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Split View: [컴퓨터 네트워크] 16. 이더넷, 스위치, VLAN

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[컴퓨터 네트워크] 16. 이더넷, 스위치, VLAN

이더넷, 스위치, VLAN

이더넷(Ethernet)은 유선 LAN의 사실상 표준으로, 전 세계 LAN 트래픽의 대부분을 처리합니다. 1973년 Bob Metcalfe가 발명한 이후 10Mbps에서 시작하여 현재 400Gbps까지 발전했습니다.

이 글에서는 MAC 주소와 ARP 프로토콜, 이더넷 프레임 구조, 링크 계층 스위치의 동작, VLAN, 그리고 데이터 센터 네트워크를 살펴봅니다.


1. MAC 주소와 ARP

1.1 MAC 주소

MAC(Media Access Control) 주소는 네트워크 인터페이스에 할당된 48비트(6바이트) 물리적 주소입니다.

MAC 주소 구조
===============

1A:2B:3C:4D:5E:6F  (16진수 표기)

- 48비트 = 6바이트
- 앞 24비트: OUI (제조사 식별자)
  예: 00:1A:2B = Ayecom Technology
- 뒤 24비트: 제조사가 할당하는 고유 번호
- 브로드캐스트 주소: FF:FF:FF:FF:FF:FF

IP 주소 vs MAC 주소:
  IP 주소:  네트워크 계층, 논리적, 위치에 따라 변경
  MAC 주소: 링크 계층, 물리적, 고정 (NIC에 내장)

1.2 ARP (Address Resolution Protocol)

ARP는 IP 주소를 MAC 주소로 변환하는 프로토콜입니다. 같은 서브넷 내에서 동작합니다.

ARP 동작 과정
===============

호스트 A (192.168.1.10)가 호스트 B (192.168.1.20)에게 데이터 전송

1. A의 ARP 테이블에 B의 MAC 주소가 없음

2. A가 ARP 요청 브로드캐스트:
   "192.168.1.20의 MAC 주소는?"
   목적지 MAC: FF:FF:FF:FF:FF:FF (브로드캐스트)
   출발지 MAC: A의 MAC 주소

3. 서브넷의 모든 노드가 ARP 요청 수신
   B만 응답: "내 MAC 주소는 BB:BB:BB:BB:BB:BB"
   목적지 MAC: A의 MAC 주소 (유니캐스트)

4. A가 ARP 테이블에 B의 매핑 저장 (TTL: 보통 20분)

ARP 테이블 예시:
  IP 주소        | MAC 주소            | TTL
  ---------------+--------------------+------
  192.168.1.20   | BB:BB:BB:BB:BB:BB  | 13분
  192.168.1.1    | AA:AA:AA:AA:AA:AA  | 8분

1.3 서로 다른 서브넷 간 통신

다른 서브넷의 호스트와 통신할 때는 게이트웨이 라우터의 MAC 주소를 사용합니다.

서브넷 간 통신
================

호스트 A (10.0.0.2) --> 호스트 B (20.0.0.2)

서브넷 1                라우터                서브넷 2
[A: 10.0.0.2]  ----  [10.0.0.1 | 20.0.0.1]  ----  [B: 20.0.0.2]
 MAC: AA              MAC: R1L  | MAC: R1R           MAC: BB

1단계: A가 라우터에게 전송
  출발지 MAC: AA, 목적지 MAC: R1L
  출발지 IP: 10.0.0.2, 목적지 IP: 20.0.0.2

2단계: 라우터가 B에게 전송
  출발지 MAC: R1R, 목적지 MAC: BB
  출발지 IP: 10.0.0.2, 목적지 IP: 20.0.0.2

  --> MAC 주소는 홉마다 변경, IP 주소는 종단 간 유지

2. 이더넷 프레임 구조

이더넷 프레임 형식
====================

+----------+----------+----------+------+----------+-----+
| Preamble | Dest MAC | Src MAC  | Type |   Data   | CRC |
| 8 bytes  | 6 bytes  | 6 bytes  | 2 B  | 46~1500  | 4 B |
+----------+----------+----------+------+----------+-----+

필드 설명:
  Preamble (8바이트):
    - 7바이트: 10101010 패턴 (클럭 동기화)
    - 1바이트: 10101011 (SFD, 프레임 시작 표시)

  Dest MAC (6바이트): 목적지 MAC 주소
  Src MAC (6바이트):  출발지 MAC 주소

  Type (2바이트): 상위 계층 프로토콜 식별
    - 0x0800: IPv4
    - 0x0806: ARP
    - 0x86DD: IPv6

  Data (46~1500바이트): 페이로드
    - 최소 46바이트 (미만이면 패딩 추가)
    - 최대 1500바이트 (MTU)

  CRC (4바이트): 오류 검출 (CRC-32)

2.1 이더넷의 특성

이더넷 특성
=============

- 비연결형: 핸드셰이크 없음
- 비신뢰적: ACK/NAK 없음, 오류 프레임은 단순 폐기
  (상위 계층 TCP가 재전송 담당)
- CSMA/CD 사용 (반이중 모드)
  (전이중 모드에서는 CSMA/CD 불필요)

이더넷 속도 발전:
  10 Mbps    (10BASE-T)     1990년대
  100 Mbps   (Fast Ethernet) 1995년
  1 Gbps     (Gigabit)       1999년
  10 Gbps    (10GbE)         2002년
  40/100 Gbps                2010년
  400 Gbps                   2017년

3. 링크 계층 스위치

3.1 스위치의 역할

링크 계층 스위치는 들어오는 프레임의 MAC 주소를 검사하여 적절한 포트로 전달합니다. 호스트나 라우터에게 자신의 존재가 투명(transparent)합니다.

스위치 동작 개요
==================

     포트1    포트2    포트3    포트4
      |        |        |        |
   +--+--------+--------+--------+--+
   |         링크 계층 스위치          |
   +--+--------+--------+--------+--+
      |        |        |        |
    [A]      [B]      [C]      [D]

A가 C에게 프레임 전송:
  1. 스위치가 포트1로 프레임 수신
  2. 목적지 MAC = C의 MAC
  3. 스위치 테이블 조회: C는 포트3에 연결
  4. 프레임을 포트3으로만 전달
  --> B와 D는 이 프레임을 수신하지 않음

3.2 자가 학습 (Self-Learning)

스위치는 별도의 설정 없이 자동으로 스위치 테이블을 구성합니다.

자가 학습 알고리즘
====================

프레임이 포트 x에서 출발지 MAC = AA로 도착하면:
  --> 스위치 테이블에 기록: MAC AA는 포트 x에 연결 (TTL 설정)

스위치 테이블 구성 과정:
  시점 0: 테이블 비어있음

  시점 1: A(포트1)가 C에게 프레임 전송
    테이블: A -> 포트1
    C의 위치를 모르므로 --> 플러딩 (포트1 제외 모든 포트로 전송)

  시점 2: C(포트3)가 A에게 응답
    테이블: A -> 포트1, C -> 포트3
    A의 위치를 알고 있으므로 --> 포트1로만 전달

  시점 3: B(포트2)가 A에게 전송
    테이블: A -> 포트1, C -> 포트3, B -> 포트2
    A의 위치를 알고 있으므로 --> 포트1로만 전달

3.3 스패닝 트리 프로토콜 (STP)

네트워크에 루프가 있으면 프레임이 무한히 순환합니다. STP는 루프를 방지하기 위해 일부 포트를 비활성화하여 트리 구조를 만듭니다.

스패닝 트리 예시
==================

루프가 있는 토폴로지:

  [SW1] ---- [SW2]
    |    \    / |
    |     \ /   |
    |      X    |
    |     / \   |
    |    /    \ |
  [SW3] ---- [SW4]

STP 적용 후 (일부 링크 비활성화):

  [SW1] ---- [SW2]
    |              |
    |              |
  [SW3]       [SW4]

  비활성화된 링크: SW1-SW4, SW2-SW3, SW3-SW4
  --> 루프 없는 트리 구조 형성

STP의 동작 과정:

  1. 루트 브리지 선출: 가장 작은 브리지 ID를 가진 스위치가 루트
  2. 루트 포트 결정: 각 비루트 스위치에서 루트까지 최소 비용 경로의 포트
  3. 지정 포트 결정: 각 세그먼트에서 루트까지 비용이 가장 작은 포트
  4. 나머지 포트 차단: 루트 포트도 지정 포트도 아닌 포트를 블로킹

4. 스위치 vs 라우터

스위치 vs 라우터 비교
=======================

항목              | 스위치 (L2)         | 라우터 (L3)
------------------+--------------------+--------------------
동작 계층         | 링크 계층 (L2)      | 네트워크 계층 (L3)
주소 사용         | MAC 주소            | IP 주소
테이블            | 스위치 테이블       | 포워딩 테이블
플러그 앤 플레이  | 자가 학습 (예)      | 설정 필요 (부분적)
루프 처리         | STP 필요            | TTL로 자연 제거
브로드캐스트      | 전체 전파           | 차단 가능
확장성            | 대규모에서 한계     | 계층적 확장 가능

5. VLAN (Virtual Local Area Network)

5.1 VLAN의 필요성

하나의 물리적 스위치를 여러 논리적 LAN으로 분리합니다.

VLAN이 필요한 상황
====================

물리적으로 하나의 스위치:
  포트 1-4:  마케팅팀
  포트 5-8:  개발팀
  포트 9-12: 경영진

VLAN 없이: 모든 브로드캐스트가 전 포트로 전파
  --> 보안 문제, 성능 저하

VLAN 적용:
  VLAN 10 (마케팅): 포트 1-4
  VLAN 20 (개발):   포트 5-8
  VLAN 30 (경영):   포트 9-12

  --> 각 VLAN은 독립된 브로드캐스트 도메인
  --> VLAN 간 통신은 라우터를 통해서만 가능

5.2 트렁크 포트와 802.1Q

여러 스위치에 걸쳐 VLAN을 구성할 때 트렁크 포트를 사용합니다.

VLAN 트렁킹
==============

[스위치 1]                        [스위치 2]
VLAN 10: 포트 1,2     트렁크      VLAN 10: 포트 1,2
VLAN 20: 포트 3,4  <=========>    VLAN 20: 포트 3,4

트렁크 포트: 여러 VLAN의 프레임을 하나의 링크로 전송

802.1Q 태그 (4바이트):
+--------+-----+-------+---------+
| TPID   | PRI | CFI   | VLAN ID |
| 0x8100 | 3b  | 1b    | 12비트  |
+--------+-----+-------+---------+

VLAN ID: 0~4095 (4096개 VLAN 가능)

동작: 트렁크로 프레임 전송 시 802.1Q 태그 추가
      수신 측에서 태그를 확인하고 해당 VLAN 포트로 전달

6. MPLS (Multiprotocol Label Switching)

6.1 MPLS의 개념

MPLS는 IP 주소 대신 짧은 레이블을 사용하여 빠른 포워딩을 수행합니다. 링크 계층과 네트워크 계층 사이에서 동작합니다.

MPLS 동작
==========

일반 IP 라우팅:
  각 라우터에서 IP 주소를 기반으로 최장 프리픽스 매칭 수행 (느림)

MPLS 라우팅:
  입구 라우터에서 레이블 할당 --> 중간 라우터는 레이블만 참조 (빠름)

패킷 구조:
  [L2 헤더][MPLS 레이블][IP 헤더][데이터]

MPLS 헤더 (4바이트):
  +-------+-----+---+-----+
  | Label | Exp | S | TTL |
  | 20bit | 3b  | 1b| 8b  |
  +-------+-----+---+-----+

장점:
  - IP 라우팅보다 빠른 포워딩
  - 트래픽 엔지니어링 가능
  - VPN 구성 용이

7. 데이터 센터 네트워크

7.1 데이터 센터의 규모

대형 데이터 센터는 수만~수십만 대의 서버를 수용하며, 이들을 연결하는 네트워크 설계가 중요합니다.

데이터 센터 네트워크 토폴로지
===============================

전통적 계층 구조:

          [코어 스위치]
         /      |      \
    [집선 스위치] [집선 스위치] [집선 스위치]
    /    \     /    \     /    \
 [ToR]  [ToR] [ToR] [ToR] [ToR] [ToR]
  |||    |||   |||   |||   |||   |||
 서버   서버   서버  서버  서버  서버

ToR: Top-of-Rack 스위치 (랙 상단에 위치)
집선: Aggregation 스위치
코어: Core 스위치

문제점: 상위 계층으로 갈수록 대역폭 병목

7.2 Fat-Tree 토폴로지

Fat-Tree 토폴로지
====================

         [코어 스위치들]
        / | | | | | | | \
   [집선1]  [집선2]  [집선3]  [집선4]
   / | \    / | \    / | \    / | \
 [ToR] [ToR] [ToR] [ToR] [ToR] [ToR]

특징:
  - 모든 계층에서 동일한 대역폭 제공
  - 여러 경로를 통한 부하 분산
  - 저렴한 범용 스위치 사용 가능
  - 서버 간 양분(bisection) 대역폭 최대화

7.3 로드 밸런싱

데이터 센터 로드 밸런싱
=========================

외부 요청 --> [로드 밸런서] --> 서버 1
                            --> 서버 2
                            --> 서버 3
                            --> 서버 4

로드 밸런서의 역할:
  - 외부에 하나의 공인 IP 노출
  - 들어오는 요청을 내부 서버들에 분배
  - 서버 상태 모니터링 (헬스 체크)
  - L4 (TCP 포트 기반) 또는 L7 (HTTP 기반) 분배

8. 정리

개념핵심 내용
MAC 주소48비트 물리적 주소, NIC에 고정
ARPIP 주소를 MAC 주소로 변환, 브로드캐스트 요청
이더넷 프레임Preamble + MAC + Type + Data + CRC
자가 학습스위치가 출발지 MAC을 보고 테이블 자동 구성
STP루프 방지를 위한 트리 구조 유지
VLAN하나의 스위치를 여러 논리적 LAN으로 분리
802.1QVLAN 태그(4바이트)를 프레임에 추가
MPLS레이블 기반 빠른 포워딩

다음 글에서는 무선 네트워크와 모바일 통신의 특성을 살펴보겠습니다.


참고 자료

  • James F. Kurose, Keith W. Ross, "Computer Networking: A Top-Down Approach", 6th Edition, Chapter 5
  • IEEE 802.3 - Ethernet Standard
  • IEEE 802.1Q - VLAN Tagging
  • RFC 826 - An Ethernet Address Resolution Protocol

[Computer Networking] 16. Ethernet, Switches, and VLANs

Ethernet, Switches, and VLANs

Ethernet is the de facto standard for wired LANs, handling the majority of worldwide LAN traffic. Since its invention by Bob Metcalfe in 1973, it has evolved from 10 Mbps to 400 Gbps today.

In this post, we examine MAC addresses and the ARP protocol, Ethernet frame structure, link-layer switch operation, VLANs, and data center networks.


1. MAC Addresses and ARP

1.1 MAC Address

A MAC (Media Access Control) address is a 48-bit (6-byte) physical address assigned to a network interface.

MAC Address Structure
======================

1A:2B:3C:4D:5E:6F  (hexadecimal notation)

- 48 bits = 6 bytes
- First 24 bits: OUI (Organizationally Unique Identifier)
  Example: 00:1A:2B = Ayecom Technology
- Last 24 bits: Unique number assigned by manufacturer
- Broadcast address: FF:FF:FF:FF:FF:FF

IP Address vs MAC Address:
  IP Address:  Network layer, logical, changes with location
  MAC Address: Link layer, physical, fixed (embedded in NIC)

1.2 ARP (Address Resolution Protocol)

ARP translates IP addresses to MAC addresses. It operates within the same subnet.

ARP Operation
===============

Host A (192.168.1.10) sends data to Host B (192.168.1.20)

1. A's ARP table does not have B's MAC address

2. A broadcasts ARP request:
   "What is the MAC address for 192.168.1.20?"
   Destination MAC: FF:FF:FF:FF:FF:FF (broadcast)
   Source MAC: A's MAC address

3. All nodes in the subnet receive the ARP request
   Only B responds: "My MAC address is BB:BB:BB:BB:BB:BB"
   Destination MAC: A's MAC address (unicast)

4. A stores B's mapping in ARP table (TTL: typically 20 minutes)

ARP Table Example:
  IP Address      | MAC Address          | TTL
  ----------------+---------------------+------
  192.168.1.20    | BB:BB:BB:BB:BB:BB   | 13 min
  192.168.1.1     | AA:AA:AA:AA:AA:AA   | 8 min

1.3 Communication Between Different Subnets

When communicating with a host in a different subnet, the gateway router's MAC address is used.

Inter-Subnet Communication
============================

Host A (10.0.0.2) --> Host B (20.0.0.2)

Subnet 1              Router                Subnet 2
[A: 10.0.0.2]  ----  [10.0.0.1 | 20.0.0.1]  ----  [B: 20.0.0.2]
 MAC: AA              MAC: R1L  | MAC: R1R           MAC: BB

Step 1: A sends to router
  Source MAC: AA, Destination MAC: R1L
  Source IP: 10.0.0.2, Destination IP: 20.0.0.2

Step 2: Router sends to B
  Source MAC: R1R, Destination MAC: BB
  Source IP: 10.0.0.2, Destination IP: 20.0.0.2

  --> MAC addresses change per hop, IP addresses remain end-to-end

2. Ethernet Frame Structure

Ethernet Frame Format
=======================

+----------+----------+----------+------+----------+-----+
| Preamble | Dest MAC | Src MAC  | Type |   Data   | CRC |
| 8 bytes  | 6 bytes  | 6 bytes  | 2 B  | 46~1500  | 4 B |
+----------+----------+----------+------+----------+-----+

Field Descriptions:
  Preamble (8 bytes):
    - 7 bytes: 10101010 pattern (clock synchronization)
    - 1 byte: 10101011 (SFD, Start of Frame Delimiter)

  Dest MAC (6 bytes): Destination MAC address
  Src MAC (6 bytes):  Source MAC address

  Type (2 bytes): Upper layer protocol identifier
    - 0x0800: IPv4
    - 0x0806: ARP
    - 0x86DD: IPv6

  Data (46~1500 bytes): Payload
    - Minimum 46 bytes (padded if less)
    - Maximum 1500 bytes (MTU)

  CRC (4 bytes): Error detection (CRC-32)

2.1 Ethernet Characteristics

Ethernet Characteristics
==========================

- Connectionless: No handshake
- Unreliable: No ACK/NAK, erroneous frames are simply discarded
  (Upper layer TCP handles retransmission)
- Uses CSMA/CD (half-duplex mode)
  (CSMA/CD not needed in full-duplex mode)

Ethernet Speed Evolution:
  10 Mbps    (10BASE-T)      1990s
  100 Mbps   (Fast Ethernet)  1995
  1 Gbps     (Gigabit)        1999
  10 Gbps    (10GbE)          2002
  40/100 Gbps                 2010
  400 Gbps                    2017

3.1 Role of Switches

A link-layer switch examines the MAC address of incoming frames and forwards them to the appropriate port. Its presence is transparent to hosts and routers.

Switch Operation Overview
===========================

     Port1    Port2    Port3    Port4
      |        |        |        |
   +--+--------+--------+--------+--+
   |       Link-Layer Switch         |
   +--+--------+--------+--------+--+
      |        |        |        |
    [A]      [B]      [C]      [D]

A sends frame to C:
  1. Switch receives frame on Port 1
  2. Destination MAC = C's MAC
  3. Switch table lookup: C is on Port 3
  4. Forward frame only to Port 3
  --> B and D do not receive this frame

3.2 Self-Learning

Switches automatically build their switch table without any configuration.

Self-Learning Algorithm
=========================

When frame arrives on port x with source MAC = AA:
  --> Record in switch table: MAC AA is on port x (set TTL)

Switch Table Building Process:
  Time 0: Table is empty

  Time 1: A (Port 1) sends frame to C
    Table: A -> Port 1
    C's location unknown --> Flooding (send to all ports except Port 1)

  Time 2: C (Port 3) replies to A
    Table: A -> Port 1, C -> Port 3
    A's location is known --> Forward only to Port 1

  Time 3: B (Port 2) sends to A
    Table: A -> Port 1, C -> Port 3, B -> Port 2
    A's location is known --> Forward only to Port 1

3.3 Spanning Tree Protocol (STP)

If there are loops in the network, frames circulate endlessly. STP prevents loops by deactivating certain ports to form a tree structure.

Spanning Tree Example
=======================

Topology with loops:

  [SW1] ---- [SW2]
    |    \    / |
    |     \ /   |
    |      X    |
    |     / \   |
    |    /    \ |
  [SW3] ---- [SW4]

After STP applied (some links deactivated):

  [SW1] ---- [SW2]
    |              |
    |              |
  [SW3]       [SW4]

  Deactivated links: SW1-SW4, SW2-SW3, SW3-SW4
  --> Loop-free tree structure formed

STP operation steps:

  1. Root Bridge Election: Switch with the smallest bridge ID becomes root
  2. Root Port Selection: Port with minimum cost path to root on each non-root switch
  3. Designated Port Selection: Port with lowest cost to root on each segment
  4. Block Remaining Ports: Ports that are neither root nor designated are blocked

4. Switch vs Router

Switch vs Router Comparison
==============================

Item               | Switch (L2)          | Router (L3)
-------------------+----------------------+--------------------
Operating Layer    | Link Layer (L2)      | Network Layer (L3)
Address Used       | MAC Address          | IP Address
Table              | Switch Table         | Forwarding Table
Plug and Play      | Self-learning (yes)  | Configuration needed (partial)
Loop Handling      | STP required         | TTL natural elimination
Broadcast          | Propagates everywhere| Can be blocked
Scalability        | Limited at large scale| Hierarchical scaling possible

5. VLAN (Virtual Local Area Network)

5.1 Need for VLANs

VLANs separate a single physical switch into multiple logical LANs.

When VLANs Are Needed
========================

Physically one switch:
  Ports 1-4:   Marketing team
  Ports 5-8:   Development team
  Ports 9-12:  Management

Without VLAN: All broadcasts propagate to all ports
  --> Security issues, performance degradation

With VLAN:
  VLAN 10 (Marketing): Ports 1-4
  VLAN 20 (Development): Ports 5-8
  VLAN 30 (Management): Ports 9-12

  --> Each VLAN is an independent broadcast domain
  --> Inter-VLAN communication only through a router

5.2 Trunk Ports and 802.1Q

Trunk ports are used when configuring VLANs across multiple switches.

VLAN Trunking
===============

[Switch 1]                        [Switch 2]
VLAN 10: Ports 1,2     Trunk      VLAN 10: Ports 1,2
VLAN 20: Ports 3,4  <=========>   VLAN 20: Ports 3,4

Trunk port: Carries frames from multiple VLANs over a single link

802.1Q Tag (4 bytes):
+--------+-----+-------+---------+
| TPID   | PRI | CFI   | VLAN ID |
| 0x8100 | 3b  | 1b    | 12 bits |
+--------+-----+-------+---------+

VLAN ID: 0~4095 (4096 VLANs possible)

Operation: Add 802.1Q tag when sending frame over trunk
           Receiver checks tag and forwards to appropriate VLAN port

6. MPLS (Multiprotocol Label Switching)

6.1 Concept of MPLS

MPLS uses short labels instead of IP addresses for fast forwarding. It operates between the link layer and network layer.

MPLS Operation
================

Normal IP Routing:
  Each router performs longest prefix matching based on IP address (slow)

MPLS Routing:
  Ingress router assigns label --> Intermediate routers only reference label (fast)

Packet Structure:
  [L2 Header][MPLS Label][IP Header][Data]

MPLS Header (4 bytes):
  +-------+-----+---+-----+
  | Label | Exp | S | TTL |
  | 20bit | 3b  | 1b| 8b  |
  +-------+-----+---+-----+

Advantages:
  - Faster forwarding than IP routing
  - Traffic engineering possible
  - Easy VPN configuration

7. Data Center Networks

7.1 Scale of Data Centers

Large data centers house tens to hundreds of thousands of servers, and the network design connecting them is critical.

Data Center Network Topology
===============================

Traditional Hierarchical Structure:

          [Core Switch]
         /      |      \
    [Aggregation] [Aggregation] [Aggregation]
    /    \     /    \     /    \
 [ToR]  [ToR] [ToR] [ToR] [ToR] [ToR]
  |||    |||   |||   |||   |||   |||
 Servers Servers Servers Servers Servers Servers

ToR: Top-of-Rack switch (located on top of rack)
Aggregation: Aggregation switch
Core: Core switch

Problem: Bandwidth bottleneck toward upper layers

7.2 Fat-Tree Topology

Fat-Tree Topology
====================

         [Core Switches]
        / | | | | | | | \
   [Agg1]   [Agg2]   [Agg3]   [Agg4]
   / | \    / | \    / | \    / | \
 [ToR] [ToR] [ToR] [ToR] [ToR] [ToR]

Features:
  - Equal bandwidth at all layers
  - Load balancing through multiple paths
  - Can use inexpensive commodity switches
  - Maximizes bisection bandwidth between servers

7.3 Load Balancing

Data Center Load Balancing
============================

External Request --> [Load Balancer] --> Server 1
                                    --> Server 2
                                    --> Server 3
                                    --> Server 4

Load Balancer Roles:
  - Exposes a single public IP to the outside
  - Distributes incoming requests to internal servers
  - Monitors server health (health checks)
  - L4 (TCP port-based) or L7 (HTTP-based) distribution

8. Summary

ConceptKey Points
MAC Address48-bit physical address, fixed in NIC
ARPTranslates IP to MAC, broadcast request
Ethernet FramePreamble + MAC + Type + Data + CRC
Self-LearningSwitch auto-builds table from source MACs
STPMaintains tree structure for loop prevention
VLANSeparates one switch into multiple logical LANs
802.1QAdds VLAN tag (4 bytes) to frame
MPLSLabel-based fast forwarding

In the next post, we will examine the characteristics of wireless networks and mobile communications.


References

  • James F. Kurose, Keith W. Ross, "Computer Networking: A Top-Down Approach", 6th Edition, Chapter 5
  • IEEE 802.3 - Ethernet Standard
  • IEEE 802.1Q - VLAN Tagging
  • RFC 826 - An Ethernet Address Resolution Protocol