[CS] 네트워크 - IP 프로토콜의 이해 - 네트워크 계층의 기능

네트워크 계층의 주요 기능

기본 기능

• 라우팅: 송수신 호스트 사이의 패킷 전달 경로를 선택한다.
• 라우팅 과정 중에 수반되는 기능이다.(혼잡 제어와 패킷 분할/병합)

라우팅 테이블은 네트워크 구성 형태에 관한 정보를 관리한다.

혼잡 제어

• 혼잡은 네트워크에 패킷 수가 과도하게 증가되는 현상을 말한다.
• 혼잡의 발생을 예방하거나 제거하는 기능을 혼잡 제어라고 한다.

패킷의 분할과 병합

• 상위 계층에서 내려온 데이터는 하위 계층인 MAC 계층의 프레임 구조에 정의된 형식으로 캡슐화한다.
• 송신 호스트에서는 전송 전에 적절한 크기로 데이터를 분할한다.
• 수신 호스트에서는 분할되어 수신한 데이터를 다시 병합한다.

 

서비스의 종류

연결형: 데이터 전송 전에 데이터의 전송 경로를 미리 결정한다.
비연결형: 데이터의 전송 경로를 사전에 결정하지 않고 패킷 단위로 결정한다.
연결형 서비스

• 상대적으로 신뢰성이 높다.
• TCP는 전송 계층의 기능을 지원하는 연결형 프로토콜이다.

비연결형 서비스

• 패킷의 전달 순서
  • 패킷이 서로 다른 경로로 전송되므로 도착 순서가 일정하지 않다.
  • 상위 계층에서 순서를 재조정해야한다.
• 패킷 분실 가능성이 있다.
  • 패킷의 100% 도착을 보장하지 않는다.
  • 상위 계층에서 패킷 분실 오류를 복구해야 한다.
• 인터넷 환경에서 IP, UDP가 대표적인 비 연결형 프로토콜이다.

 

라우팅

패킷의 전송 경로를 지정한다.

전송 경로 결정 시 고려할 사항은 다음과 같다.

• 공평 원칙: 다른 패킷의 우선 처리를 위해 다른 패킷이 손해를 보면 안 된다.
• 효율 원칙: 전체 네트워크의 효율성에 대해 고려해야 한다. (패킷의 평균 지연시간, 중간에 거쳐가는 라우터 수 등의 효율성)
• 정적(Static) 라우팅
  • 패킷 전송이 이루어지기 전에 경로 정보를 라우터가 미리 저장하여 중개한다.
  • 최적의 라우팅 정보를 개별 라우터에 저장하여 관리한다.
  • 단점은 경로 정보의 갱신이 어렵기 때문에 네트워크 변화/네트워크 혼잡도 대처가 부족하다.
• 동적(Dynamic) 라우팅
  • 라우터의 경로 정보를 네트워크 상황에 따라 적절하게 변경한다.
  • 경로정보 변경 주기에 따른 보완이 가능하다.
  • 단점은 복잡한 작업 추가로 필요하고, 경로 정보의 수집과 관리로 인한 성능 저하가 올 수 있다.

HELLO/ECHO 패킷

• HELLO: 주변 라우터에 HELLO 패킷을 보내어 주변 경로 정보를 파악하는 용도이다.
• ECHO: 라우터 사이의 전송 지연 시간을 측정하는 용도이다.

임의의 라우터가 획득한 정보를 각 라우터에 통보함으로써 정보를 공유한다.

개별 라우터에 도착하는 시간의 차이로 정보 불일치가 일어날 수 있다. 일관성 유지가 필요하다.

 

라우팅 테이블

라우터가 패킷의 적절한 경로를 찾기 위한 가장 기본적인 도구이다.

목적지 호스트와 다음 홉이 필수적인 정보이다.

• 목적지 호스트는 패킷의 최종 목적지가 되는 호스트 주소이다.
• 다음 홉은 목적지 호스트까지 패킷을 전달하기 위한 인접 경로이다.

라우팅 정보의 처리

소스 라우팅

• 송신 호스트가 패킷의 전달 경로를 결정하는 방식이다.
• 전송 경로는 전송 패킷 내부에 기록된다.

분산 라우팅

• 라우팅 정보를 분산하여 관리하는 방식이다.
• 호스트의 개수가 많아질수록 효과적이다.

중앙 라우팅

• 특정 호스트(RCC)가 모든 라우팅 정보를 관리한다.
• 송신 호스트는 패킷 전송 전에 RCC에게 경로 정보를 얻어서 소스 라우팅으로 전송한다.
• 호스트의 개수가 많아질수록 비효율적이다.

계층 라우팅

• 분산 라우팅과 중앙 라우팅의 조합이다.
• 네트워크 규모가 커질수록 효과적이다.

 

혼잡 제어

흐름 제어와 혼잡 제어의 차이

• 흐름 제어는 송수신 호스트 사이의 전송 속도 문제이다.
• 혼잡 제어는 네트워크에서의 전송 능력 문제이다.

혼잡의 원인

• 타임 아웃 기능에 의한 패킷의 재전송으로 혼잡도가 증가한다.
  • 초기 혼잡 과정에서 타임아웃 시간이 적으면 혼잡도가 증가한다.
  • 패킷 도착 순서가 다른 상황에서 패킷을 분실 처리하면 타임아웃이 증가한다
  • 의도적으로 피기배킹을 사용하면 응답 시간이 느려져서 타임아웃이 증가한다.
  • 패킷 생존 시간을 작게 하면 패킷이 강제로 제거돼서 타임아웃이 증가한다.

라우팅 알고리즘

• 혼잡이 발생하지 않는 경로를 배정하도록 설계한다.
• 혼잡이 발생하는 경로를 선택하면 혼잡이 주변으로 확대된다.

트래픽 성형

• 혼잡의 발생은 트래픽이 특정 시간의 집중되는 버스트 현상이 원인이다.
• 패킷 발생 정도를 네트워크에서 예측 가능한 정도로 조절하는 기능이 필요하다.
• 리키 버킷 알고리즘을 사용한다.

혼잡 제거

• 특정 지역의 혼잡이 다른 지역으로 확대되지 않도록 하는 게 중요하다. 아래 방식으로 해결할 수 있다.
• 자원 예약 방식은 호스트와 서브넷이 미리 네트워크 자원의 사용 정도를 협상하여 사전에 예약하는 걸 말한다. 자원 낭비의 가능성이 있다.
• 초크 패킷은 출력 경로를 사용하는 빈도를 모니터를 두고 한계치가 넘어가면 송신 호스트에게 주의를 표시한다. 초크 패킷을 받은 호스트는 송신 패킷 양을 줄인다.