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- Youngju Kim
- @fjvbn20031
네트워크 계층 개요: 포워딩과 라우팅
네트워크 계층(Network Layer)은 송신 호스트에서 수신 호스트까지 패킷을 전달하는 역할을 담당합니다. 트랜스포트 계층이 종단 간 논리적 통신을 제공한다면, 네트워크 계층은 호스트 간 실제 경로를 결정하고 패킷을 이동시키는 핵심 계층입니다.
이 글에서는 네트워크 계층의 두 가지 핵심 기능인 포워딩(Forwarding) 과 라우팅(Routing) 을 구분하고, 네트워크 서비스 모델, 가상 회선과 데이터그램 네트워크의 차이, 그리고 라우터의 내부 구조를 살펴봅니다.
1. 포워딩과 라우팅의 구분
1.1 포워딩 (Forwarding)
포워딩은 라우터의 입력 포트에 도착한 패킷을 적절한 출력 포트로 이동시키는 로컬 동작입니다. 하드웨어 수준에서 나노초 단위로 수행되며, 포워딩 테이블(Forwarding Table)을 참조하여 결정됩니다.
1.2 라우팅 (Routing)
라우팅은 패킷이 출발지에서 목적지까지 이동하는 전체 경로를 결정하는 네트워크 전역 동작입니다. 라우팅 알고리즘이 포워딩 테이블의 내용을 결정합니다.
1.3 비유로 이해하기
자동차 여행에 비유하면 다음과 같습니다.
- 라우팅: 서울에서 부산까지의 전체 경로를 네비게이션으로 계획하는 것
- 포워딩: 각 교차로에서 네비게이션 안내에 따라 좌회전 또는 우회전하는 것
포워딩과 라우팅의 관계
========================
[라우팅 알고리즘] -----> [포워딩 테이블]
(경로 결정) (테이블 참조)
|
v
패킷 도착 --> [입력 포트] --> [스위칭] --> [출력 포트] --> 패킷 전송
(포워딩: 로컬 동작)
2. 네트워크 서비스 모델
네트워크 계층이 트랜스포트 계층에 제공할 수 있는 서비스 모델은 크게 두 가지입니다.
2.1 연결형 서비스 (Connection-Oriented)
데이터 전송 전에 경로를 설정하고, 모든 패킷이 같은 경로를 따라 이동합니다. ATM, Frame Relay 네트워크가 대표적입니다.
2.2 비연결형 서비스 (Connectionless)
각 패킷이 독립적으로 라우팅됩니다. 인터넷의 IP 프로토콜이 이 방식을 사용합니다.
서비스 모델 비교
=================
항목 | 연결형 (VC) | 비연결형 (Datagram)
------------------+---------------------+---------------------
연결 설정 | 필요 | 불필요
패킷 경로 | 동일 경로 | 각각 독립적
상태 유지 | 라우터에 상태 저장 | 상태 없음
대역폭 보장 | 가능 | 불가
대표 기술 | ATM, MPLS | IP (인터넷)
3. 가상 회선 네트워크 (Virtual Circuit)
3.1 가상 회선의 개념
가상 회선(VC) 네트워크는 전화 네트워크와 유사한 방식으로, 데이터 전송 전에 경로를 설정합니다. 물리적으로 전용 회선을 할당하지는 않지만, 논리적으로 고정된 경로를 따릅니다.
3.2 VC의 3단계
- 연결 설정 (Setup): 경로상의 모든 라우터에 VC 번호를 할당하고 포워딩 테이블에 엔트리를 추가합니다.
- 데이터 전송 (Data Transfer): 패킷은 VC 번호를 헤더에 포함하여 설정된 경로를 따라 이동합니다.
- 연결 해제 (Teardown): 경로상의 모든 라우터에서 VC 관련 상태를 제거합니다.
가상 회선 동작 예시
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호스트 A --> [R1] --> [R2] --> [R3] --> 호스트 B
VC 번호 변환 테이블 (라우터 R1):
+----------+--------+----------+--------+
| 입력 인터페이스 | 입력 VC | 출력 인터페이스 | 출력 VC |
+----------+--------+----------+--------+
| 1 | 12 | 3 | 22 |
| 2 | 63 | 4 | 18 |
+----------+--------+----------+--------+
패킷이 인터페이스 1에 VC=12로 도착
--> 인터페이스 3으로 VC=22로 변환하여 전송
3.3 시그널링 프로토콜
VC 설정과 해제를 위해 시그널링 프로토콜(Signaling Protocol)이 사용됩니다. ATM에서는 Q.2931, Frame Relay에서는 LMI 프로토콜이 대표적입니다.
4. 데이터그램 네트워크 (Datagram Network)
4.1 데이터그램 방식의 특징
데이터그램 네트워크에서는 연결 설정 과정이 없습니다. 각 패킷은 목적지 주소를 헤더에 포함하고, 라우터는 해당 주소를 기반으로 독립적으로 포워딩 결정을 내립니다.
4.2 최장 프리픽스 매칭 (Longest Prefix Matching)
라우터의 포워딩 테이블은 목적지 주소의 프리픽스를 기준으로 매칭합니다. 여러 엔트리가 매칭되면 가장 긴 프리픽스를 가진 엔트리를 선택합니다.
최장 프리픽스 매칭 예시
========================
포워딩 테이블:
+----------------------------+----------+
| 목적지 주소 프리픽스 | 출력 링크 |
+----------------------------+----------+
| 11001000 00010111 00010 | 링크 0 |
| 11001000 00010111 00011000 | 링크 1 |
| 11001000 00010111 00011 | 링크 2 |
| 그 외 | 링크 3 |
+----------------------------+----------+
목적지 주소: 11001000 00010111 00011000 10101010
--> 링크 0: 프리픽스 21비트 매칭
--> 링크 1: 프리픽스 24비트 매칭 <-- 선택 (가장 긴 매칭)
--> 링크 2: 프리픽스 21비트 매칭
5. 라우터 내부 구조
라우터는 크게 4가지 구성 요소로 이루어져 있습니다.
라우터 내부 구조
=================
[라우팅 프로세서]
(제어 평면)
|
| 포워딩 테이블 배포
v
[입력 포트] --> [스위칭 패브릭] --> [출력 포트]
[입력 포트] --> [스위칭 패브릭] --> [출력 포트]
[입력 포트] --> [스위칭 패브릭] --> [출력 포트]
(데이터 평면)
5.1 입력 포트 (Input Port)
입력 포트는 세 가지 기능을 수행합니다.
- 물리 계층 기능: 들어오는 물리적 신호를 비트로 변환
- 링크 계층 기능: 프레임의 헤더를 처리하고 디캡슐레이션
- 포워딩 기능: 포워딩 테이블을 참조하여 출력 포트를 결정
입력 포트 처리 과정
====================
물리 신호 --> [회선 종단] --> [링크 계층 처리] --> [포워딩 테이블 조회]
|
v
[스위칭 패브릭으로]
5.2 스위칭 패브릭 (Switching Fabric)
스위칭 패브릭은 입력 포트에서 출력 포트로 패킷을 물리적으로 이동시킵니다. 세 가지 방식이 있습니다.
메모리 기반 스위칭: 초기 라우터에서 사용하던 방식으로, CPU가 패킷을 메모리에 복사한 후 출력 포트로 전송합니다. 메모리 대역폭에 의해 속도가 제한됩니다.
버스 기반 스위칭: 패킷이 공유 버스를 통해 입력 포트에서 출력 포트로 직접 이동합니다. 버스 대역폭에 의해 속도가 제한됩니다.
크로스바 스위칭: N개의 입력과 N개의 출력을 연결하는 격자 구조입니다. 서로 다른 포트 쌍 간에 동시 전송이 가능하여 가장 빠릅니다.
스위칭 패브릭 3가지 방식
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1. 메모리 기반 2. 버스 기반 3. 크로스바
[입력] -> [메모리] [입력] --+ [입력]-+-+-+
| [입력] --+--> [버스] [입력]-+-+-+
v [입력] --+ [입력]-+-+-+
[출력] [출력] <-+ | | |
[출력] <-+ [출력] [출력] [출력]
[출력] <-+
5.3 출력 포트 (Output Port)
출력 포트는 스위칭 패브릭에서 전달받은 패킷을 버퍼에 저장하고, 링크 계층 및 물리 계층 처리를 거쳐 출력 링크로 전송합니다.
5.4 큐잉과 패킷 손실
입력 포트와 출력 포트 모두에서 큐잉이 발생할 수 있습니다.
출력 포트 큐잉: 여러 입력 포트에서 동시에 같은 출력 포트로 패킷이 도착하면 버퍼에 대기해야 합니다. 버퍼가 가득 차면 패킷이 드롭됩니다.
입력 포트 큐잉: 스위칭 패브릭이 모든 입력 패킷을 동시에 처리할 수 없을 때 발생합니다. HOL(Head-of-Line) 블로킹 문제가 발생할 수 있습니다.
HOL 블로킹 문제
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입력 포트 1의 큐: [패킷A -> 출력1] [패킷B -> 출력2]
입력 포트 2의 큐: [패킷C -> 출력1] [패킷D -> 출력3]
패킷 A와 C 모두 출력 포트 1로 향함
--> 패킷 C는 대기해야 함
--> 패킷 D는 출력 포트 3이 비어있지만
패킷 C 뒤에 있으므로 함께 대기 (HOL 블로킹)
6. 제어 평면과 데이터 평면
6.1 전통적 접근 방식
전통적으로 라우팅 알고리즘은 각 라우터에서 독립적으로 실행되며, 이웃 라우터와 정보를 교환하여 포워딩 테이블을 구성합니다.
6.2 SDN (Software-Defined Networking)
SDN에서는 원격 컨트롤러가 포워딩 테이블을 계산하여 각 라우터에 배포합니다. 라우터는 포워딩만 수행하고, 라우팅 결정은 중앙에서 이루어집니다.
전통적 방식 vs SDN
====================
전통적 방식: SDN 방식:
[R1]---[R2]---[R3] [원격 컨트롤러]
| | | / | \
각 라우터가 독립적으로 [R1] [R2] [R3]
라우팅 알고리즘 실행 컨트롤러가 중앙에서
포워딩 테이블 계산/배포
7. 버퍼 크기 설정
라우터의 버퍼 크기는 네트워크 성능에 큰 영향을 미칩니다.
전통적인 경험 법칙에 따르면, 링크 용량이 C이고 RTT가 평균 RTT일 때, 버퍼 크기는 다음과 같이 설정합니다.
버퍼 크기 = RTT x C
예시:
RTT = 250ms, C = 10 Gbps
버퍼 크기 = 0.25 x 10 x 10^9 = 2.5 Gbit
최근 연구에 따른 수정된 공식:
버퍼 크기 = (RTT x C) / sqrt(N)
N = TCP 플로우 수
이 수정된 공식은 많은 수의 TCP 플로우가 통계적 다중화 효과를 통해 더 작은 버퍼로도 충분함을 보여줍니다.
8. 패킷 스케줄링
출력 포트에서 여러 패킷이 대기 중일 때, 어떤 패킷을 먼저 전송할지 결정하는 스케줄링 방식이 필요합니다.
8.1 FIFO (First-In First-Out)
가장 단순한 방식으로, 도착 순서대로 전송합니다.
8.2 우선순위 큐잉 (Priority Queuing)
패킷을 우선순위 클래스로 분류하고, 높은 우선순위 패킷을 먼저 전송합니다.
8.3 라운드 로빈과 WFQ
라운드 로빈(Round Robin): 각 클래스를 순환하며 하나씩 전송합니다.
WFQ(Weighted Fair Queuing): 라운드 로빈의 가중치 버전으로, 각 클래스에 가중치를 부여하여 대역폭을 공정하게 분배합니다.
패킷 스케줄링 비교
====================
FIFO: [1][2][3][4] --> 순서대로 전송
우선순위: 높음: [A][C] --> A, C 먼저 전송
낮음: [B][D] --> 그 다음 B, D
WFQ: 클래스1 (w=2): [A][C] --> 2배 대역폭
클래스2 (w=1): [B] --> 1배 대역폭
9. 정리
네트워크 계층의 핵심 개념을 정리하면 다음과 같습니다.
| 개념 | 핵심 내용 |
|---|---|
| 포워딩 | 로컬 동작, 입력에서 출력으로 패킷 이동 |
| 라우팅 | 전역 동작, 출발지에서 목적지까지 경로 결정 |
| 가상 회선 | 연결 설정 후 동일 경로 사용, 라우터에 상태 유지 |
| 데이터그램 | 연결 설정 없음, 각 패킷 독립 라우팅 |
| 최장 프리픽스 매칭 | 포워딩 테이블에서 가장 긴 프리픽스 선택 |
| HOL 블로킹 | 큐 앞의 패킷이 뒤의 패킷까지 지연시키는 문제 |
다음 글에서는 인터넷의 핵심 프로토콜인 IP(Internet Protocol)의 데이터그램 형식과 주소 체계를 자세히 알아보겠습니다.
참고 자료
- James F. Kurose, Keith W. Ross, "Computer Networking: A Top-Down Approach", 6th Edition, Chapter 4
- RFC 791 - Internet Protocol
- Andrew S. Tanenbaum, "Computer Networks", 5th Edition