[Network] 스위치의 동작 방식 및 포워드 모드

스위치의 동작 방식

1. Learning
   • 포트에 연결된 PC가 프레임을 보내면 해당 PC[출발지]의 MAC address를 스위치 자신의 MAC address table에 포트 번호와 함께 기록합니다.
   • Cisco 스위치에서 MAC address table을 확인하는 방법(예제)

     SW1# show mac address-table 
               Mac Address Table
     -------------------------------------------
     Vlan    Mac Address       Type        Ports
     ----    -----------       --------    -----
      All    0100.0ccc.____    STATIC      CPU
      All    0100.____.cccd    STATIC      CPU
      All    0180.c200.____    STATIC      CPU
      All    ffff.____.ffff    STATIC      CPU
      220    0000.0c07.____    STATIC      Vl220 
      220    0000.____.8582    DYNAMIC     Gi1/0/4
      220    0001.5943.____    DYNAMIC     Gi1/0/3
      220    0001.____.1177    DYNAMIC     Gi1/0/12
      220    0001.5943.____    DYNAMIC     Gi1/0/12
     

2. Flooding
   • 처음 부팅하면 MAC address table에 네트워크 관련 정보가 아무것도 없어 허브처럼 동작합니다.
   • ARP request 메세지를 브로드캐스트 방식(FF:FF:FF:FF:FF:FF)으로 전송하여 네트워크에 연결된 장치[목적지]의 MAC address를 알아냅니다.
   • 모든 포트로 패킷을 전달하는 방식으로 목적지 MAC address가 MAC address table에 없을 때 플러딩이 발생합니다.
3. Forwarding
   • 목적지 주소를 MAC Address table에서 확인하고 데이터 프레임을 올바른 출력 포트로 전달합니다.
   • 대역폭을 효과적으로 활용하고 전송 지연을 최소화하는 것이 주된 목적입니다.
4. Filtering
   • 수신한 데이터 프레임 중에서 불필요한 프레임을 필터링하여 전송을 차단하여 불필요한 데이터의 전파를 방지하여 네트워크 성능을 최적화합니다.
5. Aging
   • MAC address table에 저장된 후 Aging이 가동되어 일정 시간 동안(default 300초) 테이블에 저장된 주소의 프레임이 더 이상 오지 않으면 테이블에서 삭제합니다.

포워드(스위칭) 모드

“Store and Forward”, “Cut-through”, “Fragment Free”는 네트워크에서 스위칭 기술을 구현하는 방식을 나타냅니다. 각각의 방식은 데이터를 전달하는 방법과 그 특징에 따라 다릅니다. 각 방식의 특징, 장단점 및 사용 사례를 살펴보겠습니다.

1. Store and Forward
   • 특징:
     – 데이터 프레임이 도착할 때까지 전체 프레임을 버퍼에 저장한 후 전달합니다. 데이터의 유효성을 검사(CRC 계산)하고 오류가 있는 경우 재전송합니다.
   • 장점:
     – 데이터의 유효성을 검사하여 오류를 방지할 수 있습니다.
     – 완전한 프레임이 수신되어야만 전송됩니다.
     – 출발지 MAC을 학습하고 MAC Table과 비교가 가능합니다.
   • 단점:
     – 전달 지연이 발생할 수 있습니다.
     – 스위치의 처리량이 감소할 수 있습니다.
   • 사용 사례:
     – 데이터의 무결성, 완전성과 신뢰성이 중요한 보안 강화된 네트워크에서 사용됩니다.
     – 데이터 중요도가 높고 완전성이 보장되어야 하는 응용 프로그램에서 사용됩니다.
     – 웹 서버와 같은 데이터 센터에서 사용되며, 데이터의 정확성이 우선시되는 경우에 적합합니다.
2. Cut-through
   • 특징:
     – 데이터 프레임을 수신하는 동안 전체 프레임을 기다리지 않고 바로 전달합니다.
     – 버퍼에 14 byte(Preamble 8 byte + 목적지MAC 6 byte)만 복사하고 목적지를 확인한 후 전송을 시작합니다.
   • 장점:
     – 전달 지연이 줄어들어 빠른 전송이 가능합니다.
     – 스위치의 처리량이 향상됩니다.
   • 단점:
     – 데이터 프레임의 유효성을 확인할 기회가 제한되어 오류가 전파될 수 있습니다.
     – 전송 중간에 오류가 발생하면 해당 프레임이 손실될 수 있습니다.
     – 지연이 발생하지 않지만 에러가 있거나 쓸모없는 트래픽을 포워딩할 수 있습니다.
     – 출발지 MAC 학습이 안되고, MAC 테이블을 생성하지 않습니다.
   • 사용 사례:
     – 대역폭이 중요한 환경에서 사용됩니다. 대량의 데이터를 빠르게 전송해야 하는 데이터 센터나 클라우드 환경에서 사용될 수 있습니다.
     – 영상 스트리밍, 음성 통화 등의 실시간 응용 프로그램에서 전송 지연을 최소화해야 할 때 사용됩니다.
     – 대규모 데이터 센터나 연구소에서의 고성능 컴퓨팅 환경에서 사용됩니다.
3. Fragment Free
   • 특징:
     – 프레임의 첫 번째 64 byte를 Cache에 저장 후 체크하고 전달을 시작합니다.
     – 64 byte 정도만 검사해도 90% 이상의 데이터를 보장한다는 것을 확률적 계산에 의해 결정되었습니다.
   • 장점:
     – 충돌이나 오류가 발생할 가능성이 낮아집니다.
     – 일반적으로 Store and Forward 방식보다 더 빠른 전송이 가능합니다.
   • 단점:
     – 데이터 프레임이 망가져도 버퍼링하지 않고 전달될 수 있습니다.
   • 사용 사례:
     – 대부분의 기업 네트워크에서 사용됩니다. 일반적인 엔터프라이즈 응용 프로그램과 서비스에 대한 전송에 적합합니다.
     – 비교적 소규모인 사무실 네트워크나 작은 데이터 센터에서 사용될 수 있습니다.
     – 전자 메일 서버와 같은 일반적인 서비스에 대한 통신에 사용됩니다.

이러한 방식 중에서 선택하는 것은 네트워크의 요구 사항과 성능에 따라 달라집니다. 일반적으로는 네트워크의 성능을 극대화하고 오류를 최소화하기 위해 이러한 방식을 혼합하여 사용하는 경우가 많습니다.