라우터 스위치 탄생 역사 및 기술 분석

글로벌 네트워크라는 의미를 물리적으로 풀어보면 전 세계에 분산되어 있는 라우터와 스위치의 통신이라고 표현할 수 있다. 이전에는 통신 사업자나 기업용 네트워크 장비로 자리 매김되고 있있던 라우터는 브로드밴드로 접속하는 가정의 네트워크에도 친밀한 존재가 됐고, 현재는 보안 기능이나 무선 LAN 기능 등의 다양한 기능을 탑재한 라우터도 흔히 볼 수 있다.

 

이러한 네트워크의 핵심이라고 볼 수 있는 라우터가 어떠한 경위로 등장했는지, 또 라우터의 핵심적인 기능인 라우팅(경로 설정)에 특화된 L3 스위치가 어떻게 탄생했는지를 기업 네트워크 시장의 변화를 돌아 보면서 내력을 살펴 볼 필요성이 있다. 

 

 

 

 

라우터의 중심이 되는 기능은 OSI 참조 모델의 네트워크 레이어(L3) 라우팅으로 라우터의 탄생은 네트워크 계층의 프로토콜과 깊은 연관이 있다는 것을 예상할 수 있다.

 

프로토콜 : 장치간에 정보를 주고받을 때의 통신 방법에 대한 규칙과 약속, 언어 규약

 

상용 라우터가 탄생한 1980년대 군사 / 학술 네트워크로부터 발전한 상용 네트워크는 호스트 컴퓨터와의 접속에 사용되는 X.25 나 SNA(Systems Network Architecture) 라는 프로토콜이 주로 이용되고 있었다. 당시 학술 연구와 관계된 일부의 기업만이 인터넷에 접속하고 있었기 때문에 일반 기업이 인터넷에 접속하거나 사내 네트워크가 구축된 곳은 거의 존재하지 않았다. 당시 기업내 네트워크를 구축했던 곳은 세계 각국에 거점을 두고 있는 글로벌 기업이나 네트워크 그 자체를 비즈니스 타겟으로 하고 있는 네트워크 관련 기업 등으로 한정되어 있었다.

 

X.25 : 패킷 교환망에서 DCE(회선 종단 장치)와 DTE(데이터 단말 장치) 사이에 이루어지는 상호작용을 규정한 프로토콜

 

당시의 네트워크는 회선 사업자로부터 방대한 회선을 일괄적으로 빌린 기업이 거점간을 전용선으로 잇거나 X.25, 또는 독자 프로토콜을 사용하는 패킷 데이터 교환망을 구축해 시스템 관련 부서 등에 한정된 접속을 제공했었다. 이것이 당시의 WAN 서비스.

 

이 WAN 접속으로 사용되고 있던 물리적인 라인은 2심 아날로그선이다. 기업내에는 우선 날로그 모뎀에 접속되어 앞에는 시리얼로 접속된 호스트 컴퓨터나 단말 제어 장치로 불리는 데스크탑 컴퓨터를 묶는 특수한 기기에 접속되고 있었다.

 

현재 WAN의 대역폭은 1Gbps~10Gbps로 점차 증가하고 있지만 당시의 통신 속도는 최대 9,600bps였고, 요즘처럼 각 가정에 PC가 보급되지 않았으며 일부의 헤비 유저만이 PC 통신(BBS) 이라고 불리는 컴퓨터 네트워크에 2,400bps나 9,600bps의 아날로그 모뎀을 사용해 다이얼로 접속했다. 당시의 네트워크 구성은 중앙 거점을 중심으로 한 완전한 허브＆스포크형 이었지만 취급하는 데이터량과 유저수가 적었기 때문에 트래픽을 감당하기에도 충분했다. 물론 이 단계에서 라우터는 일반적인 기업 네트워크에 등장하고 있지 않았다.

 

 

 

 

 

분기점이 된 것은 프레임 릴레이(frame relay)의 탄생이다. 당시 사용되고 있던 X.25 등의 WAN 프로토콜은 품질이 나쁜 회선상에서 확실하게 데이터를 전송 시킨다는 개념이 베이스였다. 이 때문에 네트워크층의 프로토콜(PLP：Packet Layer Protocol등)을 사용해 전송시 잘못된 제어나 재발송 처리를 하고 있었다. 그러나 이 방식으로는 통신상의 오버헤드가 큰 것이 난점으로 부각됐다.

 

프레임 릴레이(frame relay) : 기존 X.25의 패킷전송기술을 고속 데이터통신에 적합하도록 개선한 통신기술. 패킷통신의 효율성과 전용회선이 지닌 고속전송의 특성을 결합한 것으로 광대역 종합정보통신망인 ATM의 전단계로 평가되며 고정된 대역폭을 갖는 X.25에 비해 유연하고 효율적인 대역폭을 갖고 에러 제어 기능과 흐름 제어 기능을 단순화시켜 네트워크의 성능을 높인다.

 

이 후 회선 품질의 향상이라고 하는 순풍을 받아 트래픽량이 증대하기 시작하고 전송 효율을 높이기 위해 재발송 처리등을 간략화한 프레임 릴레이(frame relay)가 1995년경에 등장했다. 그 당시 기업내 LAN을 구축하는 것이 일반적으로 시작되어 기업 네트워크를 크게 변화시켜 나갔다.

 

프레임 릴레이(frame relay)는 최대 수Mbps 의 회선 속도를 실현, 같은 시기에 등장한 LAN 용 애플리케이션인 전자 메일이나 파일 서버등의 통신을 WAN 경유로 실현하는 것을 가능하게 했다. 다만 그러기 위해선 기업내에서 주로 사용되기 시작한 토큰링, Ethernet, FDDI(Fiber-Distributed Data Interface) 등의 통신 미디어와 네트워크층의 프로토콜인 AppleTalk 나 NetWare(IPX：Internetwork Packet eXchange, SPX：Sequenced Packet eXchange)와 시리얼 통신 미디어로 동작하는 프레임 릴레이(frame relay)를 프로토콜에 융합시키는 구조가 필요했다. 그 역할을 담당하기 위해 태어난 것이 바로 라우터.

 

이전의 라우터는 현재와 같은 박스형이나 샤시형의 전용 모델이 아닌 다수의 인터페이스를 탑재한 중·대형 컴퓨터의 내부에 탑재되고 있었다. 하지만 요즘은 전용 제품으로서 제품화에 성공한 시스코 시스템즈(Cisco Systems), 주니퍼 네트웍스라고 하는 벤더의 기기가 주로 사용되고 있다. 현재는 다양한 기능을 탑재한 라우터가 제공되고 있지만 당시의 라우터에 요구된 기능으로는 주로 미디어/프로토콜 변환과 네트워크층의 라우팅이었다.

 

이후 라우터는 보다 많은 물리 인터페이스를 지원하게 됐다. 예를 들면 고정적인 WAN 회선의 백업으로서 사용되기 시작한 BRI/PRI 인터페이스(ISDN), 보다 고속의 시리얼 전송을 실현한 HSSI(High Speed Serial Interface)등으로, 프로토콜 변환의 기능도 큰폭으로 확충되고 있다.

 

 

 

 

 

 

 

한편, 시대의 흐름에 따라 새로운 네트워크 요구도 발생했다.그것은 Ethernet(10 Mbps), 토큰링(8/16 Mbps), FDDI(100 Mbps) 등에 비교하여 WAN 회선을 효율적으로 사용하기 위한 구조로서 이 요구를 해결하기 위해 기업의 WAN 접속 부분에 설치된 라우터를 프록시와 같이 로컬 종단 시키는 것으로 여분의 트래픽을 WAN에 흘리지 않는 매우 복잡한 소프트웨어 처리가 필요했다. 라우터는 이 기능을 탑재하는 것으로 기업 네트워크의 요구를 적절하게 수용했지만 소프트웨어 처리로 동작하는 라우터의 퍼포먼스에도 한계가 보이기 시작했다.

 

기업 네트워크에서 TCP/IP가 폭발적으로 보급하는 계기가 된 것은 마이크로소프트가 만반의 준비를 해 투입한 Windows 95의 등장이었다. 그때까지 기업내의 PC로 주로 사용되고 있던MS-DOS나 Windows 3.1은 네트워크 기능을 표준으로 지원하지 않고, 써드파티 소프트웨어를 별도로 도입해야만 LAN 환경을 구축할 수 있었다.

 

Windows 95는 TCP/IP 스택을 표준으로 탑재하고 있었기 때문에 용이하게 LAN 접속이 가능해졌다. 이것으로 기업 네트워크는 WAN 회선을 개입시킨 완전한 중앙 집중형 클라이언트/서버 모델로부터 각 거점내에서 종단 하는 분산형 통신 모델로 형태를 크게 진화해 갔다. 당시의 기업 네트워크 설계는 흐르는 트래픽량의 기준으로 WAN 트래픽：LAN 트래픽 = 7：3 정도의 비율이 일반적인 기준이였고 WAN의 퍼포먼스≒기업 네트워크의 퍼포먼스라고 하는 식이 성립되고 있었다. 라우터에 대한 소프트웨어 처리의 요구가 증가하고 있었다고는 말하지만 종단 WAN 회선이 가늘었기 때문에 라우터의 처리 능력이 병목이 될 일은 없었다.

 

 

TCP/IP : 패킷 통신 방식의 인터넷 프로토콜인 IP (인터넷 프로토콜)와 전송 조절 프로토콜인 TCP (전송 제어 프로토콜)로 구성, HTTP, FTP, SMTP등 수많은 애플리케이션 프로토콜이 TCP 위에서 동작하기 때문에 TCP/IP로 통칭

 

이런 흐름속에 LAN 환경에 극적인 변화가 나타나기 시작했다. 매우 고가였던 PC가 일반인들도 구매할 수 있는 수준으로 가격이 낮아지면서 기업은 1명 : 1대의 환경이 일반적으로 시작되어 대부분이 네트워크에 접속하게 된 것이다. 이런 기반 환경으로 하나의 LAN 환경으로 설계되어 온 세그먼트(segment) 마다 허브를 배치, 각각의 세그먼트(segment)를 라우터로 접속하는 형태가 확산됐다. 즉, LAN 세그먼트(segment)간의 트래픽 전송이라고 하는 새로운 역할을 라우터가 담당하게 된 것이다.

 

 

 
그러나 Ethernet(CSMA/CD：반송파 감지 다중 액세스/충돌 검출 방식)의 한계나 오피스내의 레이아웃 변경에 수반되는 네트워크 배선 변경시의 유연성 등에 새로운 문제가 발생했다. 이러한 문제를 해결하기 위해 L2 스위치와 VLAN(Virtual LAN)이라는 기술이 파생됐다.

 

LAN 내에 단말기가 증가하기 시작하면서 서버를 중심으로 한 1대 다 통신 형태보다 다대 다의 통신 형태가 되는 애플리케이션이 증가해 그 결과 동일 세그먼트(segment)내에 트래픽이 혼잡해지는 상황이 발생했다. 이것을 동시에 접속된 단말기의 MAC 주소에 근거해 Ethernet 상에서 중계하는 역할을 실현한 L2 스위치는 CSMA/CD의 기술적인 문제를 해결했다.

 

이후 VLAN 기술이 등장, L2 스위치의 효율성을 증가시킬수 있었다. 이때까지 각 세그먼트(segment) 마다 허브나 L2 스위치가 배치되고 있었지만 각 세그먼트(segment)가 내포 하는 단말기 수의 차이에 따라 포트의 사용률이 균형적이지 않아 불필요한 엑세스가 많았고, 한정된 공간에서 계속 증가하는 네트워크 단말기의 수를 얼마나 억제하는가 하는 점도 하나의 큰 명제였다. 이것을 VLAN 으로 효율적인 포트 사용이 가능하게 되어 고밀도 L2 스위치를 사용해 이러한 물리적인 문제를 해결할 수 있게 된다.

 

그러나 LAN 트래픽의 급증에 의해 세그먼트(segment)간의 L3 라우팅이 병목이 되는 문제가 부상하기 시작했다. 이 문제에 대응하기 위해선 단순한 WAN 회선 수용을 목적으로 한 엔트리 클래스의 라우터는 처리 능력이 따르지 못하기 때문에 높은 스펙의 고가 모델을 사용하지 않을 수 없게 됐다. 또 증가하는 세그먼트(segment)에 대응하기 위해 라우터의 인터페이스 수를 늘려야 하기 때문에 LAN 인프라의 투자 금액 증대가 큰 문제로 부각 되고 있었다.

 

당시는 현재와 같이 IEEE 802.1Q 나 IEEE 802.3 ad로 대표되는 물리 회선을 효율적으로 이용하는 기술은 없었고 다 기능화 된 라우터 소프트웨어 그 자체도 처리 능력이 한계에 이르고 있었다.

 

 

 

 

 

 

이러한 상황에서 등장한 것이 바로 L3 스위치다. L3 스위치는 L2 스위치 기능과 L3 라우팅 기능을 1개의 장치에 포함하는 것으로 병목 현상이 되고 있던 L2 스위치와 라우터의 접속 부분을 고속 내부 버스로 바꾸는 것에 성공했다. 또, 라우팅(routing table의 Lookup 처리) 전용으로 개발된 ASIC(IC 칩)으로 처리하여 트래픽 처리의 고속화를 도모할 수 있게 됐다. 

다만 L3 라우팅 기능을 ASIC화 했을 경우 라우터와 같이 멀티 프로토콜화 하는 것은 매우 어렵고 비용이 상승되어 사양 변경 등에도 수월하게 대응할 수 없는 문제가 있기 때문에 기업 네트워크의 표준이 되고 있는 TCP/IP로만 집약됐다. 또 수용할 수 있는 물리 인터페이스도 라우터가 탑재하는 WAN 접속용 인터페이스의 지원은 보류되어 어디까지나 LAN으로 사용되는 Ethernet 접속으로 타겟이 좁혀졌다. L3 스위치는 Ethernet의 물리 인터페이스를 제공하는 새로운 WAN 서비스인 광역 Ethernet 이나 IP-VPN의 요구와 매치됐기 때문에 수요가 한층 더 증가하기 시작한다.