스위치는 L3스위치에 로드밸런싱 기능이 추가된 장비이다.

보통 네트워크의 안정성을 위해서 엔지니어들은 여러대의 웹서버를 구축한다. 여기서 로드밸런싱은 여러대의 웹서버로 구축되어있는 웹사이트의 접속요청을 고륵 분배하여 각 서버의 부하를 줄이는 기술을 뜻한다.

이를 통해 특정 서버에 과부화를 줄여 가용성을 향상시킬수 있다.로드 밸런서라고 불리는 L4 스위치는 포트 번호를 주소체계로 사용하며, TCP 및 UDP 프로토콜을 이해하고 처리할 수 있다.

참고자료