[물리 계층과 데이터 링크 계층] 허브(Hub) 및 CSMA/CD

 

1. 허브(Hub)

 허브(Hub)는 네트워크 장치 중 하나로, 여러 컴퓨터와 장비를 하나의 네트워크로 연결해주는 역할을 한다. 주로 로컬 영역 네트워크(LAN)에서 사용되며, 데이터를 단순히 전달하는 기능을 통해 네트워크 내 장치 간의 통신을 가능하게 한다. 물리 계층(OSI 모델의 1계층)에 속하는 허브는 특별한 데이터 처리 기능 없이, 수신한 데이터를 모든 포트로 전송한다.

• 전달받은 신호를 다른 모든 포트로 그대로 다시 전송한다.
• 반이중 모드로 통신한다.

 

2. 허브의 작동 방식과 콜리전 도메인

 허브는 단순히 데이터를 모든 포트로 브로드캐스트하는 장비로, 동일 네트워크 내의 모든 장치를 하나의 콜리전 도메인(Collision Domain) 안에 포함시킨다. 콜리전 도메인은 네트워크 내에서 데이터 충돌이 발생할 수 있는 영역을 뜻한다. 허브를 사용하면 네트워크 상의 모든 장치가 데이터를 전송할 때 동일한 콜리전 도메인에서 충돌이 발생할 가능성이 있다. 이는 허브가 데이터를 특정 장치로만 전송하지 않고, 네트워크의 모든 장치로 전송하기 때문이다.

 

 충돌이 발생하면 데이터를 다시 전송해야 하므로 네트워크 속도가 저하될 수 있다. 이러한 충돌 문제를 해결하기 위해 이더넷 네트워크는 CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)라는 프로토콜을 사용한다.

 

3. CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)

 CSMA/CD는 이더넷 네트워크에서 충돌을 관리하기 위해 사용되는 프로토콜로, 특히 허브처럼 반이중(Half-duplex) 네트워크 장비에 필수적인 역할을 한다. 전이중(Full-duplex) 통신을 지원하는 스위치에서는 충돌이 발생하지 않으므로 CSMA/CD가 필요 없지만, 허브는 충돌을 방지하기 위해 CSMA/CD를 사용한다.

• 반송파 감지(Carrier Sense) : 네트워크 상의 장치는 데이터를 전송하기 전에, 네트워크가 현재 사용 중인지(즉, 다른 장치가 데이터를 전송 중인지) 감지한다.
• 다중 접속(Multiple Access) : 네트워크의 모든 장치는 네트워크를 공유하며, 서로 데이터를 전송할 수 있는 권한을 가지고 있다.
• 충돌 감지(Collision Detection) : 두 장치가 동시에 데이터를 전송하려고 하면 충돌이 발생할 수 있다. 충돌이 발생하면, 해당 장치는 충돌을 감지하여 데이터를 즉시 중단하고, 네트워크에 충돌 신호를 보낸다.
• 백오프(Backoff) 및 재전송 : 충돌이 발생한 장치는 일정 시간 대기(백오프) 후 다시 데이터를 전송하려고 시도한다. 이 대기 시간은 랜덤하게 설정되므로, 동일한 장치가 반복적으로 충돌하지 않도록 한다.

 허브를 사용하는 네트워크에서는 CSMA/CD가 필수적이다. 허브가 데이터를 모든 포트로 전송하기 때문에, 여러 장치가 동시에 데이터를 전송하려고 할 때 충돌이 쉽게 발생할 수 있다. CSMA/CD는 충돌을 감지하고 재전송을 통해 네트워크가 원활하게 운영되도록 보장한다. 그러나 CSMA/CD의 사용은 네트워크 성능 저하를 야기할 수 있으며, 충돌이 잦아질수록 네트워크 지연이 발생할 가능성이 크다.

 

4. 허브의 종류

허브는 여러 유형으로 나뉘며, 주로 네트워크 환경과 필요에 따라 선택된다.

• 패시브 허브(Passive Hub) : 단순히 데이터를 전달하는 기능만 수행하는 기본적인 허브이다. 전원이 필요 없고 신호 증폭 기능이 없어 소규모 네트워크에 주로 사용된다.
• 액티브 허브(Active Hub) : 패시브 허브와 달리 수신 신호를 증폭하여 보다 안정적으로 전달할 수 있도록 하는 허브이다. 전원을 필요로 하며, 소규모 네트워크에서 간단한 신호 증폭 기능을 제공할 수 있다.
• 인텔리전트 허브(Intelligent Hub) : 모니터링 및 관리 기능이 추가된 허브로, 네트워크 관리자가 네트워크 상태를 파악하고 장비를 모니터링할 수 있게 한다. 일반적으로 관리형 네트워크 환경에서 활용된다.

 

5. 허브의 한계

허브는 초기 LAN 네트워크 구성에 있어 필수적이었지만, 몇 가지 한계가 있다.

• 브로드캐스트 트래픽 증가: 허브는 데이터를 모든 포트로 브로드캐스트하기 때문에, 네트워크 내 트래픽이 불필요하게 증가하게 된다. 이로 인해 네트워크 속도가 느려질 수 있다.
• 보안 문제: 허브는 모든 장치가 동일한 데이터를 수신하도록 하므로, 보안 측면에서 취약할 수 있다. 네트워크 내의 어느 장치든 허브를 통해 전송된 데이터를 볼 수 있게 된다.
• 충돌 도메인(Collision Domain): 허브는 모든 장치가 동일한 충돌 도메인에 속하게 하여, 동시에 여러 장치가 데이터를 전송할 때 충돌이 발생할 수 있다. 이로 인해 데이터 전송이 지연되고 네트워크 효율이 저하될 수 있다.

 

6. 허브의 사용 사례

허브는 네트워크 성능과 보안에 있어 스위치보다 한계가 있지만, 일부 상황에서는 여전히 유용하게 사용될 수 있다.

• 소규모 네트워크: 트래픽이 적고 보안 요구가 낮은 소규모 네트워크에서는 허브가 저렴한 대안이 될 수 있다.
• 데이터 복제: 허브는 데이터를 모든 장치로 전송하므로, 트래픽을 복제해야 하는 특정 상황에서 간단하게 사용될 수 있다.
• 레거시 네트워크 장비와의 호환: 기존의 네트워크 장비가 스위치를 지원하지 않거나 특정 프로토콜을 사용하지 않는 경우 허브가 임시로 활용될 수 있다.

 

 결론적으로, 허브는 초기 네트워크 연결 장치로서 중요한 역할을 해왔지만, 오늘날의 네트워크 환경에서는 그 기능적 한계로 인해 주로 스위치로 대체되고 있다. 허브는 데이터를 모든 장치로 브로드캐스트하는 단순한 구조 덕분에 소규모 네트워크나 테스트 환경 등에서 여전히 유용하게 사용될 수 있다. 그러나 대규모 네트워크에서의 충돌 문제와 보안 우려를 해결하기 위해, 스위치와 같은 효율적인 네트워크 장치가 점차 필수 요소가 되었다. 네트워크 성능과 안정성이 점점 더 중요해지는 현대 환경에서, 허브의 역할과 한계를 이해하고 적절한 장비를 선택하는 것이 안정적이고 효율적인 네트워크 구축에 중요한 요소임을 알 수 있다.