▶ Network Layer (네트워크 계층, 3계층)
- 송신 호스트에서 수신 호스트로 세그먼트를 전송한다.
- 송신 호스트에서 세그먼트를 데이터그램(datagram)으로 캡슐화한다.
- 수신 호스트에서 세그먼트를 전송 계층(4계층)으로 전송한다.
- 네트워크 계층이 모든 호스트와 라우터에서의 프로토콜을 지정한다.
- 라우터는 해당 라우터를 통과하는 모든 IP 데이터그램에 있는 헤더 필드를 검사한다.
▶ Network Layer Functions and Plane
- 라우팅 (Routing) : 출발지에서 목적지까지의 모든 경로를 결정한다. 라우터에서 라우팅 알고리즘으로 포워딩 테이블을 만든다. 포워딩 테이블에는 목적지 IP 주소와 해당 포트번호가 저장되어 있다.
- 포워딩 (Forwarding) : 라우터 내부에 입력 버퍼와 출력버퍼가 있다. 입력버퍼로 들어온 패킷의 헤더에 있는 IP주소와 포워딩 테이블의 IP주소를 비교하여 적절한 포트번호를 가진 출력 버퍼로 패킷들을 옮긴다.
- 라우팅이 출발지에서 목적지까지 여행을 계획하는 과정이라면, 포워딩은 여행 중간의 하나의 지점을 지나가는 과정이다.
- Control plane
넓은 네트워크의 논리적인 부분을 담당하는 뇌의 역할을 한다.
데이터그램이 종단 사이에 라우터들에 의해 어떻게 라우팅되는지 결정한다.
- 하드웨어 측면에서 라우터에 의해 구현되는 전통적인 라우팅 알고리즘 방식
- 소프트웨어 측면에서 서버에 의해 구현되는 SDN(Software-Defined Networking) 방식
Per-Router Control plane : 각 라우터마다 있는 라우팅 알고리즘이 Control plane의 상호작용을 한다.
Logically Centralized Control plane : 별도로 중앙에 배치된 컨트롤러가 local control agents(CAS)로 각 라우터와 상호작용한다. 중앙에서 control plane이 이루어짐.
- Data plane
각 라우터의 포워딩 함수들을 동작한다. 팔, 다리가 동작하는 것과 유사하다.
라우터 입력 버퍼에 도착한 데이터그램이 어떻게 출력 버퍼로 포워딩되는지 결정한다.
▶ Network Service Model
- 송신자에서 수신자에게 데이터그램들을 전송하는 채널에 대한 서비스 모델은 두 가지가 있다.
- 각각의 데이터그램에 대한 서비스 : 지연 시간이 40ms 보다 적은 상태로 전달된다.
- 일련의 데이터그램들에 대한 서비스 : 순서가 중요한 데이터그램을 위한 서비스로, 전송을 위해 최소한의 대역폭이 보장된다. 또한 각 패킷간의 간격에서 변화(ex : Jitter)가 제한적이다.
ex) 영상코덱(MPEG)
▶ 라우터 입력 포트의 기능 (3계층)
- 패킷의 헤더 필드 값(목적지 IP주소)을 보고, 포워딩 테이블에 있는 출력 포트 번호를 찾는다.
- 포워딩 테이블에 있는 IP주소와 패킷의 목적지IP주소를 비교하는데 시간이 오래 걸린다.
- 큐잉(Queuing) : 데이터그램이 포워딩하는 속도보다 더 빨리 입력 포트에 도착하면, 큐(입력 버퍼)에 저장된다.
- 목적지 기반의 포워딩 : 목적지 IP 주소만을 이용하여 포워딩한다. 전통적인 방식이다.
- 일반화된 포워딩 : 헤더 필드 값의 전체를 이용하여 포워딩한다.
▶ 목적지 기반의 포워딩
[ 원래는 IP 주소를 범위로 정해 포트 번호를 구분한다. ]
- IP 주소가 32비트이다보니 전체 값을 저장하면 테이블이 너무 커진다. 따라서 IP 주소에서 앞부분에 정해진 비트까지만 보여주고 범위(range)를 정하여 포트번호를 구분한다. 즉, 주소의 앞쪽만 매칭시켜서 해당 포트번호로 보낸다.
- Longest prefix matching : 패킷의 목적지 IP주소가 포워딩 테이블에서 둘 이상의 IP주소 범위에 포함될 경우, 그 중 비트가 가장 많이 공개된(가장 긴 prefix) IP 주소 범위의 포트번호로 포워딩한다.
[ 밑에 있는 예제의 정답은 위에서부터 0과 1이다. ]
- TCAMs : Ternary Content Addressable Memories 의 약자로, 실제 라우터가 포워딩 테이블에서 IP 주소를 탐색하는데 시간이 많이 걸리므로 라우팅의 속도를 빠르게 하기 위해 IP 주소 검색을 위한 포워딩 테이블이 저장되는 메모리이다.
▶ Switching fabrics
- 스위치 내부에서 각 입출력 포트를 가상의 회선으로 그물 또는 직물처럼 연결하여 구성되는 모양을 섬유(fabric)로 비유한 것이다. 즉, 스위치 내부가 직물 또는 망처럼 보이는 모양
- 입력 버퍼로부터 적절한 출력 버퍼로 패킷을 전송한다.
- Switching rate : 입력 포트에서 출력 포트로 패킷을 전송할 수 있는 속도로, 종종 다수의 입출력 라인 속도에서 측정되어진다. n개의 입력이 있을 때, 스위칭 속도는 입력 라인 속도의 N배가 요구된다.
[ 스위칭 구조 분류 ]
- Switching via Memory
CPU의 직접적인 제어 아래에 스위칭하는 전통적인 컴퓨팅 방식으로, 첫 세대 라우터들의 스위칭 구조이다.
패킷이 시스템 메모리로 복사된다.
속도가 메모리 대역폭에 의해 제한된다.
메모리에 접근하는 시간도 많이 걸린다.
- Switching via a Bus
버스 구조는 2 이상의 신호선들을 모아놓은 것으로, 디지털 시스템에서 디지털 요소들을 상호 연결하는데 필요한 데이터 신호 통로들의 구조화된 그룹이다.
입력 포트 메모리로부터 출력 포트 메모리까지 하나의 공유된 버스를 통해 데이터그램을 스위칭한다.
Bus contention : 스위칭 하는 속도는 버스의 대역폭에 의해 제한된다.
ex) Cisco 5600 제품이 32Gbps의 속도를 가진 버스 구조로 접근성에 있어서 충분한 속도를 가진다.
- Switching via Crossbar
제한적인 버스 대역폭을 해결한다.
다수의 프로세서들을 연결하기위해 개발된 interconnection nets, banyan networks, crossbar 망이다.
진보된 구성으로는, 데이터그램을 고정된 길이의 셀들로 분할하여 단편화한다.
ex) Cisco 12000 제품이 interconnection network를 통해 60Gbps의 속도로 스위칭한다.
▶ 입력 포트 큐잉(Queuing)
- 큐잉은 입력 큐(버퍼)에서 패킷이 저장되는 것을 의미한다.
- 입력 큐(버퍼)가 꽉 차면 오버플로우(Overflow)가 발생했다고 한다.
- 큐잉 지연(Queuing delay) : 큐에서 패킷들이 대기하는 시간이다.
- 오버플로우가 발생하면 큐잉 지연(Queuing delay)이 일어나고 전송 속도가 저하된다. 또한 큐에 들어오지 못한 패킷들은 손실된다.
- HOL blocking : Head-of-the-Line blocking 의 약자로, 큐에서 저장된 패킷들 중 앞에 있는 패킷이 속도가 느려 뒤에 있는 패킷이 못가는 상황을 말한다. 즉, 둘 이상의 다른 입력 버퍼에서 같은 출력 버퍼로 이동하는 패킷들이 있을 때, 하나가 이동하면 다른 입력 버퍼의 맨 앞의 패킷은 이동할 수 없다. 그러면 대기하는 패킷의 뒤에 있는 패킷들도 덩달아 대기해야하는 상황을 말한다.
▶ 라우터 출력 포트의 기능 (3계층)
- 버퍼링(Buffering)
더 빠른 속도의 구조(fabric)로 인해 발생한다. 혼잡 제어나 버퍼공간의 부족으로 데이터그램(패킷들)이 손실될 수 있다.
스위치를 통해 도착하는 속도가 출력 라인 속도보다 크면, 버퍼링이 발생한다.
출력 버퍼에서 오버플로우가 발생하게 되면 큐잉 지연 및 패킷의 손실이 발생한다.
- 스케줄링(Scheduling) : 최고의 성능을 내기 위해 전송할 패킷의 우선순위를 조정하는 기능이다. 기본적으로 FIFO(First-In-First-Out)방식이다.
▶ 출력 포트 스케줄링(Scheduling)
- 스케줄링이란 링크로 보낼 다음 패킷을 결정하는 것이다.
- FIFO 스케줄링 : 기본적인 방식으로 처음 큐에 도착하는 패킷이 먼저 전송된다. 즉 순서에 맞게 전송한다.
- 오버플로우 발생 시 패킷을 버리는 방법
tail drop : 꼬리 자르듯이 도착하는 패킷들을 버린다.
priority : 우선순위를 기반으로 낮은 순위의 패킷들을 버린다.
random : 무작위로 패킷을 뽑아 버린다.
- Priority Scheduling : 가장 높은 우선순위를 가진 큐에 담긴 패킷들을 먼저 링크로 보낸다. 즉 순위가 낮은 큐는 순위가 높은 큐가 비어 있어야 패킷들을 전송할 수 있다.
- Round Robin(RR) Scheduling : 다수의 큐들이 돌아가면서(Cyclically) 각각의 패킷들을 전송한다.
- Weighted Fair Queuing (WFQ) : 라운드 로빈(RR) 스케줄링과 유사하나, 각 큐마다 대기 시간이 있다는 점에서 차이가 있다. 즉, 각 큐는 돌아가면서 패킷을 전송하지만 전송되는 시간간격이 정해져 있다.
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