[네트워크] 네트워크 기기

네트워크는 여러 개의 네트워크 기기를 기반으로 구축된다.

네트워크 기기의 처리 범위

네트워크 기기는 계층별로 처리 범위를 나눌 수 있다. 

예를 들어, 링크 계층 중에서도 물리 계층을 처리할 수 있는 기기, 데이터 링크 계층을 처리할 수 있는 기기 등으로 나뉜다.

그리고 상위 계층을 처리할 수 있는 기기는 하위 계층을 처리할 수 있지만, 반대로 하위 계층을 처리하는 기기는 상위 계층을 처리할 수 없다.

예를 들어, L7 스위치는 애플리케이션 계층을 처리하는 기기인데 그 밑에 인터넷 계층이나 링크 계층 등의 모든 하위 계층의 프로토콜을 처리할 수 있다. 

각 계층의 프로토콜을 처리할 수 있는 네트워크 기기는 다음과 같다.

• 애플리케이션 계층 : L7 스위치
• 인터넷 계층 : 라우터, L3 스위치
• 데이터 링크 계층 : L2 스위치, 브리지
• 물리 계층 : NIC, 리피터, AP

* 스위치 : 여러 장비를 연결하고 데이터 통신을 중재하며, 목적지가 연결된 포트로만 전기 신호를 보내서 데이터를 전송하는 통신 네트워크 장비

이제 각 계층별로 자세히 알아보자

애플리케이션 계층을 처리하는 기기

L7 스위치

• L7 스위치
  • '로드 밸런서'라고 불리기도 하며, 서버의 부하를 분산하는 기기
  • 클라이언트로부터 오는 요청들을 뒤쪽의 여러 서버로 나누는 역할을 하며 시스템이 처리할 수 있는 트래픽 증가를 목표로 한다.
  • URL, 서버, 캐시, 쿠키들을 기반으로 트래픽을 분산한다.
  • 바이러스, 불필요한 외부 데이터 등을 걸러내는 필터링 기능도 가지고 있다.
  • 응용 프로그램 수준의 트래픽 모니터링도 가능하다.
  • 만약 장애가 발생한 서버가 있다면 이를 트래픽 분산 대상에서 제외해야 하는데, 이는 정기적으로 '헬스 체크'를 이용하여 감시하면서 이루어진다.
• L4 스위치와 L7 스위치의 차이
  • '로드 밸런서(서버 부하 분산)' 역할을 하는 것은 L7 스위치뿐만 아니라 L4 스위치도 있다. L4 스위치는 전송 계층을 처리하는 기기로 스트리밍 관련 서비스에는 사용할 수 없으며, 메시지를 기반으로 인식하지 못하고 IP와 포트를 기반으로 트래픽을 분산한다.
  • 반면에, L7 스위치는 IP, 포트 외에도 URL, HTTP 헤더, 쿠키 등을 기반으로 트래픽을 분산한다.
  • 참고) AWS, GCP와 같은 클라우드 서비스에서 L7 스위치를 이용한 로드밸런싱은 'ALB(Application Load Balancer)' 컴포넌트로 하며, L4 스위치를 이용한 로드 밸런싱은 'NLB(Network Load Balancer)' 컴포넌트로 한다.
• 헬스 체크
  • L4 스위치와 L7 스위치 모두 헬스 체크를 이용한다. 헬스 체크는 전송 주기와 재전송 횟수 등을 설정한 이후, 반복적으로 서버에 요청을 보내서 정상 / 비정상 서버를 판별한다.
  • 이때 서버에 부하가 되지 않을 만큼의 적절한 요청 횟수를 설정해야 한다. 
  • TCP / HTTP 등 다양한 방법으로 요청을 보내며 이 요청이 정상적으로 이루어졌다면 정상 서버로 판단한다.
  • 예를 들어, TCP 요청을 보냈는데 3-way handshake가 정상적으로 일어나지 않았다면 정상이 아닌 것이다. 
• 로드 밸런서를 이용한 서버 이중화
  • 로드 밸런서의 대표적인 기능으로 '서버 이중화'를 들 수 있다. 서버를 안정적으로 운용하기 위해선 2대 이상의 서버가 필수적이다. 에러가 발생하여 서버 1대가 종료되더라도 서비스는 안정적으로 운용되어야 하기 때문이다.
  • 로드 밸런서는 2대 이상의 서버를 기반으로 가상 IP를 제공하고 이를 기반으로 안정적인 서비스를 제공한다.
  • 아래 그림처럼 로드밸런서가 제공한 0.0.0.12010이라는 가상 IP(VIP, 로드 밸런싱의 대상이 되는 여러 서버를 대표하는 가상 IP)에 사용자들이 접근하고, 로드 밸런서는 설정된 부하 분산 방식에 따라 각 요청들을 뒷단에 위치한 사용 가능한 서버인 0.0.0.12011과 0.0.0.12012로 각 요청들을 분산한다.
  • 이처럼 서비스를 제공하다가 0.0.0.12011 서버에 장애가 발생하도 0.0.0.12012 서버를 기반으로 서비스를 제공할 수 있다. 

 

 

인터넷 계층을 처리하는 기기

인터넷 계층을 처리하는 기기로는 라우터와 L3 스위치가 있다. 

• 라우터
  • 여러 개의 네트워크를 연결, 분할, 구분시켜주는 역할을 한다.
  • 다른 네트워크에 존재하는 장치끼리 서로 데이터를 주고 받을 때, 패킷의 위치를 추출하여 패킷 소모를 최소화하고 경로를 최적화하는 최소 경로를 구하고, 그 경로를 따라 패킷을 전송하는 "라우팅"을 한다.
• L3 스위치
  • L2 스위치의 기능과 라우팅 기능을 갖춘 장비를 말한다. L3 스위치를 라우터라 봐도 무방하다. 
  • 라우터는 위에서 설명한 소프트웨어 기반의 라우팅과 하드웨어 기반의 라우팅을 하는 것으로 나눠지고 하드웨어 기반의 라우팅을 담당하는 장치를 L3 스위치라고 한다. 
  • 하드웨어 기반이기 때문에 소프트웨어 기반의 라우터보다 속도는 빠르지만, 기능과 확장성면에서는 떨어진다.
  • L3 스위치와 L2 스위치의 차이는 아래 표와 같다.

구분	L2 스위치	L3 스위치
참조 테이블	MAC 주소 테이블	라우팅 테이블
참조 PDU	이더넷 프레임	IP 패킷
참조 주소	MAC 주소	IP 주소

 

데이터 링크 계층을 처리하는 기기

데이터 링크 계층을 처리하는 기기로는 L2 스위치와 브리지가 있다.

• L2 스위치
  • 장치들의 MAC 주소를 MAC 주소 테이블을 통해 관리하며, 연결된 장치로부터 패킷이 왔을 때 패킷 전송을 담당한다.
  • IP 주소를 이해하지 못하기 때문에 IP 주소를 기반으로 라우팅하는 것은 불가능하고, 이 때문에 다른 네트워크 간의 통신을 불가능하며 동일한 네트워크 안에서의 통신만 가능하다.
  • 단순히 패킷의 MAC 주소를 읽어 스위칭하는 역할을 한다.
  • 목적지가 MAC 주소 테이블에 없다면 전체 포트에 전달하고(flooding) MAC 주소 테이블의 주소는 일정 시간 이후 삭제하는 기능(aging)도 있다.
• 브리지
  • 두 개의 근거리 통신망(LAN)을 상호 접속할 수 있도록 하는 통신망 연결 장치이다. 
  • 포트와 포트 사이의 다리 역할을 하며 장치에서 받아온 MAC 주소를 MAC 주소 테이블로 관리한다.
  • 통신망 범위를 확장하고 서로 다른 LAN 등을 하나의 통신망으로 구축할 때 쓰인다.

물리 계층을 처리하는 기기

물리 계층을 처리하는 기기로는 NIC, 리피터, AP가 있다.

• NIC
  • LAN 카드라고 불리는 NIC(Network Interface Card)는 2대 이상의 컴퓨터 네트워크를 구성하는 데 사용한다.
  • 컴퓨터가 네트워크와 빠른 속도로 데이터를 송수신할 수 있도록 컴퓨터 내에 설치하는 확장 카드이다.
  • 각 LAN 카드에는 주민등록번호처럼 각 장치를 구분하기 위한 고유의 식별번호인 MAC 주소가 있다. 
• 리피터
  • 들어오는 약해진 신호 정도를 증폭하여 다른 쪽으로 전달하는 장치이다.
  • 이를 통해 패킷이 더 멀리 갈 수 있다. 하지만, 광케이블이 보급되면서 현재는 잘 쓰이지 않는 장치이다.
• AP(Access Point)
  • 패킷을 복사하는 기기이다.
  • AP에 유선 LAN을 연결한 후 다른 장치에서 무선 LAN 기술(와이파이 등)을 사용하여 무선 네트워크 연결을 할 수 있다.
  • 흔히 말하는 핫스팟 기기이다.