amplengine님의 이글루

첫회에서 알아본 대로 아주 간단하게 PC와 PC를 연결한 것만으로도 네트워크는 구성된다. 하지만 인터넷이 확산된 이후의 네트워크는 통상 여러 대의 PC를 연결한 LAN을 외부 인터넷과 연결한 것까지를 말하는 경우가 대부분이다.
이렇게 인터넷과 연결된 네트워크를 구성하는 데 필요한 네트워크 하드웨어, 즉 네트워크 장비는 PC에 장착하는 LAN 카드와 여러 대의 PC를 연결하는 허브 또는 스위치, 이렇게 모여진 내부 네트워크를 인터넷과 연결시켜 주는 라우터, 그리고 마지막으로 이들 네트워크 장비를 연결하는 데 사용하는 케이블 정도이다.
물론 사용 환경과 목적에 따라 여러 대의 장비가 필요할 수도 있고, 좀 더 복잡하고 지능적인 장비가 필요할 수도 있다. 하지만 이런 장비들 역시 기본은 이 4가지 장비에 두고 있으므로 이해의 첫걸음은 여기서 시작해야 한다.

기본 중의 기본 네트워크 케이블
사실 케이블은 네트워크 하드웨어로 취급받지 못하는 경우가 많다. 별도의 조작이 필요없기도 하고 외형적으로 봐서는 케이블의 차이를 알기도 쉽지 않기 때문에 있는 대로 사용한다는 식이 많기 때문이다.
물론 네트워크에 사용되는 케이블은 종류도 많고 그 용도도 다양하다. 하지만 UTP(Unshielded Twisted Pair) 케이블을 제외한 대부분의 케이블이 현재는 특수한 용도 또는 아주 오래된 네트워크에만 사용되고 있기 때문에 케이블의 다양한 종류와 역사에 대해서는 흥미가 생길 때 알아봐도 무방하다. 따라서 여기서는 UTP 케이블에 대해서만 알아본다.
이더넷 환경에서 주로 사용되는 케이블은 TP(Twisted Pair) 케이블로, 그 중에서도 특히 UTP가 주를 이루고 있다. TP 케이블은 절연물질을 이용해 외부의 영향으로부터 차폐 효과를 거둘 수 있는가, 없는가에 따라 UTP(Unshielded Twisted Pair)와 STP(Shielded Twisted Pair)로 구분된다(그림 1, 2). STP는 차폐가 되는 장점이 있는 반면, 가격이 비싸고 설치도 까다롭기 때문에 특별한 용도가 아니면 잘 사용하지 않는다.
TP라는 이름에서 알 수 있듯이 TP는 선을 꼬으게 되는데, 그 이유는 선끼리 수평으로 있으면 전기적인 영향이 생겨 데이터 전송률이 떨어지는 문제가 발생할 수 있기 때문이다. 속도가 빠를수록 꼬임수도 많은데 10Mbps 속도의 카테고리 3는 12인치(1피트)당 3∼4회 정도 꼬였고, 100Mbps 속도의 카테고리 5는 1인치당 3∼4회로, 더 많이 꼬여 있는 것으로 알려져 있다.
UTP는 총 8가닥으로 구성돼 있는데, 청색, 오렌지색, 녹색, 갈색의 4가지 기본 색상과 이들과 각각 쌍을 이루는 4가닥의 흰색 선이 있다. 각각의 2쌍 중 한쌍은 전송을, 다른 한쌍을 수신을 담당하게 된다.

카테고리별 UTP 케이블의 특징
모양이 비슷하게 생겼다고 해서 UTP 케이블이 모두 같은 것은 아니다. UTP 케이블은 전송거리와 전송능력에 따라서 표준상으로 카테고리 1∼7로 구분된다. 일반적인 기업의 LAN 환경에서 많이 사용되는 케이블은 카테고리 5 케이블로, 100Mbps 이더넷까지 무리없이 사용할 수 있다. 하지만 기가비트 이더넷을 사용한다면, 카테고리 5E나 카테고리 6 케이블을 사용해야 한다. 최근에는 10기가비트 이더넷을 지원하는 카테고리 6A와 카테고리 7 케이블에 대한 관심도 높아지고 있다.
카테고리란 EIA/TIA-568 UTP 와이어링 표준 규격으로, 1991년 미국의 EIA/TIA는 상업용 건물의 구내 통신 표준(EIA/TIA 568 Commercial Building Telecommunications Standard)을 발표했는데, 이로써 건물 내 통신 케이블 표준이 자리잡게 된다. 미국의 EIA/TIA 표준은 이후 국제 표준 협회인 ISO의 구내 통신 표준의 모체가 됐으며, ISO의 구내 통신 표준은 현재 세계 각국의 구내 통신 표준의 모체가 되고 있다. 국내의 상업용 건물 구내 통신 표준(TTA 표준) 역시 ISO와 EIA 표준을 근간으로 발표된 것이다.
과거 카테고리 1으로 시작한 UTP 케이블은 20Kbps의 전송 속도를 냈다. 이후 카테고리 2, 3, 4를 거쳐 오늘날 가장 널리 사용되는 카테고리 5 케이블은 155Mbps의 속도를 보장한다. 일반적으로 카테고리 3 케이블은 음성 또는 저속 데이터용에 적합한 등급이며, 고속의 데이터는 카테고리 5 이상의 제품에서 지원한다.
그렇다면 주로 사용되는 카테고리 5와 카테고리 5E, 그리고 카테고리 6의 차이점은 무엇일까. 여러 가지가 있겠지만, 가장 중요한 것은 파워섬(PowerSum)을 고려했는가와 고려하지 않았는가에 있다.
파워섬이란 여러 쌍의 선을 사용할 때 일어나는 간섭량을 말한다. 파워섬을 고려한 제품은 전체 4쌍을 모두 사용할 수 있는 반면, 파워섬을 고려하지 않은 제품은 두 쌍 간에 발생하는 근단누화와 감쇠만을 고려했기 때문에 두 쌍 이상을 사용하는 것에 대해서는 성능을 보장할 수 없는 것이다. 좀더 쉽게 카테고리 5와 카테고리 5E의 차이를 설명하면, 카테고리 5가 4쌍 중에서 2쌍 만을 송수신을 위한 회선으로 사용되는데 반해, Cat 5E는 모든 4쌍 8가닥 모두를 송수신용으로 사용한다는 점이 다르다. 따라서 Cat 5E는 100MHz의 주파수 대역을 갖고 있는 카테고리 5에 비해 400MHz로 송수신이 가능함으로 그만큼 성능이 향상되는 것이다. 카테고리 6의 경우는 주파수 대역폭이 카테고리 5E보다 2배 더 높다. 또한 신호대 잡음비를 개선해 250MHz까지 송수신할 수 있다.

PC와 네트워크의 접점 역할 LAN 카드
LAN 카드는 이제 네트워크 장비라기보다는 PC의 기본적인 부품의 하나로 인식될 정도로 보편화된 요소다. 독립적으로 동작하지 않기 때문에 장비라고 하기는 무리가 있고, 또 최근에는 별도의 카드 형태로 구입하는 사용자도 드문 것이 사실이다.
LAN 카드의 정식 명칭은 NIC(Network Interface Card)다. 다시 말해 PC를 네트워크와 연결시켜주는 접점 역할을 하는 것이다. LAN 카드의 역할을 단순하게 설명하면, 컴퓨터의 메모리로부터 데이터를 가져와서 케이블로 보내고, 케이블로부터 받은 데이터를 컴퓨터 메모리로 보내는 것이다.
아주 단순해 보이지만, LAN 카드의 역할은 대략 8가지로 나눌 수 있다. 우선 호스트와 카드 간의 통신, 버퍼링, 프레임 형성, 직/병렬 전환, 엔/디코딩, 케이블 액세스, 접촉, 송수신이 그것이다. 동작 과정을 살펴보자.

① PC와의 통신 : 이 단계의 데이터 전송을 구현하는 방법은 현재 DMA(Direct Memory Access)와 공유 메모리 방식 두 가지가 주로 사용된다. DMA는 DMA 컨트롤러 칩이 CPU로부터 PC의 메모리와 NIC 간의 데이터 전송에 대한 제어권을 넘겨받아 작업을 하는 방식으로, PC의 CPU가 다른 작업을 할 수 있다. 공유 메모리 방식은 NIC의 메모리와 PC의 메모리를 하나의 메모리처럼 사용하는 것으로, 별도의 전송 과정이 필요없기 때문에 속도가 빠르다.

② 버퍼링 : NIC에서 데이터를 다른 NIC나 PC로 보내기 전에 임시로 저장하는 것이다. 데이터가 변환이나 전송 등의 처리보다 빠르게 NIC에 전송됐을 때, 다른 데이터를 처리할 때까지 임시로 저장한다.

③ 프레임 형성 : 프레임은 전송의 기본 단위로 파일이나 메시지는 전송을 위해 프레임으로 나눠 담게 된다. 상대편에서는 이런 프레임을 받아서 파일이나 메시지로 만든다. 프레임은 헤더와 데이터, 꼬리로 이뤄지며, 크기는 이더넷의 경우 1500바이트다. 프레임의 크기는 1KB에서 4KB 사이가 대부분이다. 하지만 기가비트 이더넷에서는 보다 큰 프레임 크기를 사용하기 위한 점보 프레임을 사용하기도 한다.

④ 직/병렬 변환 컨트롤러 : PC에서 데이터는 버스 폭에 따라 한 번에 8, 16, 32비트와 같이 병렬로 전달된다. 하지만 케이블을 통과할 때는 한 번에 1비트씩 전송되는 시리얼 형태를 취하므로 컨버전 작업이 이뤄져야 한다.

⑤ 인코딩/디코딩 : 케이블을 통해 전달되는 것은 디지털 데이터가 아니라 정보를 담고 있는 전기적인 펄스의 연속이다. 대부분의 NIC는 맨체스터(Manchester) 엔코딩을 사용한다. 시리얼 데이터는 비트 주기로 쪼개지고 각 주기는 다시 반으로 쪼개지며, 그 반과 반이 한 비트를 나타낸다. 각 주기는 양에서 음으로, 음에서 양으로의 전극 변화를 통해 1과 0을 나타낸다.

⑥ 케이블 액세스 : 이더넷의 경우 케이블이 비어있음을 확인하고, 동시에 전송하는 충돌을 감지하고는 데이터를 보낸다.

⑦ 전송 : 마지막으로 트랜시버에서 데이터를 전기적인 펄스 형태로 변환해 케이블로 내보낸다.

포트만 나와 있는 LAN 카드
LAN 카드는 현재 RJ-45 커넥터를 사용하는 UTP 형식의 이더넷이 업계 표준으로 정착하면서 일반적인 데스크톱 환경을 지배하고 있지만, 이외에도 토큰링이나, FDDI 등도 서버나 특수한 목적에 일부 사용되고 있다. 하지만, LAN 카드의 기본적인 기능은 동일하며, 미디어의 종류에 따라 커넥터의 종류가 바뀌기도 하고, 프로토콜에 따라 내부 구조의 차이가 조금 있을 뿐, 역할은 거의 동일하다.
최근 선보이고 있는 LAN 카드는 WOL(Wake On LAN), 관리, 보안 기능 등이 추가돼, 사용자의 편의를 돕는 경우도 있으며, ASIC을 통해 하나의 칩으로 모든 기능을 통합해 가격을 낮추고, 제품의 오류를 최소화 하는 방향으로 나가고 있다.
특히 최근에는 메인보드에 LAN 카드가 직접 내장돼 나오는 제품이 많기 때문에 별도의 LAN 카드를 구매하는 경우는 많이 줄어들었다. 때문에 별도로 구매하는 LAN 카드라면 노트북 등에서 사용하기 위한 USB 방식의 무선 LAN 카드 정도일 것이다.
현재는 100Mbps를 지원하는 100Base-TX가 가장 대중적인 LAN 카드이며, 튀어보이기 위해 기가비트 이더넷을 지원하는 LAN 카드를 내장한 제품도 나오고 있다.

LAN의 중심, 허브와 스위치
이제 PC마다 LAN 카드가 내장돼 있고, 케이블이 있다고 생각해 보자. 이제 이들을 하나로 묶어서 연결해 줄 장비가 필요한데, 그것이 바로 허브(Hub)와 스위치(Switch)다. 허브나 스위치는 가까운 거리의 컴퓨터들을 케이블을 이용해 서로 연결해 주거나 다른 허브와의 연결을 통해 네트워크 사이를 연결하는 역할을 담당한다. 허브와 스위치는 그 역할과 기능, 그리고 구조에 따라서 가격대만 수만 원에서 수천만 원을 넘는 것까지 아주 다양한 형태가 있다.
허브는 이름 그대로 LAN의 중심에 위치하면서 바큇살 모양으로 단말 장치를 접속하는 형태의 전송로 중계장치라고 할 수 있다(그림 4). 즉, 스타형 네트워크에서 통신하고자 하는 여러 컴퓨터들을 연결해 주는 장비가 바로 허브다. 허브에는 물리적으로 여러 포트가 있어 여러 컴퓨터들이 연결돼 있다.
일반적인 허브는 각 컴퓨터 간의 네트워크 연결이나 허브와 라우터 등 다른 네트워크 장비와의 연결, 그리고 신호 증폭 기능이 핵심 기능의 전부인 단순한 기능만을 제공한다. 과거에는 기본적인 기능만을 제공하는 허브를 더미 허브라고 하며, 여기에 네트워크 관리 기능을 추가한 것을 인텔리전트 허브라고 구분하기도 했지만 최근 들어서는 인텔리전트 허브는 일반적으로 스위치로 분류된다.
허브는 저렴하기는 하지만 문제는 다른 포트에서 주고받는 데이터들이 관계없는 포트에 연결된 포트까지 전해지는 비효율적인 통신 방법을 채택하고 있다는 점이다. 해서 이를 개선하고자 등장한 것이 바로 스위치다(그림 5).
스위치는 허브와 외형적으로 구분되지는 않지만, 내부적인 동작에서 가장 큰 차이점을 가지고 있다. 가장 큰 차이는 스위치는 포트에서 입력되는 출발지 MAC들을 자신의 MAC 테이블에 일정시간 기억한다는 점이다. 그래서 특정 MAC을 목적지로 하는 패킷이 오면 MAC 테이블을 찾아서 목적지로만 데이터를 보낸다. 즉, 허브가 하나의 공유 매체, 즉 버스로 내부가 구성돼 있는 반면에 스위치는 스위칭 구조(Switching Fabric) 자체가 달라 각 포트의 사용 대역폭을 최대한 보장하도록 만들어졌다.

스위칭 기술의 이해
대부분의 스위치들이 각 업체의 독특한 ASIC 기술을 이용해 제작되기 때문에 ASIC 칩의 설계와 그 칩의 입출력 버퍼를 포함해 스위치에 집적되는 방법 등은 스위치를 이해하는 데 중요한 요소다. 스위치의 차이점을 설명하는 데 있어 중요한 요소인 스위칭 구조에 대해 알아보자.

- 블록킹과 논블록킹 방식
일반적으로 스위칭 ASIC이 처리할 수 있는 최대의 대역폭이 각 포트의 대역폭의 합보다 클 때 이를 논블록킹(Non-blocking)이라고 하고, 이보다 작을 때를 블록킹(Blocking)이라고 한다.고속 버스 구조라고 불리는 논블록킹 방식에서는 스위칭 ASIC 칩들 사이에 고속의 데이터 버스가 연결돼 있다. 프레임이 이 버스에서 전송하기 적합한 형태로 변환된 후, 이를 통해 출력포트로 전송한다. 이 버스는 각 포트의 최대 전송 속도를 동시에 처리할 수 있어서 데이터 경로의 병목 현상이 없다.이런 블록킹과 논블록킹 구조는 일반적으로 스위칭의 매트릭스 구성을 어떻게 하느냐에 따라 매트릭스/크로스 바 구조가 결정되며, 메모리의 속도와 데이터 폭, 버스 속도와 데이터 폭에 따라 공유 메모리/공유 버스 구조가 결정된다.

- 컷스루 방식
컷스루(Cut-through) 방식은 이더넷 패킷의 MAC 어드레스만을 확인하고 바로 해당 목적지 포트로 전송하는 기법이다. 따라서 최저의 비용으로 스위칭 장비를 구성할 경우 버퍼 메모리를 두지 않을 수도 있다. 이 경우 MAC 어드레스만을 확인하고 전송하기 때문에 오류가 발생한 이더넷 패킷까지도 전송하는 경우가 발생해 전체 네트워크의 효율을 저하시킬 수 있는 요인이 되며, 서로 속도가 다른 포트간의 전송도 불가능하다.

- 축적전송 방식
축적전송(Store-and-Forward) 방식은 각 포트로부터 이더넷 패킷이 입력되면 일단 모든 패킷을 메모리에 저장하고, 저장된 패킷을 읽어 패킷의 오류 유무를 확인한 후 MAC 어드레스를 확인해 해당 목적지 포트로 전송하는 기법이다. 따라서 메모리에 저장하고 읽어내는 과정에서 패킷 전송의 지연 시간이 발생한다. 그러나 오류가 없는 패킷만을 전송하기 때문에 전체 네트워크의 효율을 높일 수 있으며, 메모리에 버퍼링한 후 전송하므로 서로 속도가 다른 포트간 전송도 가능하다. 10Mbps의 이더넷과 100Mbps 고속 이더넷이 공존하는 요즘같은 상황에서는 대부분의 스위칭 장비에서 이를 가장 효율적으로 제어할 수 있는 축적 전송 방식을 채택하고 있다.

- 매트릭스/크로스 바
매트릭스/크로스 바(Matrix/Cross bar) 방식은 각 입력단과 출력단을 포인트 투 포인트(Point-to-Point)로 채널을 구성하는 방식이다. 마치 여러 개의 도로가 하나의 교차로를 지나는 형태와 유사하다. 트래픽이 많지 않을 때에는, 컷스루로 알려진 방식으로 프레임을 버퍼에 저장하지 않고 출력포트로 전송할 수 있다. 그러나 트래픽이 많을 경우, 곧바로 출력 포트로 전송될 수 없으므로, 이를 저장하기 위한 입력 버퍼가 필요하다.

- 공유 메모리
공유 메모리 방식은 각 포트에 입력되는 모든 패킷을 동일한 버퍼 메모리에 저장한 후 다시 읽어내어 전송하는 방식으로 현재 가장 많이 사용되고 있는 방식이다.

- 공유 버스 방식
공유 버스 방식은 한 버스를 여러 포트가 공유해 패킷을 전송하는 방법으로 공유 메모리의 보조 기능으로 사용됐지만 현재는 거의 사용하지 않는 기술이다