Layer 3 스위치

LAN을 구축하는 경우, 일반적으로 망을 계층화하여 라우터에서 여러 개의 서브 망으로 분할한다. 각 서브 망은 LAN 스위치(Layer 2 스위치)와 허브로 구성된다. 하위 망간 또는 가상 LAN(VLAN)간 패킷 전송은 라우터가 처리한다.

라우터는 일반적으로 라우팅 처리를 소프트웨어로 실행하고 있으므로 처리 성능은 그다지 높지 않다. 그 때문에 LAN의 트래픽이 급증하면 라우터가 병목이 될 우려가 있다. 또한 기가비트 이더넷 등 고속의 LAN이 보급되기 시작함에 따라 이러한 고속 LAN 대응의 인터페이스를 구비한 라우터는 아직 소수에 머물고 있으며, 가격도 고가이다.

이러한 과제에 대응하는 제품으로서 ’97년경에 등장한 것이 Layer 3 스위치이다. Layer 3 스위치는 기능면에서 보면 라우터 기능의 서브 망을 가진 LAN 스위치라고 할 수 있다.

Layer 3 스위치 기술에는 ① MPLS(multi-protocol label switching), ② MPOA(multi-protocol over ATM), ③ 기존 소프트웨어로 실시하던 처리를 ASIC에서 고속화 한 것 등 세 가지 방식이 있다. ①과 ②의 방식은 대규모 망을 대상으로 한 것으로 여러 개의 망 기기가 상호 제휴하여 고속의 Layer 3 스위치를 실현하는 방식이다. Layer 3 스위치란 협의로는 ③의 방식을 가리킨다. 이하에서는 ③의 방식을 채용한 Layer 3 스위치에 대해 설명한다.

IP에 특화, 기능을 간략화하여 라우팅 지정

Layer 3 스위치는 라우터의 기능 가운데 대상 프로토콜을 IP에 한정하고, 복잡한 필터링이나 대역 제한(QoS) 등의 기능을 간략화해서 패킷 전송처리를 ASIC에서 실현하고 있다. 더욱이 기기를 구성하는 각 모듈에 ASIC과 그외의 CPU 및 메모리를 분산하여 배치하고, 라우팅 처리의 부하를 분산하여 고속화를 꾀하고 있다. 또한 특정 플로어를 검출하는 메커니즘을 갖추어 선두 패킷을 라우팅할 때 얻은 정보를 캐시에 보존하고, 나중에 읽은 패킷은 캐시정보를 사용하여 고속화하고 있는 예도 있다.

Layer 3 스위치는 IP 패킷을 다음과 같은 방법으로 라우팅한다(그림). 우선 라우팅 프로토콜을 이용하여 경로 테이블을 갱신한다. 이어서 패킷이 통과할 때마다 ① 홉 수(TTL값)를 하나 끌어내어, ② 체크섬을 재계산하고, ③ 패킷 수신처의 IP 어드레스를 본 후 MAC 어드레스를 갱신한다. 그때 수신처 노드의 MAC 어드레스를 사용한다. 다른 서브 망의 경우는 경유하는 다음 Layer 3 스위치를 경로 테이블에서 구하고, 그 MAC 어드레스를 설정한다. 송신처 MAC 어드레스에는 Layer 3 스위치 자신이 설정된다. 끝으로 해당하는 노드가 접속되고 있는 포트에서 IP 패킷을 송출한다.

WAN 접속 등의 경우에는 라우터를 사용

Layer 3 스위치의 각 제조업체는 그 고속성을 강조하기 위해 「와이어 스피드」라는 용어를 사용하기 시작했다. 종래의 소프트웨어 라우터의 경로지정 성능은 상위기(上位機)에서도 1Mpps (packet/s)이었으나, Layer 3 스위치에서는 수M∼수십Mpps, 지연 시간은 10마이크로 초 오더 이하로 고속이다.

LAN 스위치, Layer 3 스위치 및 라우터에는 각각 장단점이 있다<표 1>. 기업내 LAN에서 트래픽이 집중하는 곳이나 VLAN을 활용하고자 하는 경우 등에는 Layer 3 스위치를 사용하고, WAN과의 접속이나 IP 이외의 프로토콜을 사용하는 경우 그리고 안전성 기능이 요구되는 경우에서는 라우터를 이용하도록 하는 등 각각의 장점에 따라서 사용한다.

간단한 용어해설

☞ MPLS(Multi-Protocol Label Switching)

컷스루방식의 Layer 2 스위치 기술. ATM과 같은 접속형 망상에서 패킷의 전송 처리와 경로 계산 처리를 분리하여 고속 전송을 가능케 한다. MPLS는 노드 사이에서 종단된 접속을 망층의 경로정보에 따라서 관련 짓는다. 관련 지어진 접속은 「레이블」을 붙여 식별한다. 패킷 속의 경로 지정 정보에 「레이블」을 대응시키고, 레이블에 따라서 고속으로 경로 지정처리를 한다.

☞ MPOA(multi-protocol over ATM)

ATM 망상에 TCP/IP 등의 각종 프로토콜을 보내기 위한 프로토콜. 패킷 속의 경로 지정 정보에서 통신 상대를 찾아 그 상대와 가상 채널(VC)을 확립하여 데이터를 송출한다.

☞ ASIC(Application Specific IC)

특정 용도의 IC. 범용 프로세서가 아니라 제조업체가 특정 용도로 최적화하여 개발한 IC. Layer 3 스위치는 경로 지정 처리의 중핵 부분을 ASIC화함으로써 고속성과 저가격화를 실현하고 있다.

☞ 와이어 스피드

와이어로 접속된 것처럼 고속으로 지연없이 패킷을 처리할 수 있는 것을 의미하는 용어. 이론적으로 도착하는 최대수의 패킷을 저지연(수 마이크로 초 오더)으로 모두 처리할 수 있는 것을 가리키며,「무선(wireless)으로 처리한다」는 명분을 내세우는 제조업체가 많다. 최소 패킷 길이(64바이트)의 패킷 이론상 최대 도착수는 기가비트 이더넷(1G bit/s)의 경우는 1,488Kpps이고, 100M 이더넷(100Mbit/s)의 경우는 148.8Kpps이다. 예를 들면 기가비트 이더넷을 2포트, 100M 이더넷을 16포트 갖춘 스위치의 경우, 1,488 × 2 + 148.8 × 16 = 5,356.8Kpps의 스루풋이「와이어 스피드」가 될 수 있는 목표치가 된다. 지연 시간은 카달로그값에서는 10마이크로초 이하의 제품이 많다.