“0.001초 차이로 갈리는 승부”, 스위치는 프레임을 어떻게 읽고 보낼까

들어가며

같은 스위치라도 제품 사양서를 보면 스위칭 방식이라는 항목이 따로 적혀 있는 경우가 있습니다. 스토어 앤 포워드, 컷 스루, 프래그먼트 프리 같은 낯선 용어가 등장하는데, 이게 정확히 무슨 차이인지 짚고 넘어간 적이 있으신가요.

스위치는 MAC 주소를 보고 목적지 포트로만 프레임을 전달한다고 앞선 글에서 정리했습니다. 그런데 정확히 언제, 프레임의 어느 부분을 읽은 시점에 전달을 시작하는지는 스위치마다 다릅니다. 이 차이가 바로 지연 시간과 신뢰성이라는, 서로 다른 가치 사이의 트레이드오프를 만들어냅니다. 게이밍 서버나 초단타 매매 시스템을 다루는 금융권 네트워크에서 이 선택이 왜 중요한지, 이번 글에서 자세히 다뤄보겠습니다.

이더넷 프레임의 구조부터 이해하기

두 방식의 차이를 이해하려면 먼저 이더넷 프레임이 어떤 순서로 전송되는지 알아야 합니다. 프레임은 목적지 MAC 주소, 출발지 MAC 주소, 타입, 실제 데이터, 그리고 마지막에 오류 검사를 위한 FCS 순서로 구성되어 전송됩니다.

핵심은 이 정보들이 한꺼번에 도착하는 것이 아니라 순서대로, 시간차를 두고 스위치에 들어온다는 점입니다. 목적지 MAC 주소는 프레임의 맨 앞부분에 있고, 오류 검사 정보인 FCS는 프레임의 맨 끝에 있습니다. 스위치가 이 중 어디까지 받은 시점에 전달을 시작하느냐가 바로 스위칭 방식을 가르는 기준입니다.

스토어 앤 포워드, 다 받고 나서 보낸다

스토어 앤 포워드 방식은 프레임 전체를 완전히 수신한 뒤에 전달을 시작합니다. 이름 그대로 일단 저장하고, 그다음에 보내는 방식입니다.

• 프레임의 처음부터 끝, 즉 FCS까지 전부 수신한다
• FCS를 이용해 프레임에 오류가 없는지 검사한다
• 문제가 없는 프레임만 골라 목적지 포트로 전달한다
• 손상된 프레임은 폐기하고 다음으로 넘어가지 않는다

이 방식의 가장 큰 장점은 신뢰성입니다. 전송 도중 손상된 프레임이 네트워크에 계속 떠도는 일을 막아 주기 때문에 전체 네트워크의 안정성이 높아집니다. 다만 프레임 전체를 받아야 검사를 시작할 수 있으므로, 프레임이 길수록 그만큼 지연 시간도 늘어난다는 단점이 있습니다.

컷 스루, 목적지만 확인하고 바로 보낸다

컷 스루 방식은 완전히 다른 전략을 취합니다. 프레임의 맨 앞부분, 즉 목적지 MAC 주소만 확인되면 나머지 데이터가 아직 들어오는 중이어도 곧바로 전달을 시작합니다.

• 목적지 MAC 주소, 보통 처음 6바이트만 확인한다
• 목적지 포트가 결정되는 즉시 전달을 시작한다
• 프레임의 나머지 부분은 받는 동시에 그대로 흘려보낸다
• 오류 검사는 사실상 건너뛰거나 수신 측에 맡긴다

이 방식은 오류 검사를 생략하는 대신 지연 시간을 극단적으로 줄입니다. 프레임 전체를 기다릴 필요가 없기 때문에 스토어 앤 포워드 방식보다 지연 시간이 훨씬 짧습니다. 다만 손상된 프레임이라도 일단 목적지까지 전달된다는 점은 분명한 약점입니다.

절충안, 프래그먼트 프리

두 방식 사이에는 절충안도 존재합니다. 프래그먼트 프리 방식은 이더넷에서 충돌로 손상되는 프레임 대부분이 앞부분 64바이트 안에서 발생한다는 특성을 이용합니다. 딱 64바이트까지만 확인하고 이상이 없으면 전달을 시작하는 방식으로, 컷 스루보다는 조금 느리지만 스토어 앤 포워드보다는 빠르면서 최소한의 오류는 걸러낼 수 있습니다.

지연 시간에 민감한 환경, 컷 스루가 유리하다

게이밍 서버나 초단타 매매 시스템처럼 아주 짧은 시간 차이가 결과를 좌우하는 환경에서는 컷 스루 방식이 선호됩니다. 이런 환경의 특징은 다음과 같습니다.

• 0.001초 단위의 지연도 승패나 손익에 영향을 줄 수 있다
• 상위 계층, 즉 전송 프로토콜에서 오류를 재전송으로 처리할 여력이 있다
• 네트워크 품질이 비교적 안정적이라 오류 발생 빈도 자체가 낮다

이런 조건이 맞아떨어지는 환경에서는 약간의 오류 위험을 감수하더라도 지연 시간을 최소화하는 쪽이 합리적인 선택이 됩니다.

신뢰성이 생명인 환경, 스토어 앤 포워드가 유리하다

반대로 금융권 정산망이나 의료 데이터망처럼 손상된 데이터 하나가 심각한 문제로 이어질 수 있는 환경에서는 스토어 앤 포워드 방식이 기본값으로 쓰입니다.

• 손상된 거래 데이터가 그대로 처리되면 금전적 손실로 이어질 수 있다
• 재전송보다 애초에 오류 프레임을 걸러내는 편이 안전하다
• 약간의 지연은 감수하더라도 정확성이 최우선 가치다

실제로 대부분의 상용 스위치는 기본 설정을 스토어 앤 포워드로 두고 있으며, 컷 스루는 특수한 목적을 가진 고성능 스위치에서 선택적으로 제공되는 경우가 많습니다.

정리, 결국 무엇을 더 두려워하는가의 문제

스토어 앤 포워드와 컷 스루의 차이는 결국 지연 시간과 신뢰성 중 무엇을 더 중요하게 볼 것인가의 문제로 귀결됩니다.

1. 컷 스루 – 지연 시간 최소화가 최우선, 오류는 어느 정도 감수
2. 프래그먼트 프리 – 두 방식의 절충, 최소한의 오류 검사와 준수한 속도
3. 스토어 앤 포워드 – 신뢰성과 정확성이 최우선, 지연 시간은 다소 감수

네트워크 장비를 도입할 때는 단순히 속도 수치만 볼 것이 아니라, 우리 서비스가 지연 시간에 더 민감한지 아니면 데이터 손상에 더 민감한지를 먼저 따져보는 것이 순서입니다. 그 답에 따라 스위칭 방식의 선택도 자연스럽게 정해집니다.

참고

이 글은 이더넷 스위칭 방식에 대한 일반적인 네트워크 이론을 바탕으로 작성되었습니다.