[네트워크 기초] 4. 네트워크 장비- 스위치(1) ( MAC 주소 테이블, ARP 테이블, ARP, MAC 학습)

 

1️⃣ 스위치 

허브의 네트워크 분배 과정에서 발생하는 데이터의 충돌 영역을 줄이고, 네트워크의 전송 대역폭을 보장하기 위해 개발된 네트워크 장비가 바로 스위치switch 이다. 

 

스위치와 허브의 기능을 비교해보면 허브는 네트워크를 분배하여 데이터를 전송하는 기능만 하는 데 비해, 

스위치는 허브가 가진 데이터 전송 기능도 수행하면서 그 외 추가 네트워크 기능도 지원하고 있다. 

그래서 스위치 장비를 스위치 허브 Switch Hub 라고 부르기도 한다. 

 

요즘은 네트워크 규모가 커짐에 따라 단순히 데이터를 전송하기만 하는 허브보다는 여러 가지 추가 네트워크를 지원하는 스위치 장비에 대한 수요가 더 높다. 스위치 장비만으로도 허브 기능을 충분히 수행할 수 있기 때문이다!!

 

 

2️⃣ 스위치의 통신 방법 - MAC 주소 테이블

네트워크에서 데이터는 스위치 장비에 있는 MAC 주소 테이블(MAC Address Table) 이라는 표를 참조하여 목적지까지의 경로를 결정한다. 

 

네트워크의 출발지와 목적지에 해당되는 단말장치들은 IP주소와 MAC 주소를 가지며, 그중에서 MAC 주소는 단말장치가 가지는 고유 주소 값이다. 

이런 MAC 주소를 기준으로 단말장치가 스위치의 어느 포트를 통해 나가야할지 정의한 표가 바로 MAC 주소 테이블이다. 

 

스위치는 데이터에 포함된 목적지 MAC 주소 정보를 자신이 가지고 있는 MAC 주소 테이블과 비교하여 목적지 MAC 주소와 일치하는 단말장치로 스위치의 포트를 통해 데이터를 전달한다. 

 

-> 스위치는 MAC 주소 테이블을 통하여 한 번에 경로를 결정함으로써 허브가 가지던 충돌 문제를 현저히 줄일 수 있다. 

 

 

3️⃣ 스위치의 MAC 주소 테이블 업데이트 방법 - MAC 학습

네트워크 관리자가 MAC 주소 테이블을 하나하나 수정하고 관리하는 것이 굉장히 어렵고 비효율적이고, 사람이 직접 스위치를 관리하다보면 실수가 발생할 확률이 크고, 실수가 빈번히 발생하면 네트워크의 신뢰도는 크게 떨어질 것이다. 

 

스위치는 자신을 통해 오가는 데이터에 포함된 MAC 주소 정보로 MAC 주소 테이블을 갱신하여 이를 활용한다. 

이 과정에서 MAC 주소를 알아내기 위해 활용하는 것이 ARP이다. 

ARP(Address Resolution Protocol) 의 약자로 주소 결정 프로토콜이다. 이는 네트워크에서 IP주소에 대응되는 MAC 주소를 결정하는 규약이다. 

데이터를 보내고자 하는 목적지의 IP 주소를 가지고 MAC 주소를 알아내는 과정이라고 생각하면 된다.

 

예를 들어 4대의 A, B, C, D 컴퓨터가 하나의 스위치에 연결되어 있고, 네트워크 주소가 10.0.0.0/24인 서로 같은 네트워크에 속해있다. 

컴퓨터 A가 컴퓨터 C에게 데이터를 보낼 때 컴퓨터 A는 데이터를 바로 보내고 싶지만 당장은 목적지 C의 MAC 주소를 모르기 때문에 당장 보낼 수는 없다. 

 

데이터를 보내기 위해서는 목적지 MAC 주소는 반드시 알아야 하기 때문에 컴퓨터 A는 컴퓨터 C의 IP 주소 10.0.0.4를 가지고 컴퓨터 C의 MAC 주소를 알아내기 위해 '컴퓨터 C가 누구고 어디에 있는지는 모르겠지만 네가 컴퓨터 C 라면 나에게 MAC 주소를 알려줘' 라는 메시지를 스위치를 통해 모든 컴퓨터에 전달한다.  -> 이때의 메시지를 ARP 요청 메시지 (ARP Request) 라고 정의한다. 

 

근데 ARP 요쳥 메시지를 보낼 때도 당연히 메시지를 보내는 출발지와 수신하는 목적지 MAC 주소가 필요하다.

여기서는 데이터를 보내는 컴퓨터 A의 MAC 주소 'a' 가 출발지 MAC 주소로 지정되지만, 데이터를 수신할 목적지는 네트워크에 연결된 모든 장치이므로 브로드캐스트 주소(FF:FF:FF:FF:FF:FF) 가 목적지 MAC 주소로 지정된다.

 

스위치는 ARP 요청 메시지를 자신의 2번 포트를 통해 전달받기 때문에 컴퓨터 A가 2번 포트와 연결된 것을 파악하고, ARP 요청 메시지에 포함된 컴퓨터 A의 MAC 주소 'a'와 포트 번호 '2'를 자신의 MAC 주소 테이블에 저장한다. 

그리고 목적지 MAC 주소가 브로드 캐스트 주소임을 파악하고 메시지를 수신한 포트 2번을 제외한 모든 포트를 통해 해당 메시지를 전달한다. 

-> 이렇게 데이터를  수신한 인터페이스를 제외한 나머지 모든 인터페이스로 데이터를 단순 복사하여 전송하는 과정을 플러딩 Flooding이라고 한다. 

또한 컴퓨터 ARP 요청 메시지가 동일한 네트워크에 연결된 모든 컴퓨터로 전달되는 통신 방식을 '브로드 캐스트'라고 한다. 

 

ARP 요청 메시지는 플러딩을 통해 B,C,D 컴퓨터에 모두 전달되고 메시지를 전달받은 B, C, D 컴퓨터는 ARP 요청 메시지에 포함된 목적지 IP와 자신의 IP 주소를 서로 비교하고, 서로 다르면 해당 메시지가 가리키는 목적지가 자신이 아님을 알고 해당 메시지를 폐기한다. 

컴퓨터 C는 ARP 요청 메시지에 포함된 목적지 IP 주소가 자신의 IP 주소와 일치하므로 컴퓨터 A가 찾고 있는 목적지가 자신임을 파악하고 

"네가 찾고 있는 컴퓨터 C가 바로 나야" 라는 메시지를 생성해 스위치에 전달한다. 

-> 이 메시지를 보내기 위해서도 MAC 주소가 필요하다. 

 

여기서 출발지 MAC 주소는 데이터를 보내는 컴퓨터 C의 MAC 주소로 지정되고, 목적지 MAC 주소는 ARP 요청 메시지에 포함된 컴퓨터 A의 MAC 주소로 지정되어 스위치에 전달된다.

-> 이때의 메시지를  ARP 요청 메시지에 대한 회신 메시지라는 의미로 ARP 응답 메시지 (ARP reply) 라고 부른다. 

그리고 특정 목적지가 정확히 지정되어 해당 목적지와 데이터를 일대일로 주고받는 통신 방식을 유니캐스트라고 한다. 

 

스위치는 해당 ARP 응답 메시지를 자신읜 4번 포트를 통해 전달받기 때문에 컴퓨터 C가 4번 포트와 연결된 것을 알고 ARP 응답 메시지의 출발지 MAC 주소로 지정된 컴퓨터 C의 MAC 주소와 포트 번호를 자신의 MAC 주소 테이블에 저장한다. 

-> 스위치가 자신을 지나는 데이터의 MAC 주소 정보를 가지고 MAC 주소 테이블을 갱신하는 과정을 MAC 학습 이라고 한다. 

스위치는 MAC 학습을 통해 파악한 MAC 주소 테이블을 가지고 ARP 응답 메시지를 목적지 MAC 주소에 해당하는 2번 포트를 통해 컴퓨터 A에 전달한다. 

최종적으로 ARP 응답 메시지가 컴퓨터 A에 전달되면, 컴퓨터 A는 해당 ARP 응답 메시지에 포함된 출발지 MAC 주소 정보를 파악하게 된다. 

 

컴퓨터 A는 컴퓨터 C의 IP 주소와 MAC 주소를 ARP 주소 테이블에 저장한다. 

ARP로 주고받은 메시지를 통해 파악된 단말장치의 MAC 주소 정보가 저장되기 때문에 간단히 ARP 테이블이라고 부른다. 

기본적으로 네트워크에 연결된 모든 단말장치는 이 ARP 테이블을 가지고 있고, 여기에 저장된 MAC 주소 정보를 가지고 데이터를 주고받을 수 있다. 

 

- 단말장치는 데이터를 보내기 전에 자신의 ARP 테이블에 목적지 MAC 주소가 있는지 확인하고 해당 MAC 주소가 없는 경우에는 ARP 요청 메시지를 보내어 회신하는 ARP 응답 메시지에 포함된 출발지의 MAC 주소로 ARP 테이블을 갱신한다. 

- 스위치는 스위치에 들어오고 나가는 데이터에 포함된 MAC 주소를 통해 MAC 주소 테이블을 갱신하여 관리한다.  

 

근데 ARP 테이블과 MAC 주소 테이블에 저장되는 데이터는 계속 유지되는 것이 아니라 보통 3 ~ 5분 정도로 미리 설정된 일정 시간 동안 유지된 다음 삭제된다.  왜냐하면 단말장치의 LAN 카드 (NIC) 가 교체되거나 스위치에 연결되는 단말장치가 바뀌는 등 네트워크 연결 정보 (IP 주소와 MAC 주소)가 변경될 수도 있기 때문이다.