Network Components

네트워크를 구축하고 사용하는데 필요한 구성 요소들을 알아보아요

Reference: [책] IT 엔지니어를 위한 네트워크 입문

1. 네트워크 인터페이스 카드 (NIC)

• 흔히 랜 카드라고 부르는 부품의 정식 명칭은 **네트워크 인터페이스 카드 (Network Interface Card, NIC)**이다

  • NIC 외에도 Network Card, Network Interface Controller 라고도 부른다

• NIC는 컴퓨터를 network에 연결하기 위한 하드웨어 장치이다

NIC의 주요 역할

• 직렬화 (Serialization)

  • 네트워크 인터페이스 카드는 전기적 신호를 데이터 신호 형태로 또는 데이터 신호 형태를 전기적 신호 형태로 변환해준다

  • NIC 외부 cable에서는 전기 신호 형태로 data가 전송되는데 이러한 상호 변환 작업을 직렬화 라고 한다

• MAC 주소

  • 네트워크 인터페이스 카드는 MAC 주소를 가지고 있다

  • 받은 packet의 도착지 주소가 자신의 MAC 주소가 아니면 페기하고, 자신의 주소가 맞으면 system 내부에서 처리할 수 있도록 전달한다

• 흐름 제어 (Flow Control)

  • Packet 기반 네트워크에서는 다양한 통신이 하나의 채널을 이용하므로 이미 통신중인 data 처리 때문에 새로운 데이터를 받지 못할 수 있다

    • 이런 현상으로 데이터 유실 방지를 위해 데이터를 받지 못할 때는 상재방에게 통신 중지를 요청할 수 있고, 이 작업을 흐름 제어 라고 한다

Multifunction NIC

• 네트워크 전송 기술로 Ethernet만 사용되는 것은 아니다

  • Storage와 server를 연결하는 SAN (Storage Area Network) 구성용 Fibre Channel 표준이 있고,

  • Ethernet에서 storage network를 구성하기 위한 iSCSI protocol도 있다

  • 슈퍼 컴퓨터와 같이 여러대의 서버를 묶어 고성능 clustering을 구현할 수 있는 HPC (High Performance Computing) network에는 InfiniBand 기술도 사용된다

• 최근 이런 다양한 protocol이 Ethernet 기반으로 변화하고 있지만,

  • 아직도 이런 다양한 Protocol이 일부 network에서 사용 중이며

  • 이런 특수 network를 지원하고 가속할 수 있는 network card도 사용되고 있다

2. Cable and Connector

• 노트북이나 스마트폰, 태블릿에서 인터넷 연결을 위한 무선 사용 빈도가 점점 높아지고 있지만 회사 network에 접속하거나 server를 network와 연결하는 것과 같이 신뢰도 높은 통신이 필요한 경우에는 아직도 유선이 사용되고 있다

  • 이런 연결을 위해 제일 먼저 고려할 network 연결점은 cable이다

• Cable은 Twisted Pair, 동축 (Coaxial) cable, 광 (Fiber-optic) cable 3가지가 있다

  • 원하는 환경에 맞는 cable을 올바로 선택하려면 cable을 구성하는 기본 요소와 표준을 알아야 한다

2-1. Ethernet network 표준

• 현재 대중화되어 있는 Ethernet 표준은 기가 비트 이더넷과 10기가비트 이더넷이다

  • 일반 PC 같은 종단은 기가비트 이더넷을, data center의 server와 같은 종단은 기가비트나 10기가비트 ethernet을 주로 사용하고 있다

  • Server와 switch 간 연결을 10기가비트 Ethernet으로 구성할 경우, switch에서는 상위 switch와의 연결을 위한 업링크 대역폭을 확보하기 위해 40기가비트나 100기가비트 Ethernet을 사용한다

• Ethernet에서도 cable의 종류, encoder의 종류 등으로 세분화해 여러 가지 표준으로 나뉘지만 대중적으로 많이 사용되는 표준은 3가지이다

  1. 1,000BASE-T/10GBASE-T

     • Twisted pair cable을 이용하는 기가 Ethernet 표준이다

  2. 1,000BASE-SX/10GBASE-SR

     • Multi-mode 광케이블을 사용하고 비교적 짧은 거리를 보낼 수 있는 Ethernet 표준이다

  3. 1,000BASE-LX/10GBASE-LR

     • Single-mode 광케이블을 사용하고 비교적 긴 거리를 보낼 수 있는 Ethernet 표준이다

기가비트 Ethernet 표준 중 하나인 1,000BASE-T로 각 명칭의 의미를 설명하자면,

• 앞에 숫자 1,000은 속도를 나타낸다

  • 앞 숫자가 1,000이면 1,000Mbps 속도로 통신할 수 있는 networkDㅣ다

• 중간 문자는 채널의 종류에 대한 것으로

  • BASE는 단일채널 통신을 나타내고,

  • BROAD는 다채널 통신을 나타낸다

• 마지막 문자는 cable type을 나타낸은 것으로

  • T 문자는 Twisted Pair cable을 나타낸다

  • 마지막 문자에 의해 cable과 그에 맞춘 광신호, 트랜시버의 종류가 달라진다

2-2. Cable과 Connector의 구조

• cable은 물리적으로 cable 본체, connector, transceiver와 같은 여러 요소로 나뉜다

  • cable 본체는 Twisted Pair, 동축, 광케이블로 나뉘고

  • cable 본체의 종류에 따라 connector와 transceiver의 종류도 함께 달라진다

• Twisted Pair Cable의 경우 connector와 본체가 하나로 구성되어 있고, 별도의 transceiver가 없는 경우가 많다

• 광케이블은 다양한 속도와 거리를 지원해야 하므로 transceiver, connector와 cable을 분리하는 경우가 많다

2-3. Cable - Twisted Pair Cable

• 가장 흔히 사용하는 cable은 Twisted Pair cable이다

• Twisted Pair cable은 RJ-45 connector를 이용하고 cable 본체와 함께 연결되어 분리할 수 없다

• 컴퓨터나 server에 있는 LAN port에 끼우면 network에 연결된다

• Twisted Pair cable의 종류

  • 그물 형태의 shield가 있는 STP (Shielded Twisted Pair) cable

  • foil 형태의 shiled가 있는 FTP (Foil Twisted Pair) cable

  • shield가 없는 UTP (Unshielded Twisted Pair) cable

• shield가 twisted 된 pair마다 있는 경우와 전체 cable을 보호하기 위한 shield가 있는 경우에 따라 STP/FTP와 같은 cable이 사용되기도 한다

  • STP/FTP의 각 pair에는 foil로 shield되어 있고, 전체 cable을 보호하는 shield가 있는 cable이다

    • 이것은 내부 간섭과 외부 간섭 모두 잘 막아줄 수 있다!

• Twisted Pair cable의 등급

  • Twisted Pair cable은 category 단위로 cable 등급을 나눈다

  • 가장 많이 사용하는 cable은 category 5E cable 이다

    • 1G 속도를 지원하는 대중적인 cable로 desktop, laptop과 같은 일반 단말을 연결하는 데는 적합하지만,

    • data center와 같이 높은 대역폭을 지원해야 할 때는 적합하지 않다

2-4. Cable - 동축 케이블

• 동축 케이블은 cable TV와 ㅇ연결할 때 사용하는 두꺼운 검정 cable과 같은 종류이다

• 과거에는 LAN 구간에도 사용되었지만, 다루기 힘들고 고가이므로 잘 사용되지 않고 cable TV나 internet 연결을 위해서만 사용되어 왔다

  • 하지만 최근에는 10G 이상의 고속 연결을 위해 transceiver를 통합한 DAC (Direct Attach Copper) cable을 많이 사용하는데 이 cable은 동축 케이블 중 하나이다

2-5. Cable - 광케이블

• 광케이블은 일반적으로 다른 구리선 (UDP, 동축) 보다 신뢰도가 높고, 더 먼 거리까지 통신할 수 있어 높은 대역폭을 요구하거나 먼거리를 통신해야 하는 network 장비 간의 통신에 주로 사용된다

• cable은 저항 때문에 생기는 감쇄와 주위 자기장의 간섭으로부터 보호받아야 하는데 광신호를 기반으로 한 광케이블은 이런 감쇄와 간섭으로부터 비교적 자유롭다

• 광케이블은 Single mode와 Multi mode 2가지로 나뉜다

  • Single mode

    • 먼 거리 통신을 지원하기 위헤 cable 굵기가 매우 가늘고, 신호를 보내는 광원으로 레이저를 사용한다

      • 레이저는 다른 빛에 비해 먼 거리를 퍼지지 않고 직진하는 성질이 있다

    • 하나의 레이저 신호로 가느다란 전송로를 통과하므로 single mode라고 부른다

    • 반사 각도가 작은 single mode가 훨씬 더 먼 거리로 전송할 수 있다

    • single mode cable은 노란색이다

  • Multi mode

    • single mode에 비해 비교적 굵은 cable을 사용하며 광원으로 LED를 사용한다

      • LED 광원은 레이저보다 쉽게 구현할 수 있어 multi mode cable과 transceiver 모두 가격이 single mode보다 저렴하다

    • 넓은 광 전송로에 여러 가지 광원이 전송되므로 multi mode 라고 한다

    • multi mode cable은 **주황색 (1G)**과 **하늘색(10G)**이다

2-6. Connector

• connector는 cable의 끝부분으로 network 장비나 network card에 연결되는 부분이다

• Twisted Pair cable에서는 RJ-45 connector를 사용하지만 광케이블은 다양한 connector가 있다

  • 광케이블은 주로 LC connector가 사용되고, S3 connector가 일부 사용된다

  • server에 광케이블을 사용하는 경우, network 연결 요청 시 connector type을 network 담당자에게 알려주어야만 적합한 cable을 사용할 수 있다

2-7. Transceiver

• Transceiver는 외부 신호를 computer 내부의 전기 신호로 바꾸어준다

• Tranceiver가 별도로 구분되지 않던 과거에는 다양한 Ethernet 표준과 cable을 만족하기 위해 network 장비나 NIC를 별도로 구매해야 했다

  • cable이 변경되면 network 장비와 NIC도 함께 변경해야 하는 문제를 해결하고 서로 다른 다양한 network 표준을 혼용해 사용할 수 있도록 transceiver를 사용한다

• Tranceiver 중 하나인 **GBIC (지빅)**은 초기 개발된 module 이름이고 이후 SPF나 **SPF+**와 같은 상위 표준이 나왔지만

  • 일반적으로 tranceiver 전체를 GIBC으로 통칭해 부르기도 한다

• 정확히 구분하자면,

  • **GBIC (GigaBit Interface Converter)**은 SC type connector 를 연결할 수 있는 interface이다

    • SC type connector는 광케이블에 주로 사용되는 connector이다

  • SFP (Small Form-Factor Pluggable는 LC type connector를 연결 할 수 있다

• Transceiver 없이 전용 interface를 사용하면 길이나 속도마다 다른 network 장비나 NIC를 별도로 구매해야 하지만,

  • Transceiver만 변경하면 통신 길이와속도를 조절할 수 있어 최근 생상되는 대부분의 network 장비와 NIC는 transceiver를 지원하고 있다

3. Hub

• Hub는 cable과 동일한 **1계층 (Physical Layer)**에서 동작하는 장비이다

• Hub는 거리가 멀어질수록 줄어드는 전기 신호를 재생성해주고, HUB라는 용어 그대로 여러대의 장비를 연결할 목저으로 상요된다

• Hub는 단순히 들어온 신호를 모든 port로 내보내 netowrk에 접속된 모든 단말이 경쟁하게 되므로 전체 network 성능이 줄어드는 문제가 있고,

  • packet이 무한 순환해 network 전체를 마비시키는 loop와 같은 다양한 장애 원인이 되어 hub는 현재 거의 사용되지 않고 있다

4. Switch

• Switch는 Hub와 동일하게 여러 장비를 연결하고 통신을 중재하는 2계층(Data Link Layer) 장비이다

• Switch는 Hub의 역할과 통신을 중재하는 2가지 역할을 모두 수행하므로 Switching Hub라고도 불린다

• Hub는 단순히 전기신호를 재생성해 출발지를 제외한 모든 port에 전기 신호를 내보내지만,

  • Switch는 Hub와 달리 MAC 주소를 이해할 수 있어 목적지 MAC 주소의 위치를 파악하고 정확한 목적지가 연결된 port로만 전기 신호를 보낸다

    • ex) A, B, C, D server가 있을 때 A에서 C로 통신해야 하는 상황에서

      • Hub는 A가 전기신호를 보내면 출발지 Port를 제외한 HUB에 있는 모든 port인 B, C, D에 전기 신호를 흘리지만,

      • Switch는 C로만 전기신호를 보낸다

        • B, D는 이번 통신의 영향을 전혀 받지 않아 그 사이 다른 통신을 동시에 수행할 수 있게 된다

• Hub는 무전기처럼 송수신을 동시에 할 수 없고 한쪽 방향으로만 동작하지만,

• Switch는 전화기처럼 송수신을 동시에 할 수 있다

5. Router

• Network 크기가 점점 커지면서 먼 지역에 위치한 network와 통신해야 하는 요구사항이 늘어나면서 router가 필요해졌다

• Router는 OSI 7계층 중 **3계층 (Network Layer)**에서 동작하면서 먼 거리로 통신할 수 있는 protocol로 변환한다

• Router는 원격지로 쓸데없는 packet이 전송되지 않도록 broadcast와 multicast를 control하고, 불분명한 주소로 통신을 시도할 경우 이를 버린다

  • 정확한 방향으로 packet이 전송되도록 경로를 지정하고 최적의 경로로 packet을 forwarding 한다

    • 즉, router의 역할은 network 주소 확인 후 경로 지정이다

• 최근 일반 사용자가 Router 장비를 접하기는 어렵지만, router와 유사한 역할을 하는 L3 Switch와 공유기는 쉽게 찾아볼 수 있다

6. Load Balancer

• 일반적으로 Load Balancer는 OSI 7계층 중 **4계층 (Transport Layer)**에서 동작한다

• application layer에서 application protocol의 특징을 이해하고 동작하는 7계층 Load Balancer를 별도로 **ADC (Application Delivery Controller)**라고 부른다

• L4 Switch라고 부르는 network 장비도 load balancer의 한 종류로, switch처럼 여러 port를 가지고 있으면서 load balancer 역할을 하는 장비를 지칭한다

• Load Balancer는 4계층 port 주소를 확인하는 동시에 IP 주소를 변경할 수 있다

• Load Balancer가 가장 많이 사용되는 service는 Web이다

  • Web server 를 증설하고싶을 때 load balancer를 web server 앞에 두고 web server를 여러 대로 늘려준다

    • 대표 IP는 load balancer가 갖고, load balancer가 각 web server로 packet의 목적지 IP 주소를 변경해 보내준다

  • 이런 원리를 이용해 여러 대의 web server가 동시에 동작해 서비스 성능을 높여주는 동시에

  • 일부 web server에 문제가 발생하더라도 빠른 시간안에 서비스가 복구되도록 도와준다

    • 이런 기능을 위해 load balancer는 IP 변환 외에도 service health check 기능이나 대용량 session 처리 기능이 있다!

7. 보안 장비 (방화벽/IPS)

• 대부분의 network 장비는 정확한 정보 전달에 초점이 맞추어져 있지만,

  • 보안 장비는 정보를 잘 제어하고 공격을 방어하는데 초점이 맞추어져 있다

• 방어 목적과 보안 장비가 설치되는 위치에 맞추어 다양한 보안 장비가 사용된다

• 일반적으로 가장 유명한 보안 장비는 방화벽이다

  • 방화벽은 OSI 7계층 중 **4계층 (Transport Layer)**에서 동작해 방화벽을 통과하는 packet의 3, 4게층 정보를 확인하고,

  • packet을 정책과 비교해 버리거나 forwarding 한다

8. 기타 (모뎀/공유기)

8-1. 공유기

• 거의 모든 가정이나 작은 회사에서 사용하는 공유기는 2계층 switch, 3계층 router, 4계층 NAT와 방화벽 기능을 한곳에 모아놓은 장비이다

• 공유기 내부는 Switch 부분, 무선 부분, Router 부분 회로로 나뉜다

  • 겉으로는 하나의 장비처럼 보이자만 내부저긍로는 크게 switch와 무선 AP, Router 로 구분되는 복잡한 장비이다

8-2. Modem

• Modem은 짧은 거리를 통신하는 기술과 먼 거리를 통실하는 기술이 달라 이 기술들을 변환해 주는 장비이다

• 공유기의 LAN (Local Area Network) port와 WAN (Wide Area Network) port는 모두 일반 Ethernet에서 100m 이상 먼 거리로 data를 보내지 못하므로 먼 거리 통신이 가능한 기술로 변환해주는 modem이 별도로 필요하다

• 통신사업자 netowrk 종류와 쓰이는 기술에 따라 여러 종류의 modem이 사용된다

  • 기가 인터넷의 경우 대부분 FTTH (Fiber To THe Home) modem을 사용하고,

  • 동축 케이블 인터넷은 Cable modem,

  • 전화선을 사용할 경우 ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) modem, VDSL (Very high bit-rate Digital Subscriber Line) modem 을 사용한다