[네트워크 입문] 스위치 종류와 로드 밸런서, 로드 밸런싱 알고리즘

“📖 해당 내용은  『풍부한 그림과 사진으로 배우는 네트워크 쉽게, 더 쉽게』(저자: 미카미 노부오 저자)을 참고하여 작성하였다.”

 

레이어3(L3) 스위치와 레이어4~7 (L4~7) 스위치 개요

기존 L2 스위치 이용한 구성

 

이전까지는 가장 일반적인 스위치인 레이어2(L2) 스위치에 대해 설명했다.
하지만 네트워크 환경이 복잡해지고 데이터 트래픽이 증가하면서, 레이어3(L3) 및 레이어4~7(L4~7) 스위치가 사용되는 경우가 많아졌다.
여기서는 각 스위치의 기능과 역할을 설명한다.

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1. 레이어3(L3) 스위치란?

레이어3 스위치는 기존 레이어2 스위치에 라우팅 기능이 추가된 스위치이다.
VLAN 간 통신이 필요할 경우, L3 스위치를 사용하여 데이터 패킷을 라우팅할 수 있다.

레이어3 스위치의 주요 기능

• VLAN 간 라우팅 지원: VLAN으로 나뉜 네트워크 간 통신 가능
• 빠른 패킷 처리: 하드웨어 기반 라우팅을 지원하여 일반 라우터보다 속도가 빠름
• 대규모 네트워크 최적화: 데이터센터, 기업 네트워크 등에서 활용

레이어3 스위치 vs 라우터 비교

라우팅 속도	하드웨어 처리로 빠름	소프트웨어 처리로 상대적으로 느림
VLAN 간 통신	가능	가능
주요 역할	LAN 내부 트래픽 최적화	WAN 연결 및 외부 네트워크 라우팅
성능	대규모 트래픽 처리 가능	인터넷 연결 및 보안 기능 포함

레이어3 스위치는 일반적으로 기업 내부 네트워크에서 VLAN 간 통신을 수행하며,
라우터는 WAN과 연결되는 네트워크 트래픽을 관리하는 역할을 담당한다.

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2. 레이어4~7 (L4~7) 스위치란? (로드 밸런서)

 

레이어4~7 스위치는 애플리케이션 레벨에서 트래픽을 제어하는 기능을 제공하는 스위치이다.
단순히 패킷을 전달하는 것이 아니라, 데이터의 종류와 내용을 분석하여 적절한 처리를 수행한다.
이러한 스위치는 일반적으로 로드 밸런서(부하 분산 장치)라고도 한다.

레이어4~7 스위치의 주요 기능

• 부하 분산(로드 밸런싱): 여러 서버에 트래픽을 균등하게 배분하여 부하를 조절
• 상태 확인 기능: 서버가 정상적으로 작동하는지 체크하고, 문제 발생 시 자동으로 트래픽 우회
• 세션 유지 기능: 같은 사용자의 요청을 동일한 서버로 유지하여 서비스 일관성 보장
• 보안 기능 제공: 특정 애플리케이션 트래픽을 분석하여 악성 요청을 차단

로드 밸런서의 동작 방식

예를 들어, 웹 서버가 여러 대 운영되는 환경에서 사용자가 접속하면,
레이어4~7 스위치는 각 사용자의 요청을 부하가 적은 서버로 자동 분배하여 시스템 성능을 최적화한다.
또한, 특정 사용자가 처음 접속한 서버와 계속 연결되도록 세션을 유지하는 기능도 수행한다.

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3. 레이어3 스위치와 레이어4~7 스위치의 차이

기능	VLAN 간 라우팅, IP 패킷 전달	부하 분산, 세션 유지, 애플리케이션 보안
주요 사용처	기업 네트워크, 데이터센터	웹 서비스, 대규모 트래픽 처리
처리 계층	네트워크 계층(IP)	트랜스포트/애플리케이션 계층(TCP/HTTP)

레이어3 스위치는 VLAN 간 데이터 패킷을 전달하고,
레이어4~7 스위치는 부하 분산과 보안 기능을 제공하는 역할을 한다.

이제 네트워크 환경에서는 단순한 스위치가 아니라,
트래픽을 효과적으로 관리할 수 있는 고급 스위치를 활용하는 것이 필수가 되었다.

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L4 로드 밸런서 vs L7 로드 밸런서

로드 밸런서는 OSI 모델에서 동작하는 계층에 따라 L4 (전송 계층)과 L7 (애플리케이션 계층) 로드 밸런서로 나뉜다.

동작 계층	전송 계층(TCP/UDP)	애플리케이션 계층(HTTP/HTTPS)
트래픽 처리 방식	IP 주소와 포트 기반으로 트래픽을 분배	URL, 쿠키, 헤더 등 애플리케이션 데이터를 분석하여 트래픽을 분배
부하 분산 기준	TCP 연결 개수, 응답 속도 등	특정 도메인, 경로, 사용자 세션 등
사용 예시	일반적인 웹 서버 부하 분산	API 게이트웨이, 마이크로서비스, SSL 처리
장점	속도가 빠르고 부하가 적음	세션 유지, 세부적인 트래픽 제어 가능
단점	HTTP 기반의 고급 라우팅 불가	패킷을 분석해야 하므로 부하 발생 가능

L4 로드 밸런서는 TCP, UDP 연결을 기반으로 부하를 분산하는 방식이며, L7 로드 밸런서는 HTTP 요청 내용을 분석하여 특정 조건에 맞게 부하를 분산하는 방식이다.

• L4 로드 밸런서는 TCP 연결 개수 기반으로 요청을 배분하므로 속도가 빠르지만, 트래픽을 세부적으로 제어할 수 없다.
• L7 로드 밸런서는 HTTP 요청 헤더나 쿠키 정보를 분석하여 특정 서버로 요청을 보낼 수 있어 세션 유지 및 정교한 라우팅이 가능하다.

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로드 밸런싱 알고리즘 종류

로드 밸런싱 알고리즘은 트래픽을 여러 서버로 분배하는 방식이며, 성능과 가용성에 큰 영향을 미친다. 대표적인 알고리즘을 정리하면 다음과 같다.

1. 라운드 로빈 (Round Robin)

• 가장 단순한 방식으로, 순차적으로 서버에 요청을 분배하는 알고리즘이다.
• 첫 번째 요청은 서버 A, 두 번째 요청은 서버 B, 세 번째 요청은 서버 C로 전달한 뒤 다시 A로 돌아간다.
• 모든 서버가 동일한 성능을 가졌을 때 유효하지만, 부하를 고려하지 않기 때문에 균형이 맞지 않을 수도 있다.

2. 가중치 라운드 로빈 (Weighted Round Robin)

• 서버마다 가중치를 설정하여, 성능이 좋은 서버에 더 많은 요청을 할당하는 방식이다.
• 예를 들어, 서버 A의 가중치가 2, 서버 B의 가중치가 1이라면, A는 B보다 두 배 많은 요청을 받는다.
• 서버 성능 차이를 고려한 분배가 가능하지만, 가중치 설정이 적절해야 한다.

3. 최소 연결 (Least Connections)

• 현재 가장 적은 연결(트래픽)을 처리하는 서버로 요청을 전달한다.
• 요청의 크기가 일정하지 않거나 일부 서버가 부하가 많이 걸릴 가능성이 있는 경우 유용하다.
• 지속적인 서버 상태 모니터링이 필요하다.

4. 가중치 최소 연결 (Weighted Least Connections)

• 최소 연결 방식과 가중치를 결합하여, 가중치가 높은 서버가 더 많은 연결을 받을 수 있도록 조정한다.
• 트래픽이 많아질 경우, 높은 성능을 가진 서버를 더 활용할 수 있다.

5. 최소 응답 시간 (Least Response Time)

• 현재 가장 응답 속도가 빠른 서버로 요청을 보낸다.
• 일반적으로 서버의 연결 수와 응답 시간을 함께 고려한다.
• 실시간 서버 성능을 모니터링해야 하므로 추가적인 오버헤드가 발생할 수 있다.

6. 해시 기반 (Hash-Based)

• 클라이언트의 IP 주소, 쿠키, URL 등을 기준으로 해시 값을 생성하여 특정 서버로 요청을 전달한다.
• 같은 사용자가 동일한 서버를 사용할 수 있도록 설정할 수 있어, 세션 유지가 필요한 서비스에 적합하다.
• 특정 서버에 요청이 쏠릴 수 있는 단점이 있다.

7. IP 해시 (IP Hash)

• 클라이언트의 IP 주소를 해싱하여 특정 서버로 요청을 보낸다.
• 특정 사용자는 항상 같은 서버를 통해 서비스 이용이 가능하다.
• 캐시 서버나 사용자 세션 유지가 필요한 환경에서 유용하다.

8. URL 해시 (URL Hash)

• 요청한 URL을 해싱하여 특정 서버로 트래픽을 분배한다.
• CDN(Content Delivery Network)이나 정적 컨텐츠 서버에서 사용된다.

9. 랜덤 (Random)

• 랜덤으로 서버를 선택하여 요청을 보낸다.
• 트래픽이 균등하게 분배될 확률이 높지만, 부하 분산이 최적화되지는 않는다.