[Network Layer] Control Plane
Network Layer의 Control Plane에 대해서
Data Plane이 Forwarding을 담당하고, Control Plane을 Forwarding을 어떤 경로로 해야하는지 결정하는 역할을 한다.
- 즉, Control Plane 은 Source - Dest의 경로를 찾고 router에 알려주는 역할을 한다.
✏️ Routing Protocols
Routing이란 Source에서 Destination 까지의 경로를 찾는 기술이다.
Routing Protocol의 동작 과정
- Routing 정보 수집
- 정보를 기반으로 경로 결정
- 결정된 경로에 해당하는 Routing Table 작성
⚠️ Internet은 hop-by-hop Routing 방식을 사용한다.
■ Classification
Routing Protocol을 정보를 수집하는 방식을 기준으로 구분하면, 다음과 같이 나누어질 수 있다.
| 구분 | Detail |
|---|---|
| Global | 자신의 router 정보를 특정 네트워크에 존재하는 모든 router에 전송한다. router는 범위 내에 존재하는 모든 router의 정보를 가지고 있다. link state algorithm [OSPF] |
| Decentralized | 자신의 router 정보를 인접한 라우터와 교환한다. distance vector algorithm [RIP] |
Routing 알고리즘의 실행 주기로 구분
| 구분 | Detail |
|---|---|
| Static | 경로가 잘 안바뀜(계산을 자주하지 않음) |
| Dynamic | 경로가 자주 바뀜 |
- OSPF, RIP는 Dynamic이다.
■ link State
Link State란 Routing Protocol의 일종으로, 네트워크 내 각 라우터가 자신과 직접 연결된 모든 링크의 상태 정보를 유지하고 이를 네트워크의 다른 라우터들과 공유하는 방식이다.
link State 프로토콜의 예시
-
OSPF (Open Shortest Path First): 인터넷 프로토콜(IP) 네트워크에서 가장 널리 사용되는 링크 상태 라우팅 프로토콜 중 하나입니다. OSPF는 빠른 수렴 시간과 효율적인 네트워크 자원 사용을 제공합니다.
-
IS-IS (Intermediate System to Intermediate System): 주로 대규모 통신망에서 사용되며, OSPF와 유사한 기능을 제공합니다.
► OSPF
OSPF
: Open Shortest Path First
OSPF의 동작 과정은 다음과 같다.
1. 라우팅 정보 수집
- LSA(Link State Advertisement)를 broadCast 한다.
- 이 때, flooding을 사용해서 broadCast 한다.
- Flooding은 각 라우터가 받은 LSA를 자신의 모든 인접 라우터에게 재전송하는 과정이다.
- 라우터의 정보를 중복 수신하는 경우, 해당 정보를 버린다.
- flooding의 Message Complexity는
O(n^2)이다.각 라우터가 다른 n-1개의 라우터에게 자신의 정보를 전달 * 라우터 n개
➜O(n^2)
2. 정보 기반 경로 결정
Dijkstra의 shortest Path Algorithm을 사용해서 경로를 결정한다.
Dijkstra의 Shortest Path Algorithm
- C(x,y): 【 노드 x ➜ 노드 y 】 의 Direct Link Cost. (direct 경로가 없는 경우 무한대)
- D(v): 【 source ➜ 노드 v 】 의 총 비용
- P(v): 【 source ➜ 노드 v 】 경로에서 v의 이전 노드
D(v) = min(D(v), D(w) + C(w,v))1
【 source ➜ v 】 총 비용 = min(【 source ➜ v 】 비용, 【 source ➜ w ➜ v 】 비용)
- Dijkstra의 Shortest Path Algorithm Time Complexity는
O(n^2)이다.- D(a), D(b), … D(n) 계산
- 노드를 하나씩 추가하면서 위의 계산을 총 n회 실행
- 따라서,
O(n^2)
3. routing Table 작성
- Previous Node 값을 토대로 next-hop을 판단한다.
- next-hop이 될 수 있는 노드는, 현재 라우터와 인접한 라우터이다.
⚠️ Previous Node 값 자체가 next-hop이 되는건 아니다!
► Oscillations
Link State 방식의 단점은 Oscillations이다.
Oscillations
: Link State 라우팅 프로토콜에서 네트워크 내 라우팅 경로가 자주 변경되는 현상
- 네트워크의 트래픽이 증가하면 일부 링크의 비용이 변경됨
- 네트워크 트래픽의 변동에 따라 두 노드 간의 최적 경로가 자주 변경
- 네트워크 전체에 전파되어야 할 업데이트를 유발
따라서, LSA를 broadCasting 하는 작업, 즉 라우팅 정보 수집 과정을 자주하지 않는다.
■ Distance Vector
Bellman-Ford 공식 D(x,y): x ➜ y 의 최소 비용
D(x,y) = min(Cost(x, 이웃) + D(이웃, y))
이웃도 다른 인접한 라우터에게서 받은 정보를 바탕으로 D 값을 계산하기 때문에, 이웃한테서 받은 정보 D(이웃, y)가 정확하다고는 보장할 수 없다. ➜ Routing Loop가 발생할 수 있다.
하지만, 시간이 지날수록 정확한 값으로 수렴한다.
► algorithm
D(x,y) = min(Cost(x, 이웃) + D(이웃, y))
슈도 코드
if( C(x, 이웃) 에 변화가 있다면 || D(이웃, y) 에 변화가 있다면 ) { D(v)를 다시 계산한다. 재계산된 D(v)를 자신의 이웃에게 알려준다. }
C, D 값이 정확한 값으로 수렴되면 메시지를 주고 받을 일이 없어진다!
► Cost의 변환
Cost가 줄어드는 경우는 문제가 발생하지 않는다. 반면에, Cost가 증가하는 경우 Count-to-Infinity 문제가 발생할 수 있다.
Link Cost가 줄어드는 경우 ➜ 수렴이 빨리 된다.
- y가 변환을 감지 ➜ D(y,x) 재계산: 1 ➜ 이웃들에게 전달
- z가 y로부터 업데이트를 받음 ➜ D(z,x) 재계산: 2 ➜ 이웃들에게 전달
- y가 z로부터 업데이트를 받음 ➜ D(y,x) 재계산: 변화 없음 ➜ 수렴 완료
Link Cost가 증가하는 경우
- Count-to-Infinity 문제 발생 ➜ 수렴이 느리게 된다.
현재 y가 갖고 있는 D(z,x)는 5이다.
- y가 변환을 감지 ➜ D(y,x) 재계산
D(y,x) = min(C(y, x) + D(x,x), C(y,z) + D(z,x)) = min(60, 6)따라서, D(y,x) = 6으로 판단 ➜ 이웃들에게 전달- z가 y로부터 업데이트를 받음 ➜ D(z,x) 재계산
D(z,x) = min(C(z, x) + D(x,x), C(z,y) + D(y,x)) = min(50, 7)따라서, D(z,x) = 7로 판단 ➜ 이웃들에게 전달- y가 z로부터 업데이트를 받음 ➜ D(y,x) 재계산
D(y,x) = min(C(y,x) + D(x,x), C(y,z) + D(z,x)) = min(60, 8)따라서, D(y,x) = 8로 판단 ➜ 이웃들에게 전달- D(z,x) = 50이 될 때까지 반복
⚠️ 수렴이 발생하기 전, y에서 x로 보내는 패킷이 발생하면? ➜ y는 z에게, z는 y에게, y는 z에게 … ➜ Routing Loop가 발생한다.
► Poisoned Reverse
Routing Loop를 해결하기 위한 방식
z가 y를 거쳐서 x로 간다면, z는 y에게 D(z,x)가 무한대라고 알려준다.
- Cost가 바뀌기 전, 실제
D(z,x) = 5이다. - 하지만, y를 거쳐서 가므로 y에게
D(z,x) = ∞라고 알려준다. ➜ Cost가 60으로 바뀌어도D(z,x) = ∞이므로,D(y,x) = min(C(y, x) + D(x,x), C(y,z) + D(z,x)) = min(60, ∞) = 60
➜ D(z,x) 재계산D(z,x) = min(C(z, x) + D(x,x), C(z,y) + D(y,x)) = min(50, 60) = 50
바로 수렴된다!
■ LS 와 DV
Time Complexity
- Link State: O(n^2)
- Distance Vector: O(n)
- 각 노드에 연결된 이웃의 평균 개수가 k라 할 때, n개의 노드가 각각 k개씩 메시지를 보내므로 O(nk)이다. 따라서, O(n)이다.
Time Complexity는 Distance Vector가 더 좋다.
수렴 속도
- Link State: Oscillation이 생길 수 있지만, 바로 수렴된다.
- Distance Vector: count-to-infinity 문제 발생 가능
수렴 속도는 Link State가 더 좋다.
✏️ AS
AS (Autonomous System) : 하나의 주체가 관리하는 라우터들의 집합
즉, AS는 라우터 집합의 단위이다. Routing은 2가지 종류로 구분할 수 있다.
1. intra-AS routing: AS 내부의 라우팅
- OSPF, RIP 등의 프로토콜 사용 (각 관리 주체가 선택할 수 있음)
- 같은 도메인 내에서는 같은 라우팅 프로토콜을 사용해야 한다
- inter-AS routing을 전담하는 gateway router가 존재한다.
- forwarding table을 2개 가지고 있다.
- intra 전용 table, inter 전용 table
2. inter-AS routing: AS와 AS 간의 라우팅
- BGP 프로토콜 사용 (딱 하나만 존재)
■ intra-AS routing
intra-AS routing protocol은 다음과 같은 종류가 있다.
- OSPF: link-state based
- OSPF와 근본적으로 동일하지만, ISO에서 표준화 한 IS-IS 프로토콜도 있다.
- RIP: Distance Vector based
- EIGRP: Distance Vector based(Cisco 전용 프로토콜)
이 중에서 OSPF에 대해서 알아보자.
► OSPF
OSPF는 <a href = #OSPF>이전</a>에 설명을 했다.
추가 정보
- OSPF에서 flooding: AS 내부에 존재하는 모든 라우터에게 자신의 정보를 보낸다.
- TCP나 UDP 등의 상위 레이어 서비스를 사용하지 않고, 직접 IP 프로토콜을 사용해서 메시지를 전달한다.
- hop 수 뿐만 아니라, bandwidth, delay 등을 기준으로 Link Cost를 설정할 수 있다. (RIP는 hop 수로만 가능하다)
- 보안성이 좋다. (RIP는 인증 개념이 없다)
ECMP
OSPF는 __ECMP(Equal Cost Multiple Path)__를 특징으로 가진다.
최소 비용 경로가 여러개 있을 때 골고루 사용한다. ➜ 트래픽이 골고루 분산된다!
► Hierarchical OSPF
OSPF를 2가지 계층으로 분리함으로써 확장성을 높일 수 있다.
| 라우터 | 기능 |
|---|---|
| Boundary Router | 자신의 AS를 다른 AS와 연결하는 라우터 |
| Backbone Routers | Backbone 계층 내부에서 동작하는 라우터 |
| Area Border Routers | 자신의 Area 정보를 요약해서 Backbone 계층에 전달하는 라우터 |
| Local routers | Local Area 계층 내부에서 존재하는 라우터 |
- LSA는 각 local area 내부에서만 flooding 된다.
- Area Border Router는 자신의 Area에 존재하는 라우터들의 정보를 요약해서 backbone 계층에 알려준다.
■ inter-AS routing
BGP (Border Gateway Protocol)
inter-AS routing에서 사용되는 유일한 프로토콜
- BGP에서는 최소 비용은 중요하지 않고, Policy가 중요하다.
- BGP는 Path Vector 방식을 사용한다.
- BGP는 TCP 기반으로 동작한다.
► eBGP와 iBGP
자신에게 찾아올 수 있게 하려면, 자신이 속한 AS 주소를 advertise 해야 한다.
- eBGP (External BGP): 다른 AS에 속한 이웃(neighbor) 라우터에게 자신의 AS 정보를 알린다.
- iBGP (Internal BGP): 같은 AS 내의 다른 라우터들에게 라우팅 정보를 알린다.
► BGP Basics
BGP 기능을 가지고 있는 라우터를 peer라고 부른다. 두 peer 간 TCP 연결이 설정된다.
- 이 연결은 semi-permanent 하다.
-
새로운 노드(New)가 AS3에 추가되면, AS3의 BGP router는 New로 가려면 AS3으로 보내라고 이웃들에게 알려준다.
-
iBGP로 내부에서 전달
-
AS2는 해당 Path Vector를 받아서 자신의 이웃들에게 전달한다. (AS2,AS3,New): New로 보내려면, AS2 -> AS3를 거쳐야 한다.
► Path Attributes
BGP 메시지 = prefix + attributes
Path Attributes에는 다음과 같은 종류가 있다.
- AS-Path: 데이터가 특정 목적지로 가기 위해 거쳐야 하는 AS들의 리스트
- Next-Hop: 특정 목적지로 가기 위한 다음 점프(라우터)의 주소
► Policy Based Routing
BGP는 최소 비용 경로를 기준으로 라우팅하지 않고, 정책(Policy)에 기반하여 라우팅 결정을 한다.
- 각 AS는 자신의 라우팅 정책에 따라 특정 경로를 수락하거나 거부할 수 있다. ex. (AS1, X)라는 메시지가 AS2로 옴 ➜ 받지 않음 ➜ 그럼 절대 AS2를 통해 X로 갈 수 없다.
► BGP Messages
| 메시지 | 기능 |
|---|---|
| OPEN | TCP 세션을 설정 하는 메시지 |
| UPDATE | AS Path Attribute가 포함된 메시지 라우팅 정보를 가지고 있다. 새로운 경로 정보를 알려주거나 기존 정보 취소 |
| KEEPALIVE | Session을 유지하기 위해 보내는 Message (Semi-permanent로 유지) |
| NOTIFICATION | 1. Error가 있음을 알려주는 메시지 2. close 메시지 |
- ACK가 따로 없고, OPEN을 보내면 KEEPALIVE로 답장한다.
■ Other issues
► Hot Potato Routing
cost가 가장 작은(queue length가 가장 짧은) 인터페이스 쪽으로 내보낸다.
► ISP policy
ISP는 다른 ISP가 자신의 네트워크를 “중간 경유지”로 사용하지 못하게 한다.
예를 들어, C는 A로 바로 데이터를 전송할 수 있지만, Bandwidth를 아끼기 위해 B를 경유하는 방식을 사용할 수 있다.
이러한 상황을 회피하기 위해, B는 아예 C에게 경로를 알려주지 않는다.
- A가 【 A,w 】 를 B,C에 전달
- B는 【 B,A,w 】 를 C에 전달하지 않음 ➜ C에서 w로 갈 때는 절대 B를 통과하지 못함
- C는 (C,A,w)를 통해 w로 접근
⚠️ customer network인 x가 B와 C 사이의 데이터 전달을 도울 수 있지만, x는 ISP가 아니기 때문에 해당 사항을 policy로 금지 해야 한다.
► route selection
여러개의 경로가 존재하는 경우, BGP Router는 다음과 같은 우선순위로 경로를 결정한다.
- policy
- shortest AS-PATH
- hot potato(closest Next-Hop)
- additional criteria
✏️ ICMP
ICMP (Internet Control Message Protocol)
Source host에게 에러가 있음을 알려주는 protocol
-
source quench 패킷이 큐에 일정 수준 이상 쌓여서 네트워크가 더 이상 처리할 수 없을 때 일부 메시지를 버린다. 이 때, Source Quench(Choke Packet) 메시지를 소스 호스트에게 보내서 데이터 전송량을 줄이도록 한다.
-
ICMP 메시지는 IP datagram에 포함되어서 전송된다.
-
ICMP message는 다음과 같이 구성되어 있다.
type + code + 8 bytes IP datagram
REFERENCE
Computer Networking, A Top Down Approach - JAMES F.KUROSE