[네트워크 기초] 스위칭(switching) 방법과 종류

네트워크 스위칭(Network switching)이란?

네트워크 장비를 통해 데이터가 목적지로 효율적으로 전달되도록 하는 기술입니다.
스위칭은 데이터를 분리된 경로로 나눠 전송하여 통신을 원활히 하고, 네트워크 자원을 효율적으로 사용하도록 도와줍니다.

 

스위칭의 필요성

• 여러 개의 장치가 있는 경우, 서로 데이터를 주고받게 하기 위해 선으로 연결.
• 모든 장치에 서로 링크로 연결되면 문제점이 발생
  • 장치가 많아질수록 비용이 많이 발생
  • 링크의 대다수는 유휴시간이 많아 효율이 저하됨
• 문제점 해결을 위해 여러 장치들을 스위치에 연결되도록 구성

 

스위칭 방식과 종류

 

1. 회선교환(circuit switching)

두 장치사이에 물리적인 선을 연결하는 방식
통신을 시작하기 전에 데이터를 주고받는 양 끝 사이에 고정된 경로를 설정하는 방식입니다.

특징

• 회선 연결시, 데이터를 주고받는 동안 계속 유지--> 자원이 연결되어있는 동안 계속 점유
• 두 장치 사이에 고정된 속도를 가짐
• 연결을 설정하는데 시간이 소요되며, 이후에는 지연시간이 없음
• 데이터 전송이 많은 경우 유용함

2. 메세지 교환(message switching)

전달할 메세지 전체를 한번에 인접 노드로 모두 전달
메세지를 수진하면 다음 노드로 메세지를 전달 --> store and forward

특징

• 유휴 링크는 다른 메세지 전송에 사용함으로 효율적임
• 각 노드는 메세지 저장공간 확보 
• 회선 스위칭보다 유연하지만, 모든 메시지를 임시로 저장해야 하므로 네트워크가 혼잡할 수 있음
• 대기 시간이 발생할 수 있고, 긴 메시지일수록 전송 속도가 느려질 수 있음

 

3. 패킷 교환(packet switching)

데이터를 패킷 단위로 나눠서 전송
패킷은 가장 효율적인 경로를 찾아 이동합니다.

header ==> 순서를 확인하기 위한 표식

 

특징

• 군집성있는 bursty한 트래픽 전송에 적합
• 두 장치가 하나의 전송속도를 갖지 않음 --> 우선순위 적용가능
• 회선 교환 방식은 링크에 문제가 발생하면 중간에 다른 링크를 선택 못함

3.1 데이터그램 방식(Datagram approach)

각 패킷이 독립적으로 전송되며 패킷마다 전송 경로가 다를 수 있습니다.
패킷은 목적지 주소를 포함하고 있으며, 네트워크 내에서 독립적으로 가장 효율적인 경로를 찾아 이동합니다.

 

 

특징:

• 비연결성: 패킷이 독립적으로 전송되므로 사전에 경로를 설정하지 않습니다.
• 자유 경로: 패킷이 목적지에 도달하기 위해 각기 다른 경로를 선택할 수 있습니다. 이는 네트워크 혼잡을 완화시키는 데 유리합니다.
• 패킷 순서 불확실성: 각 패킷이 다른 경로로 이동하기 때문에 수신자가 받은 순서가 송신 순서와 다를 수 있습니다. 패킷 순서 복구가 필요할 수 있습니다.

 

• 장점:
  • 효율성: 네트워크 상태에 따라 유동적으로 경로를 선택할 수 있어 혼잡도가 줄어들고, 네트워크 자원을 효율적으로 사용할 수 있습니다.
  • 유연성: 네트워크 장치가 특정 패킷 경로에 의존하지 않으므로 장애 발생 시에도 패킷이 우회하여 전송될 수 있습니다.
• 단점:
  • 순서 보장이 없음: 패킷 순서가 뒤바뀔 수 있으므로, 수신 측에서 원래의 순서를 복원해야 합니다.
  • 오버헤드 발생: 각 패킷이 목적지 주소와 같은 헤더 정보를 포함해야 하므로, 데이터 전송 효율이 떨어질 수 있습니다.
• 사용 예: IP 네트워크(인터넷)는 데이터그램 방식을 사용합니다.

 

 

3.2 가상회선 방식(Virtual Circuit Approach)

데이터 전송 전에 경로를 미리 설정하여 패킷이 설정된 경로를 따라 이동합니다. 이는 회선 스위칭과 유사한 방식으로 보이지만, 각 패킷이 독립적으로 전송된다는 점에서 패킷 스위칭 방식에 속합니다.

 

• 특징:
  • 연결성: 데이터 전송을 시작하기 전에 논리적 경로(가상회선)가 설정됩니다. 이후 모든 패킷은 이 경로를 통해 전송됩니다.
  • 패킷 순서 보장: 모든 패킷이 동일한 경로를 따라가므로 수신자가 수신한 패킷의 순서가 송신 순서와 일치합니다.
  • 경로 유연성 제한: 경로가 사전에 설정되어 있으므로, 네트워크 경로 변경에 유연성이 떨어질 수 있습니다.
• 장점:
  • 순서 보장: 패킷이 동일한 경로를 통해 전송되므로 데이터그램 방식보다 패킷 순서 복구가 간편합니다.
  • 저지연성: 경로가 고정되어 있어 경로 설정 시간과 전송 지연을 줄일 수 있습니다.
• 단점:
  • 유연성 부족: 사전에 경로를 설정해야 하므로 네트워크 상태가 변할 때 유동적으로 경로를 변경하기 어렵습니다.
  • 설정 시간 소요: 데이터 전송 전에 경로를 설정하는 시간이 필요합니다.
• 사용 예: X.25, 프레임 릴레이 네트워크에서 가상회선 방식을 사용합니다.

 

데이터그램과 가상회선 방식의 비교

항목	데이터그램 방식	가상회선 방식
경로 설정	사전 설정 없음, 패킷마다 경로 다를 수 있음	사전에 가상 경로 설정
패킷 순서	순서 보장되지 않음	송신 순서대로 수신
유연성	네트워크 혼잡 시 경로 변경 가능	경로가 고정되어 유연성 낮음
전송 지연	네트워크 상태에 따라 변동 가능	고정 경로로 인해 지연 일정

 

 

 

MPLS (Multiprotocol Label Switching)

네트워크 트래픽을 효율적으로 관리하기 위해 개발된 고성능 데이터 전달 기술입니다.
MPLS는 패킷의 목적지 주소 대신 레이블(label)을 사용하여 데이터를 전송하며, 패킷 스위칭 방식과 가상회선 방식을 결합한 형태입니다. 이를 통해 네트워크 효율성을 높이고 QoS(Quality of Service)를 제공할 수 있습니다.

 

 

• 패킷 라벨링 (Labeling): 패킷이 네트워크에 진입할 때, 첫 번째 MPLS 라우터(라벨 엣지 라우터, LER)가 해당 패킷에 레이블을 추가합니다. 레이블에는 목적지와 트래픽 클래스가 포함됩니다.
• 라벨 기반 전송 (Label Switching): MPLS 네트워크의 중간 라우터(라벨 스위치 라우터, LSR)는 목적지 IP 주소를 확인하지 않고, 레이블 정보를 바탕으로 경로를 결정해 패킷을 전송합니다.
• 레이블 제거 (Label Popping): 패킷이 목적지에 가까워지면 마지막 라우터가 MPLS 레이블을 제거하고, 패킷을 최종 네트워크로 전달합니다.