[네트워크] 토폴로지, 네트워크 구현, 장치들

링크드인 러닝 네트워크 기초 강의를 듣고 공부한 내용을 정리해 보려고 한다.

 

토폴로지 (Topology)

토폴로지는 노드들과 연결된 회선들을 포함한 네트워크의 구성을 나타내는 개념이다. 크게 물리적 토폴로지와 논리적 토폴로지로 구분한다.

• 물리적 토폴로지(Physical Topology) : 노드, 링크와 같은 네트워크 구성 요소들에 의해 결정된다.
• 논리적 토폴로지(Logical Topology) : 노드 사이의 데이터 흐름에 의해 결정된다.

 

토폴로지는 그래프 이론에 따라 다음과 같은 종류들로 나누어 질 수 있다.

메시 토폴로지 (Mesh Topology)

메시 토폴로지는 망이나 그물 형태의 토폴로지를 의미한다. 완전 연결형(Full Mesh)과 부분 연결형(Partial Mesh)으로 나뉜다. 완전 연결형은 모든 장치들이 다른 모든 장치들과 연결되어 있는 경우이다. 모두가 연결되어 있기 때문에 모두 Redundancy(여분의 노드, 장애 발생 시 조치)를 제공하며 가격이 가장 비싸다. 복합 NIC와 케이블이 각각의 노드에 대해서 필요하다. 주로 WAN 환경에서 많이 발견된다.

부분 연결형은 모든 장치들이 최소 두 개 이상의 장치들과 연결되어 있는 경우이다. 100%는 아니지만 높은 Redundancy를 제공하며 Full Mesh 보다는 저렴하다. 이 역시 WAN 환경에서 많이 발견된다. 

메시 토폴로지는 장애에 강하고 안전하며, 목적지까지의 여러 경로 중 가장 빠른 경로를 이용하기 때문에 가용성과 효율성이 뛰어나다는 장점이 있다. 반면 가격이 비싸고 네트워크 관리가 복잡해서 힘들다는 단점이 있다.

 

버스 토폴로지 (Bus Topology)

버스 토폴로지는 모든 노드가 버스로 불리는 메인 케이블에 연결되어 있다. 한 번에 하나의 노드만 신호를 보낼 수 있다. 어떤 노드가 신호를 보냈는지를 결정해야 하는데 이 때 Contention(투쟁)이 사용된다. 신호와 관련 있는 장치들만이 주목하고, 그 외의 장치들은 그 신호를 무시한다. 즉, 본래의 신호에 코드화되어 있는 주소와 일치하는 주소를 가진 컴퓨터만 반응한다.

많은 노드가 활성화 될 수록 네트워크에서 충돌이 많이 일어나게 된다. 충돌 이후 노드들은 다시 신호를 보내기 시작한다. 만약 너무 많은 충돌이 일어나면 네트워크가 멈춘다. 일반적으로 30개 이하의 노드에서 사용하기를 권장한다. 가장 저렴한 토폴로지 방식이며 하나의 노드나 케이블이 전체 네트워크에 영향을 끼칠 수 있다는 단점이 있다.

버스 토폴로지는 구조가 간단하며 장치(컴퓨터)의 추가,제거가 용이하고 장치(컴퓨터)가 고장나더라도 전체 통신망에 영향을 주지 않아 신뢰성이 높은 장점을 가지고 있다. 반면 장애 발생 시 위치 추적이 어렵고, 버스의 연결 부위나 종단 장치에 문제가 발생하면 네트워크 전체가 중단되는 단점도 가지고 있다.

 

링 토폴로지 (Ring Topology)

모든 노드가 링 형태로 연결되어 있는 토폴로지이다. 컴퓨터를 하나의 원을 이루도록 연결하며 각 장치는 고유한 주소를 가지게 된다. 그리고 케이블로 고리를 형성하고 이 고리에는 네트워크 장비들을 설치한다. 패킷(신호)은 네트워크 주변을 링 형태로 돌며 이동한다. 각각의 노드는 신호를 보낼 수 있는 기회가 주어지며, 노드 간 연결은 없다. 높은 트래픽이 와도 네트워크가 멈추지 않으며 단지 속도를 조금 늦추게 된다. 그리고 하나의 손상된 노드나 케이블이 네트워크를 멈추게 할 수 있다.

링 토폴로지의 장점은 모든 장비에 똑같은 접속기회를 제공하며 네트워크 전송상 충돌이 적다는 점이다. 반면에 단점은 하나의 컴퓨터에 이상이 발생하면 전체 네트워크에 문제가 생기고, 노드의 추가 및 삭제가 용이하지 않다는 점이다.

 

스타 토폴로지 (Star Topology)

스타 토폴로지는 LAN에서 가장 많이 사용되는 토폴로지이다. 버스 토폴로지보다는 비싼데, 그 이유는 더 많은 케이블이 필요하기 때문이다. 하나의 손상된 노드로 네트워크가 멈추지는 않는다. 모든 노드는 중앙 허브나 스위치에 연결되어 있으며, 트러블슈팅하기 용이하다. 계층적 스타 토폴로지(Hierarchical Star Topology)의 경우는 하나의 실패 지점에 대해 취약하며 만약 전체 네트워크가 멈추면 중앙 장치에 문제가 생긴 것이다. 하나의 노드가 망가지면 그 노드가 문제인 것이다.

하이브리드 스타 토폴로지(Hybrid Star Topology)도 있는데 이는 일반 스타 토폴로지와 다른 토폴로지를 혼합한 것이다. 물리적 하이브리드 스타 토폴로지와 물리적-논리적 하이브리드 스타 토폴로지가 있다. 물리적 하이브리드 스타 토폴로지는 두 개 이상의 물리적 토폴로지를 가진 네트워크로 노드들은 스타로 연결되어 있고 스위치는 버스 형태로 연결되어 있다. 물리적-논리적 하이브리드 스타 토폴로지는 네트워크가 물리적으로 한 방향으로 보이지만 기능은 다르게 동작하는 것을 의미한다. 스타 토폴로지처럼 보이는 링 네트워크를 의미한다. 여기에는 허브를 사용한다. 스타 토폴로지처럼 보이지만 실제로는 버스 토폴로지처럼 동작한다.

스타 토폴로지의 장점은 장애 발견이 쉬우며, 하나의 장애가 다른 네트워크 장비에 영향을 주지 않는다는 점이다. 단점은 허브가 고장났을 때 전체 네트워크 충돌이 일어날 수 있고, 설치 비용이 비교적 비싸다는 점이다.

 

토폴로지에는 Point-to-Point 토폴로지와 Point-to-Multipoint 토폴로지가 있다.

• Point-to-Point 토폴로지 : 두 개의 노드가 직접 연결되며, 중간에 간섭하는 다른 장치가 없다. 두 개의 WAN 연결 끝을 연결하거나, 컴퓨터를 직접 스위치에 연결하거나, 스위치와 라우터를 서로 연결하기 위해 사용된다.
• Point-to-Multipoint 토폴로지 : 두 대의 컴퓨터를 교차하는 케이블로 연결할 때 사용된다. 하이브리드 시스템의 부분으로 사용되기도 하며 하나의 장치가 하나 이상의 다른 장치와 연결될 수 있다는 점을 빼면 나머지는 동일하다.

 

이번에는 네트워크 관리 모델을 살펴보도록 한다.

Peer-to-Peer Network

컴퓨터가 스스로 보안 및 관리를 책임질 수 있을 때 사용한다. 각각의 컴퓨터는 독립적인 장치로 관리된다. 주로 작은 네트워크에서 사용이 된다. 대부분의 가정 네트워크가 여기에 해당이 된다.

Client Server Network

모든 장치는 중앙 서버를 거쳐서 자원에 접근한다. 네트워크에 접근해야 하는 장치들을 클라이언트라고 하고, 그 접근을 통제하는 장치를 서버라고 한다. 서버에 의해서 네트워크가 관리되며 서버에 접근하는 과정에서 보안 장치가 작동한다. 서버에서 누가 네트워크 자원에 접근할 수 있는지 없는지를 관리하며 만약 서버가 멈출 경우 아무도 네트워크에 접근할 수 없다.

 

네트워크에 접근하기 위해서 컴퓨터들은 경쟁을 해야 할 때가 있다. 이 때 접근 방식에 따라 두 가지 종류로 나뉜다.

CSMA-CD(Carrier Sensing Media Access-Collision Detection)

주로 이더넷에 사용된다. 노드는 네트워크 트래픽을 감지한다. 만약 트래픽이 감지되지 않으면 노드는 네트워크에 패킷을 보낸다. 두 노드가 패킷을 동시에 보내게 되면 충돌이 발생한다. 충돌이 일어나면 두 패킷에 담긴 모든 데이터에 손상이 일어난다. 충돌이 안 일어나면 전송이 성공적으로 일어난다. 만약 충돌이 일어나면 모든 노드는 내부 시계를 랜덤한 시각으로 맞추고 각각의 시간이 지나면 다시 새로운 전송을 보낸다. 

CSMA-CA(Carrier Sensing Media Access-Collision Avoidance)

주로 와이파이에 사용된다. CSMA-CD와 비슷하게 동작한다. 데이터 패킷을 보내기 전에 경고 패킷을 보낸다. 다른 노드가 경고 패킷을 감지하면 전송하지 않는다. 만약 두 개의 경고 패킷이 동시에 전송되면 충돌이 일어난다.

 

인터넷과 인트라넷, 익스트라넷의 차이는 다음과 같다.

• 인터넷(Internet) : 전세계적으로 공공하게 접근할 수 있는 인프라를 가지고 있다. 이러한 인프라를 기반으로 다양한 서비스를 제공한다. 예를 들면 WWW, 이메일, FTP, VoIP, 비디오 스트리밍, 온라인 게임 등을 말이다.
• 인트라넷(Intranet) : 사적으로 접근할 수 있는 인프라를 가지고 있다. 일반적으로 하나의 회사나 기관, 또는 여러 회사들에 제한되어 있다. 인터넷처럼 여러가지 다양한 서비스를 제공한다.
• 익스트라넷(Extranet) : WAN 인프라를 사적으로 가지고 있다. 일반적으로 하나의 회사나 기관이 소유하고 있다. 특정 목적으로 네트워크 접근 시 비용을 내야 한다는 점이 인트라넷과의 차이점이다. 예를 들면 MS Azure나 아마존의 AWS 등이 있다.

 

네트워크 구현

네트워크를 구현하는 방식에는 다음과 같은 방법들이 있다.

• WAN(Wide Area Network) : 넓은 지역을 커버하는 하나의 큰 네트워크로, 대표적인 예시는 인터넷이 있다. 여러개의 작은 네트워크들이 연결되어 하나의 큰 네트워크를 이룰 수도 있다. 하나의 기업이나 조직에 의해서 네트워크가 구성될 수도 있다. 라우터와 스위치를 통해 네트워크를 연결한다.
• MAN(Metropolitan Area Network) : WAN과 같은 기술을 사용한다. 50km 정도를 커버하는데 이 단어는 WAN에 흡수되어 요즘은 잘 사용되지 않는다.
• LAN(Local Area Network) : 사이즈가 제한된 네트워크를 말한다. 하나의 방이나 빌딩 정도의 크기를 의미한다. 때로는 붙어 있는 여러 빌딩들을 커버하기도 한다. 일반적으로 꼬여있는 페어 케이블로 장치들을 연결한다. LAN 노드들은 스위치나 허브로 결합되어 있다. 
• WLAN(Wireless Local Area Network) : 무선 기술을 이용한 LAN을 의미한다. 대표적으로 Wi-Fi가 있다.
• PAN(Personal Area Network) : 개인적인 네트워크 영역을 의미한다. 주로 블루투스 기술을 위해 사용된다. 30피트(약 9m) 이하에 사용되도록 제한된다. 마우스나 키보드 연결 등에 사용이 된다.

 

네트워크 장치

NIC (Network Interface Controller)

컴퓨터나 다른 장치가 네트워크에 들어올 수 있도록 허용한다. 확장 카드의 형태이거나 본체에 심겨져 있다. 네트워크와 NIC를 맞춰 주어야 한다. 예를 들어 802.11n Wi-Fi를 사용한다면, 802.11n NIC를 사용해야 한다. 토큰 링 네트워크를 가지고 있다면 토큰링 NIC를 가지고 있어야 한다.

허브

OSI 모델의 1 계층에서 동작한다. 버스 토폴로지처럼 동작한다. 너무 많은 호스트가 있으면 충돌이 일어날 수 있다. Passive Hub, Active Hub, Inteligence Hub 등이 있다. 구식 기술로 최근에는 스위치에 의해 대체되는 경향이 있다.

브릿지

네트워크를 작은 단위로 쪼갤 때 사용되는 장치이다. OSI 모델의 2 계층에서 동작한다. 브릿지는 프레임을 읽어서 그들이 통과할 수 있는지를 결정한다.

스위치

스위치는 여러 컴퓨터를 연결할 때 사용되는 장치이다. OSI 모델의 2 계층에서 동작한다. 몇몇 스위치는 2 계층보다 높은 계층에서도 동작한다. 만약 하나의 계층 이상에서 작동하는 스위치라면 멀티레이어 스위치라고 한다.

기본 스위치는 본질적으로 멀티포트 브릿지이다. 포트들에 대해 장치들 간 Point-to-point 연결을 통해 네트워크 안에서 충돌이 없게 만든다. 미디어를 하나의 타입에서 다른 타입으로 변환하는데 사용된다. 이와 달리 Managed 스위치는 프로그래밍이 가능한 스위치이다. 데이터가 네트워크에서 어떻게 동작하는지 통제할 수 있다. 반면 Unmanaged 스위치는 기본 설정으로 주어지고 제한적인 설정안에서 변화만 가능하다.

라우터

라우터는 WAN과 같은 큰 네트워크 주변에서 데이터를 이동시킨다. 주로 OSI 모델 3 계층이나 4 계층에서 동작한다. 데이터 전송 시 독립적인 결정을 한다. 라우트를 결정할 때 고려하는 요소는 홉(Hops), 네트워크 트래픽, 네트워크 스루풋(throughput), 네트워크 안정성 등이 있다. 라우터도 스위치와 마찬가지로 프로그래밍이 가능하다.

 

참고자료

1. 링크드인 러닝 <Networking Foundation : Networking Basics>
2. sungks.tistory.com/268