IP 프로토콜 - 네트워크 계층의 기능

네트워크 계층의 핵심 기능: 송수신 호스트 사이의 패킷 전달 경로 선택(라우팅)

네트워크 계층의 주요 기능: 라우팅, 혼잡 제어, 패킷의 분할과 병합
라우팅
라우팅 테이블: 네트워크 구성 형태에 관한 정보를 관리
라우팅: 송수신 호스트 사이의 패킷 전달 경로를 선택하는 과정
혼잡 제어
혼잡: 네트워크에 패킷 수가 과도하게 증가되는 현상
혼잡 제어: 혼잡의 발생을 예방하거나 제거하는 기능
패킷의 분할과 병합
상위 계층에서 내려온 데이터는 하위 계층인 MAC 계층의 프레임 구조에 정의된 형식으로 캡슐화되어야 함
송신 호스트에서는 전송 전에 적절한 크기로 데이터를 분할하고
수신 호스트는 분할되어 수신한 데이터를 다시 병합함

패킷의 분할과 병합 과정이 종단 시스템 사이에서 이루어지는 경우 : 전송 계층이 동작하는 종단 수신 시스템에 분할된 패킷 전송.

                                             네트워크 계층에서 이루어지는 경우 : 중간의 각 라우터에서 분할과 병합 반복

 

연결형 서비스와 비연결형 서비스

네트워크 계층이 전송 계층에게 제공하는 서비스

비연결형 서비스 : 연결 설정 없이 데이터를 패킷 단위로 전송

신뢰성이 떨어지는 전송 방식(패킷 전달 순서, 패킷 분실 여부 등)

패킷이 서로 다른 경로로 전송되므로 도착 순서가 일정하지 않음 =? 상위 계층에서 순서를 재조정해야 함

패킷 분실 가능성 존재, 패킷의 100% 도착을 보장하지 않음 => 상위 계층에서 패킷 분실 오류를 복구해야 함

IP: 네트워크 계층의 기능을 지원하는 비연결형 프로토콜

UDP: 전송 계층의 기능을 지원하는 비연결형 프로토콜

 

연결형 서비스 : 패킷 전송전 송수신 호스트 사이에 연결을 설정

상대적으로 신뢰성이 높음

패킷들이 모두 동일한 경로를 이용하기 때문에 목적지에 도착하는 패킷의 순서가 송신된 순서와 동일

TCP: 전송 계층의 기능을 지원하는 연결형 프로토콜

 

라우팅

패킷의 전송 경로를 지정

전송 경로 결정 시 고려 사항

공평 원칙: 다른 패킷의 우선 처리를 위해 다른 패킷이 손해를 보면 안 됨

효율 원칙: 전체 네트워크의 효율성에 대해 고려 (패킷 평균 지연 시간, 전체 네트워크 성능, 중개 과정에서 거치는 라우터 수 최소화 등)

정적/동적 라우팅

정적 라우팅

패킷 전송이 이루어지기 전에 경로 정보를 라우터가 미리 저장하여 중개

단점: 경로 정보의 갱신이 어려우므로, 네트워크 변화/네트워크 혼잡도 대처 부족

동적 라우팅

라우터의 경로 정보가 네트워크 상황에 따라 적절히 조절됨

단점: 경로 정보의 수집과 관리로 인한 성능 저하

HELLO/ECHO 패킷

HELLO 패킷: 주변 라우터에 HELLO 패킷을 보내어 해당 라우터 간 경로 이용 가능 여부 파악

ECHO: 라우터 사이의 전송 지연 시간을 측정, ECHO 패킷을 수신한 호스트는 송신 호스트에 즉각 회신함

             해당 측정값의 평균을 구해 해당 라우터까지의 전송 지연 시간을 유추

 

라우팅 테이블

라우터가 패킷의 적절한 경로를 찾기 위한 가장 기본적인 도구

라우팅 테이블에 포함되는 필수 정보: 목적지 호스트, 다음 홉

목적지 호스트: 패킷의 최종 목적지가 되는 호스트 주소

다음 홉: 목적지 호스트까지 패킷을 전달하기 위한 인접 경로

 

 

라우팅 정보의 처리

소스 라우팅(Source Routing)

송신 호스트가 목적지 호스트까지의 패킷의 전달 경로를 스스로 결정하는 방식

전송 경로는 전송 패킷 내부에 기록됨

 

분산 라우팅(Distributed Routing)

라우팅 정보를 분산하여 관리하는 방식으로 패킷의 전송 경로에 위치한 각 라우터가 효율적인 경로 선택에 참여

호스트의 개수가 많아질수록 효과적, 네트워크 상황에 따라 적절히 변경하는 동적 특징을 띰

 

중앙 라우팅(Centralized Routing)

RCC(routing control center)라는 특별한 호스트를 사용해 모든 라우팅 정보를 관리

송신 호스트는 패킷 전송 전에 RCC에게 경로 정보를 얻어 소스 라우팅 원리로 전송

장점 : 경로 정보를 특정 호스트가 관리하기 때문에, 다른 일반 호스트들은 경로 정보 관리 부담이 적음

단점 : 네트워크 규모가 커지면 RCC에 과도한 트래픽을 주어 전체 효율이 떨어짐

 

계층 라우팅(Hierarchical Routing)

분산 라우팅과 중앙 라우팅의 조합으로 전체 네트워크의 구성을 계층 구조 형태로 관리

네트워크 규모가 계속 커지는 환경에 효과적

 

혼잡 제어

혼잡: 네트워크에 존재하는 패킷의 수가 급격히 증가하여 네트워크 성능이 급격히 악화되는 현상

혼잡 제어: 혼잡 문제를 해결하기 위한 방안

 

혼잡 제어: 네트워크에서의 전송 능력 문제

흐름 제어: 송수신 호스트 사이의 전송 속도 문제

혼잡의 원인

타임 아웃 기능에 의한 패킷의 재전송으로 혼잡도 증가

초기 혼잡 과정에서 타임 아웃 시간이 작으면 혼잡도가 급격히 증가

패킷 도착 순서가 다른 상황에서 패킷을 분실 처리하면 재전송 현상이 발생해 타임아웃 증가

혼잡 시, 피기배킹 사용하면 송신 호스트의 타임아웃 기능에 의한 재전송을 유발하여 혼잡을 가중 

 

패킷 생존 시간(TTL)을 작게 하면 패킷이 강제로 제거되어 타임아웃 증가

Time To Live (TTL): 데이터 패킷이 네트워크를 통해 전송될 때, 해당 패킷이 살아 있을 수 있는 최대 시간  TTL 값은 패킷이 네트워크를 통과할 때마다 감소하며, TTL 값이 0이 되면 패킷은 더 이상 유효하지 않게 되고 네트워크 장치에 의해 폐기됨

목적: TTL은 무한 루프를 방지하고, 네트워크에서 불필요한 패킷이 오래 남아 있지 않도록 관리하기 위해 사용. 잘못된 라우팅으로 인해 패킷이 계속해서 같은 경로를 반복하는 경우, TTL이 0이 되어 패킷이 제거됨

 

라우팅 알고리즘

혼잡이 발생하지 않는(전송 트래픽이 적은) 경로를 배정하도록 설계

혼잡이 발생하는 경로를 선택하면 혼잡이 주변으로 확대됨

트래픽

혼잡의 발생은 트래픽이 특정 시간에 집중되는 버스트 현상이 원인

전송되는 패킷의 양이 시간대별로 일정하게 발생하는 경우보다 패킷이 짧은 시간 많이 발생하는 경우에 혼잡이 일어날 확률이 높음

트래픽 성형 : 패킷 발생 빈도를 네트워크에서 예측할 수 있는 전송률로 이루어지게 하는 기능

리기 버킷 알고리즘

리키 버킷 알고리즘

송신 제어 메커니즘

• 송신 호스트와 네트워크 사이에 위치한 '깔때기(버킷)' 형태의 제어 장치
• 출구 크기는 협상된 전송률에 따라 고정됨

버킷의 동작

• 입력: 가변적인 속도로 들어오는 패킷 수용
• 출력: 일정한 속도로 패킷 전송
• 임시 저장: 과도한 패킷은 버킷 내부 버퍼에 저장

제한사항

• 버퍼 크기는 고정되어 있음
• 버퍼 용량 초과 시 패킷 손실 발생
• 출력 속도는 항상 일정하게 유지

주요 장점

• 트래픽 평활화(Traffic Smoothing) 효과
• 네트워크 혼잡 방지
• QoS(Quality of Service) 보장

 

혼잡 제거

특정 지역의 혼잡이 다른 지역으로 확대되지 않도록 하는 것이 중요

자원 예약 방식: 호스트와 서브넷 (Subnet)이 미리 네트워크 자원의 사용 정도를 협상

서브넷은 네트워크를 더 작은 단위로 나누어 효율적으로 관리하고, 성능과 보안을 향상하기 위한 기술.

조직은 IP 주소를 효율적으로 활용하고, 네트워크의 복잡성을 줄일 수 있음

ECN(초크 패킷)을 보내어 송신량 줄이기

 

 

 

 

 

 

 

참고 자료 :

쉽게 배우는 데이터 통신과 컴퓨터 네트워크 3판 - 박기현 지음