LAN 의 기술 방식

2.6  LAN의 기술 방식

2.6.1 EtherNet
Ethernet은 Contention방식의 동축케이블을 이용하는 베이스밴드 방식의 LAN이다.
이더넷은 1970년대에 개발된 통신방법으로 CSMA/CD 방식을 이용한다.  CSMA/CD는 공유미디어방식으로 1980년대에 IEEE라는 조직에서 IEEE802.3이라는 통신방식을 표준화시키면서 활성화되었다.  현재 LAN에서 가장 많이 사용되는 통신방법이 이더넷이다.  이더넷의 구조는 버스형이 기본이며, 허브와 스위치를 사용하게 됨으로써 트리형의 모양도 볼 수 있다. 각 스테이션들은 버스라는 매체를 공유하여 서로 통신을 한다. 이더넷은 이 버스를 공유하여 10Mbps의 통신속도로 통신을 가능하게 한다. 초기의 이더넷은 공유버스로 동축케이블(10Base-5)을 이용했다. 따라서 각 노드들은 동축케이블에 연결되어 통신을 하였다. 그 후로 허브라는 장비가 나오면서 공유버스로서의 역할을 하게 되었다. 각 노드들은 허브에 UTP 케이블로 연결되어 서로간에 통신을 한다. 따라서 네트워크 구성은 버스에 사용되는 매체에 따라 다양하게 변한다.

  ● EtherNet 의 종류
  IEEE가 규정한 이더넷의 기본적인 형태는 아래의 3가지가 있다. 여기에 설명하진 않았지만 광케이블을 이용하는
  10Base-FL 규격도 있다.  이는 케이블 규격과 관련이 있다.

   + 10Base-5

     동축케이블로 500m의 길이를 갖는다. Thick 케이블이라고도 부르며 2.5m간격으로 트랜시버를 연결하여 사용한다.

   + 10Base-2

     Thin 케이블이라고도 부르며 200m의 길이를 갖는다.

   + 10Base-T

     UTP 케이블을 이용하는 것으로 현재 가장 많이 사용되며, 100m의 길이를 갖는다.

  ● EtherNet 의 특징
   이더넷은 CSMA/CD방식을 근간으로 동작한다.  이 방식에서는 한 노드(Node)에서 전송한 데이터가 네트워크 전체로 퍼지게
   된다.  이런 것을 브로드 캐스트(Broadcast)라고 한다.  그리고 버스형을 이용할 경우, 양쪽 끝에는 터미네이터라는 장치가 있어
   흘러온 데이터가 되돌아가지 않도록 해준다.  이더넷의 통신방식인 CSMA/CD라는 말이 의미하는 것은 이더넷에서는 특정
   시간에 한 노드만이 데이터를 보낼 수 있다는 것을 의미한다.  이를 공유 또는 경쟁방식이라고 부르기도 한다.  이더넷은 위와
   같이 CSMA/CD 방식을 사용하기 때문에, 통신 노드 숫자가 많아질수록 속도는 급격히 느려진다.  또한 한 노드가 계속해서 공유
   버스를 점유할 경우 다른 노드들은 전혀 통신할 수 없는 경우가 발생할 수도 있다.

   허브는 각 노드들이 UTP 케이블로 연결되고 10Mbps 통신속도를 공유해서 사용하게 된다.  따라서 허브를 집중화 장비
   (Concentrator)라고도 한다.  일반적으로 허브는 10Mbps 공유방식을 사용한다.  그러나 요즈음에는 100Mbps 허브도 출시되고
   있다.  100Mbps 허브는 통신속도는 향상되었지만 공유방식의 한계를 벗어나지 못한 장비이다.  따라서 이 공유방식의 한계를
   극복하는 장비가 출시되었는데 이것이 바로 스위치인 것이다. 

   스위치는 이더넷의 특징인 공유방식을 탈피하고 각 포트별로 독점적인 통신속도를 할당해 준다.  이것을 데디케이트(Dedicate)라
   고 하며, 이를 통해 허브를 사용함으로써 발생하는 한계를 어느 정도 극복할 수 있다.  그러나 근본적인 해결책은 되지 못한다.
   왜냐하면, 이 상태에서도 이더넷의 특징인 "공유"라는 대 명제를 벗어나지는 못하기 때문이다.  이를 해결하기 위해 등장한 것이
   가상 랜이란 것이다. 또한 고속 이더넷 기술들과 연계하여 계층적 네트워크를 구축함으로써, 노드가 늘어남에 따라 발생하는
   이더넷의 한계를 극복해 나가고 있다.  네트워크에 흐르는 데이터를 프레임 또는 패킷이라고 하는데 이더넷에 흐르는 프레임의
   최대 크기는 1518Byte이고 최소는 64Byte이다.

2.6.2 Fast EtherNet
인터넷이 활성화되면서 멀티미디어 데이터를 처리할 수 있는 네트워크를 필요하게 되었다. MPEG로 처리된 동영상을 전달하는데는 1.5Mbps 정도의 대역폭이 필요하다.  그러나 MPEG-II를 처리하기 위해서는 그보다 큰 6Mbps 정도를 필요로 한다.  이런 이유로 10Mbps를 제공하는 이더넷으로는 멀티미디어 데이터를 리얼타임으로 처리하는데, 어려움이 따르게 되었다.  이런 배경으로 패스트 이더넷이 태동되었으며, 기존의 10Mbps 이더넷의 속도를 100Mbps로 향상시켰다.  고속 이더넷은 기존의 UTP 케이블을 그대로 사용할 수 있다는 장점을 가지고 있다.  요즈음 출시되는 LAN 카드나 허브, 스위치는 대부분 100Mbps 속도를 지원한다. 표 2.4 와 2.5에 패스트 이더넷과 다른 100M LAN 기술을 비교하였다.
 

                                                                             Table 2.4

                                                                            Table 2.5

따라서 고속 이더넷은 100Mbps 대역폭을 가지는 백본용 네트워크로 기존이더넷의 연장선상에 놓여 있다. 데이터 전송방식으로 이더넷과 같은 CSMA/CD를 채용하고 있으며 장비 구성 역시 동일하다. 표준안도 이더넷 분야인 IEEE 802.3의 하위위원회에 명시돼 있다. 결국 고속이더넷은 이더넷의 성능을 10배 확장시킨 것으로 보면 될것이다.

고속이더넷의 정식 명칭은 10Base-T로 카테고리 5의 UTP케이블을 사용한다. 현재 국내에 진출한 시스코시스템즈, 스리콤, 베이네트웍스, IBM, 인텔, SVC 등 네트워크업체들이 모두 고속이더넷 장비를 공급하고 있다. 네트워크상에 떠돌돌아다니는 데이터의 양이 많아지고 관련 장비들의 가격이 이더넷 장비들과 큰 차이가 없기 때문에 고속이더넷이 백본용에서 점차 워크그룹용 LAN으로 위치이동을 하고있다. 이같은 흐름을 주도하고 있는 업체는 인텔, 스리콤, SVC, 베이네트웍스 등으로 이더넷과 고속이더넷을 동시에 지원하는 겸용장비를 내놓는가 하면 장비 가격을 대폭 인하하는 등 공격적인 마케팅을 펼치고 있다.

 

Figure 2.15 The Architecture of Fast EtherNet

최근에는 시스코, 베이네트웍스등의 업계에서 고속 이더넷 기술을 이용해 기가 비트급에 가까운 성능을 낼 수 있는 가상파이프(Virtual pipe)기술을 내놓고 있다.  포트 통합기술, 트렁킹기술, 대역폭 접합기술로도 불리는 가상 파이프 기술을 물리적으로 분리된 각각의 채널들을 논리적으로 가상 파이프로 묶어낸다는 개념이다.  따라서 낮은 대역폭의 회선을 사용하면서도 실제로는 높은 대역폭을 구현할 수 있다.  따라서 기존의 네트워크 장비나 케이블을 교체하지 않고서도 대역폭을 확장할 수 있는 장점이 있다.  기가비트 이더넷의 표준작업 난항으로 100Mbps급 고속이더넷 포트를 이용해 기가 비트급 성능을 낼 수 있는 고속이더넷 가상 파이프 기술이 기가비트 이더넷의 대안으로 떠오르고 있다.

2.6.3 Gigabit EtherNet
기가비트 이더넷은 10Mbps 이더넷의 속도를 1000Mbps로 향상시켰다.  기가비트 이더넷은 백본 장비들간의 연결 또는 멀티미디어 서버와 연결하여 주로 사용된다.  연결은 주로 광케이블을 사용한다.  최근에는 UTP 케이블을 이용한 장비들도 나오기 시작하였다.  기가비트이더넷은 요즘 ATM을 대신하여 내부 백본용으로 많이 채택되고 있다.  무엇보다도 기존의 이더넷과 같은 방식으로 관리할 수 있어, 네트워크 관리자들에게 편의성을 제공한다는 점이 장점이다. 표 2.6은 이더넷, 패스트 이더넷, 기가비트이더넷의 전송매체별 전송거리를 비교한 자료이다.

                 
                                                                                 Table 2.6

결국 이 기가비트 이더넷(Gigabit Ethernet)이라고 불리는 새로운 표준은 1000Mbps의 대용량 대역폭을 제공하며 기존의 10/100 이더넷 표준과 완벽하게 호환되며 패스트 이더넷(Fast Ethernet)에 비해 비용은 겨우 2-3배 비싼데 비해 성능은 10배 이상 뛰어나다. 또한, 대역폭을 거의 100배 가까이 증가시킴으로써 지나친 부담을 지고 있거나 날로 커지는 네트웍 기반구조의 문제를 갖고 있는 조직들에게 도움을 줄 것이다. 기가비트 처리율은 사용자들이 데이터 집중적인 애플리케이션을 생산적으로 운영하는데 필요한 확장성과 속도를 모두 제공하면서 LAN 백본의 부담을 크게 덜어준다.

기가비트 이더넷은 802.3(CSMA/CD)과 이더넷 표준 프레임 포맷은 물론 802.3 매니지드 객체 규격을 보존하므로 각 조직은 기존의 애플리케이션과 운영 시스템, IP, IPX, 애플토크와 같은 프로토콜과 네트웍 관리 플랫폼 및 툴을 유지하면서 기가비트 속도로 쉽게 업그레이드할 수 있다. 또한 관리자들은 서버스의 저하를 최소화하면서 기가비트 이더넷을 네트웍에 구축할 수 있으며, 신기술은 사용자 들에게 전적으로 투명하게 제공된다. 기가비트 이더넷은 본래 이더넷 표준의 CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection)를 계속 지원할 것이며 반이중 모드 뿐 아니라 전이중(full duplex) 운영 모드도 포함할 것이다. 또한 최초의 기가비트 이더넷 표준 셋은 멀티모드와 단일모드 광섬유 케이블은 물론 단거리 동선(동축)도 지원한다. 장거리 동선(UTP)용 표준은 99년 초에 발표될 예정이다.

 

Figure 2.16 The Architecture of Gigabit EtherNet

현재 기가비트 이더넷 시장은 기가비트 이더넷 기술과 장비를 기반으로 백본 장비 시장 진출을 모색하는 스리콤, 인텔 외에도 시스코시스템스, 노텔네트웍스, 케이블트론 등 백본 장비 시장에서 강세를 보이던 업체들이 참여해 있다. 국내 네트워크 장비 시장은 지난해 하반기를 고비로 NIC(Network Interface Card)와 워크그룹 장비의 경우 100Mbps 패스트 이더넷, 백본 장비 시장은 기가비트 이더넷이라는 구도가 형성됐으며 올해는 이 같은 현상이 더욱 뚜렷하게 나타날 것으로 보인다. 업계에서는 기가비트 이더넷은 지난해까지 국내 백본 장비 시장에서 10～15% 정도의 시장을 점유했지만 올해는 40～50%대의 시장점유율을 확보하면서 백본 장비 시장의 주력 기술로 자리잡을 것으로 전망한다.

2.6.4 Token Ring
Token Ring은 초기에 IBM에 의해 개발되었으며, 4-16Mbps의 속도를 보장하는 고속 DATA망으로, 채널의 사용권을 균등하게 분배하기 위해 사용권을 의미하는 토큰을 차례로 전달해 나가는 방식이다. 본서의 2-5-2의 토큰 패씽 참조..

2.6.5  FDDI (Fiber Distributed Data Interface)
FDDI는 100Mbps의 속도를 토큰passing 방법을 채택하며 이중의 링 구조를 가지는 LAN으로 전송매체를 광섬유를 사용한다.
FDDI(Fiber Distributed Digital Interfaces Networks)는 1980년대 초반 ANSI에 의해서 개발되기 시작한 고속 LAN기술로써 Token Ring 접속방법을 기반으로 하여 이더넷보다 10배 빠른 100Mbps의 전송속도를 사용하고 최대 200Km 거리까지 네트워크를 구성할 수 있다.
Ethernet은 10Mbps의 속도이기 때문에 어떤 N/W에서는 충분하지 못했다. 따라서 더 높은 Bandwidth를 위해 ANSI에서 만들어 내게 되었고, 고속이더넷, ATM 등이 LAN 백본으로 사용되기 전에 구축된 대부분의 LAN은 모두 FDDI를 백본으로 사용했다

Figure 2.17  The Architecture of FDDI

 

FDDI는 전송매체로서 fiber(광섬유)를 사용하는데 Dual Ring(이중 링)으로 두게 된다.

FDDI장비는 모두 Ring관리 프로토콜인 SMT(Station ManagemenT)를 탑재하게 되는데 SMT는 FDDI Ring 상의 스테이션이나 Link의 오류를 감지하고 이때 Backup ring을 사용하여 망전체가 영향을 받지 않게 한다. FDDI가 좋은 성능을 내기 위해서는 Ethernet에 맞추어진 MTU 값보다 훨씬 큰 값이 필요하다. FDDI의 표준은 100Mb/s Token-passing, Dual-ring LAN이고 광섬유를 이용한다. Dual Ring Architectur는 data 전송을 위한 Ring 한개와 유사시를 대비한 Ring으로 이루어져 있다. FDDI의 물리적 매체에는 두 종류의 광섬유를 사용할 수 있다. 각각은 Single Mode와 Multi Mode이다. Single 모드는 한 광선만이 전해지도록하는 것으로 Laser를 사용하고, Multi 모드는 LED를 사용한다. 물론, Laser를 사용하는 싱글모드가 전송거리가 더 길다.

Figure  2.18  The Architecture of FDDI

2.6.6  VLAN (Virtual LAN)
가상랜 (VLAN : Virtual LAN)이란 LAN에 흐르는 트래픽을 제한하여 불필요한 트래픽을 차단하기 위한 논리적인 LAN으로 주로 스위치에서 사용된다.  가상랜은 물리적으로 LAN을 분리하는 것이 아니라 논리적으로 한 장비 내에서 브로드캐스트 도메인을 나누는 것이다. 그림 2.19에서 가상랜A와 가상랜B에 속한 노드들은 각자의 가상랜내의 노드들간 통신은 가능하지만 다른 가상랜에 속한 노드들과의 통신은 불가능하다. 또한 가상랜 A내의 브로드캐스트 트래픽은 가상랜B로 전달되지 않는다.

Figure 2.19 The Architecture of Virtual Lan

가상랜은 이런 특징 때문에 병목현상으로 어려움을 겪는 네트워크 성능을 효율적으로 해결할 대안으로 인식되고 있다. 백본에 집중되는 병목현상을 소프트웨어적으로 해결할 수 있는 효율적 방법 중 하나가 가상랜이기 때문이다.  가상랜은 네트워크 관리 기능을 통해 임의의 스위칭 포트를 임의의 가상랜 포트로 할당해, 물리적 위치에 관계없이 논리적으로 네트워크 그룹을 형성할 수 있다.  또한 기 구축된 이더넷, 토큰링, FDDI 등 네트워크 자원을 별다른 추가 장비 없이, 소프트웨어적으로 분할해 새로운 네트워크를 구성할 수 있다.

가상랜을 업무에 적용한다면, 각 업무단위별로 구성된 네트워크 중 관련 있는 업무 종사자들을 하나의 그룹으로 통합시키는 것이다.  예를 들어 지사와 본사간 인사담당자는 인사담당자끼리, 경리 및 회계담당자는 경리회계담당자끼리 업무 단위별로 하나의 그룹을 만들어줌으로써, 관련 업무의 보안을 유지함은 물론 생산측면에서 효율을 높일 수 있다.

  ● 가상랜의 등장 배경
기존의 네트워크 환경은 허브에 각종 스테이션들을 연결하고, 한 허브에 연결된 스테이션들은 허브의 대역폭을 공유한다. 그리고 서로 다른 허브에 연결된 스테이션들간 통신을 위해 허브를 스택하거나 캐스케이딩으로 연결하게 된다.  문제는 이런 방법으로 무한정 네트워크를 확장할 수 없다는 것이다.  왜냐하면 대역폭을 한 세그먼트에 연결된 모든 스테이션이 공유하기 때문에, 한 세그먼트에 스테이션이 너무 많으면, 대역폭 부족으로 속도가 저하될 뿐만 아니라, 네트워크에 접근할 수 있는 기회도 줄어들기 때문이다. 그림 2.19 참조 이것은 스위치를 이용하여, 포트별 대역폭을 크게 해주더라도, 백본 전체로 번지는 브로드캐스트를 막을 수는 없는 것이다.

Figure 2.19 The Congestion of Network

이런 문제를 해결하기 위해서 허브로 연결된 네트워크를 나누어, 라우터로 각기 다른 단위의 네트워크로 나누게된다. 그러나 이때는 그림 2.20에서처럼, 서로 다른 스위치에 연결된 스테이션간에는 라우터를 경유하여야 하는데, 여기서 병목현상이 역시 발생한다.  바로 이러한 문제를 해결하기 위해서 등장한 것이 가상랜이며, 그림 2.21에서 브로드캐스트 패킷의 전달 범위를 제한하기 위해, 색깔별로 분류된 3개의 가상랜을 설정하였다.  이러한 네트워크에서는 브로트캐스트 패킷이 같은 색깔로 구성된 가상랜내의 스테이션들에만 전달되기 때문에 전체 백본 네트워크에는 영향을 미치지 않는다. 바로 이런 이유 때문에 가상랜 기술이 등장하게된 것이다.

Figure 2.20 The bottleneck between Router

Figure 2.21 The avoid of bottleneck between Router
 

  ● 가상랜의 종류

아래에 가상랜의 4가지 방식에 대해 설명하였다. 이외에 멀티미디어 데이터를 처리할 때 필요한 멀티캐스트기반 가상랜도 있다. 요즘 나오는 고가의 스위치 장비는 폴리시기반(Polysy-based) 가상랜을 지원한다. 이것은 여러 가지 다양한 가상랜 방식들을 필요에 따라 조합하여, 가상랜 정책을 세워 운영하는 것을 말한다. 그래서 정책기반의 가상랜이라고도 한다. 예를 들어 스위치의 한 포트가 가상랜 A와는 포트기반으로, 가상랜 B와는 네트워크기반으로 가상랜 그룹을 구성할 경우에 해당한다.

 + 포트기반 가상랜

   스위치 포트를 각 가상랜에 할당하는 것으로 같은 가상랜에 속한 포트에 연결된 노드들간에만 통신이 가능하다. 가장 일반적이고
   많이 사용되는 가상랜으로 설정이 용이한 것이 장점이다.  (그림 2.22 참조) Port당 하나의 가상랜 만을 지정할 수 있으므로
   허브나 대형 서버를 지원하기에 어려움이 있으며 단말기나 서버를 추가, 이동하는 경우에 계속 설정을 변경해 주어야 하는 단점
   이다. 즉, 조직개편 등으로 자리이동이 발생 할 경우 가상랜 변경에 매우 많은 비용을 들여야 한다.

Figure 2.22 The Port-Based Virtual LAN

 + MAC 기반 가상랜

   각 노드들의 MAC 주소를 가상랜에 등록하여 같은 가상랜에 속한 MAC 주소들간에만 통신이 되도록 하는 방법이다. 
   이 가상랜은 노드들의 MAC 주소들을 전부 등록해야 하기 때문에 자주 사용되지는 않는다.  (그림 2-23 참조) 그러나 MAC
   주소는 각 네트워크 장비들에 고유하게 적용되는 것임으로, 보안성은 가장 좋다.

Figure 2.23 The MAC-Based Virtual LAN

 + 프로토콜 기반 가상랜

   같은 프로토콜(TCP/IP, IPX/SPX, Netbeui 등)을 가진 노드들간에만 통신을 가능하도록 구성된 가상랜이다.
  (그림 2.24) 네트워크에서 특정 프로토콜을 일부 사용하고 있을 경우는 유리하지만, 네트워크 전체에 광범위하게 사용될 경우
   브로드캐스트에 대한 대책을 세우기 어렵다.  이는 곧 네트워크 전체의 트래픽 증가로 인한 성능저하로 연계될 소지가 있다는
   의미가 된다.

Figure 2.24 The Protocol-Based Virtual LAN

  + 네트워크 기반 가상랜

   IP 주소나 IPX 네트워크 번호처럼 네트워크 주소를 기반으로 가상랜을 구성하는 방식으로, 주로 IP 네트워크에서 많이 사용한다.
   (그림 2.25 참조) 하나의 가상랜 그룹을 여러 포트에 걸쳐 구성할 수 있으며, 포트당 한 개 이상의 가상랜 그룹을 구성할 수도
   있다. 그러나 특정 프로토콜에 의존하게되는 것이 단점이다. 이 방식은 각기 분리된 가상랜내에서만 브로드캐스트가 이루어지기
   때문에 전체 네트워크에는 영향을 미치지 않는다.  그러나 이렇게 분리된 각 가상랜간의 통신을 위해서는 레이어 3을 지원하는
   장비여야만 한다.

Figure 2.25 The Network-Based Virtual LAN