LAN 스위치의 아키텍처

아래 그림이 LAN 스위치의 기본 구조이다. 크게 4가지로 나눌 수 있다. 기기 전체를 제어하는 ‘컨트롤 플레인’, 패킷(프레임)을 송수신하는 ‘(처리) 인터페이스’, 패킷을 처리하는 ‘데이터 플레인’, 그리고 ‘백플레인’이다.

컨트롤 플레인

컨트롤 플레인에는 공간 문제로 냉각 팬을 직접 장착할 수 없는 등의 이유로, 임베디드 CPU가 이용되는 경우가 대부분이다. 그 위에서 전용 OS가 동작한다. OS는 독자적인 커널이 이용되어 왔지만, 최근에는 임베디드용 실시간 리눅스 커널에 LAN 스위치 기능을 담당하는 서브시스템을 탑재하는 경우가 늘어났다. 리눅스의 유무와 관계없이, 컨트롤 플레인의 OS에서는 네트워크 기기 운영에 특화한 셸과 외부 네트워크 관리 시스템과의 인터페이스가 되는 서브시스템이 동작한다.

인터페이스

인터페이스 친숙한 RJ-45 커넥터를 이용하는 100BASE-TX나 1000BASE-T 등의 물리적인 외부와 접속점이다. 기업용 LAN 스위치는 대부분 광섬유를 이용한 1기가비트(예:1000BASE-SX)나 10기가비트(예:10GBASE-SR) 등의 인터페이스를 가지고 있고, 더욱 빠른 40기가비트나 100기가비트 인터페이스도 이용할 수 있게 되고 있다.

백플레인

백플레인은 인터페이스로부터 수신한 데이터를 다른 인터페이스로 운반하기 위한 하드웨어이다. 예전에는 공유 버스가 이용되는 일이 많아, 어떤 인터페이스로부터 수신한 데이터를 다른 모든 인터페이스에 일단 뿌리고, 진짜 데이터가 송출되는 인터페이스 이외에는 데이터를 버리는, 이른바 초고속 공유 HUB와 같은 구조로 되어 있었다. 현재는 ‘크로스바 스위치’로 불리는 특수 인터페이스 간 데이터 전송을 병행하여 실행할 수 있는 구조와 송수신 데이터를 고속으로 읽고 쓸 수 있는 ‘공유 메모리’가 이용되고 있다.

데이터 플레인

데이터 플레인은 LAN 스위치의 핵심으로, 각종 테이블을 저장하여 검색하는 ‘터너리 내용 주소화 기억 장치(Ternary Content Addressable Memory, TCAM)’와 패킷을 전용 하드웨어로 처리하는 ‘포워딩 엔진(이후 FE로 줄임)’으로 구성된다.

• TCAM TCAM은 번지 대신에 ‘값’을 키로 하여 검색할 수 있는 특수한 메모리이다. LAN 스위치에서는 MAC 주소와 테이블과 라우팅 테이블을 저장하고, 전송할 곳을 결정하기 위해 이용한다. 또한, QoS(Qualtiy of Service)와 필터링 규칙에 해당하는지 판단하는 데에도 이용한다. TCAM은 저장된 데이터 양, 다시 말해 테이블 행 수와 관계없이 항상 일정한 시간에 검색 결과가 반환되는 뛰어난 특징이 있다. 하지만, 용량에 대한 비용이 높아서, TCAM에는 검색 결과 자체가 아니라 포인터를 저장해 두고 검색 결과의 실체, 즉 구체적인 처리 내용은 SRAM(Static Random Access Memory) 등으로 따로 저장하는 식으로 구현하는 것이 일반적이다.
• FE(포워딩 엔진) FE는 패킷 처리에 특화한 전용 칩셋이다. LAN 스위치의 레이어2, 레이어3 전송을 TCAM을 이용해 항상 일정 시간에 처리한다. 레이어3 스위치는 레이어2의 기능을 함께 가지고 있다. 레이어3의 라우팅과 레이어2의 브릿징은 논리적으로는 독립적이지만, 하드웨어 구현으로는 레이어2와 레이어3의 처리가 동시에 이루어진다. 구체적으로는 레이어2 즉 Ethernet의 프레임 헤더 읽기, 해석, 전송지 결정, 레이어3의 IPv4/IPv6의 패킷 헤더 읽기, 해석, 전송지 결정, 그리고 QoS, 필터링 등의 기능이 하드웨어화되어 동시에 처리된다.

고성능 FE