네트워크 계층

IP 주소를 이용해 송수신지 대상을 지정하고, 다른 네트워크에 이르는 경로를 결정하는 라우팅을 통해 다른 네트워크와 통신합니다.

데이터 링크 계층의 한계

• 물리계층과 데이터 링크 계층만으로는 다른 네트워크까지의 도달 경로를 파악하기 어렵다.
• MAC주소만으로는 모든 네트워크에 속한 호스트의 위치를 특정하기 어렵다.

IP(Internet Protocol)

데이터 패킷이 네트워크를 통해 이동하고 올바른 대상에 도착할 수 있도록 데이터 패킷을 라우팅하고 주소를 지정하기 위한 프로토콜

IP주소

• IPv4

  널리 사용되는 IP 주소로, 32비트의 값을 가진다. 보통 8비트씩 끊어 이를 0~255의 10진수 숫자로 나타내며, 각 숫자는 점(.)으로 구분한다. 예전에는 IP를 할당할 때 클래스를 나누어서 할당하였는데

: 처음에는 주로 Class-B(128.0.0.0~191.255.255.255)의 영역에서 할당했지만 인터넷이 점점 발달되고 보편화되면서 IP 주소의 소모가 빨라지자 클래스로 나누어 할당하는 방식을 더 이상 사용하지 않고 대신 사이더(CIDR)란 방식으로 할당하기 시작하였다.

총 32비트의 정보를 가지므로 최대 232개, 약 43억 개[4]의 고유한 주소를 부여할 수 있다.

• IPv6

  128비트의 값을 가진다. IPv4에 비해 길이가 길다. 일반적으로 4자리의 16진수 숫자 8개로 표기하고, 각각은 쌍점(:)으로 구분한다.

ARP

OSI 7 Layer에서 Layer 3에 위치한 프로토콜이며, MAC 주소와 IP 주소를 서로 연결하는 용도로 사용한다.

라우팅

패킷이 이동할 최적의 경로를 설정한 뒤 해당 경로로 패킷을 이동시키는 것.

• 라우팅 프로토콜

  라우터끼리 자신들의 정보를 교환하며 패킷이 이동할 최적의 경로를 찾기위한 프로토콜

• AS (Autonomous System)

  동일한 라우팅 정책으로 운용되는 라우터들의 집단 네트워크

  • ASBR (Autonomous System Boundary Router)

    AS 외부와 통신할 경우 AS 경계에서 AS 내외로 통신을 주고받을 수 있는 경계라우터

• 라우팅

  • 정적 라우팅

    사용자가 수동으로 직접 채워 넣은 라우팅 테이블의 항목을 토대로 라우팅되는 방식

  특징 : 네트워크 대역폭을 절약할 수 있다, 보안에 강하다. 경로에 문제가 생길 경우 대처가 어렵다.

  • 동적 라우팅

    자동으로 라우팅 테이블 항목을 만들고, 이를 이용하여 라우팅하는 방식
    특징 : 라우터가 판단하여 가장 효율적인 방법으로 패킷을 전송시킨다.

  

  • IGP (Interior Gateway Protocol)

    AS 내부에서 수행되는 프로토콜

    • RIP (Routing Information Protocol)

      거리 벡터를 사용하여 최소 Hop Count를 파악하여 라우팅하는 프로토콜.

      • Distance vector 알고리즘 기반 : 각 노드가 자신에게 직접 연결된 이웃의 링크 비용만을 알고 있으며, 이웃 라우터 간에 주기적으로 정보를 교환하여 (목적지까지의 홉 수 등) 최적의 경로를 업데이트 → 벨만-포드 알고리즘을 사용하여 경로를 계산

      • 과정

        1. 주기적으로 각 노드는 이웃 노드에게 자신의 라우팅 테이블 정보를 전달하고 이웃 노드로부터 정보를 수신 (30초)
           • 각 노드는 자신과 직접 연결된 이웃 노드의 링크 비용 정보를 알고 있음
           • 120초 동안 정보를 받지 못하면 경로 단절로 판단
        2. 노드는 받은 정보를 기반으로 벨만-포드 알고리즘을 사용하여 자신의 라우팅 테이블로 갱신
        3. 갱신된 라우팅 테이블을 사용하여 데이터 패킷을 최적 경로로 전달

      • 장점 :
        간단한 구현, 분산된 환경에서 동작할 수 있으며, 이웃 노드 간의 정보 교환을 통해 라우팅 테이블을 갱신
        → 소규모 네트워크에 효과적

      • 단점 :
        Slow convergence: 정보 교환과 라우팅 테이블의 업데이트를 반복해야 하므로 라우팅 테이블이 최적의 상태로 수렴하는 데 시간이 오래 걸릴 수 있다.
        Bad news travels slow - Count-to-Infinity: 링크 비용이 증가하거나 경로가 끊긴 경우, 해당 정보가 라우터 간에 느리게 전파되는 현상으로 Route loop이 발생할 수 있다.
        
        

      • 해결 방안 :

        스플릿 호라이즌(Split Horizon)
        └ 라우팅 정보를 보내준 인터페이스로는 해당 라우팅 정보를 보내지 않음.
        루트 포이스닝(Route Poisoning)
        └ 회선 고장의 경우, 즉시 홉을 16으로 설정하여 전체 네트워크에 전달
        홀드다운 타임
        └ Down 이후 일정시간 동안 동일 정보에 대한 변경을 받아들이지 않음.
        트리거 업데이트(Triggered Update)
        └ 네트워크 토폴리지 변화에 대한 즉각적인 전달로 복구시간 줄임.

    • OSPF (Open Shortest Path First)

      가장 대표적인 링크 상태 프로토콜로, 최단 경로 우선 프로토콜이다. 특히 Area라는 개념을 사용하여 전체 네트워크를 작은 영역으로 나눠 효율적으로 관리하는 방식을 택한다.
      Link-state 라우팅 알고리즘 기반: 라우터 간에 OSPF 메시지를 교환하여 네트워크의 링크 상태 정보를 업데이트하고 유지함으로써 네트워크의 완전한 토폴로지 맵을 구축

      

      • 과정 :

        1. Hello 프로토콜: 라우터는 Hello 패킷을 사용하여 이웃 관계를 설정
        2. Database Description 정보 전달: 이웃 라우터 간에 Database Description 정보를 전송
           → 링크 상태 요약 정보를 포함
        3. Link State Request (LSR): 링크 상태 요청
           → 더 자세한 정보를 위해 이웃 라우터로부터 특정 링크 상태 정보를 요청
        4. Link State Update (LSU): 링크 상태 변경된 경로 정보를 전송
           → LSA(Link State Advertisement): 링크 상태 광고 기법
        5. LSU 응답 ACK: LSU에 대한 응답으로 ACK를 전송하여 확인

      • 장점 :
        OSPF는 RIP와 달리 링크 비용의 개념을 도입하며, 다양한 변수를 고려하여 최적 경로를 계산
        OSPF는 대규모 네트워크에서 효과적으로 동작하며, link-state 알고리즘을 사용하므로 네트워크의 정확한 topology 정보를 유지하고 최적 경로를 계산한다.
        → 높은 확장성과 성능 다익스트라 알고리즘을 기반으로 최단 경로를 계산하고 패킷을 전달

  • EGP (Exterior Gateway Protocol)

    AS 외부에서 수행되는 프로토콜

    • BGP

      대규모 네트워크에서 AS 간의 경로 선택과 라우팅 정보 교환을 관리하는 데 사용되는 프로토콜