5. 네트워크 계층과 라우팅 기법

목차

1. 네트워크 계층과 라우팅 프로토콜

2. 거리벡터와 링크상태 알고리즘

3. 여러 가지 라우팅 프로토콜

4. OSPF 프로토콜

5. RIP와 RIPv2 프로토콜

 

5.1 네트워크 계층과 라우팅

네트워크 계층의 기능

전송 측에서 목적지까지 데이터 패킷이 거쳐가는 최적의 경로를 선택하여 배정하는 기능 -> '라우팅(routing)' 기능

종단간 패킷 전송을 취급한다는 점에서 데이터링크 계층과 구분,  정적,동적,디폴트 라우팅 기법이 있음

 

라우터 (router)

- 라우팅 기능을 수행하는 장치로 라우팅 정보를 참조하여 경로를 설정하고, 데이터 패킷을 중계함으로써 서로 다른 네트워크들을 연결한다.

- 라우팅 테이블의 내용 -> 네트워크주소 (목적지 주소), 메트릭(목적지까지의 소요비용), 다음 라우터 혹은 다음 게이트웨이, 인터페이스 등

 

//데이터 패킷과 프레임의 차이 설명 출처: https://ict-story.tistory.com/39

5.1.2 라우팅 알고리즘 설계 시 요구사항

최적성: 메트릭이 네트워크의 상태를 잘 나타낼 수 있도록 최적으로 계산되어야 한다.

단순성: 제한된 환경(자원, 메모리, CPU 등) 내에서 운영되기 때문에 필요로 하는 최소한의 소프트웨어와 오버헤드를 갖도록 설계해야 한다.

안정성: 라우팅 알고리즘은 예측 불가능한 여러 가지 환경(하드웨어의 문제, 네트워크 에러 발생, 과부하 등) 내에서도 정확하고 안정된 동작이 되도록 해야 한다.

유연성: 라우팅 알고리즘은 변화에 신속하게 대응해야 하며, 네트워크에서 라우터의 이상과 같은 어떤 변화가 발생하면 필요한 정보를 신속하게 경신하고, 그 정보를 신속히 모든 디바이스에 알려주어야 한다.

 

5.1.3 라우팅 기법의 분류

정적 라우팅 기법  

- 입력된 라우팅 정보가 재입력을 하기 전까지는 이전의 값이 변하지 않고 고정된 값을 유지하며, 라우팅 정보를 네트워크 관리자가 수동으로 입력

- 네트워크의 규모가 커져서 연결된 라우터의 숫자가 늘어나면 입력해야 할 정보량도 증가

- 네트워크 정보의 변경시, 그 내용을 모든 라우터들에게 알려주어야 함

- 규모가 작은 네트워크에서 주로 사용 

 

동적 라우팅 기법

- 라우팅 정보를 인접한 다른 라우터들과 자동으로 교환하여 라우팅 테이블을 자동으로 작성

 

디폴트 라우팅 기법

- 디폴트 라우터를 설정하여 라우팅 테이블에 등록되어 있지 않는 주소를 갖는 패킷들을 디폴트로 지정된 경로로 전송되도록 하는 기법

- 라우터를 디폴트 라우터로 정해 놓으면, 네트워크에서 주소가 식별되지 않는 모든 패킷은 B 라우터로 전송됨 [그림 5-2]

 

5.1.4 영역에 따른 라우팅 프로토콜의 분류

자치 시스템 (AS : Autonomous System) -> 동일한 라우팅 프로토콜을 사용하는 네트워크

IGP와 EGP: 네트워크의 규모가 커짐에 따라 전체 네트워크 정보가 급증하여 관리의 어려움으로 인해, 보다 효율적인 네트워크 관리의 필요성에 의해 개발된 라우팅 프로토콜이다. 

 

IGP (Interior Gateway Protocol:역내 게이트웨이 프로토콜)

- 자치 시스템 내부의 라우터들끼리 라우팅 정보를 교환하는 데 사용되는 라우팅 프로토콜

- RIP (Routing Information Protocol), IGRP(Interior Gateway Routing Protocol), OSPF 등

 

EGP (Exterior Gateway Protocol:역외 게이트웨이 프로토콜)

- 자치시스템 상호 간에 라우팅 정보를 교환하는 데 사용되는 프로토콜

 

5.2 거리벡터와 링크상태 알고리즘

5.2.1 거리벡터 알고리즘

각 라우터가 인접해 있는 라우터와 경로설정 정보를 교환하여 네트워크의 구성이나 장치 배치에 관한 정보를 교환하는 구조

 

라우팅 메트릭 값의 설정 -> 네트워크 지연시간, 대역폭, 신뢰성, 부하율 등을 고려

- 네트워크 지연 : 하나의 패킷이 네트워크를 통하여 전송 측에서 목적지(수신측)까지 전송되는데 걸리는 시간으로, 링크의 대역폭, 실제거리, 포트의 큐, 네트워크의 과부하 등 다양한 요인에 의해 결정

- 대역폭 : 연결된 네트워크 구간에서 사용 가능한 트래픽의 양

- 신뢰성 : 각 네트워크 연결 상태에 있어서 얼마만큼의 신뢰(비트 에러율 등)를 유지하는가를 수치로 표현된 것.

- 부하 : 네트워크 traffic의 busy한 정도

 

새로운 정보를 받을 때마다 인접한 라우터에 그 정보를 알려주고, 이것을 반복하여 최종으로 모든 라우터가 네트워크 전체의 정보를 갖게 됨 [그림 5-5]

 

교환되는 정보가 기본적으로 거리 정보뿐이기 때문에 단순하고 다루기 쉬운 반면, 장애 등의 원인을 알아내기에는 어려움이 있음

 

5.2.2 링크상태 알고리즘

목적: 링크상태 알고리즘은 거리벡터 라우팅 프로토콜의 단점을 해소하기 위해 개발됨

구조: 라우터가 먼저 각각의 독립된 네트워크 영역에 관한 정보를 다른 모든 라우터에게 전달하는 구조

 

장점: 

- 라우팅 정보가 변경될 경우 바뀐 라우팅 정보만을 전파시키기 때문에 네트워크 트래픽 발생량을 현저히 줄일 수 있어서, 규모가 큰 네트워크에서도 사용 가능하다.

- 해당 라우터에서 발생한 정보만을 다른 라우터들로 전파시키기 때문에 라우팅 루프(loop) 같은 라우팅 오류가 발생하지 않는다.

- 거리벡터에서와 같은 시간지연 문제 발생이 적다.

 

단점:

- 복잡한 구조로 경로설정이 구현되므로 주소 배분이나 장치 설정의 어려움이 발생한다.

 

5.2.3 거리벡터와 링크상태 방식의 장단점 비교

5.3 여러 가지 라우팅 프로토콜

5.3.1 역내 라우팅 프로토콜

OSPF (Open Shortest Path First) 라우팅 프로토콜

- OSPF는 동일한 AS(도메인) 내에서 사용되는 IGP이며, RIP의 문제점을 해결하기 위해 설계된 링크상태 프로토콜

- 모든 라우터가 토폴로지(네트워크의 링크,노드와 같은 요소 들)에 관한 모든 정보를 갖고 있음

 

RIP (Routing Information Protocol)

- 거리벡터 라우팅 기법을 사용하는 일반적인 프로토콜

- 하나의 라우터에 있는 모든 라우팅 정보를 다른 라우터에 주기적으로(30초) 전송

- 홉(hop)의 제한으로 인해 소규모나 중간규모의 네트워크에 적합한 기법

 

RIPv2

- RIPv2는 RIP와 동일한 기본 알고리즘을 사용하면서 단점을 보완한 프로토콜로서

- 인증 메커니즘을 제공하고 인터넷 전체에 VLSM을 사용할 수 있도록 보완

- 멀티캐스트 기능을 사용하여 정보교환을 수행하도록 하고 있다. *멀티캐스트(multicast)란 한 번의 송신으로 메시지나 정보를 목표한 여러 특정 컴퓨터에 동시에 전송하는 것

- 거리벡터 알고리즘이 갖는 네트워크의 최대 크기에 대한 제한은 있음

 

5.3.2 역외 라우팅 프로토콜

EGP (Exterior Gateway Protocol)

- 경로 제어정보를 교환하는 두 IP 라우터가 서로 다른 두 AS에 속할 때 이를 역외 환경이라 함

- EGP(역외 게이트웨이 프로토콜)는 역외 환경에서 라우터가 도착 가능성 정보를 다른 AS에 알리기 위해 사용하는 프로토콜

- EGP는 다른 AS에 속한 라우터에 경로에 관한 제어정보를 교환하여 그 라우터와 인접 관계를 맺으며, 라우터가 이 EGP 환경에 대해 지속적으로 응답할지 여부를 확인하게 됨

- 경로설정 정보를 넘겨줌으로써 네트워크의 정보를 정기적으로 교환

 

BGP

- EGP를 사용할 경우 인터넷의 규모가 보다 확장될수록 라우팅 순환 등의 심각한 문제들이 발생하여 이를 해결하기 위해 링크상태 프로토콜인 BGP가 등장

- EGP가 네트워크의 도착 가능성을 알리기 위한 역할을 수행하는데 비해, BGP는 가중치라는 개념을 이용하여 우선순위를 추가

 

BGP의 동작

- 초기에 BGP 라우터가 상대와 연결될 때에 자신의 전체 경로 테이블의 내용을 교환하고, 그 이후에는 변화된 것만을 교환

- BGP 라우터는 특정 목적지에 대한 모든 타당한 경로를 유지하고 있지만 경로 경신시에는 최적경로만을 전송함

 

5.4 OSPF 프로토콜

OSPF에서는 RIP와 달리 라우팅 알고리즘을 적용하기 위한 hierarchy 구조를 취함

자치시스템(AS:Autonomous System) : 공통적인 라우팅 정보를 공유하면서 하나의 관리체제에 의해 관리되는 네트워크의 집합

AS는 다시 여러 개의 영역으로 나뉘고, 연속적인 네트워크 및 접속된 시스템들의 집합으로 구성 [그림 5-7]

5.4.1 OSPF의 동작과 특성

OSPF 라우터는 처음 부팅 시, 헬로(HELLO) 패킷의 교환에 의해 이웃한 라우터를 서로 인식

 

여러 개의 라우터 중에서, 경로정보의 생성 및 분배 책임을 지는 ‘designated router’를 선정

 

선정된 지명 라우터는 새로 인식된 라우터와 경로정보를 교환하여 동기를 맞춤

 

OSPF 라우터는 자신의 경로 테이블에 대한 정보를 LSA (Link State Advertisement)라는 자료구조를 통해 주기적으로 혹은 라우터의 상태가 변화되었을 때 전송

 

LSA는 해당 영역의 모든 라우터에 알려짐

 

영역 경계 라우터는 AS의 백본 네트워크에 연결되어 있으므로, 다른 영역 경계 라우터와 영역에 대한 요약(summary) 정보를 주고받음으로써 AS의 토폴로지와 다른 영역에 대한 정보를 획득

- 이를 통해 자신의 영역에 속하지 않은 모든 목적지에 대한 경로를 계산할 수 있고 이를 내부 라우터에 전송

 

내부 라우터는 다른 영역에 속하는 목적지로 전송할 때 어느 영역 경계 라우터로의 패킷 전송여부를 결정

 

다른 AS에 대한 외부 경로정보를 알고 있는 AS 경계 라우터는 AS를 경유하여 정보를 전송할 수 있으므로, 외부 경로정보는 영역 경계 라우터에 의해 영역 요약 정보 형태로 내부 라우터에 전송

- AS 경계 라우터의 위치는 일부 라우터를 제외하고는 모두 알려지게 되며, 이를 통해 AS 외부로 정보를 전송할 수 있게 됨

 

OSPF 라우터는 영역내부, 영역 외부, AS 외부의 경로에 대한 정보를 얻어 데이터베이스를 구축함

 

5.5 RIP와 RIPv2 프로토콜

5.5.1 RIP의 동작

RFC 1058 인터넷 표준 라우팅 프로토콜이 되었고, 계층구조가 아닌 평면구조를 취함

어느 라우터가 네트워크 토폴로지의 변경을 인식하면 이 정보를 인터넷상에 있는 다른 모든 라우터에 전달

 

홉 계수를 메트릭(metric)으로 나타내고, 목적지까지 다수의 라우터가 존재할 경우에는 홉 계수가 가장 적은 것, 즉 메트릭이 최소인 것을 선택함

 

경유하는 네트워크의 수에 대해서 상한(15)을 설정

 

만일 메트릭이 16이라면, 이는 도달 불능 네트워크(unreachable network)를 의미

 

RIP 알고리즘은 간단하면서도 견고한 특성을 갖지만, 거리벡터 알고리즘을 사용하기 때문에 실시간으로 측정된 지연, 부하, 신뢰성 등의 매개변수를 고려할 필요가 있는 경우에는 부적합

 

RIP에서는 요청과 응답이라는 2가지 종류의 패킷을 사용

 

30초에 한 번씩 자기의 목적지 정보 전체를 이웃 라우터에 전송

 

라우팅 정보의 변화가 없을 때에도 라우터는 갱신된 정보를 전송

 

상대 라우터의 요청 패킷이 있을 때 이에 대한 응답 패킷을 전송하며, 이웃 라우터에 전송한 어떤 특정 목적지 정보가 변경되었을 때, 변경된 정보를 이웃 라우터에 알려줌

 

홉 계수가 11인 경우 RIP의 동작 [그림 5-8]

 

5.5.2 RIP의 기능

홉 계수 제한

- 과도한 트래픽이 발생되어 성능에 치명적인 문제를 제기할 수 있기 때문에 이를 방지하기 위해서 최대 홉의 크기를 15로 제한

 

보류

- 무효화된 경로에 대한 정보는 어느 일정 시간 동안 경신하지 않고 유지하고 있어야 함

- 회선장애가 발생한 이후에 라우팅 테이블을 경신하지 않고, 전체 네트워크의 경로가 새로 경신될 때까지 기다림

 

수평분리

- 자신을 기억하고 있는 인터페이스에는 경로에

      대한 광고를 하지 않는 것을 말함

- 해당 포트에 관한 정보는 이 포트를 통하여

      중복 전달하지 않도록 함 (라우팅 루프 방지)

 

포이즌 리버스

- 실패한 경로를 삭제하고 보류 상태를 유지하기 위한 기능

- 오류가 발생한 경로를 광고할 때에 큰 값의 메트릭(16홉)을 설정해서 이 경로들을 사용할 수 없도록 하는 방법

 

타임아웃

- RIP를 사용하는 모든 라우터들은 사용자가 설정한 시간 간격에 기초해서 경신 메시지를 보내며, 시간 간격의 디폴트값은 30초 -> 30초마다 update정보를 방송함

 

5.5.3 RIP의 특성

장점

- 알고리즘이 매우 간단하면서도 견고한 특성을 갖는다는 점

 

네트워크의 크기가 15홉으로 제한된다는 점은 장점인 동시에 단점이기도 함

- 홉 제한은 네트워크 크기를 제한하고자 했던 것이 아니라, 네트워크의 복구에 필요한 시간을 최소화할 필요성에서 나온 것

 

단점

- 경신 정보에 대한 요구가 들어왔을 때나 토폴로지가 변경되었을 때만 경신정보를 전송하는 것이 아니라, 주기적으로 경신 정보를 보내야 함

 

- 브로드캐스트 방식을 사용 해서 인접한 라우터 간의 정보를 교환하므로 네트워크 대역폭의 낭비가 초래되고, 네트워크에 연결되어 있는 모든 호스트들은 라우팅 처리와 무관하게 관련된 패킷을 처리해야 하므로 연결된 모든 장치에 오버헤드가 발생

 

- RIP는 단순한 홉 카운트만을 이용해서 경로의 품질을 결정하므로 효과적이긴 하나, 사용되고 있는 링크의 실제 인터페이스 속도를 계산에 포함시킬 수 없음

 

- RIP는 서브넷을 구별하지 못함

 

5.5.4 RIPv2의 특성

기존 RIP의 기능을 확장한 것으로, RIP 메시지로 전달되는 유용한 정보들을 확대하여 수용하도록 설계됨

 

특히 RIPv2에서는 인식 기능이 제공되기 때문에, broadcast 방식이나 multicast 방식으로 경신 정보를 전송하는 것이 모두 가능해짐

 

서브넷 마스크 (mask) 기능도 포함 = 이는 인터넷이 다수의 네트워크로 구성되고 각각 다른 마스크 값을 가지고 있을 경우 유용함

 

RIPv2는 EGP에서 얻어진 AS 번호 등의 정보를 통지하기 위해 사용되는 외부 루트택(route tag) 기능이 있음

 

RIP에서는 서브넷 마스크를 바이트 단위로 인식을 하여 A, B, C 클래스 단위(기본 255.255.255.0이나 255.255.0.0 등)로 인식했으나, RIPv2에서는 비트 단위(255.255.255.128)로 인식

 

멀티라우팅 프로토콜 환경에서 라우팅 수행 중에, 다음에 전송될 라우터 중 최적 라우터의 선택이 가능하도록 하는 ‘다음 홉 주소’를 사용

 

RIPv2 패킷은 멀티캐스트 방식을 사용하기 때문에 라우팅 프로토콜을 지원하지 않는 호스트의 부하를 경감시킬 수 있으며, 또한 RIP 외는 지원하지 않는 라우터에 서 해석할 수 없는 정보를 RIPv2 라우터 사이에 공유하도록 함으로써 신뢰성 향상시키는 것이 가능해짐