Network Layer

라우터: 컴퓨터 네트워크 간에 패킷을 전송하는 네트워크 장치로, 패킷의 위치를 추출하여 그 위치에 대한 최적의 경로를 지정하며, 이 경로를 따라 패킷을 다음 장치로 전달하도록 한다.

라우팅(Routing) : 데이터 패킷을 출발지에서 목적지로 안전하게 전송하기 위한 최적의 경로를 결정하는 프로세스

➡️ 라우팅을 해주는 계층이 바로 네트워크 계층

• 🤔 이런 네트워크 계층이 없다면?
  ➡️ 바로 옆에 있는 노드에 있는 장치에만 전송이 가능하다.

• 발신 호스트에서 수신 호스트로 전송 세그먼트(데이터 조각)를 전달하는 역할
• 발신 측에서는 세그먼트를 데이터그램으로 캡슐화하여 전송한다.
• 수신 측에서는 세그먼트를 수신하고 전송 계층으로 전달한다.
• 모든 호스트와 라우터에는 네트워크 레이어 프로토콜이 있으며, 라우터는 지나가는 모든 IP 데이터그램의 헤더 필드를 검사한다.

➡️ 데이터를 보내는 측에서 받는 측으로 안전하게 전달하고, 호스트와 라우터에서 네트워크 통신을 관리하며 데이터를 라우팅하는 역할을 한다.

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📌 Two Key Network Layer Functions

• 포워딩(Forwarding)
  • 라우터의 input부터 output까지 패킷이 옮겨지는 것
  • 하드웨어에 의해 발생하므로 fabric, 즉 선의 종류에 라우터의 성능이 달려있다.
  • data plane의 영역
    • 라우터마다 있는 기능으로, 특정한 데이터그램이 입력포트로 들어왔을 때 어떤 출력포트로 forwarding 할지 정해준다.
      
      
  • 포워딩 테이블은 이 라우터에서 로컬 포워딩을 결정한다.
    • 로컬 포워딩: 라우터가 패킷을 동일한 로컬 네트워크로 전송하는 경우

• 라우팅(Routing)
  • source(발신지)부터 destination까지의 경로를 구축하는 것
  • control plane의 영역
    
    
  • 라우팅 알고리즘은 네트워크를 통해 end-end 경로(출발지에서 목적지까지)를 결정한다.

data plane과 contol plane은 네트워크 계층을 두 계층으로 나눈 것이라 생각하면 된다.

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📌 Datagram forwarding table

실제 IP주소는 40억개가 존재하므로, 각각 처리해줄 수가 없으므로, 아래와 같이 범위를 지정

Longest Prefix Matching(가장 긴 접두사 일치)

• 라우터가 목적지 IP 주소를 기반으로 데이터 패킷을 적절한 경로로 라우팅하기 위한 방법
• IP 주소는 일반적으로 점으로 구분된 4개의 숫자로 표현되며, 각 숫자는 0부터 255까지의 범위에서 값을 가질 수 있다.
• 이때, IP 주소를 서브넷으로 분할하면서 가장 긴 접두사를 찾는 것이 중요하다.

IP 주소: 컴퓨터와 장치를 식별하기 위한 주소 체계
서브넷: 이 IP 주소 공간을 더 작고 관리하기 쉬운 블록으로 나누어 네트워크를 조직화하는 방법

• 서브넷 A: 192.168.1.0/24
• 서브넷 B: 192.168.1.128/25
• 서브넷 C: 192.168.1.160/27
  
  
• 패킷의 목적지 IP 주소가 192.168.1.135라면, Longest Prefix Matching은 이 패킷을 서브넷 B로 라우팅한다.
• 192.168.1.128/25가 가장 긴 접두사로 일치한다.

➡️ 라우터가 목적지 IP 주소를 가장 정확하게 일치하는 서브넷에 라우팅하도록 도와주므로, 효율적이고 정확한 데이터 패킷 라우팅을 가능하게 한다.

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📌 Control Plane

Per-router Control Plane

• 전통적인 네트워크 아키텍처에서 사용되는 방식으로, 각 라우터가 자체적으로 Control Plane을 가지고 있으며 라우팅 결정 및 관리를 개별적으로 수행

• 장점
  • 분산된 운영: 각 라우터가 자체적으로 라우팅 결정을 수행하므로 네트워크의 분산된 운영이 가능하다.
  • 속도와 성능: 라우터는 빠른 라우팅 결정을 위해 하드웨어에 최적화되어 있어 속도와 성능 면에서 효율적이다.
  • 신뢰성: 개별 라우터 간의 오류나 장애가 다른 라우터에 큰 영향을 미치지 않아 네트워크의 신뢰성이 높다.
    
    
• 단점
  • 복잡성: 대규모 네트워크에서는 라우팅 테이블의 관리와 라우팅 정보 교환이 복잡해질 수 있다.
  • 유연성 부족: 네트워크 변경 및 정책 업데이트가 다소 번거롭고 시간이 소요될 수 있다.

과거에는 라우터 내에서 포워딩, 라우팅을 둘 다 했었으나, 포워딩은 하드웨어 영역에서 발생하여 nanosecond 단위가 소모되는 반면, 라우팅은 소프트웨어 영역에서 발생하므로 millisecond 단위가 소모된다.

따라서 이토록 오버헤드가 큰 라우팅을 따로 분리하여 원격 서버(remote server)에서 관리하는 것을 SDN(Software-defined network)라고 하며, 이것이 현재 대세라고 한다.

Software-Defined Networking Control Plane

• 소프트웨어 기반의 네트워크 아키텍처로, 네트워크 리소스의 중앙 집중적인 제어와 자동화를 가능하게 하는 기술

1. Control Plane과 Data Plane 분리:
   Control Plane은 중앙 위치에서 동작하며 네트워크 관리, 라우팅 결정, 정책 관리를 담당한다. Data Plane은 실제 데이터 패킷 전달을 담당하며, Control Plane의 결정에 따라 패킷을 전달한다.
   
   
2. 컨트롤러 기반 제어:
   네트워크 컨트롤러라고 불리는 소프트웨어 엔터티가 Control Plane을 관리한다. 이 컨트롤러는 네트워크 장비와 통신하여 네트워크 상태 정보를 수집하고 라우팅 결정을 내린다.
   
   
3. 프로그래밍 가능한 네트워크:
   네트워크를 프로그래밍 가능하게 만든다. 네트워크 관리자는 컨트롤러를 사용하여 네트워크 동작을 프로그래밍하고 정책을 정의할 수 있다. 이로써 빠르고 유연한 네트워크 운영이 가능해진다.
   
   
4. 네트워크 가상화와 서비스 체인:
   SDN을 사용하면 네트워크 리소스를 가상화하여 다중 테넌트 환경에서 네트워크를 효과적으로 분리하고 서비스 체인을 구축할 수 있다. 이는 클라우드 환경과 데이터 센터에서 매우 유용하다.
   
   
5. 효율성과 유연성:
   네트워크 관리와 운영을 자동화하고 최적화하여 네트워크 리소스의 효율적 사용과 유연한 네트워크 구성을 지원한다.

• 단점
  • 복잡성: SDN의 도입과 관리가 복잡할 수 있으며, 새로운 기술을 도입하는 데 시간과 노력이 필요하다.
  • 보안 고려 사항: 중앙 집중 제어 시스템에 대한 보안이 중요하며, 적절한 보안 조치가 필요하다.
  • 하드웨어 호환성: 일부 기존 네트워크 하드웨어와의 호환성 문제가 발생할 수 있다.

비교

특징	Per-router Control Plane	SDN Control Plane
Control Plane과 Data Plane 분리	아니오	예
컨트롤러/제어 시스템 유무	개별 라우터가 독립적으로 제어	중앙 집중적인 컨트롤러/제어 시스템 사용
프로그래밍 가능성	낮음	높음
네트워크 관리 및 운영의 유연성	낮음	높음
중앙 집중적인 정책 및 라우팅 관리	아니오	예
네트워크 리소스 가상화	낮음	높음
복잡성	낮음 (분산된 운영)	높음 (도입 및 관리)
보안 고려 사항	낮음	중요함
하드웨어 호환성	높음	일부 기존 하드웨어와의 호환성 문제 발생