[컴퓨터 네트워크] Chapter4) Network Layer 네트워크 계층

Chapter4) Network Layer 네트워크 계층 

processing (2021.04.20~)

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1. Introduction 

• 전송 계층은 logical connection을 하고 있는 것으로 양 단 사이의 디바이스들은 이 연결을 몰라도 된다. 
• 네트워크 계층은 논리적 연결이 아니라 물리적 연결이 필요하다

1.1 네트워크 계층에서 제공하는 서비스

1.1.1 패킷화 packetizing

송신측에서 캡슐화, 수신측에서 디캡슐화 

• 송신측에서 네트워크 계층 패킷에 있는 페이로드 (상위 계층에서 받은 데이터)를 캡슐화 
  • 페이로드가 너무 크면 쪼갤 필요가 있음 
• 수신측에서 네트워크 계층 패킷의 페이로드를 de-capsulating 

1.1.2 라우팅 routing  ** 

• LAN과 WAN 의 조합으로 물리적 계층이 구성되기 때문에 송신-수신 간 여러 경로가 있음 
• 여기서 가장 최선의 경로를 찾아주는 서비스 

1.1.3 포워딩 forwading

•  라우터의 인풋을 적절한 아웃풋으로 패킷을 이동시키는 것 
• 포워딩 테이블을 이용 (포워딩 밸류 - 아웃풋 인터페이스 맵핑) 

1.1.4 오류 제어 

• 네트워크 계층의 패킷은 각 라우터로 쪼개질 수 있기 때문에 오류 체크가 중복이 되어 비효율적일 수 있음 
• 그러나 checksum field가 헤더에 추가되어 corruption을 알려줌 
• 즉, 네트워크 계층에서는 checksum 이외의 별도의 오류 제어 없음 

1.1.5 흐름 제어 

• 상위 계층 프로토콜에서 제공하고 네트워크 계층에서는 제공하지 않는 서비스
• 상위 계층이 데이터 수신을 위해 버퍼를 사용
• 흐름 제어는 네트워크 계층을 복잡하고 비효율적으로 만들 수 있기 때문에 제공 X
• 네트워크 계층의 주요 목적은 routing!! 그래서 오류 및 흐름 제어는 상위 계층에서 서비스 하고 여기서는 하지 않음 

1.1.6 혼잡 제어

• 인터넷 네트워크 계층에서 제공 X 

1.1.7 more  

• 상위 계층에서 적절한 규칙, 조항 들을 구현해서 서비스 질 높임
• 네트워크 계층에서는 보안에 관한 규정이 명시 X 

1.2 Packet Switching

• 기법
  • circuit switching
  • packet swtiching : 전송 계층에서 메시지들을 적절한 크기의 패킷으로 쪼개고 네트워크를 통해 각 패킷을 전송 
    
    • 접근법 1: datagram approach - 비연결 서비스 
    • 접근법 2: virtual circuit approach (가상 회선) - 연결 지향 서비스 

1.2.1  packet switching - datagram approach 

• connectionless 서비스 
• 각 패킷 간 관계 없음 
• 각 패킷은 헤더에 담긴 정보를 기반 -> 포워딩 테이블을 사용해서 라우팅 

1.2.2  packet switching - virtual circuit approach

• connection oriented 서비스 
• 데이터그램을 보내기 전에 경로를 지정해두는 가상 연결  

 

• 각 패킷들은 패킷에 담겨 있는 라벨을 기반으로 라우팅 

• set-up 단계
  • request 패킷과 acknowledge 패킷은 교환되어야 함 (송수신간 패킷 교환) 
  • 일단 request 패킷을 가상 회선 네트워크를 통해 보냄 
  • 그리고 나서 ack를 패킷 라벨을 기반으로 전송 
• data-transfer 단계 

1.3 네트워크 계층 performance 

• 성능 지표 : delay, throughput, packet loss 

1.3.1  delay

• 전송 지연 시간 = packet length/transmission rate
• 전파 지연 시간 = distance / propagation speed = bit 가 한 노드에서 다른 노드로의 이동하는 시간 
• 프로세싱 지연 시간 = 패킷이 라우터나 목적지에서 처리되는데 필요한 시간
• 큐잉 지연 시간 = 큐의 입 출력을 위해 패킷이 기다리는 시간
• total delay 

1.3.2 throughput

• transmission rate (초당 전송되는 bit의 수) 

• 전체 스루풋은 병목현상을 고려하여 TR중 최소인 것으로 
• 예시에서는 throughput = 100Kbps 

1.3.3 packet loss 

• 라우터가 한 패킷을 처리하는 동안 다른 패킷을 받으면 그 패킷은 input 버퍼에 저장되어야 함 
• 버퍼 사이즈는 제한적임 
• 버퍼 풀이 되면 다음 패킷은 손실됨 
• 패킷이 손실되면 네트워크계층은 그 패킷을 재전송해야 함 -> 오버플로우, 더 많은 패킷 손실 유발 

1.4  Congestion

• delay는 로드가 늘어날 수록 계속해서 증가
• capa까지 스루풋이 늘다가 capa를 지나면 줄어듦 , 줄어드는 구간이 혼잡 영역

1.4.1 혼잡 제어 

• open loop congestion control  : 혼잡 발생 전 예방하기 
  • retransmission 정책 : 재전송은 피할 수 없고 이는 혼잡 제어를 유발할 수 있음 그러나 좋은 정책으로 잘 조절해야 함
  • window 정책 : 윈도우를 사용하는 것 
  • acknowledgement 정책 : 수신측에서 발생할 수 있는 혼잡으로 모든 패킷마다 ack를 받지 않으면 보내는 쪽에서 혼잡을 예방하고자 보내는 속도를 늦출 수 있음 
  • discard 정책 : 라우터에서 수행할 수 있는 정책으로 전송의 무결성을 해하지 않기 위한 혼잡 제어 방식
  • admission 정책 : 양질의 매커니즘을 제공하기 위한 정책 
• closed loop congestion control  : 혼잡 발생 이후 이를 완화하기 위한 방식 
  • backpressure 
  • choke packet 
  • implicit signaling : source가 혼잡이 발생한 노드와 직접 소통하지 않고 추측
  • explicit signaling : ATM 네트워크에서 사용한 것으로 양 방향으로 명시적 시그널 보냄 -> chapt.5 

1.5  Practice problem (1)

 

1.6 라우터의 구조 

1.6.1 컴포넌트

• input port

• output port

• routing processor
  • 네트워크 계층의 주요 기능 
  • 다음 hop의 주소를 찾으면서 도잇에 패킷을 보냇 output port를 찾음
• switching fabric 
  • banyan ex) input 1, output 6(110)으로 보내는 거면 1 bits에서 1 -> (A-2) -> (1) -> (B-4) -> (1) -> (C-4) -> (0) -> 6  
  • 조합해서 쓰면 충돌 줄어듦 

2. Network-Layer Protocols

2.1 TCP/IP 프로토콜의 네트워크 계층

2.1.1 IP Datagram 포맷

• VER (version)  : IP프로토콜의 버전을 나타내는 4 bit (4 -> 6으로 대체되는 중) 
• HLEN (header length) : 데이터 그램 헤더의 전체 길이(4 byte words) 로 4 bit, 헤더 길이 다양하기 때문에 필요한 필드 
• service type : 서비스 타입을 나타내는 8 bit 필드 
• total length : 16bits 로 IP 데이터그램의 전체 길이 바이트를 나타냄 (데이터 길이 = 전체 길이 - 헤더 길이) 
• identification : 단편화를 위해 사용하는 16 비트
• flag: 3 bits 
• time to live : 타임스탬프를 위해 사용되는 필드였으며 각 방문된 라우터에 의해 감소되는 필드, 데이터그램이 인터넷을 돌아다니며 살아갈 수 있는 시간으로 0이되면 라우터는 이 데이터그램을 버린다. 데이터그램이 방문할 수 있는 hop의 개수 제한 
• protocol : 8 bit / IP 계층에서 사용하는 서비스를 정의 
• checksum : 16 비트, 에러 체크를 위해 사용
• source address : 32 bits 필드로 송신지의 ip 주소 정의
• destination address : 32 bits 필드로 수신지의 ip 주소 정의 
• max transfer unit : 데이터그램을 프레임에 캡슐화할 때 데이터그램의 전체 사이즈는 MTU보다 작아야 함 
• fragementation 관련 필드 : 단편화된 조각은 데이터그램을 쪼갠 조각으로 네트워크를 통과할 수 있음, 각 단편화조각은 각자의 해더를 가지고 있으며 수신측 에서 다시 재조립
  • identification: source host에서 기원한 데이터 그램을 식별하는 16 비트 필드, 수신측에서 재조립하기 위해 사용 
  • flags : 3bit  (reserved - do not fragment bit - more fragment bit)
  • fragmentation offset (13 bits) : 8 바이트의 단위/ 원래 데이터그램에서 사용되는 오프셋  

2.2 Practice problem 

2.3  Security of IPv4

• packet sniffing
• packet modification
• IP spoofing
• IP sec
  • 알고리즘과 키 정의하기
  • 패킷 암호화
  • 데이터 무결성
  • 원본 진위성 

2.4 IPv4 주소 

• IP 주소 : 32 비트, 고유하다
• IPv4의 주소 공간 = 2^32 / 4/ 294/967/296
• 표기법
  • 바이너리 표기법 : IP주소가 32 비트로 표현됨 
  • dotted-decinal 표기법 

• IPv4 주소의 계층 구조 
  • 두 계층이 존재 
  • prefix -> 네트워크 정의 / n bits
  • suffix -> 노드 연결 정의  / 32-n bits 
• classful addressing 

• address depletion 주소 고갈
  • 완화하기 위한 방식 등장
  • subnetting
    • 클래스 a와 b를 여러 서브넷으로 분리하고, 각 서브넷들은 일반 네트워크보다 아주 큰 prefix 길이를 갖게 한다. 즉, 큰 블럭을 작은 블럭들로 쪼깨는 것 
    • not working 
  • supernetting 
    • 여러개의 C 클래스 블럭들을 큰 블럭으로 조합하여 많은 IP가 필요한 기업이 제공
    • not working 
• classless addressing (21분 참고)  
  • 네트워크를 정의하는 prefix가 작다는 것은 네트워크 내부의 노드들이 많아서 그 길이가 길다는 것이기 때문에 네크워크가 크다는 것을 의미한다. 
  • 블럭의 주소 개수는 반드시 2의 제곱
  • 첫번째 주소는 반드시 주소의 개수로 나누어 떨어짐
  • 주소는 반드시 mask가 동반되어야 함
    • mask - prefix : 주소 범우의 공통적인 부분으로 classful addressing에서 네트워크를 나타내는 것과 유사한 역할 /  /n - n이 prefix 길이 / 
    • mask - suffix : hostid와 비슷 / 32-network bit in CIDR 표기 
    • /n -> 앞에서부터 n만큼 네트워크 아이디로 공통 부분이고 그 뒤에 남은 suffix가 다름 
  • 아래 예시에서 첫번째 주소를 보면 27까지는 모두 같고 그 뒤에 5개의 이진수만 다름 첫번째는 00000 마지막은 11111 근데 나열한 이진수를 계산해보면 첫번째 주소는 01000000 = 64, 마지막 주소는 01011111 = 95 

 

공식을 사용해서 주소 구하는 방법 예시 

 

• 네트워크 주소계산예시
  • 주소 블럭에서 첫번째 주소 (네트워크 주소) 는 네트워크에서 패킷 라우팅을 하는데 중요함 
  • ex1 ) 1000개 주소를 요구, 1000은 2의 멱승 중 가장 가까운 값이 1024 => prefix 길이 n = 32-log1024 = 22 , 따라서 사용 가능한 블럭은 18.14.12.0/22
  • ex2 ) 14.24.74.0/24 가 시작 주소 => 블럭에 주소 2^(32-24) = 256 개 주소 14.24.74.0/24~14.24.72.255/24
  • ex3 ) 120개의 주소가 필요한 경우 => 128 (2^7) 주소 할당 (요구하는 것보다 큰 것중 가장 작은 2의 n승) => 32-7 = 25 => /25
  • ex4 ) 10개 주소 필요한 경우 => 16개 할당해줘야 함 => 32-16 = 28 => /28 => 첫번째 주소 ...192/28 -> 마지막 주소 ...207/28

• CIDR 전략 -> 주소 군집을 만드는 장점 
• special addresses
  • This-host  : 0.0.0.0/32 => 보내는 쪽이 자신의 주소를 모르는데 IP 데이터그램을 보내는 경우 
  • Limited-broadcasr : 255.255.255.255/32 => 라우터가 모든 디바이스에 데이터를 보내는 경우
  • Loopback : 127.0.0.0/8 => 항상 목적지로만 사용되는 주소
  • private : 10.0.0.0/8 , 172.16.0.0/12 . 192.168.0.0/16 , 169.254.0.0/16
  • multicast : 244.0.0.0/4 => 멀티캐스트 주소로 예약된 것 => 11100...

2.5 IPv4 : DHCP

• dynamic host configuration protocol 
• 네트워크에 새로운 호스트가 들어오면 그 때 주소를 정해주는 동적인 방식
• ICANN에서 ISP를 받아서 나눠쓰는 방식 => DHCP 
• 영구적 / 임시로 호스트에 할당하는 IP 주소 
• 메시지 포맷 

• 네트워크에 조인하는 호스트가 DHCPDISCOVER 메시지를 만듦 -> 트랜잭션 아이디 필드가 랜덤 넘버로 설정됨
• DHCP 서버 (스위치나 라우터에 있음) 는 DHCPOFFER 메시지에 응답함 -> Your IP 주소와 서버 IP 주소가 정해짐 
• 호스트가 DHCPREQUEST를 보냄 
• 서버가 DHCPACK으로 응답함 
• 트랜잭션 id를 식별자로 계속 들고 다님 

• well-known ports : 68, 67
• 에러 제어  : UDP를 사용해서 체크섬이나 타이머, 재전송 정책 등을 사용
• 전체 로직

practice problem 

2.6 IPv4 : NAT

• Network Address Translation 
• 외부 - 내부 주소 분리해서 사용 하는 것
• private - universal 주소를 분리 -> 매핑 

• IP 주소 + 포트 주소 모두 사용 

2.7 Forwarding IP packets

• Next-Hop method : 다음 hop 주소만을 가진 라우팅 테이블 
• Network-specific method : 목적지 네트워크 주소를 정의하는 하나의 엔트리만 가짐  

• Host-specific method : 라우팅 테이블에 목적지 호스트 주소만을 저장해둠 , 효율성 떨어짐 

• default method: 정의된 next hop이 없을 때 디폴트로 가는 곳 지정 
• based on label 
  • 연결 지향 네트워크에서 스위치틑 패킷에 붙어있는 라벨을 기반으로 패킷을 보냄
  • switching table 존재 
  • MPLS (Multi Protocol Label Switching) : 라우터처럼 동작할 때는 목적지 주소로 패킷을 보내고 스위치처럼 동작할 때는 라벨을 보고 패킷 보내는 기법 

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기말 >>

 

3. Network Layer Protocol 

3.1  ICMPv4

internet control message protocol 

3.1.1 IP protocol 

• 에러 리포팅 매커니즘 없음
• 에러 수정 매커니즘 없음 
• built in 매커니즘 없음
• IP 데이터그램 = IP 헤더 + IP 데이터 
• IP 데이터 = ICMP 메시지 

 

3.1.2  ICMP message

• 구성 요소 
  • error reporting : 라우터 또는 목적지 호스트마 IP 패킷을 처리하면서 마주한 문제를 보고하는 메시지  
  • query  : 호스트나 네트워크 관리자에게 라우터나 다른 호스트로부터 정보를 전달하는 데 필요한 것 
   

• source quench : 네트워크에 혼잡이 있어서 source 속도를 늦추라고 하는 것  
• router solicitation
• 포맷
  • 8바이트 헤더 
  • 다양한 크기의 데이터 섹션
  • 에러 리포팅 메시지에 data section에 에러가 존재하는 원본 패킷을 찾는데 필요한 정보를 담고 있음 
  • 쿼리 메시지에 타입을 기반으로 데이터 섹션이 추가 정보를 담고 있음
   

• 에러 리포팅 메시지
  • ICMP는 항상 original source에 대한 에러 메시지를 레포트
  • ICMP 에러 메시지는 첫번째 조각이 아닌 다른 조각난 데이터그램에 대해서 생성되지 않음 즉, 첫번째 데이터그램 조각에서만 생성됨 
  • ICMP 에러 메시지를 가지고 있는 데이터그램에 대하여 ICMP 에러 메시지가 생성되지 않음
  • ICMP 에러 메시지는 멀티캐스트 주소를 가지고 있는 데이터그램을 위해 생성되지 않음
  • ICMP 에러 메시지는 127.0.0.0, 0.0.0.0과 같은 특별한 주소를 가진 데이터그램에 대해서는 생성되지 않음 
   

3.1.3 도달할 수 없는 목적지 

• 라우터가 데이터그램 경로에 도달할 수 없거나
• 호스트가 데이터그램을 전달할 수 없는 경우 
• 데이터그램은 버려짐 
• => destination-unreachable 메시지를 source 호스트로 돌려보냄 

 

3.1.4 Source Quench 

• ICMP에 source-quench 메시지는 IP에 대한 흐름제어의 일종으로 설계됨 
• 라우터나 호스트가 혼잡으로 인해 데이터그램을 버리는 경우, 해당 데이터그램의 sender에게 source-quench 메시지를 보냄 
•  가지고 있는 내용->sender에게 전달
  • 해당 데이터그램이 버려졌음을 sender에게 알림
  • 경로상에 혼잡이 있음을 알림
  • 송신 프로세스를 느리게 해야 한다는 것을 알림 

3.1.5 Time exceeded

• code 0 : 라우터가 데이터그램의 time-to-live(TTL) value을 0으로 만들면 그 데이터그램을 버리고 original source로 time-exceeded 메시지를 보냄 
• code 1 : 마지막 목적지가 설정한 시간 내에 모든 fragment 들을 받지 않았다면 받은 조각들을 버리고 original source로 time-exceeded 메시지를 보냄 
• traceroute 프로그램
  • 패킷의 source -> destination 경로를 추적 하는데 사용
  • ICMP 메시지와 IP패킷 내부의 TTL(time to live) 필드를 사용해서 경로를 찾음

3.1.6 parameter problem

• code 0
  • 헤더 필드 중 하나에 에러 ambiguity가 있는 경우 
  • pointer 필드의 값 = 문제가 있는 바이트를 가리킴
• code 1 : 옵션의 필수적인 부분이 빠진 경우 

3.1.7 Redirection

• 호스트는 점진적으로 커지고 갱신되는 라우팅 테이블을 사용 
• 호스트의 라우팅 테이블을 갱신하기 위해 라우터는 호스트로 IP 패킷에 담아 리디렉션 메시지를 보냄 
• code 0 : network-specific route 
• code 1 : host-specific route
• code 2 : 특정 타입의 서비스를 기반으로 하는 네트워크 특정 경로 리디렉션 
• code 3 : 특정 타입 서비스를 기반으로 하는 호스트 특정 경로 리디렉션 

3.1.8 echo request and reply 

• ping 프로그램 : 호스트가 살아있고 응답을 보내는지 확인하기 위해 사용하는 프로그램 

 

 

4. Unicast routing

• 인터넷 상에서 네트워크 계층의 목표는 source -> destination 데이터 그램 전달하는 것 
• 데이터그램의 목적지가 하나라면 유니캐스트 라우팅 사용 (one-to-one delivery) 

4.1 Least-cost routing 

• 최선의 경로를 찾기 위해 인터넷은 그래프 모델을 기반으로 함 
  • 노드 = 라우터
  • 간선 = 각 라우터간 네트워크
  • 가중치 그래프 weighted 그래프 
  • 최소 비용 라우팅 least cost routing =  최선의 경로라고 간주 
  • 인터넷 상에 N개의 라우터가 있다면, N-1 least cost 경로들이 라우터간 존재함 
  • 전체 인터넷을 위해서는 N(N-1)개의 least cost path 필요
• least-cost tree 
  • 특정 노드를 source로 잡고 다른 노드로의 연결성을 보여주는 그래프 
  • 특정 노드 기준 모든 다른 노드들을 방문 
  • 어떤 노드를 기준으로 하건 least cost tree 그릴 수 있음 

4.1.1 거리-벡터 라우팅 

• 두 노드 사이의 최소 비용 경로 = 최소 거리 경로 라고 간주 

 

• Bellman-Ford 알고리즘
  • 두 노드간 최단 경로 최소 비용을 찾는데 사용되는 공식 
  • x와 y 사이의 경로 중 최단 경로를 구하는 것 

 

• 초기화 
  • 각 노드는 오직 자기 자신과 자신의 이웃 노드까지의 거리만 알고 있음 
  • 아래 예시에서 A는 처음에 자기 자신과의 거리 0, 이웃인 B, D까지의 거리만 알고 있음 
   

• sharing 
  • 노드틑 이웃 노드의 테이블을 인지하지 못함 -> 네트워크에서는 ICMP가 호스트간 이 정보를 알려주는 것 
  • 각 노드의 최선의 방법은 전체 테이블을 이웃에 보내서 이웃 (호스트)이 어떤 것을 사용하고 어떤 것을 버릴건지 결정하게 두는 것 -> 반복 -> 결국 자기 자신으로 그 정보가 돌아옴 
  • 거리 벡터 라우팅에서 각 노드들은 자신의 이웃 노드들과 자신의 라우팅 테이블을 주기적으로, 변경이 있을 때 공유함
• updating 
  • example
  • B는 D까지의 거리를 몰랐으나 A->D는 3 이고 자기 자신(B)는 A 까지의 거리가 2이므로 B->D는 5라고 업데이트 

• two-node loop instability
  • 거리백터라우팅의 문제 : 불안정함 
  • 솔루션
    • defining infinity : 대부분 구현방법 / 각 노드간 거리를 1로 설정하고 16을 infinity로 설정 
      • split horizon : 각 인터페이스를 통해 테이블을 flooding 하는 것 대신, 각 노드가 오직 자신의 테이블의 일부만 보냄 / 노드 B가 자기가 받은 테이블의 마지막 라인을 제거하고 다음 노드로 보냄 
      • poison reverse : 무한 거리에 도달하면 이것이 돌고 돌아 처음 소스로 돌아왔음을 알리는 경고 
  • example
   

• three node loop instability

 

4.1.2 Link-State routing

• least cost tree와 forwarding table을 생성하기 위한 알고리즘 
• link state database (LSBD)
  • 각 노드들은 완전한 네트워크 지도가 필요 
  • 각 연결의 상태를 모두 알아야 함 
  • 모든 연결의 상태를 모아둔 것 = LSBD 

• LSBD 생성 프로세스 = flooding 
  • 각 노드는 이웃 노드들에게 인사 메시지 전달 -> 각 이웃 노드들의 정보 얻음 (노드의 아이덴티티, 연결 비용)
  • 이웃 노드에 대한 정보의 조합 = LSP (LS 패킷) 
  • LSP =  노드 id + link cost + sequence number(LSP 새로운 버전이 생서되면 증가되는 숫자)
  • 각 노드는 LSP를 만들고 각 인터페이스를 통해 내보냄 
    • 노드가 LSP를 받으면 이미 가지고 있던 LSP의 복본과 시퀀스 넘버를 비교 
    • 오래된 LSP는 버리고 새로운 것을 가지고 새로운 LSP의 복본을 원래 이 패킷을 보냈던 노드 외의 다른 노드들에게 보냄 
  • 모든 새로운 LSP를 받고나면 각 노드들은 LSBD를 갖게 됨 

• least cost tree의 formation 
  • LSBD를 갖고 나면 각 노드들은 전체 토폴로지에 대한 복본을 가지고 있는 것 
  • 최단 경로 트리가 필요 
  • 다익스트라 알고리즘을 사용해서 최단경로트리 생성 

 

4.1.3 path vector routing

• least cost routing 기반이 아님 
• ISP간 패킷을 라우팅하기 위해 설계된 것 
• spanning tree
  • source에서 모든 목적지로의 경로 = best spanning tree에 의해 결정됨 
  • 목적지로의 경로가 하나 이상이라면 source는 자신의 정책에 부합하는 최적의 경로 선택
  • source는 동시에 여러개의 정책을 적용할 수 있음
  • 일반적으로 많이 사용되는 정책 : 최소 개수의 노드를 방문하는 것이 최적의 경로라고 간주 
  • 모든 노드의 spanning 트리 생성 후 목적지까지 최소한의 노드만 거치는 것이 최적의 경로라고 결정 
  • 생성 프로세스
    • 노드 시작 -> 이웃 노드로부터 얻을 수 있는 정보를 기반으로 거리 백터 생성
    • 노드는 이웃 노드에 인사 메시지 보내서 정보 얻음
    • 각 노드들은 초기 거리백터 생성 이후 모든 이웃노드들에게 보냄
    • 각 노드들은 이웃으로부터 거리 백터를 받으면 거리 벡터 업데이트 
   

 

4.1.4 practice problem

 

4.2 Unicast routing protocol 

• 인터넷에서 사용되는 주요 프로토콜 
  • Routing information protocol (RIP) : 거리-벡터 알고리즘 기분
    • 벨만-포드 알고리즘 기반 
  • open shortest path first (OSPF) : 연결-상태 알고리즘 기반
    • 다익스트라 알고리즘 기반 
  • border gateway protocol (BGP) : 경로-벡터 알고리즘 기반

4.2.1 인터넷 구조

• 백본  -> 글로벌 연결 제공
• provider 네트워크 : 낮은 수준에서 글로벌 연결을 위해 백본 사용
• custmor 네트워크 : provider 네트워크에 의해 제공되는 서비스 사용 
• 위 세 객체들은 서로 다른 레벨에서 ISP(Internet Service Provider)라고 불림 
• 계층적 라우팅
  • 각 ISP들을 AS (Autonomous system)으로 여기는 것 
  • AS 내부의 라우팅 = intradomain routing
  • 모든 AS들을 합친 글로벌 라우팅 = interdomain routing 

4.2.2 RIP (routing information protocol)

• intradomain routing protocol
• AS 내에서 사용됨 
• hop count 
  • 거리벡터 라우팅 기반으로 구현 
  • cost.= hop의 개수
  • 패킷이 source -> destination 경로 상에소 패킷이 거쳐야 하는 네트워크의 개수 
  • RIP 에서 최대 비용 = 15 -> 16은 무한을 의미 
• forwarding table 

• RIP 구현
  • 애플리케이션 계층에서 실행
  • 포워딩 테이블은 네트워크 계층에서 생성
  • UDP port 520 - 라우트 업데이트를 위해 사용
  • 1, 2 버전 존재 -> 수업에서는 2만 다룸 
• RIP 메시지
  • request :  타임아웃 엔트리를 가진 라우터나 방금 나온 라우터가 보내는 요청 메시지 
  • response (or update) : 응답은 solicite/unsolicite 모두 가능,solicite는 요청에 대한 대답으로만 보내지고, unsolicite는 주기적으로 보내짐 (매 30초마다 또는 라우팅 테이블에 변화가 있을 때마다) 
• RIP 알고리즘 : 거리벡터 알고리즘 

4.2.3 OSPF (Open Shortest Path First)

• intradomain 라우팅 프로토콜 
• 링크-상태 라우팅 프로토콜 기반
• 각 링크들은 throughput, round trip time, reliability, hop count 등을 기반으로 하는 가중치를 할당 받음 
  • 가중치 = cost

    

• forwarding table 
  • 각 OSPF 라우터
  • 다익스트라 알고리즘을 사용해서 자기 자신과 목적지 사이의 shortest path tree를 찾음
  • 그리고 포워딩 테이블을 생성

    

• Area
  • OSPF는 autonomous system(AS)을 area로 나눔 
  • 각 area는 autonoumous system 내부에 포함된 모든 네트워크, 호스트, 라우터의 집합
  • area border router : area에 대한 정보를 가지고 있고 다른 area로 보냄 
  • 모든 area들을 반드시 백본(backbone)이라는 특별한 arae에 연결되어 있음 
  • 백본과의 연결이 끊어지면 라우터는 가상 연결을 생성함

    

• link-state advertisement 
  • 라우터 링크
    • 노드 = 라우터 
    • point to point link : 두 개의 라우터 연결 
    • trasient link : 여러개의 라우터들이 붙어 있는 네트워크
    • stub link : 오직 하나의 라우터에 연결되어 있는 네트워크

      

  • 네트워크 링크
    • 노드 = 네트워크 
    • 설계된 라우터 
    • 네트워크는 스스로 알릴 수 없으므로 연결된 라우터 중 하나를 advertise 용으로 설계 
  • summary link to network 
    • area border router에 의해 수행되는 역할 
    • 즉, 백본에 연결된 area 간 
    • 백본에 연결된 링크들의 summary를 백본에 advertise

      

  • summary link to AS
    • AS라우터에 의해 수행 
    • 다른 AS에서 백본 area로 advertise

      

  • externel link 
    • AS 라우터가 수행 
    • 하나의 네트워크 존재를 외부 AS에 알림

      

• 구현 
  • IP 서비스를 사용하는 네트워크 계층에 구현 
  • IP 데이터그램이 OSPF로부터의 메시지를 싣고, 프로토콜 필드 값을 89로 설정 
  • 버전 1,2 있는데 대부분 구현은 버전 2사용 
• OSPF 메시지 
  • 두개의 메시지 해더 
    • common header - 모든 메시지에 사용 
    • link state general header - 일부 메시지에 사용
  • 메시지 타입
    • Hello 메시지 : 라우터가 자신을 이웃에 알리기 위해 사용 
    • DB description 메시지 :  hello 메시지에 대한 응답, 새롭게 참여한 라우터가 full LSDB 사용하는 것을 허가 
    • Link-state request 메시지 : 특정 링트 상태에 대한 정보를 요청하기 위해 사용 
    • Link state update 메시지: LSDB 설치를 위해 사용
    • Link state acknowledegment 메시지 : OSPF reliability 생성을 위해 사용 
• OSPF 알고리즘 
  • link state 라우팅 알고리즘 구현 
  • 각 라우터가 shortest path tree를 생성한 후, 알고리즘은 그에 해당하는 라우팅 알고리즘을 생성하기 위해 트리 사용 
  • 알고리즘은 다섯 타입의 메시지를 받고 보내는 것을 처리하도록 확장 되어야 함 
• vs RIP
  • RIP는 각 목적지 주소에 대해 가장 가까운 라우터만 추적 > OSPF는 로컬 네트워크에 연결된 모든 DB 추적 
  • RIP는 메트릭 값을 계상하기 위해 hop 개수 사용  > OSPF는 shortest path first 알고리즘을 사용해서 최적 경로 선택
  • RIP는 주기적인 업데이트를 보내기 위해 큰 대역폭 사용 > OSPF는 네트워크 내에서의 변화만 advertise
  • RIP는 15개의 라우터까지 도달 가능 > OSPF는 hop 개수 제한 없음 
  • RIP는 OSPF 보다 작은 규모의 네트워크로 사용 

 

 

4.2.4 BGP4 (Border Gateway Protocol Version4)

• interdomain 라우팅 프로토콜 
• 인터넷에서 사용됨
• 거리-벡터 알고리즘 기반 
• 각 라우터들이 인터넷 내부의 어떤 네트워크에 패킷을 라우팅할 수 있도록 external BGP4(eBGP)를 각 border router에 설치 
  • eBGP가 설치된 두개의 라우터는 TCP 연결을 생성
  • eBGP 세션에 179 포트 넘버 사용 
  • circled number는 각 케이스의 보내는 라우터를 정의 
  • 예를들어 메시지 number 1을 라우터 R1이 보낸다면 R5에게 N1 N2 N3 N4가 R1을 통해 도달할 것임을 알림

    

      
• internal BGP (iBGP)는 모든 라우터에 설치 
  • TCP 서비스 사용 
  • 포트넘버 179
  • AS 내부에 라우터 쌍들 간 세션 생성 가능 
  • AS 라우터는 다른 AS에 대한 정보 + 해당 AS에 대한 정보 조합 
  • AS 라우터는 다른 AS에 업데이트된 메시지 전달 
  • 이러한 방식으로 모든 네트워크 디바이스들은 AS 간 데이터를 전달할 수 있게 함 
• example

  

4.3 Unicasting 

• 하나의 source 하나의 destination 
• multiple unicasting : 하나의 source에서 여러개의 패킷을 보내는 것 

4.3 Multicasting 

• 하나의 source, 여러개의 destination
• 하나의 source로 부터 하나의 패킷으로 시작해서 라우터에 의해 복제됨

  

• 멀티캐스트 애플리케이션
  • access to distributed DB : 사용자 요청을 모든 분산된 DB 연결로 멀티캐스트해서 정보를 가진 장소에서 응답 
  • information dissemination : 예를 들어 소프트웨어 업데이트가 모든 특정 소프트웨어 패키지 구매자들에게 알릴 수 있음 
  • teleconferencing : 동시에 같은 정보를 받아야 할 때 사용
  • distance learning 

4.5 Broadcasting

• one to all 소통
• 호스트가 인터넷에 있는 모든 호스트들에게 메시지를 보내는 것

4.6 Multicast 주소 

• sender는 하나고 받는 쪽은 여러개 -> 멀티캐스트 주소 필요 
• 멀티캐스트 주소는 받는 쪽의 그룹을 정의함
• IPv4는 주소 블럭을 할당 -> class D는 멀티캐스트 주소로 사용되는 블럭

  

  

  
  
  

4.7 IGMP (Internet Group Management Protocol) 

• 그룹 멤버십에 대한 정보를 수집하기 위해 사용하는 프로토콜 
• 네트워크 계층에서 정의 
• IGMP 메시지는 IP 데이터그램에 캡슐화 
  • 쿼리 메시지 
    • 라우터가 주기적으로 연결된 모든 호스트에게 보냄 
    • group 내부에 멤버십 interest를 보고하도록 요청 
    • general 쿼리 메시지 : 아무 그룹의 멤버십에 대해 보냄, 목적지 주고 224.0.0.1로 데이터그랩에 캡슐화, 같은 네트워크에 붙은 모든 라우터들은 이 메시지를 받고 이 메시지가 도착했으며 그들은 재전송받을 필요 없음을 알려야 함 
    • group specific 쿼리 메시지 : 특정 그룹에 관련됨 멤버십에 대한 것만 묻기 위해 라우터로 보냄, 라우터가 특정 그룹에게 응답을 받지 못한 경우나 네트워크 내부에서 해당 그룹에 활성화 멤버가 없음을 확인하고자 할 때 보냄 
    • source and group specific 쿼리 메시지 : 메시지가 특정 source로부터 오면 라우터가 특정 그룹과 관련된 멤버십을 묻기 위해 보내는 메시지 
  • report message 
    • 쿼리 메시지에 대한 응답으로 호스트가 보내는 것
    • 해당하는 그룹 식별자 + 모든 source 의 주소 
    • 멑티캐스트 주소 224.0.0.22 -> 데이터그램에 캡슐화됨 

 

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References

• 성균관대학교 소프트웨어학과 추현승 교수님 2021-1 컴퓨터 네트워크 개론