[Network] L4 스위치 공부 1탄

개인적으로 네트워크 공부를 위해 정리한 내용들입니다.

함께 공부하자는 취지로 내용을 공유합니다.

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1. L4 스위치란?

L4 스위치는 로드밸런싱(서버 부하 분산)을 처리하는 장비입니다.

외부에서 들어오는 모든 요청은 서버가 아닌 L4 스위치를 거쳐야 하며 모든 요청을 L4 스위치가 받아 서버들에게 적절히 나누어 줍니다.

L4 스위치는 부하 분산뿐만 아니라 TCP, UDP, HTTP과 같은 Protocol들의 Header를 분석하여 그 정보를 바탕으로 부하 분산을 실시하고, 거기에 더해 Source IP 혹은 Destination IP를 NAT(Network Address Translation)하여 보낼 수 있습니다.

L4 스위치의 핵심 역할

클라이언트와 서버가 '3-way handshake'를 거쳐 논리적 연결이 생성되었음을 나타내는 Connection을 생성하면 중간자 역할의 L4 스위치 역시 Connection을 생성하여 리스트를 관리합니다.(이 과정에서 3-way handshake 또한 L4 스위치를 통해 실시됩니다.)

논리적 연결을 통해 데이터를 주고받던 서버 혹은 클라이언트가 4-way handshake(연결 종료 과정)를 실시하여 Connecion을 제거하면 4-way handshake의 중재자인 L4 스위치 또한 Connection을 삭제합니다.

 

L4 스위치의 Connection은 Connection time out 값을 가지는데 이는 일정 시간 동안 사용되지 않은 Connection을 삭제하고 클라이언트와 서버 측에 필요시 Connection을 새로 맺도록 'Reset' Flag가 담긴 Packet을 전송할 수 있도록 합니다.

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2. L4 스위치가 필요한 이유

그렇다면 L4 스위치는 왜 필요한 것일까요? 

서버가 한 대만 존재한다고 생각해봅시다.

이 서버는 웹 서비스를 제공합니다.

그리고 공인 IP '123.111.43.2'을 가지고 있으며 사용자들은 이 IP로 접속합니다.(DNS 설명은 생략~!)

사용자가 점점 늘어나 서버를 늘려야 할 상황이 왔습니다.

 

서버 한 대를 더 늘렸고 '123.111.43.3'의 IP를 할당하였습니다.

외부에서 웹 서비스에 접속하기 위해 '123.111.43.2' 혹은 '123.111.43.3'의 IP로 접속하여야 합니다.

지금까지 사용자들은 '123.111.43.2'로만 접속해왔습니다.

앞으로도 그럴 테지요. 이제 어떻게 해야 할까요?

'123.111.43.2'의 서버에 접속하면 공지로 '123.111.43.3' 서버가 추가되었으니 거기로도 접속이 가능하다고 알려야 할까요? 2대면 그래도 될지 모르겠습니다.

Server가 자꾸 늘어난다면?

서버가 3대, 4대, 5대 계속 늘어난다면 어떨까요? 

설령 공지를 띄워 부하가 어느 정도 나누어진다 해도 고르게 분산되는 것은 장담할 수 없습니다.

그래서 필요한 것이 '로드밸런싱'입니다.

일일이 서버에게 요청을 전달할 필요 없이 L4 스위치에 모든 요청을 전달하고, L4 스위치가 서버들에게 요청을 그대로 전달하는 것이죠.

L4 스위치의 구성

무언가 많이 달라졌군요. 하나씩 살펴보도록 하겠습니다.

먼저 서버가 가지고 있던 각각의 공인 IP가 사라졌습니다.

모든 요청을 L4로 받기 위해 L4 스위치만이 공인 IP '123.111.43.1'을 갖게 되며 모든 사용자들은 이 공인 IP로 요청을 보내게 됩니다.

모든 요청을 L4 스위치가 받으니 서버들이 공인 IP를 갖게 될 이유가 없습니다.

공인 IP를 통해 L4 스위치로 진입하는만큼 서버로 들어올 필요가 없어졌으니까요.

서버들은 L4 스위치를 통해서만 통신을 하게 되므로 L4 스위치와 서버는 사설 IP를 통해 통신을 주고받게 됩니다.

그리하여 L4 스위치는 외부 접속용 공인 IP(123.111.43.1) 한 개와 서버 통신용 사설 IP(192.168.1.1) 한 개를 갖게 되었습니다.

 

여기서 부가적인 사실을 하나 더 알 수 있습니다.

L4 스위치를 두고 나니 서버가 사설 IP를 갖게 되어 외부에서 서버의 IP를 알 수 없으니 서버에 직접 접속할 방법이 사라졌습니다.

이를 다시 말하면 외부에서 서버에 악의적인 트래픽 공격(DDoS 등)을 하고자 하여도 서버의 IP를 모르기 때문에 직접적인 공격이 불가능하다는 것입니다. 

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3. L4 스위치의 구성 요소

로드밸런싱은 IP와 Port를 필요로 한다

무언가 또 바뀌었네요.

IP 주소 뒤에 보니 '80'이라는 숫자가 붙어있습니다.

TCP는 IP의 정보뿐만 아니라 Port를 이용하여 연결합니다.
한쪽 단말(Endpoint)에 도착한 데이터가 어느 입구(Port)로 들어가야 하는지 알아야 연결을 시도할 수 있기 때문이지요.
위의 TCP Header를 보시면 Source Port와 Destination Port를 확인할 수 있습니다.
예를 들어, 양쪽 단말(Endpoint) 이 HTTP로 이루어진 문서를 주고받고자 할 경우 데이터 통신을 하려면 Endpoint의 3306 Port도 아니고, 21 Port도 아닌 80 Port로 연결해야 합니다.

80이라는 숫자는 Port입니다. 

여기서 왜 이름이 'L4 스위치'인지 드러나는군요. 

OSI 7 Layer 중 Layer 4의 정보인 Port를 사용하기 때문입니다.

 

서버는 다양한 서비스를 제공합니다.

하나의 서버에서 웹 서비스를 제공하더라도 80, 8080, 8888 Port 등 종류별로 다양한 웹서비스를 제공할 수 있습니다.

만약 Port를 모른 상태에서 IP 정보만을 가지고 접속한다면 어느 Port로 접속해야 할지 모르겠죠?

그래서 L4 스위치에는 외부에서 접속할 IP뿐만 아니라 Port를 명시해주어야 합니다.

L4 스위치의 구성 요소들

지금까지 설명한 것들에 이름을 모두 붙여 보았습니다.

먼저 외부 사용자들이 접속 시 사용하는 IP(123.111.43.1)와 Port(80)을 갖고 있는 L4 스위치의 구성 요소를 Virtual Sever라고 합니다.

또한 Virtual Server의 IP를 VIP(Virtual Server IP)라고 부르지요.

L4 스위치는 다수의 Virtual Server를 가질 수 있습니다.

 

이 Virtual Server에 도달한 요청을 서버(IP와 Port가 명시된)들의 집합에 전달하게 되는데 이 집합을 Pool이라 합니다.

특정 Virtual Server에 전달된 요청들은 그 Virtual Server에 연결된 Pool에만 전달됩니다. 

 

Pool의 소속원으로서 IP와 Port로 구성되는 서버를 Pool Member라 부릅니다.

Pool은 다수의 Pool Member로 구성됩니다.

Pool Member는 단순 IP가 아닌 IP와 Port로 이루어진 서버이기 때문에 IP가 같더라도 Port가 다르다면 엄연히 다른 Pool Member입니다.

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4. Layer 4와 Layer 7

 L4 스위치는 단순히 Layer 4를 이용하여 로드밸런싱하는 것뿐만 아니라 실제 사용자가 직접 접근하는 프로토콜인 Layer 7까지 제어하며 로드밸런싱을 실시할 수 있습니다. 

Layer 4만을 제어하며 로드밸런싱 하느냐 Layer 4와 Layer 7 모두를 제어하며 로드밸런싱 하느냐에 따라 L4 스위치의 Virtual Server의 Type과 역할, 트래픽 플로우가 달라지게 됩니다.

 

즉 L4 Type Virtual Server와 L7 Type Virtual Server로 나뉘는 것이죠. 

그리고 L4 스위치는 다수의 L4 Virtual server와 L7 Virtual Server를 가질 수 있답니다. 

이것을 이해하기 위해서는 먼저 Layer 4와 Layer 7에서의 L4 스위치의 행동과 TCP의 3-way handshake에 대해 이해해야 합니다.

<Application Layer(7 Layer)>
사용자가 UI로 접하는 응용 프로그램과 관련된 계층으로 HTTP,FTP,DHCP,SMTP,DNS 등이 있습니다.
여기에 속한 프로토콜들은 어떠한 방법으로든 사용자와 직접 접하게 됩니다. (Data + HTTP Header)
 
<Transport Layer(4 Layer)>
송신자와 수신자의 논리적 연결(Connection)을 담당하는 부분으로, 신뢰성 있는 연결을 유지할 수 있도록 도와줍니다. 즉 endpoint(사용자) 간의 연결을 생성하고 데이터를 얼마나 보냈는지 얼마나 받았는지, 제대로 받았는지 등을 확인합니다. TCP와 UDP가 대표적입니다. (Data + HTTP Header + TCP Header)

<L4 스위치>
80이라는 숫자는 Port입니다. 
OSI 7 Layer 중 Layer 4의 정보인 Port를 사용하기 때문입니다. 
하나의 서버에서 웹 서비스를 제공하더라도 80, 8080, 8888 Port 등 종류별로 다양한 웹서비스를 제공할 수 있습니다.
만약 Port를 모른 상태에서 IP 정보만을 가지고 접속한다면 어느 Port로 접속해야 할지 모르겠죠?
그래서 L4 스위치에는 외부에서 접속할 IP뿐만 아니라 Port를 명시해주어야 합니다.

기본적으로 L4 스위치는 통신하는 데 있어 IP(Layer 3)와 Port(Layer 4)가 필요합니다.

목적지에 도달하는 것(IP)뿐만 아니라 송신자와 수신자의 논리적 연결을 생성(Port)하고 데이터 전송에 기여하기 때문입니다. 또한 선택적으로 사용자와 서버가 사용하고자 하는 프로토콜인 Layer 7(HTTP, DNS, SMTP, FTP)에도 관여할 수 있습니다.

 

L4 스위치는 TCP 혹은 UDP의 특성을 이용/제어하여 송신자와 수신자의 논리적 연결을 생성할 뿐만 아니라 L4 스위치의 목적인 로드밸런싱을 실시합니다. 이를 'L4 로드밸런싱'이라고 합니다.

<Layer 4와 Layer 7(출처 : https://www.freeism.co.kr/wp/archives/698)>

TCP / UDP를 이용하여 논리적 연결을 생성하는 것을 넘어 사용자와 서버가 사용하는 Layer 7의 프로토콜(HTTP, DNS, FTP 등)에 간섭하여 를 기반으로 로드밸런싱을 실시하거나 프로토콜의 헤더에 필요한 정보를 삽입할 수 있습니다.

이때 Layer 4의 TCP / UDP 헤더뿐만 아니라 Layer 7 프로토콜의 헤더를 제어합니다. 

이를 'L7 로드밸런싱'이라고 합니다. 

즉 L7 로드밸런싱은 Layer 4뿐만 아니라 Layer 7을 모두 수반하는 기능이라고 생각하시면 됩니다. 

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5. 3-way handshake

TCP를 사용하는 송신자와 수신자는 데이터를 전송하기 전 먼저 서로 통신이 가능한 지 의사를 묻고 한 번에 얼마나 받을 수 있는지 등의 정보를 확인합니다. 앞서 언급했던 신뢰성 있는 통신을 하기 위함입니다.
데이터를 안전하고 빠지는 부분 없이 보내기 위함이지요.
여러분이 친구와 통화할 때를 어떻게 하시는지 떠올려보면 좋을 것 같습니다.
이것을 '3-way handshake'라고 부릅니다.

사용자와 서버가 통신을 실시할 때 논리적 연결을 맺기 위해 TCP를 사용할 경우, 3-way handshake를 실시합니다.

사용자와 서버 사이의 중간에 L4 스위치가 존재한다면 L4 스위치가 중간에서 3-way handshake에 필요한 패킷(SYN, SYN/ACK, ACK)을 대신 서버/사용자에게 전달해주거나 L4 스위치 자신이 송/수신자가 되어 3-way handshake에 필요한 패킷(SYN, SYN/ACK, ACK)을 주고받습니다.
이것은 Virtual Server의 Type이 Layer 4이냐 Layer 7에 따라 달라지게 됩니다.

<L4 스위치의 3-way handshake(출처 : http://blog.daum.net/ossogood/8435566)>

위의 그림은 3-way handshake를 실시할 때의 L4 스위치가 어떻게 행동하는가를 단면적으로 보여주는 그림입니다.

그림에선 L4 스위치가 3-way handshake 관련 패킷인 SYN, SYN/ACK, ACK 패킷을 Forwarding 하고 있군요. 

모든 경우에서 L4 스위치가 그림에서의 역할처럼 행동하지 않으므로 '대략 저런 모습이구나' 정도만 생각하고 넘어가시면 될 것 같습니다.

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6. L4 Virtual Server의 트래픽 플로우

F5 Networks에서는 L4 로드밸런싱을 담당하는 L4 Virtual Server를 Performance L4 Type이라고 부릅니다.

말 그대로 L4에서의 성능을 극대화한 Virtual Server Type이라는 뜻이지요.

Performance Type에서 L4 스위치의 역할은 트래픽 중개 및 제어보다는 전달(Forwading)에 초점이 맞추어져 있습니다.

그렇게 때문에 Layer 4 프로토콜인 TCP / UDP를 제어하면서 사용자가 전달한 요청을 그대로 Pool Member(실제 서버)에게 전달합니다.

 

3-way handshake 또한 예외가 아닙니다.

아래 그림을 보시면 3-way handshake의 패킷조차도 L4 스위치가 Pool Member(실제 서버)에게 전달합니다.

즉 3-way handshake를 실시하는 주체가 사용자와 서버이며 L4 스위치는 중간에서 전달하는 역할만 하게 됩니다.

아래 그림을 보시면 사용자(혹은 서버)와 L4 스위치가 3-way handshake가 아닌 사용자와 서버가 3-way handshake를 실시하며 L4 스위치는 단순 전달(로드밸런싱)의 역할만 하는 것을 볼 수 있습니다.

L4 Virtual Server의 트래픽 플로우

3-way handshake 이후 사용자가 데이터를 전달하면 그대로 Pool Member(실제 서버)에게 전달합니다.

이처럼 L4 스위치가 로드밸런싱과 연결 생성(Connection)에 집중하기 때문에 부하가 상대적으로 덜하여 성능을 극대화할 수 있습니다.

상위 프로토콜인 Layer 7에 대한 간섭을 원하지 않고 처리 성능을 극대화하여 더 많은 요청을 처리하고자 할 때 L4 Virtual Server를 쓰곤 합니다.

아니면 굳이 Layer 7을 제어할 필요가 없어도 좋겠죠.

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7. L7 Virtual Server의 트래픽 플로우

F5 Networks에서 L7 로드밸런싱을 담당하는 L7 Virtual Server를 Standard Type이라고 부릅니다.

Layer 4의 TCP / UDP뿐만 아니라 Layer 7의 HTTP, FTP, SMTP, DNS 등의 프로토콜 헤더를 제어하거나 필요한 정보를 삽입할 수 있습니다.

L4 스위치가 프로토콜의 헤더에 직접 개입하기 때문에 사용자 / 서버와 L4 스위치가 3-way handshake를 실시하고 패킷도 직접 받아서 처리 후 넘겨주게 됩니다.

전달보다는 중개자로서의 역할이 훨씬 큰 것이죠.

이를 Proxy라고 부릅니다.

아래 그림을 보시면 Proxy Server로서의 L4 스위치를 보실 수 있습니다. 

L7 Virtual Sever의 트래픽 플로우

먼저 사용자와 L4 스위치가 3-way handshake를 실시한 후, HTTP 요청을 받아들입니다.

그리고 부하분산할 Pool Member(실제 서버)를 선택한 뒤, L4 스위치와 서버가 3-way handshake를 실시하여 전달받은 요청을 Pool Member(실제 서버)에 전달하는 것을 볼 수 있습니다. 

그럼 HTTP 헤더를 어떻게 제어하여 쓴다는 것일까요?

감이 잘 오지 않으실 겁니다. 제가 예전에 고객사로부터 받은 요청 중에는 이런 것이 있습니다.

고객 : 사용자가 인터넷 브라우저(IE, Chrome, Firefox 등)에 따라 제공되는 웹페이지를 다르게 하고 싶습니다.
           그것을 L4 스위치에서 처리할 수 있을까요?

답변 : 그렇다면 들어온 요청의 HTTP 헤더에 있는 User-agent Header를 보고 브라우저 종류를 확인한 후, 각각 다른 URL로 Forwarding하면 가능합니다. 

이처럼 L7 Virtual Server Type인 Standard Type을 사용하게 되면 HTTP 헤더를 제어할 수 있게 되므로 위의 사례처럼 다양한 로드밸런싱 혹은 전달(Forwarding)이 가능하게 됩니다.

L4 스위치가 보다 적극적인 위치에서 임무를 수행하는 것이죠.

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<자료출처>

https://aws-hyoh.tistory.com/65

L4 스위치 쉽게 이해하기 #1(L4 스위치의 개요와 역할)

https://aws-hyoh.tistory.com/69

L4 스위치 쉽게 이해하기 #2(Traffic Flow)