허브 (네트워크)

허브(hub)란 리피터와 함께OSI 7계층에서 제일 낮은 물리계층에 장치로서, 여러 대의 PC를 하나의 근거리 통신망LAN에 연결시키는 역활을 하는 네트워크 장치 이다. 흔히 이더넷(Ethernet) 허브, 스위칭(Switching) 허브 라고도 부르며 성형구조(Star Topology)로 이루어져 있다.

성형구조 설명

개요

사전에서 찾아본 허브(hub)의 의미는 '중심지'. '바퀴의 중심축', '거점' 의 뜻을 가지고 있다. 흔히 네트워크 장비를 지칭하고 넓게는(Wide) USB허브, 교통(항공), 물류에서 까지 의미를 가지고 있다. 우리가 대중교통을 이용할때 환승을 하게되는데 이와 비슷하게 하나의 컴퓨터가 다른 네트워크에 접속하기 위해 사용되는 물리적 장치이다. 여러개의 포트로 구성되어 있고 포트의 갯수에 따라 연결하는 컴퓨터의 수가 달라진다.

등장배경

1970년 현재 우리가 흔히 사용하고 있는 컴퓨터의 모델의 첫 등장으로 인터넷, 네트워크, 상대방과의 상호통신이 늘어나고 이에 따라 네트워크 구축 및 확대됨에 따라

라우터,스위치,허브등의 물리적인 장치들이 개발되기 시작하였다. 비록 UTP 케이블을 사용하여 다른PC의 네트워크와 1:1 연결이 가능하지만 1대 다수 멀티사용자들과의 연결은 불가하기 때문에 하나의 장치로 많은 컴퓨터를 서로 네트워킹하는 장비가 필요하게 되었다.

허브 그림

종류

• 더미허브: 초창기에 나온 허브를 가르키는 말이다. 컴퓨터와 컴퓨터를 연결시켜주는 일반적인 기능을 가지고 있다. 더미 허브는 맥주소가 없기때문에 하나의 컴퓨터에서 신호를 보내면 허브에 연결된 모든 컴퓨터에게 신호가 가게된다. 물론 다른 PC는 본인이 원하지않은 신호임을 알아차려 신호를 버리게 되지만 이럴경우 다른 컴퓨터들은 본인이 원하는 통신을 할 수 없게되고 데이터 전송이 끝날때 까지 기다려야 한다. 따라서 허브의 연결이 많다면 원치않는 데이터정보를 받고 버리는 과정이 반복되 데이터 송수신시 충돌(Collision) 일어나 네트워킹 속도가 느려지는 치명적인 단점을 가지고 있다. 이를 극복하기 위해 나온것이 L2 계층의 장비의 하나인 스위치 기능을 합한 스위칭 허브이다.

• 스위칭 허브: 더미허브와 다르게 PC로 부터 데이터 신호를 받게되면 MAC(Media Access Control)주소를 통하여 원하는 목적지에 전달한다. 스위치의 기능도 있기때문에 허브에 연결된 다른 PC들과도 통신을 할 수 있다.

• 인텔리전트 허브: 다른 허브의 상태를 지능형(intelligent) 허브로 허브 내에 중앙처리장치(CPU)와 작은양의 버퍼를 가지고 있어 네트워크 관리하는 시스템(NMS)역활을 할 수 있다. 네트워크 상에 있는 허브들의 상태(Status), 데이터, 오류등을 감독하고 판단을 내린다. 필요한 경우 원할한 통신을 위하여 충돌이 발생한 포트를 찾아 강제적으로 분리시킬 수 있다. *데이터 패킷분석이 가능하다는 이야기*

• 스텍커블 허브: 스택(stack) 여러개의 허브를 층으로 쌓음으로 사용한다. 허브의 개수가 여러개니 당연히 컴퓨터와 데이터를 주고받을때 한개보단 데이터의 경로 설정, 지름길을 찾을 수 있고 설령 충돌이나 오류가 일어난다고 해도 보다 효율적으로 데이터를 처리 하게 된다.
• 패스트 이더넷: 패스트 이더넷 포트를 이용한 포트로 속도는 100Mbps 이다.

• 토큰링 허브: 네트워크에서 정보를 주고받을때 사용하고 하나의 토큰을 가진 PC만이 네트워크롤 통해 정보를 전송 할 수 있는 기법이다.

OSI 7계층의 2계층 프로토콜 중에서 토큰링 기법을 사용한 것 이다.

허브의 특징

기능

• 멀티포트,리피터 옆의 그림에서와 보듯이 여러개의 포트를 가지고 있는것이 허브이다. 이를 멀티포트라 이야기하고 단순 데이터를 전송하는 역활을 하는 리피터의 기능도 있기때문에 흔히 허브의 기능을 말하면 멀티포트와 리피터 기능이 있다고 말한다. 멀태탭처럼 여러개의 포트를 가지고 PC 하나하나에 나누어 쓰는것을 콘센트레이트 라고 한다.

• 플로딩(Flooding):만약 이더넷허브에 10개의 PC가 연결되었다고 가정해본다. 하면 10Mbps를 10개로 나누어 쓰기때문에 속도는 1Mbps 가 된다. 컴퓨터와의 연결은 UTP 케이블을 사용하며 기본적으로 하나의 PC에서 데이터를 보내면 자신과 연결되 있는 모든 PC에게 데이터를 보내는 기능이 있다. 이를 플로딩 이라 한다.

• 통신방식은 반이중 방식을 사용하는데 이는 데이터 전송시 송신측은 데이터를 보내고 수신측은 오직 송신측에서 보낸 데이터만 받는것을 의미한다.

스위치는 이와 반대로 전이중 방식을 이용하여 통신하며 데이터 전송시 송수신측 둘다 송신 발신을 할 수 있다. 이는 본래 허브가 1계층 장비 이기 때문에 2계층이 가지고 있는 MAC주소가 없기 때문에 데이터 송수신지를 구분하지 못한다.

• 문제점그리하여 데이터를 무분별하게 보냄으로 쌓이는 데이터가 많아 충돌이 자주발생하며 네트워킹의 속도가 현저히 느려지게된다. 이를 병목현상이라 한다. 현재생활에서 가장많이 사용하는 허브 이더넷 허브 스위치 허브 등등 이 있고 최근에는 허브의 병목현상을 보안하기위해 스위칭 허브가 나타 나게 되었다.
  

  스위치 그림참조

스위치

스위치란 OSI 7계층중 2계층(데이터 링크계층)으로 물리계층 데이터의 원활한 전송을 위해 오류와 흐름을 제어하는 장치이다. 앞서 말한 1계층은 오류가 있든없든 데이터를 보내기만 한다면 2계층은 데이터 전송 및 재전송 맥주소를 가지고 통신하게된다. 이 계층에서 통신을 하는 단위를 프레임 이라고 한다. 스위칭 허브는 말그대로 기존의 허브를 보안했기때문에 작동 기능과 원리가 유사한 부분이 있다.

역사

이더넷 프로토콜이란 OSI 7계층중 2계층(데이터 링크계층)으로 개인 컴퓨터와 LAN사용을 촉진하기 위해 로버트 멧칼프가 박사 논문을 위해 공부했던 ALOHAnet에서 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 실제적으로 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.

이더넷(Ethernet)은 컴퓨터 네트워크 기술의 하나로, 근거리구간(LAN) 및 원거리구간(WAN)에서 가장 많이 사용되는 프로토콜 중 하나이다. 이더넷은 OSI 7 Layer의 2계층으로 물리적인 MAC 주소를 가지고 있다. 각 네트워크 장비마다 고유의 맥주소(매체 접근 주소)가 배정되어 있다. 이더넷은 이 맥주소를 가지고 있기때문에 데이터를 보내는 수신자와 데이터의 목적지를 알고있고 상위계층에서 준 IP주소를 통해 목적지에 찾아가고 목적지에 실제 사용자가 있는지 확인을 하는 역활을 한다. 쉽게말해 사람의 주민등록번호로 생각 할 수 있고 어떤 네트워크 장치에 몇번 포트인지 인식한다. 이더넷은 기술IEEE 802.3 버전으로 표준화가 되어있어 전 세계적으로 널리 사용되고 있으며, 토큰 링, FDDI 등의 기술을 가지고 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 - 1G 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.

CSMA/CD 기술

CSMA(Carrier Sense Multiple Access) 는 네트워크 데이터의 송수신권을 얻기위한 기술로 경합방식으로 이루어진다. 하나의 링크에서 여러개의 네트워크들이 신호를 주고받게 되면 자신과 상관없는 네트워크의 신호나 데이터로 인해 충돌이 발생 할 수 있다. 이를 먼저 예비하기에 반송파 다중접속방식을 사용하는것이다. 먼저는 매체를 공유하기전 데이터의 움직임을 보고 동작하고 있다면 데이터의 송신이 끝나기를 기다린후 전송하게 된다. 네트워크가 동시에 접속하여서 데이터를 송신 한다면 충돌이 일어난다. CSMA는 전송전에 매체가 전송중인지 확인하는 작업을 거쳐노드끼리의 충돌 가능성을 줄여주며 패킷의 충돌을 방지한다. CD(Collision DetectionCD) 는 충돌 처리 절차 추가를 추가하여서 데이터가 전송된 후에도 충돌여부를 계속 감시한다. 데이터 충돌 시 재전송을 하며 임의의 시간을 기다린후 다시 전송을 시도(15회정도)

통신 매체 를 사용 하면 소수보다는 많은 다수의 사람이 여러 전송로를 사용을 한다. 비록 물리적인 장치와 네트워크 속도가 빠르고 좋다고 할지람도 패킷의 오류와 충돌이 있기 때문에, 시분할 다중화 방식을 사용하기도 한다. 동기 다중화 방식은 송수신자 간에 서로 약속하여 다른 사용자에게 채널을 할당 하지 않는다. 이는 한 사람에게 보낼때 유용하며 비동기 다중화은 전송되는 데이터 내에 받을 사람을 구분하는 구분자를 첨가채널을 데이터로 가득 채울수 있는 장점이 있다.(랜덤으로 보낼 때 유리함).

이더넷 스위치(허브)

이더넷 스위치(허브) 위에서 말한 이더넷의 맥주소를 이용한 프로토콜로 작동하게 된다. 허브의 단점을 보안하기에 스위치 허브,스위칭 허브가 나오게 되었으며 현시대 대부분은 허브는 거의 사용하지않고 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 포함하고있기 때문에 허브는 거의 사용하지않고 스위치로 사용하고 있다.

참고자료

• 차재복 〈Star type, Star Topology, Hub and Spoke 성형, 성형 토폴로지, 스타형, 성형 구조〉,《케이티월드》, 2019-02-02
• 옥진혜 〈허브(HUB)〉,《티스토리》, 2016-02-02
• 위키 백과 〈이더넷〉, 《위키백과》2020-07-10
• 멀티코어 〈시스템운영에 필요한 네트워크 지식〉,《티스토리》2018-11-19