[네트워크] Network Layer

네트워크 층의 기능

라우팅과 포워딩 기능 

라우팅 - 네트워크에서 패킷이 목적지까지 도착할 수 있도록 경로를 결정해주는 것

포워딩 - 패킷을 전달시키는 역할로 보통 라우팅과 포워딩을 같은 역할로서 말한다.

 

Packetizing

하나의 메세지를 여러개의 패킷으로 나누어서 전달

 

혼잡제어(congestion control)

공동 공간에 너무 많은 데이터그램이 존재하는 경우 제어

 

패킷 스위칭

하나의 메세지를 다수의 패킷으로 나누어서 보내는 것

어떤식으로 나눠서 보내냐에 따라서

데이터그램 방식(Datagram approach)

가상 회선 방식(Virtual circuit approach)

방식으로 나뉜다.

 

데이터그램 방식(Datagram approach)

비연결성 서비스이다.

각 패킷을 독립적으로 처리한다.

 

각 패킷의 경로가 다를 수도 있다. (순서가 뒤바뀔 수도 있다.)

 

 

비연결성 네트워크(데이터그램 방식)에서의 Forwarding

Forwarding의 결정은 목적지 네트워크 주소를 보고 내린다. 

Forwarding table
Destination Address	Output interface
A B C . . . G	1 2 3 . . . 7

 

SA

DA

Data

라우터는 패킷의 목적지를 Forwarding table을 보고 어느 포트로 포워딩할지 결정

 

가상 회선 방식에서의 Forwarding

가상 회선 방식에서의 포워딩은 패킷의 레이블에 의해 결정된다.

연결 중심의 서비스이다.

패킷들이 동일한 path를 따라간다.

 

패킷들의 가상적인 경로와 가상 회선 식별자(VCI) 가 일치하는 경로를 찾아 이동

가상적인 연결을 해주기 때문에 가상 연결을 Setup, 

셋업된 가상 회선상의 경로를 따라서 패킷을 transfer,

가상된 연결을 teardown

 

패킷이 순서대로 이동하기 때문에 수신측의 순서도 바뀌지 않는다.

가상의 회선이 수신측에서 목적지까지 정해진 후에서야 패킷이 전송이 된다.

 

연결 중심의 네트워크(가상회선 네트워크)에서 패킷 Forwarding

 

가상 회선 식별자(VCI) 를 보고 한다.

 

가상회선 네트워크 또한 라우터에 포워딩 테이블이 있다.

Forwarding table
Incoming		Outgoing
Port	Label	Port	Label
1 . . .	L1 . . .	2 . . .	L2 . . .

라우터에 들어올때

L1(Incomming label)

SA

DA

Data

 

라우터를 거쳐 나갈때

L2(Outgoing label)

SA

DA

Data

 

가상 연결의 Setup 단계 ( 요청패킷과 확인 응답 패킷 )

 

요청 패킷(Sending Request Packet)

 

요청패킷은 근원지에서 목적지로 근원지와 목적지 주소 정보를 가지고 있는 보조 패킷을 전송한다.

이때 라우터의 Outgoing의 Label은 다시 수신받을 때 채워진다.

확인 응답 패킷

목적지는 역순으로 근원지에게 응답 패킷을 보내며 라우터의 Outgoing Label을 채운다.

확인 응답 패킷이 근원지 A에게 도착하면 A와 B는 데이터 전송이 가능하다.

 

데이터 전송 단계 (Data Transfer Phase)

요청패킷과 응답 패킷으로서 설정된 가상의 회선으로 포워딩 테이블이 완료되면 라우터의 포워딩 테이블의 레이블에 따라서 데이터가 전송된다.

 

네트워크 층의 성능

Delay

전송지연, 전파지연, 처리지연, 큐잉지연

 

Throughput

초당 해당 지점을 지나는 비트의 수

 

Packet Loss

라우터가 다른 패킷을 처리중에 가지고 있는 버퍼의 크기보다 더 많은 패킷이 버퍼에 전달되면  패킷이 손실된다.

 

Congestion Control

성능을 향상시키기 위한 혼잡 제어 매커니즘

 

 

전송지연

패킷에 길이에 따라 첫번째 비트부터 마지막 비트까지 근원지에서 차례로 보냄에 따라 걸리는 지연시간

전송지연 = Packet length / Transmission rate

 

전파지연

근원지에서 목적지까지 패킷이 도착하는데 걸리는 시간

전파지연 = Distance / propagation speed

 

 

처리 지연 & 큐잉 지연

오류 탐지및 헤더 제거 등등의 처리 후 출력 포트로 패킷을 보내는 경우 발생하는 지연시간 (처리 지연)

큐(버퍼)에서의 맨 뒤의 패킷이 처리되는 시간 (큐잉 지연)

패캣을 수신받고 다음 포트로 출력하는 동안의 지연시간

 

 

처리율

근원지에서 목적지까지 2개의 라우터를 거쳐서 패킷을 전송한다고 가정하자

근원지 --- 200Kbps --- R1 --- 100Kbps --- R2 --- 150Kbps --- 목적지

각 Link의 전송 속도는 다음과 같을 때 처리율은 얼마나 되는가?

 

원통의 수도관을 생각하자 폭이 넓은 수도관에서 물이 흐르다가 폭이 얇은 수도관을 만나면 물이 그만큼 큰 저항을 받게 된다. 마찬가지로 전송속도가 낮은 Link에서 병목현상이 생길 수 밖에 없다.

 

 

혼잡 제어

혼잡은 지연율과 처리율의 상호 관계에 있다.

 

Open-loop congestion control (예방 방식)

 

Closed-loop congestion control (제거 방식)

    - Backpressure, Choke Packet

 

역압 방식(Backpressure method)

가상회선 네트워크에서만 사용하는 방식으로

근원지에서 데이터를 전송하여 r1 r2 r3... 진행 중에 r3라우터에서 혼잡이 발생 시 r2라우터에 천천히 보내라고 압력을 준다. r2라우터는 r1라우터에게 r1라우터는 근원지를 향해 천천히 보내라고 요청한다.

 

초크패킷 방식 (Choke Packet method)

ICMP 보조 프로토콜을 사용하여 오류를 근원지에 보고

근원지에서 데이터를 전송하는 중에 r3라우터에서 혼잡 발생 시 분석하여 Choke packet을 근원지에게 Choke packet을 전송한다.

 

 

IP Address

네트워크 층의 주소로서 Logical address라고도 불리운다. 32-bit의 크기를 가지고 있다.

IP주소는 실제 연결의 주소다.

각 인터넷으로서의 연결을 유일하게 정의하고 있으며 공개되어 있다. Unique and Universal

 

 

10000000 00001011 00000011 00011111

128. 11. 3. 31

 

 

계층적 주소

전화번호와 같이 IP주소도 계층주소를 가진다.

02 - 123 - xxxx (지역번호 서울)

031 - 123 - xxxx (지역번호 경기도)

 

접두사(Prefix)를 보고 목적지의 네트워크를 정의하고

접미사(Suffix)를 보고 네트워크안의 목적지의 노드를 정의한다.

 

초기엔 Classful Addressing이라는 주소지정 방식을 사용했는데

이것은 접두사의 길이가 n = 8, n= 16, n= 24 로 고정되 있는 형태였다.

 

현재엔 가변 길이를 사용하고 클래스가 없는 주소가 없는 classless addressing 구조를 사용하고 있다.

 

Classful Addressing

하지만 Addressing을 이해하는데 중요한 개념이므로 살펴보도록 하자

Class A에서 고정된 첫번째 비트는 클래스를 지정하기 위해 존재하기 때문에 나머지 7개의 비트만 네트워크 식별자로 사용이 가능하다 즉 모든 네트워크에서 2^7인 128개의 네트워크만 Class A를 가질 수 있다.

 

Class B에서 고정된 두 비트가 클래스를 지정하기 때문에 나머지 14개의 비트만 사용이 가능하다. 즉 2^14인 16,384개의 네트워크만 클래스 B주소를 가질 수 있다.

 

Class C또한 마찬가지로 2^21개의 네트워크만 클래스 C의 주소를 가질 수 있다.

 

네트워크 식별자로 사용하는 비트는 netid 나머지 부분을 hostid 라고 부르는데

hostid 가 넓을 수록 더 많은 비트를 쓸 수 있기 때문에 한 네트워크 속에서의 규모는 더 크다.

때문에 A -> B -> C 순으로 네트워크 규모가 크다고 볼 수 있다.

 

Class and Blocks(네트워크)

class	Number of Blocks	Block Size	Apllication
A	128	16,777,216	Unicast
B	16,384	65,536	Unicast
C	2,097,152	256	Unicast
D	1	268,435,456	Multicast
E	1	268,435,456	Reserved