L2 스위치의 MAC 기반 프레임 전달과 네트워크 설계

프레임을 목적지 포트로 보내는 장비

L2 스위치는 OSI 7계층의 데이터 링크 계층(Layer 2)에서 동작한다. MAC 주소를 보고 프레임을 전달하며, 트래픽을 관리하고 네트워크 세그먼트를 나누는 데 쓰인다. 모든 포트로 데이터를 내보내는 더미 허브의 제약을 보완하는 장비이기도 하다.

상위 계층의 정보는 판단 대상이 아니다. 스위치가 다루는 단위는 프레임이며, 전달 경로는 MAC 주소 테이블에 쌓인 정보로 결정된다.

MAC 주소가 담고 있는 정보

MAC(Media Access Control) 주소는 네트워크 인터페이스 카드(NIC)에 할당되는 물리적 주소다. 48비트(6바이트) 고유 식별자로 구성되며, 앞 24비트는 제조사 식별(OUI), 뒤 24비트는 제조사가 할당한 고유번호다.

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MAC 테이블이 포워딩 경로를 만든다

스위치는 포트와 MAC 주소의 매핑을 MAC 주소 테이블(CAM Table)에 보관한다. 테이블 엔트리는 일정 시간 뒤 자동으로 사라지며, 기본값은 300초다.

처음에는 테이블이 비어 있다. 프레임이 들어오면 스위치는 출발지 MAC 주소와 유입 포트를 기록한다. 이후 그 MAC 주소가 목적지인 프레임을 받으면, 학습한 포트로 전달할 수 있다.

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목적지에 따라 전송 방식도 달라진다.

유니캐스트 프레임은 MAC 테이블을 참조해 특정 포트로만 보낸다.
브로드캐스트와 멀티캐스트 프레임은 수신 포트를 제외한 모든 포트로 전송한다.
목적지 MAC 주소를 알 수 없으면 플러딩(Flooding)으로 수신 포트를 제외한 모든 포트에 전달한다.

포트마다 독립적인 충돌 도메인이 만들어진다는 점도 허브와 다르다. 포트 간 충돌이 발생하지 않고, 전이중 통신(Full-Duplex)으로 동시 송수신이 가능하다.

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지연과 오류 검출 사이의 선택

스위칭 방식은 프레임을 어느 시점까지 확인한 뒤 전달할지에 관한 선택이다.

스토어 앤 포워드(Store and Forward)는 프레임 전체를 받은 후 검사하고 전달하므로 CRC 오류를 검출할 수 있지만 지연 시간이 늘어난다. 컷 스루(Cut-Through)는 목적지 MAC 주소만 확인한 뒤 곧바로 전달해 지연 시간을 줄이는 대신 오류를 검출할 수 없다.

프래그먼트 프리(Fragment Free)는 프레임 앞부분 64바이트를 확인한 다음 전달한다. 충돌로 생긴 파편 프레임을 막고, 지연은 두 방식의 중간 수준이다.

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논리적 분리와 경로 제어

VLAN은 물리적 연결과 무관하게 네트워크를 논리적으로 나눈다. 브로드캐스트 도메인을 분리하고, 802.1Q 태깅으로 VLAN 정보를 전달한다. 보안성을 높이고 트래픽을 관리하는 수단으로도 쓰인다.

STP(Spanning Tree Protocol)는 이중화된 연결에서 발생할 수 있는 네트워크 루프를 막는다. 여러 경로 가운데 하나만 활성화하고, 장애가 나면 대체 경로로 자동 전환한다. 기본 STP(802.1D), RSTP(802.1w), MSTP(802.1s) 등의 버전이 있다.

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운영에서 활용되는 부가 기능

포트 미러링(Port Mirroring)은 특정 포트의 트래픽을 분석 포트로 복제한다. 네트워크 장애를 분석하거나 패킷을 점검할 때 활용하며, SPAN(Switched Port Analyzer)이라고도 한다.

QoS(Quality of Service)는 트래픽 우선순위와 대역폭을 관리한다. CoS(Class of Service) 필드로 프레임 우선순위를 설정하고, 음성·영상처럼 지연에 민감한 트래픽을 우선 처리한다. 구현은 802.1p 표준을 기반으로 한다.

링크 어그리게이션(Link Aggregation)은 여러 물리 링크를 하나의 논리 링크로 묶어 대역폭과 이중화 효과를 확보한다. LACP(Link Aggregation Control Protocol)를 지원하며, 802.3ad/802.1AX 표준을 기반으로 한다.

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접속을 제한하고 장애 확산을 막는 방법

포트 보안(Port Security)은 포트에 연결할 수 있는 MAC 주소를 제한한다. 승인되지 않은 디바이스의 접속을 차단할 수 있으며, 정적 구성과 동적 학습 방식을 지원한다.

MAC 필터링은 특정 MAC 주소의 통신을 허용하거나 차단하는 방식이다. 화이트리스트 또는 블랙리스트로 운영하며, 비인가 장치의 네트워크 접근을 제어한다.

브로드캐스트 스톰 제어는 과도한 브로드캐스트 트래픽을 제한한다. 특정 임계값을 넘으면 패킷을 폐기해 장애가 네트워크 전체로 퍼지는 상황을 막는다.

허브와 L3 스위치 사이의 역할

허브는 더미 허브 방식으로 모든 포트에 데이터를 전송하고 단일 충돌 도메인을 사용한다. L2 스위치는 MAC 주소를 바탕으로 필요한 포트에 프레임을 전달하며, 포트별로 충돌 도메인을 분리한다. 성능과 효율성 면에서 L2 스위치가 우수하다.

L3 스위치와 비교하면 L2 스위치는 MAC 주소 기반 스위칭에 집중한다. L3 스위치는 IP 주소 기반 라우팅과 MAC 주소 기반 스위칭을 함께 수행하며, 다중 브로드캐스트 도메인(서브넷)을 관리할 수 있다. L2 스위치는 단일 브로드캐스트 도메인을 다룬다.

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배치 환경에 따라 달라지는 구성

사무실에서는 부서별 VLAN으로 논리적 분리를 구성하고, 액세스 레이어에서 end-device를 연결한다. 상위 L3 장비와 연동해 계층적 네트워크를 만들며, 사용자 접근 제어와 트래픽 관리에 사용한다.

데이터센터에서는 서버 랙을 연결하는 ToR(Top of Rack) 스위치로 배치할 수 있다. 고속 업링크로 백본과 연결하고, 이중화 구성으로 고가용성을 확보한다. STP 또는 MC-LAG 등으로 루프를 방지한다.

교육기관에서는 강의실과 연구실별 VLAN을 분리하고 포트 보안으로 무단 접속을 막는다. QoS로 중요 애플리케이션 트래픽을 보장하며, 게스트 네트워크와 내부 네트워크를 분리할 수 있다.

장비 선정에서 확인할 조건

성능은 포트 수와 포트 속도(1G/10G/25G/100G), 백플레인 용량(Switching Capacity), 패킷 처리량(Throughput, pps), MAC 주소 테이블 크기로 판단한다.

운영 기능도 함께 봐야 한다. PoE(Power over Ethernet) 지원 여부, 관리 인터페이스(CLI, GUI, API), 스태킹(Stacking), 에너지 효율성(Green Ethernet)이 해당된다.

신뢰성과 확장성 측면에서는 MTBF(Mean Time Between Failures), 이중 전원 공급 장치 옵션, 팬 모듈 교체 가능 여부, 펌웨어 업그레이드와 지원 정책을 확인한다. 네트워크 규모와 요구사항에 맞춘 선택과 구성은 안정적인 운영의 기반이 된다.