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Network/네트워크계층/라우팅 프로토콜, 브로드캐스트, 멀티캐스트, 유니캐스트

14 Jul 2021

Reading time ~5 minutes

라우팅 프로토콜(RIP, OSPF, BGP …)

라우터

  • Path Determination (경로결정)과 Switching (스위칭)을 주로 하는 장비
  • 경로결정 : 데이터 패킷이 목적지까지 가는 길을 검사하고 어떤 경로로 패킷이 가는 것이 적절한지 판단
  • 스위칭 : 경로가 결정되면 그 방향으로 패킷을 보내는 것
  • 라우팅 프로토콜 : 라우터가 목적지까지 가는 가장 좋은 방향을 결정할 때 사용하는 알고리즘, 라우팅 테이블을 만들어 관리

라우팅 프로토콜

  • 패킷이 목적지까지 가는 방법을 결정해주는 프로토콜
  • RIP, OSPF, BGP, IGRP 등이 있음
  • 라우팅 테이블을 참조해 가장 좋은 길로 패킷을 전송
  • 스태틱 (Static) vs 다이나믹 (Dynamic)
    • 스태틱(Static) : 정적으로 라우팅을 관리하는 것, 사람이 직접 경로를 결정해주고, 라우터는 입력받은 경로로만 패킷을 전송
      ✅ 라우팅 테이블을 교환하지 않기 때문에 네트워크 대역폭 절약
      ✅ 외부에 자신의 경로를 알리지 않기 때문에 보안에도 강함
      ❌ 경로에 문제가 생길 경우 대처하기 어려움
    • 다이나믹(Dynamic) : 자동으로 경로가 결정되는 프로토콜, 라우터가 판단하여 가장 효율적인 방법으로 패킷을 전송
    routing1.png

RIP (Routing Information Protocol)

  • 최소 Hop Count를 파악하여 라우팅하는 프로토콜
  • Distance Vector (거리+방향으로 길을 찾아가는) 다이나믹 라우팅 프로토콜
  • 최단거리(=라우팅되는 Hop 카운트가 가장 적은 경로)를 택하여 라우팅
    • 라우팅 테이블에 인접 라우터 정보를 저장하여 경로 결정
  • 최대 Hop Count는 15이고 거리가 짧기 때문에 내부용(IGP)으로 많이 이용
routing2.png
  • 직접 연결되어 있는 라우터는 Hop으로 계산하지 않고, 30초 주기로 default routing을 업데이트하여 인접 라우터로 정보 전송
  • 4~6개 로드밸런싱 가능
  • 주로 UDP 세그먼트에 캡슐화되어 사용
  • 단순 Hop을 Count하여 경로를 결정하기 때문에 경로의 네트워크 속도는 판단하지 않음
    ⇒ ❌ 비효율적인 경로로 패킷을 전달할 가능성 있음
  • ❌ Distance Vector 알고리즘으로 네트워크 변화에 대처하는 시간(컨버전스 타임)이 느림

OSPF (Open Shortest Path First)

  • 최단 경로 우선 프로토콜
  • 최저 COST(최소시간) 경로를 최적 라우팅 경로로 결정
  • 대표적인 링크 상태 프로토콜로, SPF(최단거리 우선 알고리즘)을 통해 라우팅 테이블 생성
  • 주로 내부 게이트웨이 프로토콜(IGP)로 대규모 기업망에서 사용
  • Area라는 개념을 사용하여 전체 네트워크를 작은 영역으로 나눠 효율적으로 관리하는 방식
    • 각 Area는 Back Bone Area에 연결되어 있음
  • RIP는 30초마다 update 되어 정보를 전송시켜 주는 반면, OSPF는 링크 상태에 변화가 있을 시 즉각적으로 Flooding
    ⇒ ✅컨버전스 타임이 매우 빠름
routing3.png
  • 과정
    • OSPF가 Hello 패킷을 보내 인접 라우터를 찾는다
    • OSPF 라우터 간 공유하는 라우터 ID를 통해 헬로 패킷을 전송, 이 때 브로드캐스트(255.255.255.255)가 아닌 멀티캐스트 주소(224.0.0.5)로 전송
    • 헬로 패킷 안에는 DR, BDR을 결정하기 위한 Priority 필드가 존재
    • OSPF 라우터는 헬로 패킷 송수신을 통해 Neighbor 관계를 유지
    • VLSM(Variable Length Subnet Mask)을 지원하기 때문에 IP 주소를 효율적으로 사용할 수 있고 라우팅 테이블을 줄일 수 있음

BGP (Border Gateway Protocol)

  • 외부 라우팅 프로토콜(EGP)로 AS(관리 도메인)와 AS간 사용되는 라우팅 프로토콜
  • 정해진 정책에 의하여 최적 라우팅 경로 수립, 경로 벡터(Distance Vector) 방식의 라우팅 프로토콜
    ⇒ IGP보다 컨버전스는 느리지만 대용량의 라우팅 정보 교환가능
  • TCP 포트 179번을 통해 인접 라우터들과 Neighbor 관계를 성립, Neighbor 라우터 간에는 유니캐스트 라우팅 업데이트 실시

DHCP

  • IP를 동적으로 할당해주는 프로토콜
  • DHCP를 통한 IP 할당 방법은 임대 개념을 사용하고 있음
    • 할당시간(임대시간) 동안 IP를 할당해주고, 시간이 지나면 IP할당시간을 연장하거나 반납하는 개념
  • 과정
    routing4.png
    • DHCP Discover : 클라이언트가 브로드캐스팅 메시지를 통해 DHCP 서버를 찾는 과정
    • DHCP Offer : DHCP 서버가 클라이언트에게 서버의 위치를 알려주는 과정
    • DHCP Request : 클라이언트가 서버에게 IP를 요청하는 과정, 클라이언트가 사용할 네트워크 정보(IP주소, subnet mask, default gateway 등)를 요청
    • DHCP ACK : 서버가 클라이언트에게 IP주소를 할당해주는 과정, DHCP ACK에는 서버정보, 서버할당시간(Lease Time), 서브넷 마스크, 라우터정보, DNS 정보 등이 포함 ⇒ DHCP 과정을 통해 IP가 없는 클라이언트는 IP 및 네트워크 정보를 할당받아 인터넷을 사용할 수 있음
  • DHCP 운용의 장단점
  • 장점
    ✅ COST 절약 : 사용자 중 PC를 켠 사용자만 IP가 할당되어 고정 IP에 비해 IP 절약 효과가 있음
    ✅ 효율적인 네트워크 관리 : IP 방식에 비해 사용자 IP망 설계변경이 자유로움
    사용자에게 DHCP IP를 할당할 경우 네트워크 정보가 바뀌더라도 DHCP 서버에만 네트워크 정보를 변경해주면 되므로 네트워크 정보 변경이 유연
  • 단점
    ❌ DHCP 요구 단말은 초기 부팅 시 broadcast 트래픽(DHCP Discover 메시지)을 유발
    ⇒ 한 개의 VLAN 의 설정범위에 있는 모든 단말에 전송되므로 네트워크의 성능 저하 발생가능
    ❌ PC 전원을 OFF할 경우 Lease Time까지 IP가 다른 단말에 할당되지 못함
    ⇒ IP주소 낭비가 발생
    ❌ IP를 할당해주는 서버에 전적으로 의존
    ⇒ 서버가 다운되면 IP를 받을 수 없으므로 인터넷을 사용할 수 없음

브로드캐스트, 멀티캐스트, 유니캐스트

비교

routing5.png
  • 브로드캐스트 (Broadcast) : 1대 다수(불특정 다수)
  • 멀티캐스트 (Multicast) : 1대 다수(특정 집단)
  • 유니캐스트 (Unicast) : 1대 1(특정 단일)

브로드캐스트

routing6.png
  • 로컬 네트워크에 연결되어 있는 모든 시스템에게 프레임을 보내는 방식
  • 브로드캐스트용 주소가 미리 정해져있고, 수신 받는 시스템은 이 주소가 오면 패킷을 자신의 CPU로 전송하고 CPU가 패킷을 처리하는 방식
  • ❌ 모든 시스템에게 패킷이 전송되므로 트래픽 증가
  • ❌ CPU도 패킷을 처리해야 하므로 성능 저하
  • 통신하고자 하는 시스템의 MAC 주소를 알지 못하는 경우, 네트워크에 있는 모든 시스템에게 알리는 경우, 라우터끼리 정보를 교환하거나 새로운 라우터를 찾는 경우

멀티캐스트

routing7.png
  • 네트워크에 연결되어 있는 시스템 중 일부(특정 그룹)에게만 정보를 전송하는 방법
  • 송신자는 여러 수신자에게 한 번에 메시지가 전송되도록 하여 데이터의 중복 전송으로 인한 네트워크 자원 낭비를 최소화
  • 일반적으로 TCP/IP 상의 인터넷 응용 프로그램은 데이터의 송신자가 이를 수신할 수신자의 인터넷 주소를 전송 패킷의 헤더에 표시해 패킷 전송하지만, 멀티캐스트 전송을 위해서는 헤더에 수신자의 주소 대신 수신자들이 참여하고 있는 그룹 주소를 표시하여 패킷 전송
  • ❌ 라우터가 멀티캐스트를 지원해야만 사용가능하다는 단점
  • ❌ UDP를 사용하여 전송함으로 신뢰성을 보장받지는 못함
  • 멀티캐스트 그룹 단위로 묶어 그 그룹의 Host 들은 동시에 데이터를 받을 수 있음
  • 클라이언트에서 멀티캐스트를 사용하는 Application을 시작하면 멀티캐스트 IP 주소와 멀티캐스트 MAC 주소를 라우터에 등록함으로 멀티캐스트 그룹에 등록됨
  • 하나의 클라이언트에서 여러 멀티캐스트 주소를 수용할 수 있음, 즉 여러 가지 멀티캐스트 데이터를 동시에 받을 수 있음
  • 서버가 멀티캐스트 주소로 데이터를 전송 중에 있을 때 중간에 클라이언트가 끼어들어도 처음부터 데이터를 받을 수 없고 중간부터 데이터를 받게 됨

유니캐스트

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  • 정보를 전송하기 위한 프레임에 자신의 MAC주소와 목적지의 MAC주소를 첨부하여 전송하는 방식
  • 같은 네트워크에 있는 모든 시스템들은 그 MAC주소를 받아서 자신의 MAC 주소와 비교 후 자신의 MAC 주소와 같지 않다면 프레임을 버리고 같다면 프레임을 받아서 처리하게 됨
  • 가장 많이 사용하는 방식으로 한 개의 목적지 MAC 주소를 사용하고 CPU 성능에 문제를 주지 않는 방식

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