네트워크 계층은 프로토콜 스택 중 가장 복잡한 계층이다. 네트워크 계층은 데이터 평면(data plane)과 제어 평면(control plane)이라는, 서로 상호작용하는 두 부분으로 나뉠 수 있다.
- 데이터 평면: 실제 데이터 패킷 전달을 수행
- 제어 평면: 네트워크 경로 결정(라우팅) 및 정책 설정
호스트 H1에서 H2로 정보를 보낸다고 하자.
- H1의 네트워크 계층에서는 전송 계층에서 세그먼트를 받아 데이터그램으로 캡슐해, 가까운 라우터 R1으로 보낸다.
- H2는 가까운 라우터 R2로부터 데이터그램을 받아 세그먼트를 추출하고 전송 계층으로 올려 보낸다.
1. Forwarding and Routing: The Data and Control Planes
네트워크 계층에서 하는 일은 간단히 말해, 패킷을 한 호스트에서 다른 호스트로 옮기는 일이다. 이를 위해 필요한 네트워크 계층 기능으로는 두 가지, 포워딩과 라우팅이 있다. 포워딩과 라우팅을 섞어서 말하는 경우도 많지만 여기서는 좀 더 명확하게 구분하도록 한다.
- 포워딩(Forwarding)
- 한 라우터가 인풋 링크로 들어온 패킷을 적절한 아웃풋 링크로 내보내는 것.
- 수 나노초에 일어나기 때문에, 보통은 하드웨어로 구현된다.
- 예를 들어 R1은 H1으로부터 받은 패킷을 R2로의 경로 상에 있는 다음 라우터로 포워딩해야 한다.
- 악의적인 송신자로부터의 패킷이나, 금지된 수신자로의 패킷을 차단하기도 한다.
- 혹은 패킷을 복사하고 여러 아웃고잉 링크로 보내기도 한다.
- 라우팅(Routing)
- 소스에서 목적지로의 패킷 경로를 결정하는 것.
- 수 초 정도의 시간이 걸리기 때문에, 보통은 소프트웨어로 구현된다.
- 이 경로 계산을 위해 쓰이는 알고리즘을 라우팅 알고리즘이라 한다.
네트워크 라우터의 핵심은 각 라우터 안에 있는 포워딩 테이블(forwarding table)이다. 라우터는 자신에게 도착한 패킷 헤더의 필드를 분석하고, 그 값을 포워딩 테이블의 인덱스로 사용한다. 이때 포워딩 테이블의 엔트리에는 패킷이 다음으로 보내져야 할 라우터로 향하는 아웃고잉 링크 인터페이스가 담겨 있다. 그렇다면 이 포워딩 테이블은 어떻게 채울까?
Control Plane: The Traditional Approach
전통적인 방식에서는 한 라우터 안에 제어 평면과 데이터 평면이 모두 포함되어 있다. 즉 각 라우터는 포워딩 기능은 물론, 라우팅을 위한 라우팅 알고리즘도 내장되어 있다. 각 라우터는 다른 라우터와 라우팅 정보를 담은 메시지를 교환하고, 그 정보를 바탕으로 라우팅 알고리즘을 통해 각 테이블을 채운다.
Control Plane: The SDN Approach
전통적 방식에서는 한 라우터에 데이터 평면과 제어 평면이 모두 포함되어 있었다면, SDN(Software-defined Networking) 방식에서 라우터는 데이터 평면만을 담당하고, 제어는 별도의 외부 컨트롤러가 관리한다.
제어 평면을 각 라우터에 분산시키는 전통적인 방식과 달리, 이 방식에서는 제어 평면을 별도의 중앙 집중형 컨트롤러에 두고 라우터는 단순히 이 컨트롤러의 명령에 따라 포워딩만 한다. 이 컨트롤러는 ISP나 그 외 서드 파티가 관리하는 데이터 센터에서 구현되어, 소프트웨어를 기반으로 포워딩 테이블을 구성해 각 라우터에게 뿌려주는 역할을 한다.
2. Network Service Model
네트워크 계층이 어떤 서비스를 제공할 수 있을지에 대해 간략히 알아보자.
- 전달 보장: 소스에서 보낸 패킷이 반드시 목적지에 도착함을 보장
- 지연 한도를 가진 전달 보장: 시간 내에 목적지에 도착함을 보장
- 순서 보장 전달: 원래 전송된 순서대로 목적지에 도착하도록 보장
- 최소 대역폭 보장: 패킷을 손실 없이, 일정 비트레이트를 보장하며 전달
- 보안: 네트워크 계층에서 모든 데이터그램을 암/복호화함으로써 전송 계층 세그먼트의 기밀성 제공
단 인터넷 외의 다른 네트워크 구조에서는 다양한 서비스 모델이 구현되어 있지만, 실제 인터넷에서는 하나의 서비스, 최선 노력(Best-effort) 서비스만을 제공한다. 이 서비스에서는
- 패킷이 보낸 순서로 도착할 것이라는 보장도
- 지연 시간에 대한 보장도,
- 최소 대역폭에 대한 보장도,
- 심지어 도착할 것이라는 보장도
없다. 인터넷에서는 패킷을 최선을 다해 전달하지만, 그 결과를 보장하지 않는다.
