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네트워크 레이어 (2)

October 20, 2023
computer-network

2023년 2학기 컴퓨터 네트워크 수업을 듣고 정리한 내용입니다. 수업 교재는 컴퓨터 네트워킹 하향식 접근 8판입니다.

컨트롤 영역

네트워크는 데이터 영역과 컨트롤 영역으로 나뉨.

컨트롤 영역의 구조는 두 가지가 있음

  • per-router control(traditional)

    각 라우터가 알고리즘을 통해 스스로 포워딩 테이블을 구성

  • Software Define Networking

    원격 컨트롤러가 계산한 포워딩 테이블을 모든 라우터에게 설정

라우팅 프로토콜의 목표

네트워크 속 라우터를 통해 시작 지점부터 도착 지점 사이의 최적의 경로(최소 비용, 최대 속도, 최소 혼잡도 등)를 설정하는 것

Link-state: Dijkstra 알고리즘

  • 모든 노드(라우터)가 같은 정보를 공유한다.
  • Link state의 브로드캐스트를 통해 전달된다.
  • 각 노드마다 모든 노드로 향하는 최소 비용의 경로를 계산한다.
  • 최소 비용을 계산하는 데에 O(n2)O(n^2) 의 시간복잡도를 갖는다.

Oscillation possible

노드(라우터)간 비용이 달라졌을 때 경로가 계속 변경되어 진동하는 것처럼 보이는 것.

Distance vector: Bellman-Ford 알고리즘

  • 매 시간마다 인접한 이웃 노드(라우터)에게서 전달받은 정보를 토대로 최소 비용을 계산하는 것
  • 이웃이나 자신의 link cost값이 변경되었을 때 계산을 바로 할 수 있음.

good news travels fast, bad news travels slow

link cost값이 더 작은 값으로 바뀌면 금방 갱신되지만 link cost값이 더 큰 값으로 바뀌면 느리게 갱신되는 것.

최악의 경우 무한번 반복할 수도 있다.

Autonomous systems

이상적인 모델을 현실적으로 적용하기 위해 만든 작은 네트워크 집합.

한 지역에 있는 라우터들의 집합을 말한다.

Intra-AS

내부 도메인 라우팅을 말한다.

같은 AS에 있는 라우터들은 동일한 프로토콜을 사용하여 포워딩 테이블을 구성한다.

다른 AS에 있는 라우터와 연결된 라우터들을 gateway router라고 명칭한다.

Inter-AS

AS간 또는 도메인간 라우팅을 말한다.

intra as내의 라우터들은 같은 as내에 있는 라우터들로 향하는 포워딩 테이블을 갖지만 gateway router들은 intra-as 포워딩 테이블과 inter-as 포워딩 테이블을 갖는다.

Intra-AS routing

외부로 나가기 위해 어떤 게이트웨이 라우터를 선택할지 결정하는 프로토콜 사용. RIP, EIGRP, OSPF가 있음

OSPF

Link-state방식 사용. IP를 사용하여 정보를 주고 받는다.

각 라우터가 OSPF 프로토콜로 정보를 주고받아 같은 AS에 있는 모든 라우터와 정보를 공유한다. 공유한 정보를 토대로 각 라우터는 포워딩 테이블을 구성한다.

Hierarchical OSPF

Dijkstra 알고리즘을 사용하려면 O(n2)O(n^2) 의 비용을 써야 한다. AS가 너무 크면 계산하기 힘들기 때문에 AS의 계층을 상위와 하위로 나눈다.

Link-state 정보는 각 area 또는 backbone 내에서만 전파된다.

  • Local area

    • Local routers

      area 내의 라우터들에 대한 포워딩 테이블을 갖는다.

      area 밖으로 나가는 패킷은 area border router에게 포워딩한다.

    • Area border router

      라우터가 속한 area로 향하는 비용을 요약해서 backbone에 전파한다.

  • Backbone

    • Backbone router

      서로 다른 area를 연결하는 라우터

    • Boundary router

      다른 AS와 연결되는 라우터.

Inter-AS routing

BGP(border gateway protocol)을 사용한다.

서브넷이 자신의 존재를 알려서 다른 인터넷에서 접속이 가능하도록 만든다.

BGP는 eBGP와 iBGP로 나뉜다.

  • eBGP(외부 BGP)

    다른 서브넷의 정보를 획득하는 것.

  • iBGP(내부 BGP)

    자신의 서브넷에 대한 정보를 모든 내부 도메인 즉, Intra AS내의 라우터에 뿌리는 것.

Alt text

두 BGP 라우터가 세션을 구성하여 반영구적으로 계속 BGP 메세지를 주고 받는다. 새로운 라우터(위 사진의 라우터 X)가 서브넷에 가입되면 eBGP를 통해 다른 AS에 전파되고, 그 AS에서는 iBGP를 통해 AS 내부의 라우터에 전파된다.

BGP는 prefix와 attributes를 전파한다.

  • prefix

    전파될 도착 지점

  • attributes

    • AS-PATH

      prefix가 전파되면서 거쳐간 AS들의 목록

    • NEXT-HOP

      다음으로 전파될 내부의 AS 라우터를 의미한다.

BGP는 정책에 기반한 라우팅을 한다.

예시로, 게이트웨이 라우터는 같은 도착 지점에 대해서 다수의 경로 정보를 전달받을 수 있는데, 이 때 정책에 의해 경로가 더 짧은 것을 선택할 수 있다.

BGP Messages

BGP는 TCP를 사용하여 정보를 주고 받는다.

  • OPEN

    두 BGP 라우터(peer) 간 TCP 세션을 구성한다.

  • UPDATE

    새로운 경로를 전달하거나, 기존의 경로를 삭제한다.

  • KEEPALIVE

    경로의 업데이트가 없을 때에도 연결을 유지한다.

  • NOTIFICATION

    이전 메세지의 오류를 수정한다. 또는 연결을 종료한다.

iBGP를 통해 다른 AS로 향하기 위해 어떤 게이트웨이 라우터를 선택해야하는지 알게 되면 OSPF로 AS 내부의 모든 라우터에게 그 정보가 전파되어 포워딩 테이블을 구성하게 된다.

Hot potato routing

inter-AS에서 계산된 비용은 생각하지 않고 intra-AS내에서 게이트웨이까지 나가는 비용이 가장 작은 경로를 선택하게 되는 것.

Intra-AS와 Inter-AS의 차이점

정책

intra-AS에서는 정책으로 관리하지 않기에 중요하지 않지만, inter-AS에서는 관리자가 트래픽 관리를 위해 정책을 설정하게 된다.

성능

계층을 나눔으로써 intra-AS는 오직 성능에만 집중할 수 있지만 inter-AS는 정책이 우선된다.

Software Define Networking

각 라우터가 link-state 정보를 확인하고 경로를 업데이트 하는 방법은 실시간으로 적용하기 어렵다. 그래서 원격 컨트롤러에게 맡긴다.

SDN은 3개의 계층로 분리된다.

Data-plane Switch

단순하게 포워딩 테이블에 의한 패킷 스위칭을 담당한다. (generalized data-plane forwarding 사용)

상위 계층인 컨트롤러에게 API를 제공하여 포워딩 테이블을 관리할 수 있다.

OpenFlow 프로토콜를 사용하여 컨트롤러와 통신한다.

SDN Controller(network OS)

네트워크의 정보를 수집, 관리한다.

상위 계층인 애플리케이션에게 API를 제공하여 알고리즘을 구현할 때 포워딩 테이블을 수정할 수 있도록 한다.

스위치가 제공하는 API를 통해 상호작용한다.

트래픽 관리 시스템을 구현한다.

Application

컨트롤러가 제공하는 API를 통해 라우팅, 로드밸런싱 같은 알고리즘을 구현한다.

컨트롤러와는 독립적으로, 서드파티에 의해 구현될 수도 있다.(?)

OpenFlow Protocol

컨트롤러와 스위치 사이에서 메세지를 주고받는 규칙이다. TCP를 사용한다.

Controller to Switch

  • feature : 스위치의 정보를 쿼리로 긁어온다.
  • configure : 스위치의 파라미터를 수정한다.
  • modify-state : OpenFlow Table에 엔트리를 추가/삭제/수정한다.
  • packet-out : 컨트롤러가 직접 특정 스위치의 포트로 패킷을 내보낸다...(?)

Switch to Controller

  • packet-in : 패킷을 컨트롤러에게 보낸다.
  • flow-removed : OpenFlow Table에서 특정 엔트리가 지워졌음을 알린다.
  • port status : 포트의 상태를 알림. 포트가 변경되었을 때 알리는 것 같다.

상호작용 흐름

  1. 어떤 오류가 발생하여 port status를 통해 컨트롤러에게 알린다.
  2. 컨트롤러는 메세지를 수신하여 DB에 저장된 link state의 정보를 수정하고, 애플리케이션에 알린다.
  3. 애플리케이션은 상태가 변경되었을 때 Dijkstra 알고리즘을 다시 수행하도록 설정하고 있다. 그러므로 다시 실행되어 경로를 업데이트한다.
  4. 애플리케이션이 알고리즘을 실행하면, 컨트롤러에 저장된 정보를 조회하기 위해 상호작용한다.
  5. 업데이트된 경로를 전파하기 위해 애플리케이션이 컨트롤러를 통해 각 스위치의 FlowTable을 업데이트한다.

여기까지 중간고사 범위

ICMP

호스트와 라우터 사이에 데이터 전송과 관련된 문제를 알리기 위한 프로토콜. IP를 사용하지만 payload에 담겨서 전송된다.

TTL이 0이면 전송된 패킷을 버리고 src로 ICMP 오류코드(type: 11, code: 0)가 담긴 메세지를 보낸다.

Network Management

네트워크에 존재하는 관리시스템이 각 디바이스에 연결된 에이전트를 통해 관리한다.

각 디바이스의 MIB정보를 조회, 수정하기 위해서 SNMP 프로토콜을 사용한다.

SNMP 프로토콜 메세지

시스템

  • 정보 검색 : GetRequest, GetNextRequest, GetBulkRequest
  • 정보 업데이트 : SetRequest

에이전트

  • 시스템의 요청에 대한 응답 : Response
  • 자발적으로 알림 : Trap (이슈가 생겼을 때 시스템에게 알림)

Get~, Set~은 format이 동일하지만 Trap 메세지만 다른 format이다.

MIB(Management Information Base)

망 관리를 위해 사용되는 관리 정보

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