[네트워크 기초] 10. L2 스위칭

 

0️⃣ L2 스위칭, L3 라우팅

앞에서 두가지 네트워크 통신 방식인 스위칭과 라우팅을 공부했다. 

먼저 서로 같은 네트워크를 연결하는 것을 스위칭이라고 하고, 서로 다른 네트워크를 연결하는 것이 라우팅이다. 

 

OSI 참조 모델 관점에서 스위칭 과정은 제 2계층인 데이터링크 계층에서의 데이터 통신 방식을 말하며 흔히 L2 스위칭 혹인 이더넷 스위칭이라고 부른다. 

라우팅은 제 3계층인 네트워크 계층에서의 데이터 통신 방식을 말하며 L3 라우팅 혹인 IP 라우팅이라고 부른다. 

 

 

1️⃣ OSI 7계층으로 보는 L2 스위칭 과정 

스위치는 OSI 7계층 중에서 2계층 (데이터링크 계층) 에 해당하는 네트워크 장비로 간단히 L2 스위치라고 부른다. 

여기서 2계층 장비라고 하는 이유는 해당 스위치가 2계층으로 전달된 데이터 정보만을 가지고 데이터를 목적지로 전달해주기 때문이다. 

 

컴퓨터 A에서 전달된 데이터는 응용계층 (7계층) 에서 물리계층(1계층)으로 전달되어, 전기적인 신호로 변환된 상태로 전송 채널을 통해 L2 스위치의 물리계층(1계층)으로 전달된다. 

L2 스위치의 물리계층으로 전달된 '비트 단위의 데이터들'은 프레임 단위로 복원되며 이는 다시 2계층인 데이터링크 계층으로 전달된다. 

 

이더넷 프레임 구조에서 이더넷 헤더 부분을 살펴보면 데이터의 목적지와 출발지의 MAC 주소를 확인할 수 있다. 

여기서 L2 스위치는 프레임에 포함된 목적지 MAC 주소를 가지고 자신의 MAC 주소 테이블에서 목적지 MAC 주소에 해당되는 인터페이스 즉, 포트 번호를 파악한다. 목적지 MAC 주소에 해당되는 컴퓨터 B가 연결되어 있는 것이다. 

 

컴퓨터 B가 연결된 포트 번호를 확인한 L2 스위치는 프레임을 다시 데이터링크 계층에서 물리계층으로 보내어 이를 전기적인 신호로 변호나해 앞에서 확인한 포트 번호를 통하여 컴퓨터 B의 물리 계층으로 데이터를 전달한다. 

그리고 이를 수신한 컴퓨터 B의 물리 계층에서는 이를 프레임 단위로 복원하여 상위 계층으로 전달하는데, 이 과정에서 데이터의 헤더 정보가 제거되는 역캡슐화 과정을 통해 최상위 계층인 응용계층까지 데이터가 전달된다. 

 

OSI 참조 모델 관점에서 2계층 장비에 해당하는 L2 스위치는 2계층의 데이터 단위인 프레임에서 헤더 정보에 포함된 MAC 주소 정보를 가지고 자신의 MAC 주소 테이블을 조회하여 해당되는 인터페이스를 통해 데이터를 최종 목적지로 전달한다. 

 

 

 

2️⃣ 실전 네트워크에서의 L2 스위칭 과정 

3대의 컴퓨터 A, B, C 가 1대의 스위치에 연결되어 동일한 네트워크로 구성되어 있다고 가정할 때 컴퓨터 A 가 컴퓨터 C에 데이터를 전송하려는 경우 어떻게 스위치이 이루어지는가? 

참고로 컴퓨터 A, B, C 는 각각 'eth0'이라는 인터페이스를 통하여 스위치의 1번, 2번, 3번 포트 순서대로 연결된다. 

 

우선 컴퓨터 A는 데이터를 전송하려는 컴퓨터 C의 ip 주소를 가지고 자신의 라우팅 테이블을 검색한다. 

그리고 컴퓨터 C의 ip 주소가 라우팅 테이블의 목적지 네트워크 주소에 매칭된 것을 확인하고, 'eth0' 인터페이스를 통해 데이터를 목적지로 보내야 하는 것을 알게된다. 

 

다음으로 컴퓨터 A는 컴퓨터 C의 MAC 주소를 파악하기 위하여 자신의 ARP 테이블을 검색한다. 

하지만 ARP 테이블에는 일치하는 MAC 주소 정보가 없다. 

그래서 컴퓨터 A는 컴퓨터 C의 MAC 주소를 알아내기 위해서 ARP 요청 메시지를 생성한다.

 

ARP 요청 메시지 구조로 이더넷 헤더(1, 2 계층 헤더)에는 출발지와 목적지 MAC 주소, 그리고 프로토콜 타입 정보가 포함된다. 

출발지 MAC 주소는 데이터를 보내는 컴퓨터 A의 MAC 주소로 지정되고, 목적지 MAC 주소는 현재 모르기 때문에 해당 요청 메시지가 네트워크에 연결된 모든 컴퓨터에 전달될 수 있도록 브로드캐스트 주소로 지정된다!

그리고 프로토콜 타입의 경우 ARP 패킷의 이더넷 프로토콜 타입을 나타내는 '0x0806' 으로 지정된다. 

그 다음 ARP 헤더부분(L3 계층 헤더)을 살펴보면 송신자와 수신자의 IP 주소, MAC 주소가 포함되는 것을 알 수 있다. 

송신자의 IP 주소와 MAC 주소는 데이터를 보내는 컴퓨터 A의 IP 주소와 MAC 주소로 지정되고, 수신자 IP 주소는 데이터를 전달받는 컴퓨터 C의 IP 주소로 지정된다. 하지만 수신자인 컴퓨터 C의 MAC 주소는 현재 모르기 때문에 0으로 채운다. 

 

이와 같은 구조로 ARP 요청 메시지가 최종 생성되면 컴퓨터 A는 컴퓨터 C의 MAC 주소를 알아내기 위하여 'eth0' 인터페이스를 통해 ARP 요청 메시지를 내보낸다. 

ARP 요청 메시지를 1번 포트를 통해 전달받은 스위치는 해당 포트번호와  메시지의 이더넷 헤더에 포함된 출발지 MAC 주소를 가지고 MAC 주소 테이블에 저장한다. 

여기서 스위치가 데이터에 포함된 MAC 주소 정보와 포트번호를 가지고 MAC 주소 테이블을 갱신하는 과정을 스위치가 자신과 연결된 단말장치의 MAC 주소를 학습한다는 의미로 MAC 학습이라고 한다. 

 

다음 스위치는 데이터에 포함된 목적지 MAC 주소 정보를 가지고 해당 메시지를 전달할 출력 포트를 결정하게 되는데 현재 ARP 요청 메시지의 목적지 MAC 주소는 브로드캐스트 주소다. 따라서 스위치는 수신 포트 1번을 제외한 자신과 연결된 모든 포트에 ARP 요청 메시지를 전달한다. 

이때 스위치가 데이터 수신 인터페이스를 제외하고 나머지 모든 인터페이스를 통해 데이터를 단순 복사하여 전달하는 과정을 '플러딩 Flooding' 이라고 한다. 

 

전체적으로 ARP 요청 메시지에 목적지 MAC 주소가 브로드캐스트로 지정되면 스위치가 수신 포트를 제외한 나머지 모든 포트를 통해 해당 ARP 요청 메시지를 전달하는데, 이와 같이 송신지의 데이터가 네트워크에 연결된 모든 단말장치로 전달되는 통신 방식을 앞에서 배운 '브로드캐스트' 라고 한다. 

 

ARP 요청 메시지를 전달받은 컴퓨터 B, C 는 해당 메시지의 수신지가 자신이 맞는지 메시지의 ARP 헤더에 포함된 수신지 IP 주소를 자신의 IP 주소와 비교한다. 

컴퓨터 C는 자신의 IP 주소와 일치하기 때문에 해당 요청 메시지에 대한 회신으로 자신의 MAC 주소를 포함한 ARP 응답  메시지를 생성한다. 

 

ARP 응답 메시지 구조를 살펴보면 이더넷 헤더(1, 2 계층헤더) 에는 출발지와 목적지 MAC 주소, 그리고 프토토콜 타입 정보가 포함되는데 출발지 MAC 주소는 데이터를 보내는 컴퓨터 C의 MAC 주소로 지정되고 목적지 MAC 주소는 데이터를 전달받는 컴퓨터 A의 MAC 주소로 지정된다. 

그리고 프토토콜의 타입의 경우 ARP 패킷을 나타내는 '0x0806'으로 지정된다. 

ARP 헤더(L3 계층 헤더) 부분은 송신자와 수신자의 IP , MAC 주소가 포함되는데 송신자의 IP 주소와 MAC 주소는 데이터를 보내는 컴퓨터 C의 IP 주소와 MAC 주소로 지정되고, 수신자의 IP 주소와 MAC 주소는 데이터를 전달받는 컴퓨터 A의 IP 주소와 MAC 주소로 지정된다. 

즉 컴퓨터 C는 자신의 MAC 주소를 ARP 응답 메시지의 송신자 MAC 주소에 포함하여 컴퓨터 A로 전달하는 것이다. 

 

ARP 응답 메시지가 생성되면 컴퓨터 C는 MAC 주소를 컴퓨터 A에 전달해주기 위하여 'eth0' 인터페이스를 통해 ARP 응답 메시지를 내보낸다. 

ARP 응답 메시지를 3번 포트를 통해 전달받은 스위치는 해당 포트번호와 메시지의 이더넷 헤더에 포함된 출발지 MAc 주소를 가지고 MAC 주소 테이블에 저장한다. (MAC 학습) 

 

그리고 나서 스위치는 ARP 응답 메시지의 이더넷 헤더에 포함된 MAC 주소를가지고 자신의 MAC 주소 테이블을 검색하여 해당하는 포트 2번으로 ARP 응답 메시지를 컴퓨터 A에 전달한다. 

최종적으로 ARP 응답 메시지를 수신받은 컴퓨터 A는 해당 메시지에 포함된 컴퓨터 C의 MAC 주소와 IP 주소를 자신의 ARP 테이블에 등록한다. 

 

이때 ARP 요청 메시지에 대한 응답 메시지를 통하여 ARP 테이블을 등록하는 과정을 ARP 학습 이라고 한다. 또 ARP 응답 메시지를 보면  

ARP 요청 메시지와 다르게 목적지 주소가 분명하게 지정되어 일대일로 메시지가 전달되는데, 이와 같은 통신 방식을 바로 앞에서 배운 유니캐스트라고 한다. 

 

ARP 요청 메시지는 브로드 캐스트, ARP 응답 메시지는 유니캐스트

 

컴퓨터 A는 ARP 테이블을 통해 컴퓨터 C의 MAC 주소를 알게 되었고, 스위치는 MAC 학습을 통해 MAC 주소 테이블에 등록된 컴퓨터 A와 컴퓨터 C의 연결 정보를 파악하게 되었다. 

-> 이제부터 컴퓨터 A는 언제든지 컴퓨터 C로 IP 패킷에 보내고자 하는 데이터를 실어 전달할 수 있게 된 것이다. 

 

 

컴퓨터 C의 MAC 주소 파악한 후 컴퓨터 A -> 컴퓨터 C 스위칭 과정 

1. 컴퓨터 A는 컴퓨터 C 로 데이터를 전달하기 위해 컴퓨터 C가 속하는 네트워크 주소 정보를 가지고 자신의 라우팅 테이블을 검색한다. 

그리고 컴퓨터 C로 데이터를 전달하기 위해서는 'eth0' 이라는 인터페이스를 통해야 함을 파악한다. 

 

2. 목적지 IP 주소에 해당하는 MAC 주소를 ARP 테이블을 검색하여 컴퓨터 C의 MAC주소가 'h3'임을  파악한다. 

 

3. 컴퓨터 A는 캡슐화 과정을 통해 컴퓨터 C로 보낼 IP 패킷을 생성한다. 

생성되는 IP 패킷의 헤더 부분을 보면 데이터가 전달되는 출발지와 목적지 IP 주소가 포함되는데, 출발지 IP 주소는 데이터를 전달하는 컴퓨터 A의 IP 주소로 지정되고, 목적지 IP 주소는 데이터를 수신하는 컴퓨터 C의 IP 주소로 지정된다. 

패킷 타입의 경우 IPv4 기반이므로 '0x0800'으로 지정된다. 

 

그리고 이를 물리 계층을 통해 비트 단위로 전송하기 위해 2계층에서 이더넷 프레임으로 한번더 감싸는데 이때 이더넷 헤더에는 전송할 데이터의 출발지와 목적지의 MAC 주소가 포함된다. 

 

전송할 데이터 생성이 완료되면 컴퓨터 A는 'eth0' 인터페이스를 통해 해당 데이터를 스위치로 전달한다. 

 

4. 스위치는 전달받은 데이터의 이더넷 헤더에 포함된 목적지 MAC 주소를 먼저 보고 자신의 라우팅 테이블을 검색하여 컴퓨터 C가 포트 3번에 연결된 것을 확인한다. 그리고 스위치는 데이터를 3번 포트를 통해 내보내어 최종적으로 컴퓨터 C에 전달한다. 

 

(참고로 해당 데이터가 IP 패킷으로 컴퓨터 A에서 컴퓨터 C로 전달된다고 표현은했지만 실제로는 이더넷 프레임으로 한번 더 감싸져서 비트단위로 전송 채널을 통해 전달된다.)