열단형 스위치 구조

열단형 스위치의 패킷 전달 방식은 일반적으로 스토어 앤드 포워드(Store-and-Forward) 방식을 기반으로 한다. 이 방식에서는 라인 카드가 수신한 전체 패킷을 먼저 버퍼에 완전히 저장한 후, 패킷 헤더를 분석하여 목적지를 결정한다. 오류 검사를 수행한 후에야 비로소 패브릭 카드를 통해 목적지 라인 카드로 전달한다. 이는 패킷의 무결성을 보장하지만, 패킷이 완전히 수신될 때까지의 저장 시간으로 인해 대기 시간이 증가할 수 있다.

일부 고성능 설계에서는 커트 스루(Cut-Through) 방식을 일부 채택하기도 한다. 이 방식은 패킷의 목적지 주소 정보만 확인되면 즉시 전달을 시작한다. 열단형 구조에서는 내부 패브릭의 대역폭이 충분하고 연결이 안정적일 때, 라인 카드 간 전송 지연을 줄이는 데 유리하다. 그러나 오류가 있는 패킷도 전달될 수 있는 위험이 존재한다.

패킷의 내부 경로는 중앙 집중식 또는 분산식 제어 평면에 의해 관리된다. 일반적인 흐름은 다음과 같은 단계를 거친다.

이 과정에서 각 라인 카드는 독립적인 패킷 처리 엔진과 버퍼를 가지며, 패브릭 카드는 고속의 내부 상호 연결을 제공한다. 이 분리된 구조는 처리 성능을 높이고 시스템의 확장성을 가능하게 한다.

내부 연결 구조는 라인 카드와 패브릭 카드 간의 물리적 배치 및 신호 경로를 정의한다. 일반적으로 라인 카드는 스위치의 전면 또는 측면에 장착되어 외부 네트워크 케이블을 수용한다. 각 라인 카드는 하나 이상의 고속 백플레인 커넥터를 통해 중앙에 위치한 패브릭 카드 슬롯에 연결된다. 이 백플레인은 수십에서 수백 기가비트에 이르는 대역폭을 제공하는 전기적 또는 광학적 인터커넥트로 구성된다.

패브릭 카드는 모든 라인 카드로부터의 트래픽을 스위칭하는 핵심 모듈이다. 다수의 패브릭 카드가 설치되어 병렬로 동작하며, 로드 밸런싱과 이중화를 통해 전체 처리량과 신뢰성을 높인다. 내부 연결은 주로 크로스바 스위치나 공유 메모리 방식보다는 멀티스테이지 인터커넥션 네트워크를 기반으로 설계된다. 이는 모든 입력 포트와 출력 포트 간에 논리적으로 비차단(non-blocking) 경로를 제공하기 위함이다.

일반적인 내부 연결 토폴로지는 다음과 같다.

이 구조에서 데이터 경로와 제어 경로는 물리적 또는 논리적으로 분리된다. 데이터는 라인 카드에서 패브릭 카드를 통해 목적지 라인 카드로 직접 전달되는 반면, 스위치의 설정 및 관리 정보는 별도의 내부 이더넷 스위칭 네트워크를 통해 모든 모듈에 전파된다. 이러한 분리는 성능 저하 없이 대규모 포트 밀도와 높은 패킷 전달 속도를 가능하게 하는 핵심 요소이다.

라인 카드는 열단형 스위치의 가장 외부에 위치하며, 실제 네트워크 장비와의 물리적 연결을 담당하는 핵심 모듈이다. 네트워크 인터페이스를 제공하고 들어오는 패킷에 대한 초기 처리를 수행하는 역할을 한다. 각 라인 카드는 일반적으로 하나 이상의 네트워크 포트(예: 이더넷, 광섬유 포트)를 포함하며, 독립적인 패킷 처리 엔진과 버퍼 메모리를 갖추고 있다.

주요 기능은 수신 패킷의 헤더 분석, 포워딩 테이블 조회, 그리고 패킷을 스위치 내부의 패브릭 카드로 전송하기 위한 적절한 포맷으로 재구성하는 것이다. 또한 품질 보장(QoS) 정책 적용, 액세스 제어 목록(ACL) 필터링, 기본적인 트래픽 계측과 같은 작업도 라인 카드 수준에서 처리된다. 이는 패브릭의 부하를 줄이고 전체 스위치의 처리 효율을 높이는 데 기여한다.

라인 카드의 설계는 스위치의 용도에 따라 다양하다. 포트 밀도, 지원 속도(1Gbps, 10Gbps, 100Gbps 등), 그리고 사용되는 트랜시버 유형에 따라 여러 모델이 존재한다. 일반적인 구성 요소는 다음과 같다.

라인 카드는 핫 스왑(Hot-swap)이 가능하도록 설계되는 경우가 많다. 이는 시스템의 전원을 끄지 않고도 카드를 교체하거나 추가할 수 있게 하여 네트워크 가용성과 확장성을 크게 향상시킨다. 시스템 관리자는 필요에 따라 다양한 종류의 라인 카드를 슬롯에 삽입하여 스위치의 포트 구성과 기능을 유연하게 변경할 수 있다.

패브릭 카드는 열단형 스위치 구조의 핵심 부품으로, 라인 카드 간의 데이터 전송 경로를 제공하는 스위칭 백플레인 역할을 한다. 이 카드는 중앙 집중식 스위칭 매트릭스를 구성하여 모든 입출력 모듈이 서로 통신할 수 있게 한다. 패브릭 카드의 주요 임무는 들어오는 데이터 패킷이나 셀을 목적지 라인 카드로 최대한 빠르고 효율적으로 전달하는 것이다.

패브릭 카드는 일반적으로 고속 직렬 링크를 통해 각 라인 카드에 연결된다. 내부 구조는 종종 크로스바 스위치나 공유 메모리 방식보다는 다중 경로를 지원하는 클로스 네트워크나 메쉬 기반의 분산 스위칭 패브릭을 사용한다. 이는 블로킹 현상을 최소화하고 시스템 전체의 처리량을 극대화하기 위함이다. 패브릭 카드 자체에는 고성능 ASIC이나 FPGA가 탑재되어 패킷의 헤더를 분석하고 적절한 출력 포트로 전송하는 스위칭 결정을 수행한다.

성능과 신뢰성을 위해 패브릭 카드는 보통 중복 구성된다. 여러 장의 패브릭 카드가 액티브-액티브 또는 액티브-스탠바이 모드로 병렬 작동하여 단일 장애점을 제거한다. 또한, 패브릭 카드의 대역폭은 스위치의 총 용량을 결정하는 핵심 요소이다. 시스템의 확장은 주로 더 많은 수의 패브릭 카드를 추가하거나 각 카드의 내부 링크 속도를 향상시켜 이루어진다.

이 카드는 관리 모듈의 제어를 받아 동작하며, 트래픽 관리, 품질 보장, 및 멀티캐스트 복제와 같은 고급 기능을 지원하기도 한다.

관리 모듈은 열단형 스위치 구조의 제어 및 운영 관리를 전담하는 중앙 집중식 구성 요소이다. 이 모듈은 시스템의 설정, 모니터링, 장애 관리, 소프트웨어 업그레이드와 같은 관리 기능을 통합적으로 제공한다. 일반적으로 라인 카드나 패브릭 카드와는 별도의 전용 슬롯에 장착되며, 고가용성을 위해 이중화 구성으로 배치되는 경우가 많다.

주요 기능으로는 네트워크 운영 체제 실행, 라우팅 프로토콜 처리, 시스템 구성 관리, 성능 및 상태 모니터링, 보안 정책 적용 등이 포함된다. 관리 모듈은 모든 라인 카드에 공통적인 제어 정보를 배포하고, 각 카드의 상태 정보를 수집하여 운영자에게 통합된 뷰를 제공한다. 또한 시스템 로그 관리와 원격 접속을 위한 인터페이스를 담당한다.

이 모듈의 성능과 안정성은 전체 스위치의 가용성을 직접적으로 결정한다. 따라서 많은 상용 장비에서는 활성-대기 또는 활성-활성 방식의 이중화를 지원하여 단일 장애점을 제거한다. 관리 모듈의 소프트웨어 아키텍처는 모듈화되어 있으며, 제어 평면 기능과 데이터 평면의 고속 전달 기능을 분리하는 것이 일반적인 설계 원칙이다.

처리량은 열단형 스위치가 단위 시간당 처리할 수 있는 총 데이터 양을 의미하며, 시스템의 핵심 성능 지표 중 하나이다. 이 값은 일반적으로 초당 비트 수(bps)로 표현되며, 라인 카드의 포트 속도와 패브릭 카드의 내부 대역폭에 의해 결정된다. 이상적인 처리량은 모든 포트가 최대 속도로 동시에 통신할 때의 총합, 즉 비차단(non-blocking) 처리량이다.

실제 처리량은 패브릭의 내부 연결 구조와 패킷 전달 방식에 크게 영향을 받는다. 크로스바 스위치나 공유 메모리 방식보다 클로스 패브릭 구조를 채택한 열단형 스위치는 다중 경로를 통해 데이터를 병렬로 전송할 수 있어, 더 높은 집계 처리량을 달성하는 것이 가능하다. 또한, 패브릭 카드를 추가하여 내부 대역폭을 증설함으로써 시스템 전체의 처리량을 확장할 수 있다.

처리량을 측정할 때는 유니캐스트 트래픽뿐만 아니라 브로드캐스트 및 멀티캐스트 트래픽이 증가하는 상황에서의 성능 저하 여부도 중요한 고려 사항이다. 많은 상용 열단형 스위치는 모든 포트가 포화 상태에서도 이론적 최대 처리량에 근접하는 성능을 제공하도록 설계된다.

열단형 스위치의 대기 시간은 패킷이 스위치의 입력 포트에서 출력 포트까지 전달되는 데 걸리는 총 시간을 의미합니다. 이는 라인 카드 내의 처리 지연, 패브릭 카드를 통한 크로스바 스위치 전송 지연, 그리고 출력 큐잉 지연 등 여러 요소의 합으로 구성됩니다. 일반적으로 라인 카드에서의 패킷 버퍼링과 라우팅 결정, 패브릭을 통한 경로 경쟁이 주요 지연 요인으로 작용합니다.

내부 구조에 따른 대기 시간 특성은 다음과 같습니다. 공유 버스 구조를 사용하는 초기 모델은 모든 트래픽이 단일 버스를 공유하기 때문에 경합이 발생하면 대기 시간이 증가하고 예측하기 어려워질 수 있습니다. 반면, 크로스바 스위치 기반의 현대적 패브릭은 다수의 병렬 경로를 제공하여 동시 전송을 가능하게 하여 전송 지연을 줄입니다. 그러나 여전히 출력 포트에서의 헤드 오브 라인 블로킹이나 버퍼 오버플로우는 추가적인 큐잉 지연을 유발할 수 있습니다.

성능 최적화를 위해 설계자는 여러 기법을 적용합니다. 가상 출력 큐를 도입하여 헤드 오브 라인 블로킹을 완화하거나, 커팅 스루 또는 웜홀 라우팅과 같은 저지연 패킷 전달 방식을 부분적으로 채택할 수 있습니다. 또한, 패브릭의 대역폭을 과다 구축하여 경합을 최소화하는 것이 일반적인 방법입니다. 이러한 설계 선택은 대기 시간을 낮추고 일관되게 유지하는 데 핵심적인 역할을 합니다.

열단형 스위치의 확장성은 라인 카드와 패브릭 카드를 추가하는 모듈식 설계에서 비롯된다. 사용자는 포트 수를 늘리기 위해 라인 카드를, 내부 대역폭과 패킷 전달 용량을 높이기 위해 패브릭 카드를 독립적으로 증설할 수 있다. 이는 초기 투자 비용을 절감하면서도 네트워크 요구사항의 변화에 유연하게 대응할 수 있게 해준다.

확장성은 일반적으로 두 가지 차원에서 평가된다. 하나는 포트 밀도(포트 수)의 수평적 확장이고, 다른 하나는 성능(처리량)의 수직적 확장이다. 열단형 구조는 두 가지 확장을 모두 지원하며, 패브릭의 대역폭이 라인 카드의 총 대역폭 요구량을 초과하지 않는 한 성능 저하 없이 확장이 가능하다.

하지만 확장에는 물리적, 논리적 한계가 존재한다. 슬롯 수, 백플레인의 총 대역폭, 제어 평면의 처리 능력, 그리고 패브릭 자체의 최대 규모가 주요 제약 조건이다. 매우 큰 규모로 확장할 경우, 클로스 패브릭과 같은 다단계 연결 구조를 채택하여 패브릭 내부의 연결 복잡성과 블로킹 확률을 관리해야 한다.

열단형 스위치 구조는 패브릭 기반의 모듈형 설계를 통해 여러 가지 장점을 제공한다. 가장 큰 장점은 높은 확장성이다. 라인 카드 슬롯을 추가하거나 고밀도 포트 카드로 교체하는 방식으로 포트 수를 쉽게 증가시킬 수 있으며, 패브릭 카드를 증설하거나 고성능 모델로 업그레이드함으로써 시스템 전체의 처리량을 향상시킬 수 있다. 이는 단일 스위치가 가지는 물리적 한계를 극복하게 해준다.

또한, 구성 요소의 모듈화는 높은 가용성과 유연성을 보장한다. 라인 카드, 패브릭 카드, 전원 공급 장치, 냉각 팬 등 주요 모듈이 핫 스왑이 가능한 경우가 많아, 시스템을 정지시키지 않고 고장난 모듈을 교체할 수 있다. 이는 네트워크의 가동 시간을 극대화한다. 필요에 따라 다양한 종류의 라인 카드(예: 1GbE, 10GbE, 25GbE, 40GbE, 100GbE 포트 혼합)를 동일한 슈퍼바이저에 설치하여 네트워크 요구사항에 맞춘 유연한 구성을 가능하게 한다.

비용 효율성 측면에서도 장점을 가진다. 초기 투자 비용은 높을 수 있으나, 장기적으로는 포트당 비용이 낮아지는 경제적 규모의 효과를 얻을 수 있다. 또한, 전체 시스템을 교체하지 않고도 특정 모듈만 업그레이드하여 신기술을 도입할 수 있어, 자본 지출을 분산시키고 장비의 수명 주기를 연장할 수 있다.

마지막으로, 중앙 집중식 관리와 제어의 편의성이 있다. 여러 개의 독립된 스위치를 관리하는 것에 비해, 하나의 관리 모듈을 통해 전체 시스템을 통합적으로 모니터링하고 구성할 수 있어 운영 효율성을 높인다.

열단형 스위치 구조는 높은 성능과 확장성을 제공하지만, 몇 가지 내재된 단점을 가지고 있다.

첫째, 설계와 구현이 복잡하고 비용이 높다. 고속의 패브릭 카드와 라인 카드 간의 내부 연결을 위한 다수의 고대역폭 링크가 필요하며, 패킷의 비차단(non-blocking) 전달을 보장하기 위한 정교한 스케줄링 알고리즘이 요구된다. 이로 인해 하드웨어 및 소프트웨어 개발 비용이 크게 증가하며, 일반적인 단일 섀시 스위치에 비해 초기 투자 비용이 훨씬 높다.

둘째, 관리 및 운영의 복잡성이 있다. 여러 개의 독립적인 스위치 섀시를 하나의 논리적 장치로 관리해야 하므로 구성, 모니터링, 장애 처리가 더 어렵다. 관리 모듈의 고가용성 설계가 필수적이며, 패브릭 카드나 내부 링크에 장애가 발생하면 전체 시스템의 성능에 영향을 미칠 수 있다.

또한, 특정 구성에 따라 성능 저하가 발생할 수 있다. 모든 트래픽이 패브릭 카드를 통과해야 하므로, 패브릭의 대역폭이 병목 지점이 될 수 있다. 균등하지 않은 트래픽 패턴(예: 특정 출발-목적지 포트 쌍에 집중되는 트래픽)이 발생하면 내부 링크에서 혼잡이 생겨 대기 시간이 증가하고 처리량이 감소할 위험이 있다.

열단형 스위치 구조는 데이터 센터 네트워크의 중추, 특히 스파인-리프(Spine-Leaf) 아키텍처의 핵심 구성 요소로 널리 사용된다. 이 아키텍처에서 스파인 스위치는 일반적으로 고성능의 열단형 스위치로 구현된다. 각 리프 스위치는 모든 스파인 스위치에 연결되어, 서버 간의 통신이 균등한 홉 수(보통 2홉)로 이루어지도록 보장한다. 이는 서버와 스토리지 간의 예측 가능한 낮은 대기 시간과 효율적인 대역폭 활용을 가능하게 하여, 클라우드 컴퓨팅과 가상화 환경에 적합한 네트워크 기반을 제공한다.

데이터 센터 내에서 열단형 스위치는 주로 이스트-웨스트 트래픽의 급증을 처리하도록 설계된다. 전통적인 3계층 아키텍처와 달리, 스파인-리프 구조는 모든 경로가 활성 상태이며 ECMP(Equal-Cost Multi-Path)를 통해 로드 밸런싱되는 메시에 가까운 연결성을 형성한다. 열단형 스위치의 고밀도 포트와 높은 처리량은 이러한 다중 경로 환경에서 필수적이다. 이를 통해 마이크로서비스 간 통신, 데이터베이스 복제, 가상 머신 마이그레이션과 같은 현대적 워크로드에서 발생하는 집중적인 내부 트래픽을 원활히 지원할 수 있다.

또한, 소프트웨어 정의 네트워킹(SDN) 및 네트워크 가상화 환경에서 열단형 스위치는 물리적 인프라를 제공하는 역할을 한다. 중앙화된 SDN 컨트롤러는 열단형 스위치로 구성된 패브릭을 단일 논리적 엔티티처럼 프로그래밍하고 관리할 수 있다. 이는 네트워크 프로비저닝의 자동화와 멀티테넌시 지원을 용이하게 하며, 인프라스트럭처 as a 서비스(IaaS) 제공의 기반이 된다.

서비스 제공자 네트워크는 일반 대중이나 기업에게 통신 서비스를 판매하는 사업자의 네트워크 인프라를 의미한다. 이 네트워크는 광대역 인터넷 접속, VoIP, MPLS 기반의 가상 사설망 서비스, 데이터 전송 서비스 등을 제공하는 핵심 백본 역할을 한다. 이러한 환경에서는 막대한 양의 트래픽을 안정적이고 효율적으로 집중(aggregation)하고 핵심(core) 구간으로 전달해야 하는 요구사항이 있다.

열단형 스위치 구조는 서비스 제공자 네트워크의 에지와 애그리게이션 계층에서 중요한 역할을 수행한다. 특히 PoP 내에서 여러 개의 액세스 스위치로부터 수집된 트래픽을 통합하여 고속의 코어 라우터나 백본 스위치로 전송하는 데 적합하다. 이 구조는 라인 카드를 추가함으로써 다양한 인터페이스 유형(예: 1GbE, 10GbE, 광 채널)을 유연하게 지원할 수 있어, 서비스 제공자가 변화하는 고객 수요와 기술 표준에 대응하기 용이하다.

서비스 제공자 네트워크에서의 주요 적용 사례는 다음과 같다.

이러한 환경에서 열단형 스위치는 단일 관리 모듈을 통해 중앙 집중식으로 구성 및 모니터링이 가능하여, 대규모로 분산된 네트워크 장비의 운영 효율성을 높이는 데 기여한다. 또한, 패브릭 카드의 성능을 업그레이드하거나 수를 증가시켜 전체 시스템의 처리량을 확장할 수 있어, 서비스 트래픽의 지속적인 증가에 유연하게 대응할 수 있는 인프라를 제공한다.

열단형 스위치 구조는 여러 개의 독립적인 스위칭 모듈이 패브릭을 통해 상호 연결된 형태이다. 이는 모든 포트가 하나의 공통 스위칭 백플레인에 직접 연결되는 전통적인 단일 스위치 설계와 근본적으로 구분된다. 단일 스위치는 모든 포트 간 트래픽이 내부의 단일 교환 매트릭스나 공유 버스를 통해 처리되도록 설계된다.

두 구조의 주요 차이점은 확장성과 복잡성에 있다. 단일 스위치는 설계가 단순하고 모든 포트가 균일한 대기 시간을 가지는 장점이 있지만, 물리적 백플레인의 용량과 포트 밀도에 제한을 받는다. 반면, 열단형 구조는 라인 카드와 패브릭 카드를 모듈식으로 추가하여 시스템 전체의 포트 수와 집계 대역폭을 단계적으로 확장할 수 있다. 이는 매우 큰 규모의 네트워크 코어나 데이터 센터 애그리게이션 레이어에 필수적인 특성이다.

다음 표는 두 구조의 핵심 특성을 비교한다.

결론적으로, 단일 스위치는 규모와 복잡성이 제한된 환경에 적합한 반면, 열단형 구조는 성장 가능성이 요구되고 매우 높은 처리량이 필요한 대규모 네트워크 인프라의 핵심을 구성한다. 선택은 필요한 포트 수, 대역폭, 미래 성장 계획, 그리고 예산과 유지보수 복잡성에 대한 종합적 고려에 따라 이루어진다.

클로스 패브릭 구조는 다단계 교환 네트워크의 한 형태로, 특히 대규모 열단형 스위치의 내부 연결을 구성하는 데 널리 사용되는 설계 방식이다. 이 구조는 1950년대 벨 연구소의 찰스 클로스(Charles Clos)에 의해 제안되었으며, 소수의 스위칭 요소를 계층적으로 배열하여 매우 많은 수의 포트를 경제적이고 비차단(non-blocking) 또는 재배열 비차단(rearrangeably non-blocking) 방식으로 연결할 수 있게 한다.

클로스 패브릭의 기본 구성은 3단계(입력-중간-출력)로 이루어지며, 각 단계의 스위치 배열을 통해 내부 연결 경로를 제공한다. 일반적인 3단계 클로스 패브릭은 다음과 같은 요소로 구성된다.

이 구조의 핵심 장점은 확장성과 내부 차단 최소화에 있다. 각 단계의 스위치 수와 각 스위치의 포트 수를 조정함으로써 총 시스템 포트 수를 극적으로 증가시킬 수 있다. 또한, 충분한 수의 중간 단계 스위치를 배치하면, 여러 입력-출력 쌍 간의 통신이 서로 간섭하지 않는 비차단 또는 재배열 비차단 동작을 보장할 수 있다. 이는 데이터 센터나 통신 사업자의 코어 네트워크처럼 대용량 트래픽을 균등하게 분산 처리해야 하는 환경에 적합하다.

클로스 패브릭은 현대의 고성능 열단형 스위치 설계에 사실상의 표준으로 자리 잡았다. 다만, 구현 복잡성, 패킷 지연 증가 가능성, 그리고 모든 중간 경로를 효율적으로 관리하기 위한 정교한 트래픽 관리 및 로드 밸런싱 알고리즘이 필요하다는 점이 도전 과제로 남아 있다. 이러한 알고리즘에는 ECMP(등가 비용 다중 경로) 등이 사용된다.