허브 (네트워크)

허브(hub)

허브(hub)란 여러 대의 컴퓨터와 네트워크 장비들을 연결하는 장치이다. 정식 명칭은 이더넷 허브(ethernet hub)이다. 허브는 네트워크 스위치(network switch)에 비해 속도는 느리지만 가격이 저렴한 장점이 있다. 스위치 가격이 하락하면서 기존의 허브는 대부분 사라지고 있다.

개요

허브는 '중심지'. '바퀴의 중심축', '거점' 의 뜻을 가지고 있다. 흔히 네트워크 장비를 지칭하고 넓게는 USB 허브, 교통(항공), 물류에서까지 의미를 담고 있다. 대중교통을 이용할 때 환승을 하게되는데 이와 비슷하게 하나의 컴퓨터가 다른 네트워크에 접속하기 위해서 허브를 거친다. 1970년 현재 흔히 사용하고 있는 컴퓨터의 모델의 첫 등장으로 인터넷, 네트워크, 상대방과의 상호통신이 늘어나고, 이에 따라 네트워크 구축 및 확대됨에 따라 라우터, 스위치, 허브 등의 물리적인 장치들이 개발되기 시작하였다. 비록 UTP 케이블을 사용하여 다른 PC의 네트워크와 1:1 연결이 가능하지만 1대 다수 방식의 연결은 불가하기 때문에 하나의 장치로 많은 컴퓨터를 서로 네트워킹하는 장비가 필요하게 되었다. 허브는 리피터 와 함께 OSI 7계층에서 제일 낮은 물리계층 장치로서, 여러 대의 PC를 하나의 근거리 통신망(LAN)에 연결하는 네트워크 장치이다. 흔히 이더넷 허브, 스위칭 허브(switching hub)라고도 부르며 성형구조(star topology)로 이루어져 있다. 여러 개의 포트로 구성되어 있고 포트의 개수에 따라 연결하는 컴퓨터의 수가 달라진다. 허브는 여러 개의 포트를 동시에 연결할 수 있어 멀티포트 기능을 가지고 있고, 단순 데이터를 전송하는 역할 또한 하기 때문에 리피터 기능을 가지고 있다. 또한, 멀티탭처럼 여러 개의 포트를 가지고 UTP 케이블과 PC 여러 개를 상호 연결하는 콘센트 레이트의 역할을 한다.

특징

분류

허브는 포트의 개수, 지원속도에 따라 분류된다.

• 더미허브(dummy hub): 초창기에 나온 허브를 가리키는 말이다. 컴퓨터와 컴퓨터를 연결해주는 일반적인 기능을 가지고 있다. 더미 허브는 주소가 없기 때문에 하나의 컴퓨터에서 신호를 보내면 허브에 연결된 모든 컴퓨터에게 신호가 가게 된다. 물론 다른 PC는 본인이 원하지 않은 신호임을 알아차려 신호를 버리게 되지만 이럴 경우 다른 컴퓨터들은 본인이 원하는 통신을 할 수 없게 되고 데이터 전송이 끝날 때까지 기다려야 한다. 따라서 허브의 연결이 많다면 원치 않는 데이터 정보를 받고 버리는 과정이 반복되어 데이터 송수신 시 충돌(collision) 일어나 네트워킹 속도가 느려지는 치명적인 단점을 가지고 있다. 이를 극복하기 위해 L2 계층의 장비의 하나인 스위치 기능을 합한 스위칭 허브가 탄생하게 되었다.
• 스위칭 허브(switching hub): 더미허브와 다르게 PC로부터 데이터 신호를 받게 되면 맥주소를 통하여 원하는 목적지에 전달한다. 스위치의 기능도 있기 때문에 허브에 연결된 다른 PC들과도 통신을 할 수 있다.
• 인텔리전트 허브(intelligent hub): 허브 내에 중앙처리장치(CPU)와 적은양 의 버퍼를 가지고 있어 네트워크 관리하는 시스템(NMS) 역할을 할 수 있다. 네트워크상에 있는 허브들의 상태, 데이터, 오류 등을 감독하고 판단을 내린다. 필요한 경우 원할한 통신을 위하여 충돌이 발생한 포트를 찾아 강제적으로 분리시킬 수 있다. 즉, 데이터 패킷 분석이 가능하다.
• 스택커블 허브(stackable hub): 여러 개의 허브를 층으로 쌓아 사용한다. 허브의 개수가 여러 개이니 당연히 컴퓨터와 데이터를 주고받을 때 한 개보다는 데이터의 경로 설정, 지름길을 찾을 수 있고 설령 충돌이나 오류가 일어난다고 해도 보다 효율적으로 데이터를 처리하게 된다.
• 패스트 이더넷(fast ethernet): 패스트 이더넷 포트를 이용한 포트로 속도는 100Mbps이다.
• 토큰링 허브(tokenring hub): 네트워크에서 정보를 주고받을 때 사용하고 하나의 토큰을 가진 PC만이 네트워크롤 통해 정보를 전송할 수 있는 기법이다. OSI 7 계층의 2계층 프로토콜 중에서 토큰링 기법을 사용한 것이다.

기능

허브는 서로 다른 컴퓨터를 근거리 통신(LAN)으로 네트워크를 연결하고 다른 네트워크 장비(라우터, 스위치)들 과도 연결이 가능하며, 네트워크의 상태가 안전한지 점검(인텔리전트 허브로 가능)한다. 만약 이더넷 허브에 10개의 PC가 연결되었다고 가정해보면, 10Mbps를 10개로 나누어 쓰기 때문에 속도는 1Mbps 가 된다. 컴퓨터와의 연결은 UTP 케이블을 사용하며 기본적으로 하나의 PC에서 데이터를 보내면 자신과 연결되어 있는 모든 PC에게 데이터를 보내는 기능이 있다. 이를 플로딩(Flooding) 이라 한다. 통신은 반이중방식을 사용하는데 이는 데이터 전송시 송신 측은 데이터를 보내고 수신 측은 오직 송신 측에서 보낸 데이터만 받는것을 의미한다. 스위치는 이와 반대로 전이중 방식을 이용하여 통신하며 데이터 전송시 송수신 측 둘 다 데이터 전송 및 수신이 가능하다. 이는 본래 허브가 1계층 장비이기 때문에 2계층이 가지고 있는 맥주소가 없어 데이터 송수신지를 구분하지 못하기 때문이다.

PC에서 원하는 네트워크 주소나 데이터 전송시 PC의 랜카드와 연결이 된 케이블을 통해 데이터 신호를 보내게 된다. 하지만 허브는 맥주소가 없고 다른PC가 원하지 않더라도 입력된 데이터를 브로드캐스팅(broadcasting) 방송을 하게 된다. 이렇게 데이터를 무분별 하게 보내게 되어 다른 PC들은 자신이 원하지 않은 데이터가 방송됨을 알고 데이터 패킷을 버리게된다. 이러한 과정이 누적되다 보면 데이터의 손실이 발생하고 다른 사용자 또한 본인이 원하는 데이터를 전송하는데 충돌이 발생하게 되어 네트워킹의 속도가 현저히 느려지 게되고 데이터 간에 서로 충돌이 발생이 되는데 이를 병목현상이라 한다. 이를 보안 하기 위해 2계층 장비인 스위치가 나타나게 되었다. 데이터 링크 계층에는 이더넷 통신 프로토콜, 토큰링, FFID, MAC 등이 담겨있다.

스위치

스위치

스위치(switch)는 네트워크 회선과 서버컴퓨터를 연결하는 네트워크 장비를 말한다. 전기 스위치와 구별하기 위해 네트워크 스위치(network switch) 또는 이더넷 스위치(ethernet switch)라고 한다. L2, L3, L4, L7 스위치 등이 있다. 허브와 기능이 유사하지만 네트워크 속도가 현저히 개선되었다. 스위치는 OSI 7계층 중 2계층(데이터 링크계층)으로 물리계층 데이터의 원활한 전송을 위해 오류와 흐름을 제어하한다. 1계층은 오류가 있든 없든 데이터를 보내기만 한다면 2계층은 데이터 전송 및 재전송 맥주소를 가지고 통신하게된다. 이 계층에서 통신을 하는 단위를 프레임 이라고 한다. 스위칭 허브는 말 그대로 기존의 허브에 스위치 기능을 추가했기 때문에 작동 기능과 원리가 허브와 유사한 부분이 있다. 스위치에 대해 자세히 보기

이더넷

이더넷(Ethernet)은 OSI 7 계층 중 2계층으로 개인 컴퓨터와 랜 사용을 촉진하기 위해 개발된 프로토콜이다. 로버트 멧칼프(Robert Metcalfe)가 박사 논문을 위해 공부했던 알로하 프로토콜(ALOHAnet)에서 영감을 받아서 만들어졌다. 이더넷 아이디어는 멧칼프가 1973년 5월 22일에 쓴 글에서 처음으로 밝혀졌다. 그는 "전자기파 전파를 위한 편재하는 완전 수동적 매체"로 존재할 것으로 예언된 루미 페루 에테르의 이름을 따서 명명했다. 몇 년이 지나서 실질적으로 고안된 이더넷이 요청되자 1976년에 멧칼프와 그의 조수인 데이비드 복스는 《Ethernet: Distributed Packet-Switching For Local Computer Networks》라는 책을 출간했다. 그는 DEC, 인텔과 제록스와 1980년 9월 30일 이더넷 표준(DIX)을 촉진하기 위해서 공동 작업을 성공적으로 납득시켰다.

이더넷이라 하면 흔히 인터넷 혹은 인터넷을 검색하다 발생하는 오타로 알고 있다. 이더넷은 컴퓨터 네트워크 기술의 하나로, 근거리 구간(LAN) 및 원거리구간(WAN)에서 가장 많이 사용되는 프로토콜 중 하나이다. 이더넷은 OSI 7 레이어의 2계층으로 물리적인 맥주소를 가지고 있고, 각 네트워크 장비마다 고유의 맥주소가 배정되어 있다. 이더넷은 이 맥주소를 가지고 있기 때문에 데이터를 보내는 수신자와 데이터의 목적지를 알고있고 상위계층에서 준 IP주소를 통해 목적지에 찾아가며 목적지에 실제 사용자가 있는지 확인을 하는 역할을 한다. 쉽게 말해 사람의 주민등록번호로 생각할 수 있고 어떤 네트워크 장치에 몇 번 포트인지 인식한다. 이더넷은 기술IEEE 802.3 버전으로 표준화가 되어있어 전 세계적으로 널리 사용되고 있으며, 토큰링, FDDI 등의 기술을 가지고 있다. 이더넷에 대해 자세히 보기

현시대에서 허브는 대부분 사용하지 않고 허브의 기능까지 포함한 스위치를 많이 사용한다. 이더넷 프로토콜은 충돌이 일어나지 않는다. 버스를 탈 때 사람들이 한 번에 몰려서 타면, 입구는 하나인데 여럿이 몰려 당연히 혼잡하게 되고 잘못하면 다칠 수도 있다. 데이터도 이와 같다. 허브는 PC를 하나의 장치로 모아 네트워크에 연결해주는 역할을 하는데 순서 없이 무작정 데이터를 보내고 받아들이게 되면 데이터 패킷이 혼잡하고 PC들의 데이터 용량도 많이 차지하게 된다. 이러한 혼잡을 방지하기 위해서 CSMA/CD 방식을 이용한 것이다. 버스를 이용하는 사람들은 얼마나 있는지. 버스의 배차 간격 및 속도는 어떠한지 버스를 타기 위해 기다리고 있는 사람은 얼마인지 알아야 충돌을 예비하고 본인이 원하는 목적지에 도달 할 수 있을 것이다.데이터의 충돌은 예방하지만 데이터 송신 시 프레임이 손실되고 오류가 발생하면 제어하는 역활은 가지고 있지 않다. 이는 상위계층에서 수행하게 된다. 집에서 사용하는 컴퓨터 뒷면에 보면 랜포트에 UTP 케이블로 연결된 것을 볼 수 있다. 이것이 인터넷을 연결하는 케이블 이며 보통 RJ-45 묘듈러 커넥터를 이용하여 연결한다. 컴퓨터의 포트안에는 랜카드가 구성되어 있고 이 랜카드안에 이더넷 기능이 있다.

발전과정

• 1977년: 동축 케이블 기반 이더넷 개발(10Base-5)
• 1985년: IEEE 802.3 동축케이블 기반 이더넷 표준화(10Base-5,10Base-10)
• 1990년: IEEE 802.3i UTP 기반 이더넷 표준화(10Base-T)
• 1995년: IEEE 802.3u 100Mbps 고속 이더넷 표준화(100Base-TX/FX)
• 1998년: IEEE 802.3z 1Gbps 이더넷 표준화(1000Base-SX/LX/CX)
• 2002년: IEEE 802.3ae 10Gbps 이더넷 표준화(10GBase-S/L/E)
• 2010년: IEEE 802.3ba 100G 및 40G 이더넷 표준화
• 2016년: IEEE 802.3bz: 2.5G 및 5G 이더넷 표준화(G 이더넷에서 널리 쓰이는 카테고리 5e 와 카테고리 6 케이블을 그대로 활용하여 속도를 올리고자 하는 목표로 만들어졌다. 10G로 바로 넘어가기에는 제약이 크기에 중간에 완충하는 효과를 기대할 수 있다)

특징

이더넷의 특징은 통신을 시작하기 전 사전호출이나 연결 설정이 없이도 데이터를 교환할 수 있다는 것이다. 단순히 목적지를 향해 주소를 포함하고 있는 프레임을 전송하고, 프레임에 손실이 발생해 폐기하는 경우 수신 측이 이를 검출해 송신 측에게 재전송을 요청한다. 비신뢰성 또한 이더넷의 특징이다. 데이터 프레임이 전송 중에 손상되더라도 이것을 발견하고 프레임을 폐기 후 재전송하는 등의 오류제어 역할은 이더넷보다 상위 수준의 프로토콜에서 수행된다. 이더넷은 매체접근 기능이 NIC(Network Interface Card)에 집중되며, 버스 혹은 스타 토폴로지와 같은 중앙집중식 구성으로 단순하여 제어방식을 최소화하여 단순하고, 경제적이다. 10Mbps 이더넷에서는 맨체스터 방식이 사용된다. 맨체스터 방식은 신호 자체가 동기화 정보를 전달하므로 신뢰성이 높지만, 전송률을 높이기에는 부적합하다. 전송속도가 향상되면서 100Mbps 이더넷부터는 4B/5B, 8B/10B, 64B/66B 등의 부호화 방식을 사용한다.

전송방식

이더넷의 전송방식은 CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access, Collision Detection)로, 이는 반송파를 감지하며 네트워크의 다중 접속을 지원하는 기술이다. 네트워크 데이터의 송수신권을 얻기 위한 기술로 경합방식으로 이루어진다. 다음과 같은 방식으로 순차적으로 진행한다.

1. 컴퓨터가 네트워크를 사용하기 전에 현재 네트워크에서 흐르고 있는 데이터패킷이 있는지 확인을 한다. (네트워크의 통신상태, 흐름 파악)
2. 네트워크상에 다른 데이터 패킷이 전송되고 있다면 데이터전송이 끝나는 시점까지 기다리고 그렇지 않을 때에는 전송을 바로 진행한다.
3. 여러 대의 PC가 동시에 데이터 패킷을 전송하여 데이터의 충돌이 발생하면 최소단위의 데이터 패킷을 다시 보내 다른 컴퓨터가 이를 알아차려 충돌을 방지 할 수 있게 한다. (데이터가 전송된 후에도 충돌 여부를 계속 감시한다, 데이터 충돌 시 임의의 시간을 기다리고 재전송한다는 의미이다. 약 15회정도 재전송 한다.)
4. 데이터가 처리될 때까지 임의의 시간 동안 기다리고 다시 반송파(데이터 패킷이 있는지 확인)를 보내 네트워크에 사용자가 없으면 전송을 재개한다.
5. 원하는 전송을 클리어하면 상위계층에 이를 알리고 종료한다. 만약 이 과정을 여러 번 시도함에도 전송에 실패하면 이 역시도 상위 계층에 정보를 전송하고 종료한다.이처럼 연결된 링크에서 여러 개의 네트워크들이 신호를 주고받게 되면 자신과 상관없는 네트워크의 신호나 데이터로 인해 충돌이 발생 할 수 있다. CSMA/CD 기술은 전송 전에 매체가 전송 중인지 확인하는 작업을 거쳐 노드 끼리의 충돌 가능성을 줄여주며 패킷의 충돌을 방지한다.

통신 매체를 사용하면 소수보다는 많은 다수의 사람이 여러 전송로를 사용한다. 비록 물리적인 장치와 네트워크 속도가 빠르고 좋다고 할지라도 패킷의 오류와 충돌이 있기 때문에, 시분할 다중화 방식을 사용하기도 한다. 동기 다중화 방식은 송수신 자 간에 서로 약속하여 다른 사용자에게 채널을 할당하지 않는다. 이는 한 사람에게 보낼 때 유용하며 비동기 다중화는 전송되는 데이터 내에 받을 사람을 구분하는 구분자를 첨가채널을 데이터로 가득 채울수 있는 장점이 있다.

이더넷 스위치

이더넷 스위치 즉, 허브는 이더넷의 맥(MAC) 주소와 CSMA/CD 기술을 이용한 프로토콜로 작동하게 되고 상위계층과 연결되어 네트워크 접속을 수행한다. 이더넷 스위치는 2계층 장비인 스위치 안에 이더넷 프로토콜이 있고 허브의 기능까지 포함되어 있는 것을 의미한다. 허브의 단점을 보완하기에 스위치 허브가 나오게 되었으며 현시대 대부분은 허브는 거의 사용하지 않고 스위칭허브를 사용한다. 이더넷 스위치는 허브와 목적이 거의 동일하지만, 훨씬 향상된 네트워크 속도를 제공한다. 이는 각 컴퓨터에서 주고 받는 데이터가 허브처럼 다른 모든 컴퓨터에 전송되는 것이 아니라, 데이터를 필요로 하는 컴퓨터에만 전송되기 때문에 가능하다. 따라서 허브처럼 병목 현상이 쉽게 생기지 않는다. 또한 대부분의 이더넷 스위치는 전이중 통신방식(full duplex)을 지원하기 때문에 송신과 수신이 동시에 일어나는 경우 훨씬 향상된 속도를 제공한다. 전이중 방식은 송수신자간에 서로 데이터를 동시에 주고받을 수 있으며 스위치의 기능을 살려 동시에 여러포트를 사용하여도 속도는 일정하다는 장점이 있다.스위치는 이 기능을 수행하기 위해 각 컴퓨터의 고유한 MAC 주소(테이블)를 기억하고 있어야 하며, 이 주소를 통해 어떤 데이터가 어디로 전송되어야 하는지 판단해야 한다.하지만 스위치를 이용하는 경우도 대량의 동시발송이나 스위치의 처리용량을 초과하는 데이터 흐름에 대해서는 취약할 수밖에 없으므로 커다란 네트워크의 경우는 VLAN 스위치나 라우터 등을 이용해 네트워크 자체를 분리해야 한다. 스위칭 허브(switching hub), 포트 스위칭 허브(port switching hub)라고도 불린다. 사실상 현재 나오는 스위치 대부분은 허브의 기능을 포함하고 있기 때문에 허브는 거의 사용하지 않고 스위치로 사용하고 있다.

이더넷 스위치는 일단 MAC주소가 있어야 하며 MAC주소에 따라 연결된 포트를 통해서 데이터를 네트워크로 보낸다. 따라서 허브보다 신뢰성, 안정성이 보장되고 충돌이 발생하지 않는다. 또한 네트워크의 속도는 향상되지만 단가가 비싸 MAC주소가 차지하는 데이터의 용량이 크다. 그리고 너무많은 PC를 스위치에 연결하게 되면 브로드캐스트 프레임을 사용하는 PC 장비들끼리 브로드캐스트 충돌이 발생되고 네트워크 속도가 느려진다. 이를 보안하기에 VLAN 을 사용한다.

참고자료

• 차재복, 〈Star type, Star Topology, Hub and Spoke 성형, 성형 토폴로지, 스타형, 성형 구조〉,《케이티월드》, 2019-02-02
• Proneer, 〈허브(HUB)〉, 《티스토리》, 2007-04-23
• 옥진혜 〈허브(HUB)〉,《티스토리》, 2016-02-02
• 이더넷 위키백과 - https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%9D%B4%EB%8D%94%EB%84%B7
• 폴크위네, 〈이더넷(Ethernet) 이란 무엇인가? (IEEE 803.2 Standard)〉, 《네이버 블로그》, 2016-07-24
• 멀티코어, 〈시스템 운영에 필요한 네트워크 지식〉,《티스토리》2018-11-19
• 토리대디, 〈네트워크 장비,허브(Hub),스위치(Switch),라우터(Router)개념 및 정리〉, 《티스토리》, 2020-03-05

같이 보기

• 스위치
• 이더넷
• LAN
• MAC
• CSMA/CD
• 라우터
• OSI 7 계층

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