허브와 스위치의 개념 및 CSMA/CD 원리

허브 (Hub)

허브는 물리 계층의 장비로, 여러 호스트를 연결하는 포트 역할을 합니다. 네트워크 초창기에 많이 사용되었지만, 오늘날에는 거의 사용되지 않고, 스위치나 라우터로 대체되었습니다.

• 특징:
  1. MAC 주소 사용 X:
     허브는 데이터 링크 계층의 개념인 MAC 주소를 사용하지 않습니다
  2. 브로드캐스트 통신:
     주소 개념이 없어, 들어온 신호를 연결된 모든 포트로 내보냅니다. 이를 멀티탭과 비슷한 구조로 이해할 수 있습니다
  3. 반이중 통신:
     • 한 번에 송신 또는 수신 중 하나만 가능합니다 (무전기)
     • 무전기처럼 송신과 수신을 동시에 처리하지 못합니다. 따라서 두 호스트가 동시에 데이터를 전송하면 충돌이 발생합니다.

• 전이중 통신 : 허브와 반대되는 통신이며 송신과 수신이 동시에 이루어지는 통신입니다 (전화)

CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)

이더넷(Ethernet) 네트워크에서 데이터 전송 중 충돌을 감지하고 이를 해결하기 위한 프로토콜입니다. 특히 허브가 데이터를 브로드캐스트 방식으로 처리하면서 발생하는 충돌을 감지하고 관리하기 위해 사용하는 방식입니다.

• CS (Carrier Sense):
  데이터 전송 전에 호스트(노드)가 네트워크의 상태를 모니터링하여 네트워크가 비어있으면 데이터 전송을 시작하고 사용중이라면 네트워크가 비워질 때 까지 기다립니다.
• MA (Multiple Access):
  여러 호스트가 동시에 네트워크를 사용할 수 있습니다. 하지만, 이로 인해 충돌이 발생할 가능성이 생깁니다.
• CD (Collision Detection):
  데이터를 전송하는 동안 네트워크를 모니터링하여, 충돌이 발생하면 잼(Jam) 신호를 전송하여 충돌을 알립닏나. 충돌한 데이터는 삭제되며, 충돌한 노드들은 일정 시간 대기 후 데이터를 다시 전송합니다.

스위치 (Switch)

스위치는 허브의 한계를 극복한 데이터 링크 계층의 장비로, 전이중 통신을 지원하며 네트워크 성능을 향상시킵니다

• 특징:
  1. MAC 주소 사용:
     스위치는 MAC 주소를 학습하고 저장하여 목적지 호스트가 연결된 포트를 알아냅니다. 데이터를 수신한 후, 해당 호스트와 연결된 포트로만 전송합니다.
  2. 충돌 도메인 최소화:
     스위치는 각 포트가 독립된 충돌 도메인으로 동작하므로, CSMA/CD 방식이 필요하지 않습니다
  3. 전이중 통신:
     송신과 수신이 동시에 이루어질 수 있어 충돌 없이 데이터를 빠르게 전송할 수 있습니다
  4. 효율성:
     허브처럼 모든 포트로 신호를 내보내지 않고, 목적지 포트로만 데이터를 전달하여 네트워크 트래픽을 줄입니다

MAC 주소 학습 기능

포트에 연결된 호스트와 MAC 주소의 관계를 기억합니다. (몇 번 포트에 어떤 MAC 주소가 연결된 호스트인지)

MAC 주소 학습 기능은 MAC 주소 테이블을 바탕으로 진행됩니다. (포트와 MAC 주소의 매핑관계를 저장해둔 표)

다음과 같은 순서로 진행이 됩니다.

1. 플러딩 : MAC주소를 학습하지 않았을 때 허브와 같이 모든 포트에 프레임을 전송합니다
2. 포워딩과 필터링 : 어떤 포트로 내보낼지(포워딩) 내보내지 않을지(필터링)를 결정합니다
3. 에이징 : 특정 시간이 지나면 MAC 주소 테이블 항목을 삭제합니다

허브와 스위치의 비교

계층	물리 계층	데이터 링크 계층
주소 사용	사용하지 않음 (브로드캐스트 방식)	MAC 주소를 학습하고 사용
통신 방식	반이중 통신 (충돌 발생 가능)	전이중 통신 (충돌 없음)
충돌 도메인	모든 연결된 호스트가 같은 충돌 도메인	각 포트가 독립된 충돌 도메인
사용 여부	현대에는 거의 사용되지 않음	오늘날의 주요 네트워크 장비