Switching 기술 II(L4, L5, L7)

1. Switching 기술 II(L4, L5, L7)

2. 목차 1. 개요 2. Switching 기술별 특징 3. TCP/IP Suite vs OSI-7 Layer 4. Switch의 성능 기준 5. L3 Switching 6. L4 Switching 7. Web Switching 8. SLB(Server Load Balancing) & FLB(Firewall Load Balancing)

3. 개 요

4. 정 의 • Layer 2 Switching 이란 ? • Input 포트를 통해 들어온 frame을 목적지 MAC 주소를 기반으로 output 포트를 통해 전송하는 것 • Switching 장비 전체가 “Broadcast Domain”이 됨 • Layer 3 Switching 이란 ? • Layer 3 switching = Layer 2 switching + Layer 3 routing • Switch 장비 플랫폼에 라우팅 기능 부가 • Layer 4 Switching 이란 ? • OSI 7 Layer 모델의 4 계층 정보인 TCP/UDP 포트 번호를 분석해 포워딩 결정을 내리는 기능 • QoS, SLB, FLB 등의 기능 제공 • Web Switching 이란 ? • IP 주소나 TCP/UDP 포트 번호 뿐만 아니라 URL이나 Cookie 정보 등을 이용하여 웹 데이터에 대한 보다 효율적인 부하 분산 기능 수행 • Layer 4 Switching보다 확장된 개념

5. 등장 배경 • Layer 3 Switching 등장 배경 • Layer 2 Switching과 Layer 3 Routing 기능의 통합 • 각각의 LAN segment 연결을 위해 Router 도입 • Router는 소프트웨어 기반의 Routing의 속도 향상 필요 • Switching과 Routing 기능의 통합으로 인한 비용 효율성 증대 • 기술적 배경 • ASIC (Application Specific Integrated Circuit) 기술 발달 • Hardware 기반의 고속 라우팅 기능 지원 가능 • 고성능의 Switching Fabric 지원 • 많은 사용자 포트를 지원하는 고성능, 대용량의 스위치 장비 개발 가능 • CPU/Memory 기술 발달 • Layer 2 Switch에 비해 늘어나는 프로세싱 부하에 대한 원활한 처리 가능

6. 등장 배경 • Layer 4 Switching 등장 배경 • 인터넷의 폭발적 성장 • 인터넷의 폭발적인 성장으로 서버/클라이언트 환경과 QoS 요구 증대 • 같은 서비스를 지원하는 서버의 수가 증가하면서 Load Balancing 기능 요구 • 어플리케이션의 특징에 맞는 QoS 지원 기능 요구 • Layer 4 Switching 등장 • IP 주소나 TCP/UDP 포트 번호를 이용하여 트래픽 특성 분석 • 기능별 서버군을 구분하여 각 서버군에 Virtual IP 부여 • 트래픽 특성에 따른 효율적인 부하 분산 기능 수행 및 QoS 기능 수행

7. 등장 배경 • Web Switching 등장 배경 • Layer 4 Switching의 한계 • 오늘날 인터넷 트래픽의 80%는 웹 트래픽이 차지 • 웹 트래픽은 대부분 TCP 포트 80을 사용 • 따라서, 웹 트래픽의 특성에 따른 적절한 처리 방안을 적용할 수 없음 • Web Switching의 등장 • IP 주소, TCP/UDP 포트 번호 뿐만 아니라 URL, Cookie 정보 등을 이용 • 따라서, 웹 트래픽의 특성에 적합한 QoS 및 Load Balancing 알고리즘을 적용함으로써, 자원의 효율적인 이용 가능

8. Switching 기술별 특징

9. Layer 2 Switching (LAN) • L2 Switching 특징 • LAN을 segment함에 의해 하나의 공유 segment에 접속되는 장치의 수를 줄임 • 특정 segment로의 트래픽을 고립시킴에 의해 전체 네트워크의 대역폭을 증가 시킴 • VLAN (Virtual LAN)기능을 지원함에 의해 구성의 유연성을 제공 • L2 Switching의 주요 기능 • Address Learning • Switch 장비가 각 포트에 연결되어 있는 장치들의 MAC 주소를 파악하는 것 • MAC database를 통해 포트 - MAC 주소의 mapping 정보 관리 • Forward / Filter decision • MAC database를 참조하여 input frame의 목적지 MAC 주소가 있으면 해당 포트로 frame을 “Forward”하고 없으면 “Filtering” • Loop Avoidance • 동일 데이터의 flooding 현상 방지 • Broadcast Storm 현상 방지

10. Layer 3 Switching (LAN) • Layer 3 Switching의 특징 • 고성능의 라우팅 성능 지원 • 스위칭 속도와 비슷한 라우팅 성능 지원 • 높은 대역폭 지원으로 네트워크 bottleneck 제거 • Multimedia 어플리케이션 지원 등 • 간편한 관리 기능 지원 • 설치, 구성 및 관리가 용이 • 기 구성되어 있는 LAN 네트워크 장비 및 프로토콜과 호환 • 저렴한 구축 비용 • 한 장비에서 Layer 2 기능과 Layer 3 기능을 동시에 수행함으로써, 구축 비용을 졀감할 수 있음

11. Layer 4 Switching (LAN) • Layer 4 Switching의 의미 • 아무리 빠른 스위치 네트웍이라 하더라도 서버들의 CPU, I/O 장치 등이 그 속도를 뒷받침해 주지 못한다면 End-to-End의 안정적인 성능을 보장할 수 없다. • 이러한 인터넷 환경을 극복하기 위해 Layer 3 스위칭을 넘어 어플리케이션 레벨에서 가장 접합한 서버를 선택하는 스위칭 기법인 Layer 4 스위칭의 기능이 필요하다. • Layer 4 Switching의 주요 기능 • QoS(Quality of Service)의 구현 • 어플리케이션의 중요도에 따라 우선 순위 결정 • Layer 4 switch는 TCP/UDP 헤더의 포트 번호를 인식하여 서비스별로 분류 • Load Balancing 기능의 구현 • Layer 4 정보를 기반으로 한 load balancing 기능 지원 • Server Load Balancing • Firewall Load Balancing • Server Farm 환경에서는 SLB 기능이 필수 • 부하 분산을 통해 네트워크의 안정성 및 서비스 품질 향상 도모

12. Web Switching (LAN) • Web Switching의 의미 • Layer 4 스위칭에서 도입된 어플리케이션 분류 기능을 강화하여, Layer 4이상의 계층의 정보를 이용한 스위칭을 제공함으로써, 인터넷 트래픽의 대부분을 차지하는 Web (주로 HTTP)을 효율적으로 처리 • Web Switching의 주요 기능 • Health checking • Server, application, Server site… • Measuring Server performance • L2/ L3 Packet Switching • L4 Session Switching • L7 content Switching • Server Load balancing • Fire wall Load balancing

13. Layer 2 Switching (WAN) • WAN 정의 • 방대한 지역에서 사용자들에게 서비스를 제공하고 일반적인 통신 사업자가 제공하는 전송 서비스를 사용하는 데이터 통신 네트워크 • WAN Technology의 분류 • Dedicated • Leased Line • T1/E1, … • Switched • Circuit • PSTN, ISDN, ... • Packet • X.25, Frame Relay, ATM, …

14. Layer 2 Switching (WAN) • X.25 • 비동기 및 동기 데이타를 Packet 단위(128 Bytes)로 구성하여 교환하는 망 • ITU-T 표준 권고안에 따라 구성된 망 • 전화국의 음성 서비스와 마찬가지로 데이타의 교환 서비스를 일반 가입자에게 제공하는 공중 Packet 망과 특정 회사 또는 기관의 자체 Packet 망을 소유하고 운영하는 사설 Packet 망으로 분류 • Frame Relay • 회선 오류 발생률이 낮은 Fiber-based Wide Area Connection을 위해 고안됨 • Error 검색을 단순화함으로써 X.25 보다 적은 Delay Time 보장 • 단순화된 Flow Control과 High Performance 및 고속 전송 가능

15. Layer 2 Switching (WAN) • ATM • 고정된 크기의 53Byte Cell 단위로 사용자 정보 전송 • Circuit Switching과 Packet Switching의 장점을 결합한 기술 • Circuit Switching : 일정한 전송 지연과 보장된 전송 대역 • Packet Switching : 간헐성 데이터 전송에 유연성과 효율성 제공 • 고정 Cell을 사용함으로써 Hardware 적인 처리가 가능 - 고속처리 가능 • QoS 보장과 Application을 위한 효율적인 대역폭 사용 • 다양한 Traffic 특성을 갖는 서비스 수용 용이 • 다양한 형태의 Network Topology 통합 • Low Delay Tine 및 High Performance

16. TCP/IP Suite vs OSI-7 Layer

17. TCP/IP Suite vs OSI-7 Layer • TCP/IP Suite • 1970년대 초, ARPA ( Advanced Research Project Agency - DARPA로 개칭 )에서 ARPANET ( Internet으로 개칭 )용으로 개발한 Protocol Suite • OSI(Open System Interconnection) 7 Layer • 1980년대 초에 ISO(International Organization for Standardization)에서 업체들이 네트워크를 구현할 때 참조용으로 개발한 네트워크 모델

18. Switch의 성능 기준

19. 기본 스위치 성능 • Chassis • 총 슬롯 수 • Interface 슬롯 수 • Power Supply 수량 • Performance • Switch Fabric • Layer 3 Throughput (PPS) • 최대 MAC 주소 • 최대 Route 수 • 최대 VLAN 수 • Interface • 지원 프로토콜 • 각 모듈당 포트 밀도 • 샤시 당 최대 포트 밀도 • 장애 대처 기능 • Control Module Redundancy • Power Supply Redundancy • Switch Fabric Redundancy • Hot Swap 기능 • 장비 장애 대처 기능

20. Protocol 성능 • Routed Protocol • IP, IPX, Apple Talk, ... • Routing Protocol • RIP, RIP II, OSPF, BGP, ... • Multicast Protocol • IGRP, DVMRP, PIM , … • 지타 지원 Protocol • Spanning Tree : 802.1d • Priority : 802.1p • VLAN : 802.1Q • Back up : VRRP, HSRP, ESRP

21. 멀티레이어 성능 • 성능 • HTTP 처리 성능 • Load Balancing • Local SLB • L5-L7 Switching • Global SLB • Web Site Security • Denial of Services • Access Conrol List • NAT • Services • Dynamic Content • Replication • Content Staging and Replication • Reverse Proxy Cache Support with Bypass • Content Delivery and • Distribution Services • Cookie Switching for E-commerce • Transparent • FTP Services • Distributed Streaming • Audio/Video Support

22. 관리 및 보안 기능 • 보안 기능 • Layer 2 Filtering • Layer 3 Filtering • Layer 4 Flow Filtering • Layer 4 Application Filtering • Firewall Agent 내장 • 네트워크 관리 부문 • RMON Groups 1-4 • RMON Groups 5, 6 and 9 • RMON Packet Capture/Filter(Group 7/8) • Web-based Management • Port Mirroring 기능

23. Layer 3 Switching

24. Layer 3 Switching 기본 개념 • Layer 3 Switching 정의 및 주요 기능 • Layer 2 스위칭의 기본 기능 외에 Layer 3 패킷의 전송 처리의 부가 기능 수행 • Layer 3 스위치의 2가지 주요 기능은 Route 처리 과정 및 패킷 Forwarding 전송 과정 • Layer 3 패킷 : IP, IPX. DECNet, AppleTalk 등 • 기능 1 : Route 처리 과정 • 패킷 전송을 위한 모든 라우팅 정보의 갱신 및 경로 설정 • 세부 처리 과정 • 라우팅 프로토콜 제어 (RIP v1, v2 또는 OSPF 라우팅 프로토콜) • 라우팅 테이블(표) 갱신 (라우팅 프로토콜에 의해 형성된 라우팅 테이블) • Layer 3 스위칭 데이터베이스 갱신 (Layer 3 프레임의 전송을 위한 최종 데이터베이스)

25. Layer 3 Switching 기본 개념 • 기능 2 : 패킷 Forwarding 과정 • Layer 2 및 Layer 3을 포함한 모든 패킷의 전송에 필요한 과정 • 세부 처리 과정 • Layer 2 패킷 전송 (Layer 2 스위칭) • Layer 2 패킷 전송을 위해선 Layer 2의 목적지 MAC 사용 • Layer 3 패킷 전송 (Layer 3 라우팅) • Layer 3 패킷 전송을 위해선 Layer 3의 목적지 IP 주소 사용 • 각 HOP 상에서 목적지/발송지 MAC 주소 변경 • TTL(TIME-TO-LIVE) 값 1 감소 • 3 계층 CHECKSUM 재 계산

26. Switching & Routing • Switching • Layer 2 internetworking technology • MAC 주소 기반의 frame forwarding • Routing • Layer 3 internetworking technology • Network 주소 기반의 Packer forwarding • 목적지까지의 forwarding path 결정 • Layer 3 Switching = Routing & Switching • 고성능 routing을 위해 switching 기술 사용 • Switching을 기반으로 필요 시 routing 을 추가

27. Layer 3 Switching vs. Routing

28. Layer 3 Switching의 장점 • 고성능의 라우팅 성능 지원 • 스위칭 속도와 비슷한 라우팅 성능 지원 • 높은 대역폭 지원으로 네트워크 bottleneck 제거 • Multimedia 어플리케이션 지원 등 • 간편한 관리 기능 지원 • 설치, 구성 및 관리가 용이 • 기 구성되어 있는 LAN 네트워크 장비 및 프로토콜과 호환 • 저렴한 구축 비용 • Layer 2 스위치와 라우터로 구성되어야 할 네트워크를 Layer 3 스위치로 대치함으로써, 구축 비용을 절감할 수 있음

29. Network Design Example

30. Layer 4 Switching

31. Layer 4 스위칭 기술의 구현 원리 • TCP/UDP 포트 번호 이용 • 기존의 2, 3계층과 달리 MAC 어드레스나 네트워크 계층의 소스와 목적지 IP 어드레스가 아닌, TCP/UDP 포트 번호를 통해 패킷을 전송 • Virtual IP(VIP) 기술을 이용하여 효율 향상 • 기능별 서버군을 구분하여 각 서버군에 Virtual IP 부여 • 사용자는 이 Virtual IP를 네트워크 주소로 하여 접속 • 서비스 session들을 특정 IP 주소로 묶어 주며, 종료 패킷을 확인할 때까지 모든 패킷을 전송 • 분산된 서버들 사이에서 트래픽 부하를 적절히 분배함으로써, 특정 서버에 트래픽이 집중되는 현상을 막아 줌

32. Layer 4 Switching의 주요 기능 • QoS(Quality of Service) 의 구현 • 어플리케이션의 중요도에 따라 우선 순위 결정 • Layer 4 switch는 TCP/UDP 헤더의 포트값을 인식하여 서비스별로 분류가 가능함 • 예를 들면, 전자우편에 비해 화상회의에 더 많은 대역폭을 제공할 수 있게 됨 • Load Balancing 기능의 구현 • Layer 4 정보를 기반으로 한 load balancing 기능 지원 • Server Load Balancing • Firewall Load Balancing • Server Farm 환경에서는 SLB 기능이 필수 • 다수의 서버로 동일 기능을 구현하고, 이러한 기능별 서버 그룹을 여럿 보유한 상황에서는 다수개의 서버간의 부하 분산 기능을 구현하는 것이 필수적 • Layer 4 스위치는 Layer 4 (예를 들면, TCP or UDP) 계층 정보를 바탕으로 각 기능별 서버군을 선택하고, 서버군내의 다수의 서버 사이의 부하 분산 기능을 지원 • 부하 분산을 통해 네트워크의 안정성 및 서비스 품질 향상 도모 • 현재 네트워크의 일반적인 형태인 TCP/IP 네트워크를 기반으로 다양한 SLB 솔루션 등장

33. Network Design Example Layer 4 Switch Layer 4 Switch

34. Web Switching

35. Web Switching 개념 • Layer 4 Switching에서 확장된 개념 • 현재 인터넷 데이터의 대부분이라 할 수 있는 웹 데이터에 대한 부하 분산 기능을 강화 • IP 주소나 TCP/UDP 포트값 뿐만 아니라 URL이나 Cookie 정보 등을 이용하여 웹 데이터에 대한 보다 효율적인 부하 분산 기능 수행

36. Web Switching 구현 방식 • URL parsing을 통한 서버 부하 분산 • URL parsing을 통해 사용자가 요구하는 서비스 형태에 대한 파악 가능 • 정확한 서버군의 위치 파악 가능 • URL parsing을 통해 http session의 persistent 유지가 용이해 짐

37. Web Switching 구현 방식 • Cookie와 SSL ID를 이용한 persistent 유지 • HTTP session은 TCP를 기반으로 통신이 이루어 지므로, 본격적인 데이터 교환이 이루어지기 전에 TCP connection 설정을 위한 작업 필요 • Web Switching 장비에서 사용자 단말의 TCP connection 설정 요구를 중간에 가로채서 목적지 서버로 TCP connection 설정을 요구하는 한편 사용자 단말로는 TCP connection이 설정되었음을 알리는 Acknowledge 메시지를 보냄 • Web Switching 장비가 중심이 되어 사용자 단말에서 서버간 HTTP session이 끊기지 않도록 관리 • NAT 등의 보안 관리 기능 지원 • Web Switching 장비에서 NAT 기능을 지원함으로써 Firewall의 부하를 줄여 줌 • NAT는 상당히 “time-consuming” 한 job으로써 사용자가 서비스 서버에 접속하는데 걸리는 시간이 단축됨

38. SLB (Server Load Balancing)& FLB (Firewall Load Balancing)

39. Server Load Balancing 개요 • 배경 • 통신 품질에 영향을 주는 다양한 요소 중에서 인터넷 서비스의 응답 시간을 줄이기는 것은 매우 중요하다. • 서비스 응답 시간을 줄이기 위한 2가지 요건 • 네트워크 전송속도를 높이는 방법 • 서버의 응답시간을 향상시키는 방법 • 네트워크 응답 시간을 줄이는 방안 • 네트워크 전송속도 향상을 위해 주로 회선 대역폭 확충 • 서버 응답 시간 단축을 위해 서버의 CPU, 메모리, 그리고 IO 장치 Upgrade • 마지막으로, 웹 서버의 수를 늘려 성능을 향상시키는 방법 고려 • 서버별로 트래픽을 분산하는 과정 필요 • 서버 간 부하 분산이 효율적이지 못할 경우 응답 속도를 향상시킬 수 없음 • 이를 해결 해 주는 것이 바로 로드 밸런싱

40. Server Load Balancing 개요 • Load Balancer • Internet이나 대규모 Intranet에서 분산처리를 위해 Multi-Server체제를 구축하였을 때, 특정 Server에 Load가 걸리는 것을 방지하고 모든 Server에 골고루 분산시키는 장비 • 각각 Server의 IP주소를 Load Balancer가 한 IP로 통합함으로써 임의의 Server가 Down시에도 중단없는 Service를 보장

41. Server Load Balancing 구현 방식 • 부하 분산 방식 • Round Robin • 모든 서버에 균일한 횟수로 접속 • 서버의 부하 상태 등에 대한 고려 없이 일률적으로 부하를 분산함으로써 효과적인 부하 분산을 기대하기 어려움 • Weighted Round Robin • 서버마다 가중치를 설정 • 서버의 처리 용량이나 디스크, 메모리 용량, connection speed 등에 따라 가중치 부여 • 가중치가 큰 서버에 장애가 발생한 경우, 가중치가 큰 만큼 많은 사용자들이 connection 설정에 실패할 수 있음 • Least Connection • 가장 적은 session을 처리하고 있는 서버를 우선적으로 접속 • Session수가 많은 것이 바로 많은 부하를 의미하는 것은 아님

42. Server Load Balancing 구현 방식 • 서비스별 구분 방식 • 가장 대표적인 네트워크 형태인 TCP/IP 네트워크의 경우, IP address와 TCP 포트값을 바탕으로 서비스 분류 • TCP 계층에서 지원하는 어플리케이션별로 고유의 TCP 포트값을 가짐 • Input Query의 TCP 포트값을 조사하여 동일 서비스를 지원하는 서버군쪽으로 Query를 전달

43. GSLB(Global SLB) • GSLB 구현 장점 • Server Down 및 Over Flow 방지 • 빠른 Response Time 제공 • 분산처리에 따른 Load 감소 • 원활한 Data Flow 제공 • Server 집중화에 따른 Congestion 방지

44. GSLB(Global SLB) • GSLB 동작 방법의 예 • 클라이언트가 로컬 DNS로 abc.com에 대한 DNS 요청을 보낸다. • 로컬 DNS는 상위 DNS를 요청한다. • C 사이트의 스위치가 DNS 요청을 받아서 유저에게 B와 C중 어느 사이트가 가까운지를 결정한다. • 가장 적합한 사이트(B)를 선택하여 B 사이트의 VIP(Y)의 값을 돌려준다 • Local DNS 서버는 IP 주소 Y로 클라이언트에게 응답한다. • 클라이언트는 IP 주소 Y로 애플리케이션 세션을 연다. • B 사이트의 스위치는 로컬 로드 공유 서버 그룹 내의 최상의 서버를 선택한다.

45. FLB 등장 배경 • Firewall의 필요성 • 많은 ISP와 기업의 네트워크에서 네트워크 보안은 주요 이슈 • 네트워크 자원에 대한 허가 받지 않은 접근을 방지하기 위해 Firewall이 널리 사용 • Firewall 제품은 네트워크에 대한 공격을 방어하는데 효과적인 방법을 제공

46. FLB 등장 배경 • Firewall의 문제점 • Firewall은 데이터 경로에 위치하기 때문에, 네트워크 성능이나 확장성을 제한 • Dirty와 Clean side를 지나는 모든 네트워크 트래픽은 반드시 Firewall을 남 • Firewall 처리에 가장 적합한 architecture는 많은 양의 데이터 패킷들을 처리하는데 적합하지 못함 • Firewall의 수행력을 높이는 것은 일반적으로 엄청남 비용의 더욱 강력한 서버들로의 업그레이드를 의미 • single-point-of-failure의 제약 • 해결 방안 • Layer 4/Web switch의 FLB(Firewall Load Balancing)으로 해결 • Firewall 동시 운영 • Firewall의 single-point-of-failure 제거

47. FLB 구성 • In-Line 상의 Load Balancing • In-line 환경으로 FLB를 적용하기 위해 최소 두 개의 Layer4/Web 스위치가 필요

48. FLB 구성 • Out-Line 상의 Load Balancing • Out-of-line FLB를 채택하기 위해서는 단지 하나의 서버 스위치만으로도 충분

49. FLB 구성 • DMZ 추가 • In-Line Firewall이나 Out-Line Firewall의 어느 환경에서건 쉽게 적용 가능 • 트래픽의 방향이 DMZ인지 Firewall인지를 Layer4/Web Switch에서 수행하므로Firewall의 부하 감소

50. FLB 구성 • Redundant 구성 • Layer 4/Web 스위치는 서버 전역에 걸친 single-point-of-failure가 없는 네트워크 구축을 위해 Hot & Standby 환경으로 구성될 수 있다.