통신 장비 - 01. 물리계층 HUB

OSI 7 모델의 Layer 1(물리계층)의 장비인 Hub가 어떤식으로 동작하는지 보도록 한다.

 

먼저 물리계층에 대해 알아본다.

'물리'라는 단어에서 짐작할 수 있듯이, 통신 장비를 연결하는 케이블, 연결 장치와 같은 기계적이고 전기적인 항목을 담당한다.

물리 계층에서는 데이터를 bit(0과 1)로 전송하며, 통신 장비로는 허브와 리피터가 있다. 

 

허브 (HUB)

허브는 물리계층에서 동작하는 multiport repeater이다. 

이는 수신한 요청을 해당 허브에 연결된 모든 단말기로 전달하는 역할을 한다. 

이때 허브는 프레임이 담고 있는 정보가 무엇인지 인지하지 않는다.

 

Cisco Packet Tracer를 이용해서 다음과 같은 star 토폴로지를 구성하고 허브가 어떻게 동작하는지 테스트해 본다.

단말기 PC 4개에는 각각 192.168.1.10~192.168.1.13 의 아이피를 부여했다.

PC1 (192.168.1.11)에서 PC2 (192.168.1.12)로 ping 보냈고, 하나의 reply를 받기까지의 과정은 다음과 같다.

 (이 뒤로도 나올 arp 프로토콜은 L3에 해당한다. 특정 IP로 ICMP ping을 보내면서 L2의 mac 주소를 알아내기 위해 보내지는 것이다. 본 게시글에서는 hub가 Layer 1의 데이터를 어떻게 포워딩하는지를 중심적으로 보면 된다.)

 

1. PC1에서 PC2로 ping을 보내려면 PC2의 mac 주소를 알아야 한다. 하지만 해당 정보가 없으므로 mac 주소를 받기 위해 arp를 보낸다.

   

   Layer 2에 대한 정보가 없다.

2. Arp는 PC1에서 Hub에 도달하고, Hub는 자신에게 연결된 모든 포트로 Arp를 보낸다. (TARGET IP:192.168.1.12)
3. Target IP가 자신의 IP와 동일함을 확인한 PC2가 TARGET MAC으로 자신의 MAC 주소를 담아 HUB로 반환한다. (SOURCE MAC :0005.5E51.BE68 )
4. (약간 바보같은) 허브는 PC2로부터 받은 프레임을 PC0, PC1, PC3에 모두 보낸다. 
5. 패킷의 dest MAC 주소에 해당하는 PC1만 반응하여 icmp를 보내기 위한 준비를 끝마친다. (PC2의 mac을 알게 되었기 때문에) 그리고 드디어 icmp 요청을 HUB로 보낸다.
6. Hub는 암호화된 icmp 요청을 PC1을 제외한 모든 단말기에 보낸다. 이때 PC0, PC3은 dest MAC 주소가 자신의 것과 같지 않기 때문에 프레임을 drop 한다. 반면에 PC2에 들어가는 요청은 dest MAC과 수신할 포트의 MAC이 같기 때문에 복호화되어서 들어간다. 이때 Layer3의 정보(IP, ICMP msg)가 풀린다. 그리고 PC2는 icmp echo를 보낸다.
   

   

7. Hub는 PC2에서 온 프레임을 자신에게 연결된 모든 포트로 포워딩한다.

   

   PC2 -> Hub로 온 것인데 Layer1의 데이터만 있으며, hub는 자신의 모든 포트로 포워딩 한 것을 확인할수 있다. 

8. PC1만이 ICMP echo를 정상적으로 받는다. 그리고 앞서 ping을 여러번 하도록 명령했을 경우 다음 ping을 보내게 된다.

   

   ping reply가 들어왔으며, PC1의 arp 테이블에 pc2의 MAC 주소가 캐시되게 된다.

9. 이제 PC1은 PC2의 MAC 주소를 알기 때문에 다시 PC2로 ping할 때는 arp를 보낼 필요가 없다. 하지만 허브가 multiport-repeater이기 때문에 모든 단말기에 icmp 요청이 포워딩 되는것은 동일하다.

 

이렇게 허브의 동작 방식을 알아보았다. 

뭔가 비효율적인 동작 방식인 것 같지만 그래도 등장한 이유는 분명히 있다.

랜선으로 쓰는 10base-T UTP 케이블의 경우 100m의 전송거리를 가진다.

이때 허브를 이용하면 동일 대역대에서 전송 거리를 늘릴 수 있다.

위와 같이 허브를 통해서 연결하면 PC0에서 총 250m 떨어져 있는 PC4과도 통신을 할 수 있다.

그래서 허브의 도입과 동시에 UTP 형식의 10-Base-2 케이블의 사용이 활발해 졌다고 한다.

 

 

하지만 허브는 디바이스 간에 네트워크를 공유하게 되기 때문에 케이블의 대역폭을 백퍼센트 활용할 수 없게 된다.

따라서 전송 속도가 느리다는 단점이 있다.

 

그래서 근래로 올수록 Hub -> Bridge -> Switch로 대체 되게 되었다.