스위치 - 2계층 장비

Posted Oct 25, 2026 Updated Oct 26, 2026

By junsu

31 min read

스위치 - 2계층 장비

스위치 장비 동작

스위치: 패킷을 동시에 여러 장비가 서로 간섭 없이 통신하도록 도와주는 장비 (네트워크에서 통신을 중재하는 장비)
- 효과
  - 여러 단말이 한꺼번에 통신할 수 있어 통신하기 위해 기다리거나 충돌 때문에 대기하는 문제가 해결되고 네트워크 전체의 통신 효율성이 향상됨
  - 허브는 모든 포트가 하나의 콜리전 도메인을 공유하지만, 스위치는 포트마다 콜리전 도메인이 분리됨
  - 단, 브로드캐스트 도메인은 분리하지 못함 (스위치 전체가 하나의 브로드캐스트 도메인)
- 역할
  - 누가 어느 위치에 있는지 파악하고 실제 통신이 시작되면 자신이 알고 있는 위치로 패킷을 정확히 전송하는 것
  - MAC 주소와 단말이 위치하는 인터페이스 정보를 매핑한 MAC 주소 테이블을 갖고 있어야 가능함
- 동작 과정
  - 플러딩 : 스위치가 허브와 같이 모든 포트로 패킷을 흘리는 동작 방식
    - 패킷이 들어온 포트를 제외한 모든 포트로 전송함
    - 플러딩이 일어나는 경우
      - MAC 주소 테이블에 도착지 MAC 주소가 없는 경우 (Unknown Unicast)
      - 브로드캐스트(FF:FF:FF:FF:FF:FF), 멀티캐스트 패킷인 경우
  - 어드레스 러닝 : MAC 주소 테이블을 만들고 유지하는 과정
    - 패킷의 출발지 MAC 주소와 패킷이 들어온 포트를 테이블에 기록함
    - 도착지 MAC 주소가 아니라 출발지 MAC 주소로 학습한다는 점이 중요함
    - 학습된 정보는 일정 시간(에이징 타임, 기본 300초) 동안 통신이 없으면 삭제됨
    - 브로드캐스트·멀티캐스트 주소는 출발지로 사용되지 않으므로 학습되지 않음
  - 포워딩/필터링 : 도착지 MAC 주소를 확인하고 자신이 가진 MAC 테이블과 비교해 맞는 정보가 있으면 매치되는 해당 포트로 패킷을 포워딩 함
    - 이때 다른 포트로는 해당 패킷을 보내지 않으므로 이 동작을 필터링이라고 함
    - 도착지가 패킷이 들어온 포트와 같은 포트에 있다면 패킷을 버림
예시 (A → B 통신)
1. A가 B에게 패킷 전송 → 스위치는 출발지 A의 MAC과 포트 1을 학습
2. 테이블에 B의 MAC이 없으므로 포트 1을 제외한 모든 포트로 플러딩
3. B가 응답 → 스위치는 B의 MAC과 포트 2를 학습
4. 이후 A ↔ B 통신은 포트 1, 2 사이에서만 포워딩 (나머지 포트는 필터링)

MAC 주소 테이블
+-------------------+------+--------+
| MAC 주소           | 포트  | VLAN   |
+-------------------+------+--------+
| AA:AA:AA:AA:AA:AA | 1    | 1      |
| BB:BB:BB:BB:BB:BB | 2    | 1      |
+-------------------+------+--------+

스위치의 패킷 전송 방식
- Store and Forward : 패킷 전체를 받은 후 오류(CRC)를 검사하고 전송. 안정적이지만 지연이 있음
- Cut-Through : 도착지 MAC 주소만 확인하고 바로 전송. 빠르지만 오류 패킷도 전달될 수 있음
- Fragment-Free : 앞 64바이트까지 확인 후 전송. 두 방식의 절충안 (충돌 패킷은 대부분 64바이트 이내에서 발견됨)

VLAN(Virtual Local Area Network)

물리적 배치와 상관없이 LAN을 논리적으로 분할, 구성하는 기술임
등장 배경
- 스위치는 브로드캐스트 도메인을 분리하지 못하므로 네트워크가 커질수록 불필요한 브로드캐스트가 증가함
- 부서별로 네트워크를 분리하려면 스위치를 따로 구매해야 했으나 VLAN을 사용하면 하나의 스위치로 분리 가능
효과
- 하나의 장비를 서로 다른 네트워크를 갖도록 논리적으로 분할한 것이므로 유니캐스트뿐만 아니라 브로드캐스트도 VLAN 간에 통신할 수 없음
- VLAN 간의 통신이 필요하다면 서로 다른 네트워크 간의 통신이므로 3계층 장비(라우터, L3 스위치)가 필요함
- 물리적 구성과 상관없이 네트워크를 분리할 수 있고 물리적으로 다른 층에 있는 단말이 하나의 VLAN을 사용해 동일한 네트워크로 묶을 수 있음
- 브로드캐스트 도메인이 작아지므로 불필요한 트래픽이 줄고, 네트워크가 분리되어 보안이 향상됨
종류
- 포트 기반 VLAN : 스위치를 논리적으로 분할해 사용하는 것이 목적인 VLAN
  - 스위치의 포트마다 VLAN을 할당하고, 해당 포트에 연결된 단말은 그 VLAN에 속하게 됨
  - 일반적으로 VLAN이라고 하면 포트 기반 VLAN을 말함
  - 단말을 다른 포트로 옮기면 VLAN이 바뀌므로 설정을 다시 해야 함
- MAC 기반 VLAN : 스위치에 연결되는 단말의 MAC 주소를 기반으로 VLAN을 할당하는 기술
  - 단말이 어느 포트에 연결되든 MAC 주소를 확인해 동일한 VLAN을 할당함
  - 단말이 자리를 옮겨도 같은 네트워크를 유지할 수 있음
  - MAC 주소 정보를 미리 등록해야 하므로 관리 부담이 있음
VLAN 모드(Trunk/Access) 동작 방식
- 액세스(Access) 포트 : 하나의 VLAN에만 속하는 포트. 주로 단말(PC, 서버)이 연결됨
  - 태그 없이(Untagged) 패킷을 주고받음
- 태그/트렁크(Trunk) 기능 : 하나의 포트에 여러 개의 VLAN을 함께 전송할 수 있게 해줌
  - 주로 스위치와 스위치 간 연결에 사용됨
  - VLAN마다 스위치 간 연결 포트를 따로 둘 필요 없이 하나의 포트로 여러 VLAN을 전송할 수 있으므로 포트 낭비 없이 네트워크를 더 유연하게 디자인 할 수 있음
  - 패킷에 VLAN 정보를 담은 태그(IEEE 802.1Q)를 붙여 전송하고, 받는 스위치는 이 태그를 보고 어느 VLAN의 패킷인지 구분함
    - 802.1Q 태그 : 이더넷 헤더의 출발지 MAC 주소 뒤에 4바이트로 추가됨
    - VLAN ID는 12비트이므로 0, 4095를 제외한 1~4094 범위를 사용할 수 있음
  - 네이티브 VLAN : 트렁크 포트에서 태그 없이 전송되는 VLAN (기본값 VLAN 1). 양쪽 스위치의 네이티브 VLAN이 일치해야 함
- MAC 테이블에서도 하나의 스위치에서 VLAN을 이용해 네트워크를 분리하면 VLAN 별로 MAC 주소 테이블이 존재하는 것처럼 동작함

[PC-A VLAN10]--(Access)--[SW1]==(Trunk: VLAN10,20 태그)==[SW2]--(Access)--[PC-C VLAN10]
[PC-B VLAN20]--(Access)--+                                +--(Access)--[PC-D VLAN20]

STP

네트워크 루프 : SPoF(Single Point of Failure, 단일 장애점)를 피하기 위해 스위치 두 대 이상으로 네트워크를 이중화하지만, 이렇게 디자인하면 경로에 루프가 생겨 패킷이 네트워크를 따라 계속 전송되므로 네트워크를 마비시킬 수 있음
루프(loop) : 네트워크에 연결된 모양이 고리처럼 되돌아오는 형태로 구성된 상황을 말함
이더넷 프레임에는 IP 헤더의 TTL 같은 필드가 없으므로 루프에 빠진 패킷은 스스로 사라지지 않음

브로드캐스트 스톰

루프 구조로 네트워크가 연결된 상태에서 단말이 브로드캐스트를 발생시키면 스위치는 이 패킷을 패킷이 유입된 포트를 제외한 모든 포트로 플러딩함
플러딩 된 패킷은 다른 스위치로도 보내지고 이 패킷을 받은 스위치는 패킷이 유입된 포트를 제외한 모든 포트로 다시 플러딩함
루프 구조 상태에서는 이 패킷이 계속 돌아가게 되고, 새로운 브로드캐스트가 발생할 때마다 누적되어 회선 대역폭을 모두 차지함

                [PC-A]
                   |
                +-----+
                | SW1 |
                +-----+
               /       \
              /         \
         +-----+       +-----+
         | SW2 |-------| SW3 |
         +-----+       +-----+

(1) PC-A가 브로드캐스트 전송
(2) SW1이 SW2, SW3로 플러딩
(3) SW2는 SW3로, SW3는 SW2로 플러딩
(4) SW2, SW3가 다시 SW1로 플러딩 → SW1은 또 플러딩 → 무한 반복

    SW1 -> SW2 -> SW3 -> SW1 -> SW2 -> ...   (시계 방향)
    SW1 -> SW3 -> SW2 -> SW1 -> SW3 -> ...   (반시계 방향)
→ 두 방향으로 패킷이 계속 돌고, 브로드캐스트가 생길 때마다 쌓여 대역폭을 가득 채움

영향
- 네트워크에 접속된 단말의 속도가 느려짐(많은 브로드캐스트를 처리해야 하므로 CPU 사용률이 높아짐)
- 네트워크 접속 속도가 느려짐(거의 통신 불가능 수준이 됨)
- 네트워크에 설치된 스위치에 모든 LED들이 동시에 빠른 속도로 깜빡임

스위치 MAC 러닝 중복 문제

MAC 어드레스 플래핑 : 스위치 MAC 주소 테이블에서는 하나의 MAC 주소에 대해 하나의 포트만 학습할 수 있으므로 동일한 MAC 주소가 여러 포트에서 학습되면 MAC 테이블이 반복 갱신되어 정상적으로 동작하지 않음
원인
- 루프 구조에서는 유니캐스트 패킷도 양쪽 경로로 돌아 들어오므로, 같은 출발지 MAC 주소가 서로 다른 포트에서 번갈아 들어옴

   [PC-A] MAC: AA
      |
   +-----+         p1 +-----+
   | SW1 |------------| SW3 |
   +-----+            +-----+
      |                  | p2
      |                  |
   +-----+               |
   | SW2 |---------------+
   +-----+

시점	PC-A 패킷이 SW3에 들어온 경로	SW3 MAC 테이블의 AA 포트
t1	SW1 → SW3	p1
t2	SW1 → SW2 → SW3	p2 (갱신)
t3	루프를 돌아 다시 SW1 → SW3	p1 (갱신)
t4	다시 SW2를 거쳐 SW3	p2 (갱신)

같은 MAC 주소 AA의 포트가 p1 ↔ p2로 계속 바뀌는 현상이 MAC 어드레스 플래핑임
문제
- 스위치에서 학습된 주소의 포트가 계속 변경되므로 스위치가 정상적으로 동작하지 못하고 패킷을 플러딩함
해결방법
- 스위치 설정에 따라 경고 메시지를 관리자에게 알려주거나 수시로 일어나는 플래핑 현상을 학습하지 않도록 자동으로 조치함
- 루프 구간 중 하나의 포트만 셧다운 해도 루프를 예방할 수 있음
- 하지만 수동 개입으로는 장애 상황에 적절히 대응할 수 없으므로, 루프를 자동 감지해 포트를 차단하고 장애 때문에 우회로가 없을 때 차단된 포트를 스위치 스스로 다시 풀어주는 스패닝 트리 프로토콜이 개발됨

STP(Spanning Tree Protocol)

루프가 생기지 않도록 유지하는 것 (IEEE 802.1D)
루프를 확인하고 적절히 포트를 사용하지 못하게 만들어 루프를 예방하는 메커니즘
스위치는 BPDU(Bridge Protocol Data Unit)라는 프로토콜을 통해 스위치 간에 정보를 전달하고 이렇게 수집된 정보를 이용해 전체 네트워크 트리를 만들어 루프 구간을 확인함
BPDU에는 스위치가 갖고 있는 ID와 같은 고유값이 들어가고 이런 정보들이 스위치 간에 서로 교환되면서 루프 파악이 가능해짐
BPDU 종류
- Configuration BPDU : 루트 브리지가 2초마다 전송하는 구성 정보
- TCN(Topology Change Notification) BPDU : 토폴로지 변경을 루트 브리지에 알리는 메시지
브리지 ID(Bridge ID)
- 브리지 우선순위(Bridge Priority, 2바이트, 기본값 32768) + 스위치 MAC 주소(6바이트) 총 8바이트
- 값이 작을수록 우선순위가 높음
- 우선순위가 같으면 MAC 주소가 작은 스위치가 우선함
경로 비용(Path Cost)
- 링크 속도에 따라 정해지며, 속도가 빠를수록 비용이 낮음
- 예) 10Mbps: 100, 100Mbps: 19, 1Gbps: 4, 10Gbps: 2
포트 상태
- Disabled
  - 포트가 고장나서 사용할 수 없거나 관리자가 셧다운한 상태
- Blocking
  - 패킷 데이터를 차단한 상태로 상대방이 보내는 BPDU를 기다림
  - 총 20초인 Max Age 기간 동안 상대방 스위치에서 BPDU를 받지 못했거나 후순위 BPDU를 받았을 때 포트는 리스닝 상태로 변경됨
  - BPDU 기본 교환 주기(Hello Time)는 2초이고 10번의 BPDU를 기다림
  - BPDU는 수신하지만 데이터 전송, MAC 러닝은 하지 않음
- Listening
  - 리스닝 상태는 해당 포트가 전송 상태로 변경되는 것을 결정하고 준비하는 단계
  - 이 상태부터는 자신의 BPDU 정보를 상대방에게 전송하기 시작함
  - Forward Delay인 15초 동안 대기함
  - 이 단계에서 루트 브리지, 루트 포트, 지정 포트가 결정되고 대체 경로가 되는 포트는 다시 블로킹 상태로 돌아감
- Learning
  - 러닝 상태는 이미 해당 포트를 포워딩하기로 결정하고 실제로 패킷 포워딩이 일어날 때 스위치가 곧바로 동작하도록 MAC 주소를 러닝하는 단계임
  - Forward Delay인 15초 동안 대기함
- Forwarding
  - 패킷을 포워딩하는 단계. 정상적인 통신이 가능함.

상태	BPDU 수신	BPDU 송신	MAC 러닝	데이터 전송	대기 시간
Blocking	O	X	X	X	20초 (Max Age)
Listening	O	O	X	X	15초 (Forward Delay)
Learning	O	O	O	X	15초 (Forward Delay)
Forwarding	O	O	O	O	-

따라서 블로킹 포트가 포워딩 상태가 되기까지 30~50초가 걸림
- 링크가 직접 끊긴 경우 : Listening(15) + Learning(15) = 30초
- 간접 장애로 BPDU를 기다려야 하는 경우 : Max Age(20) + 30 = 50초
STP 동작 방식
1. 루트 브리지 선출 : 전체 네트워크에서 브리지 ID가 가장 낮은 스위치 하나를 루트 브리지로 선정함
  - 처음에는 모든 스위치가 자신을 루트 브리지로 생각하고 BPDU를 보내다가, 더 낮은 브리지 ID를 가진 BPDU를 받으면 그 스위치를 루트 브리지로 인정함
  - 루트 브리지의 모든 포트는 지정 포트(Designated Port)가 됨
2. 루트 포트 선정 : 루트 브리지가 아닌 스위치마다 루트 브리지로 가는 경로가 가장 좋은 포트 하나를 루트 포트(Root Port)로 선정함
  - 비교 순서 : 루트 브리지까지의 경로 비용 → 상대방 브리지 ID → 상대방 포트 ID
3. 지정 포트 선정 : 각 세그먼트(링크)마다 루트 브리지로 가는 경로가 가장 좋은 포트 하나를 지정 포트로 선정함
4. 대체 포트(블로킹) : 루트 포트도 지정 포트도 아닌 포트는 블로킹 상태가 되어 루프를 끊음

            [SW1] 루트 브리지 (Priority 4096)
          D /     \ D
           /       \
        R /         \ R
       [SW2]-------[SW3]
            D     B (Blocking)

R: 루트 포트, D: 지정 포트, B: 블로킹 포트
→ SW2-SW3 구간에서 SW3 쪽 포트가 블로킹되어 루프가 끊김
→ SW1-SW3 링크 장애 시 블로킹 포트가 포워딩으로 전환되어 우회 경로 확보

루트 브리지 위치가 중요함
- 자동 선출에 맡기면 성능이 낮은 스위치가 루트 브리지가 될 수 있으므로, 보통 코어 스위치의 우선순위를 낮게 설정해 수동으로 지정함

향상된 STP(RSTP, MST)

STP는 루프를 예방하기 위해 같은 네트워크에 속한 모든 스위치까지 BPDU가 전달되는 시간을 고려함
블로킹 포트가 포워딩 상태로 변경될 때까지 30~50초가 소요됨
통신에 가장 많이 쓰이는 TCP 기반 애플리케이션이 네트워크가 끊겼을 때 30초를 기다리지 못하다보니 STP 기반 네트워크에 장애가 생기면 통신이 끊길 수 있음
스위치에 여러 개의 VLAN이 있으면 각 VLAN 별로 스패닝 트리 프로토콜을 계산하면서 부하가 발생하기도 함
기존 STP 토폴로지 변경 과정

[말단 SW] --TCN--> [중간 SW] --TCN--> [루트 브리지]
                                          |
[말단 SW] <--TC--- [중간 SW] <--TC--------+
→ 루트 브리지를 거쳐야 하므로 전파가 느림

RSTP(Rapid Spanning Tree Protocol)

백업 경로를 활성화하는데 시간이 너무 오래 걸리는 문제를 해결하기 위해 개발됨 (IEEE 802.1w)
기존 STP 에서는 토폴로지가 변경되면 말단 스위치에서 루트 브리지까지 변경 보고를 보내고 루트 브리지가 그에 대한 연산을 다시 완료하고 이후 변경된 토폴로지 정보를 말단 스위치까지 보내는 과정을 거침
RSTP에서는 토폴로지 변경이 일어난 스위치 자신이 모든 네트워크에 토폴로지 변경을 직접 전파할 수 있음
다양한 BPDU 메시지, 대체 포트 개념, 토폴로지 변경 전달 방식의 변화로 일반 STP보다 빠른 시간 내에 토폴로지 변경을 감지, 복구할 수 있음
수렴 시간이 수 초(보통 1~2초) 이내로 단축됨
포트 상태 단순화 (5개 → 3개)

STP	RSTP
Disabled, Blocking, Listening	Discarding
Learning	Learning
Forwarding	Forwarding

포트 역할 추가
- 루트 포트, 지정 포트 : STP와 동일
- 대체 포트(Alternate Port) : 루트 포트의 백업. 루트 포트에 장애가 나면 즉시 루트 포트로 전환됨
- 백업 포트(Backup Port) : 지정 포트의 백업. 같은 세그먼트에 연결된 다른 포트
- 에지 포트(Edge Port) : 단말이 연결된 포트. 루프가 생길 일이 없으므로 대기 없이 곧바로 포워딩 상태가 됨 (Cisco의 PortFast와 같은 개념)
빠른 수렴이 가능한 이유
- 모든 스위치가 2초마다 BPDU를 직접 생성하고, 3번(6초) 못 받으면 장애로 판단함 (STP는 Max Age 20초)
- 타이머에 의존하지 않고 이웃 스위치와 Proposal/Agreement 메시지를 주고받아 즉시 포워딩 여부를 합의함
- 토폴로지 변경을 감지한 스위치가 루트 브리지를 거치지 않고 직접 TC BPDU를 전파함
기존 STP와 호환됨 (STP 스위치와 연결되면 해당 포트는 STP 방식으로 동작)

[루트 브리지]
   |       \
 R |        \ (Alternate)
[SW2]        [SW2의 대체 포트]
→ 루트 포트 장애 시 대체 포트가 대기 시간 없이 바로 루트 포트로 전환

MST

기존 STP에서는 루프가 생기는 토폴로지에서 한 개의 포트와 회선만 활성화되므로 자원을 효율적으로 활용할 수 없음
VLAN마다 최적의 경로가 다를 수 있는데 포트 하나만 사용할 수 있다보니 멀리 돌아 통신해야 할 경우도 생김
이 문제를 해결하기 위해 PVST(Per Vlan Spanning Tree)가 개발되었고 VLAN마다 다른 스패닝 트리 프로세스가 동작하므로 VLAN마다 별도의 경로와 트리를 만들 수 있게 됨
- VLAN마다 루트 브리지를 다르게 지정해, VLAN 10은 왼쪽 회선, VLAN 20은 오른쪽 회선을 사용하는 식으로 로드 셰어링이 가능함
하지만 PVST는 모든 VLAN마다 별도의 스패닝 트리를 유지해야 하므로 더 많은 부담이 됨
- VLAN이 수백 개라면 스패닝 트리 프로세스도 수백 개가 돌아가며 BPDU도 VLAN마다 발생함
따라서 MST(Multiple Spanning Tree, IEEE 802.1s)가 개발되었음
여러개의 VLAN을 그룹으로 묶고 그 그룹마다 별도의 스패닝 트리가 동작함
이 경우 PVST보다 훨씬 적은 스패닝트리 프로토콜 프로세스가 돌게 되고 PVST의 장점인 로드 셰어링 기능도 함께 사용 가능
RSTP를 기반으로 동작하므로 빠른 수렴도 함께 제공됨
주요 개념
- 인스턴스(Instance) : 여러 VLAN을 묶은 그룹. 인스턴스마다 하나의 스패닝 트리가 동작함
- 리전(Region) : 동일한 MST 설정을 공유하는 스위치 그룹
  - 같은 리전에 속하려면 리전 이름, 리비전 번호, VLAN-인스턴스 매핑 정보가 모두 같아야 함
- IST(Internal Spanning Tree, 인스턴스 0) : 리전 내부의 기본 스패닝 트리. 리전 간 통신과 BPDU 전송을 담당함
- CST/CIST : 여러 리전을 하나의 스위치처럼 보고 리전 간에 구성되는 스패닝 트리

인스턴스 1 : VLAN 1~100   → 루트 브리지 SW1 → 왼쪽 회선 사용
인스턴스 2 : VLAN 101~200 → 루트 브리지 SW2 → 오른쪽 회선 사용
→ 스패닝 트리 프로세스는 2개만 동작하면서 두 회선을 모두 활용

구분	STP	PVST	MST
스패닝 트리 수	1개	VLAN 수만큼	인스턴스 수만큼
로드 셰어링	불가	가능	가능
장비 부하	낮음	높음	낮음
표준	IEEE 802.1D	Cisco 독자	IEEE 802.1s

네트워크

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스위치 장비 동작

VLAN(Virtual Local Area Network)

STP

향상된 STP(RSTP, MST)

RSTP(Rapid Spanning Tree Protocol)

MST

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