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* 포워딩과 라우팅


포워딩 - 패킷이 라우터의 입력 링크에 도달했을 때 라우터는 그 패킷을 적절한 출력링크로 이동시켜야 한다.


라우팅 - 송신자가 수신자에게 패킷을 전송할 때 네트워크 계층은 패킷 경로를 결정해야 한다. 이러한 경로를 계산하는 알고리즘을 라우팅 알고리즘이라 한다.


포워딩은 라우터가 입력 링크 인터페이스에서 적당한 출력링크 인터페이스로 데이터그램을 전송하는 내부적인 동작을 말한다. 반면에, 라우팅은 네트워크 전반에 걸쳐 출발지에서 목적지까지 데이터그램의 종단간의 경로를 결정하는 것이다.


라우팅 알고리즘은 라우터 포워딩 테이블에 삽입되는 값을 결정한다.


패킷 스위치(링크 계층 스위치) - 링크 게층 프레임의 필드값에 근거하여 포워딩을 결정한다. 


라우터 - 네트워크 계층 필드값에 근거하여 포워딩을 결정한다.


* 가상회선과 데이터그램 네트워크 


데이터그램 네트워크(비연결형) - 데이터 그램 네트워크는 각 패킷의 전달 경로가 다를 수 있다. 이 때문에 목적지에 도착하는 패킷의 순서가 송신지에서 보낸 순서와 맞지 않을 수 있기 때문에, 목적지에서 패킷의 재조합이 필요하다. 송신지와 목적지 경로를 설정할 필요없이 그냥 목적지 주소만 넣어서 패킷을 보내면 된다. 또한 고정된 경로만을 이용하는 것이 아닌, 네트워크 상황에 따라 일부 경로에 장애가 생긴 경우 다른 경로를 사용하여 목적지까지 전송될 수 있다.


가상회선 네트워크(연결형) -  가상회선 네트워크는 송신지에서 목적지로 패킷을 보내기 전에 전달될 패킷이 이용할 경로를 미리 예약한다. 패킷을 전달하기 전에 경로를 설정해야 한다는 부담이 있지만 한번 경로가 설정되면 송신지에서 목적지로 전달되는 패킷들은 순서가 보장되어 전달되기 때문에 목적지에서 재조합 될 필요가 없다.


* 라우팅 기법의 분류


정적 라우팅 기법 - 정적 라우팅 기법은 입력된 라우팅 정보가 재입력을 하기 전까지 변하지 않고 고정된 값을 유지하는 라우팅 기법이다. 전체 네트워크에 대한 라우팅 정보를 관리자가 수동으로 입력해 준다. 만일 네트워크의 규모가 커져서 연결된 라워의 숫자가 늘어나게 되면 관리자가 입력해야 할 정보도 함께 늘어나게 되는 것이다.


동적 라우팅 기법 - 동적 라우팅 기법은 정적 라우팅 기법에서 라우팅 정보를 네트워크 관리자가 일일이 입력해야 하는 불편함을 해결한다. 라우팅 프로토콜은 라우터가 가지고 있는 라우팅 정보를 인접한 다른 라우터들과 자동으로 교환할 수 있게 해준다. 하나의 라우터의 라우팅 정보고 네트워크상의 모든 라우터들로 전파된다.


디폴트 라우팅 기법 - 임의의 라우터가 패킷을 수신하게 되면 라우팅 테이블 상 네트워크 주소를 검색하여 수신된 패킷을 어디로 보낼 것인가를 결정하게 된다. 이와 같은 라우터에 디폴트 라우터가 설정이 되어 있다면 라우팅 테이블에 등록되어 있지 않는 주소를 갖는 패킷들은 디폴트 라우터에서 지정된 경로로 전송된다.


* 영역에 따른 라우팅 프로토콜의 분류 


1. AS(자치시스템) 

  독자적인 관리체계와 동일한 운영정책을 가지는 네트워크 집합이다. 예) ISP


2. IGP

  하나의 AS내에서 라우팅 정보를 교환하는 데 사용되는 프로토콜이다.


3. EGP

  AS와 AS 간의 정보를 교환하는 데 사용되는 프로토콜이다.


IGP 에는 RIP, IGRP, OSPF 프로토콜이 있으며

EGP 에는 BGP가 잇다. 


* 라우팅 알고리즘 


- 거리벡터 알고리즘 - 각 라우터가 인접해 있는 라우터와 경로설정 정보를 교환하여 네트워크의 구성이나 장치 배치에 관한 모든 정보, 즉 네트워크 토폴로지에 관한 정보를 교환하는 구조를 말한다. 이때의 라우팅 메트릭에는  네트워크 지연시간, 대역폭, 신뢰성, 부하율등이 고려된다.


거리벡터 알고리즘은 비교적 간단해서 쉽게 설정할 수 있다. 그러나 네트워크 규모가 점점 커지게 되면 네트워크 정보에 관한 프로세스 처리나 통신량이 많아져서 네트워크에 부담이 가중된다. 거리 벡터 알고리즘은 기본적으로 인접 라우터가 어떤 정보를 가지고 있는 지 고려하지 않기 때문에 네트워크 토폴로지 변화에 대한 경로설정 정보의 재편성과 같은 사태에 대해 진단하지 못한다는 단점이 있다.또한,라우팅 테이블 전파속도가 느리며 RIP의 경우 최대 Hop Count15를 넘지 못하며, 라우팅 테이블에 대한 정보를 주고받을 때 네트워크 대역폭을 많이 소비하고, 대규모 네트워크에는 적당하지 않다.


라우팅 테이블에 변화가 생겼을 경우 이 변화된 내용을 다른 라우터가 인식하는데 까지 걸리는 시간을 컨버전스 타임(Convergence time)이라 한다.


- 링크상태 알고리즘 


한 라우터가 목적지 네트워크로 가는 모든 경로에 대한 정보를 모두 가지고 있는 방식

- 라우터는 먼저 어디에 어떤 네트워크가 있는지, 그 네트워크로 갈려면 어떤 라우터를 통과해야 하는지에 대한 정보를 토폴로지 데이터베이스로 만든다.

SPF(Shotest Path First) : 라우터는 이렇게 만들어진 토폴로지 데이터베이스를 기초로 하여 어떤 경로로 가야 가장 빠른 길인지를 계산하는데 이때 사용하는 알고리즘이며, SPF TreeSPF의 계산의 결과물이다.

절차 : 라우터간의 정보를 취합하여 토폴로지 데이터베이스 생성->SPF 알고리즘을 이용해 가장 빠른 경로 계산

-> SPF 트리 생성->라우팅 테이블 생성

목적지 경로를 다 알고 있기 때문에 어떤 한 경로에 문제가 생기더라도 알아내는 시간이 훨신 짧다. 또한 주변의 라우터들과 라우팅 테이블을 주고 받을 때 변화가 있는 부분만 주고 받기 때문에 네트워크 트래픽 발생도 적다.

단점 : 각각의 라우터가 모든 경로에 대한 정보를 다 관리해야 하기에 메모리 소비가 심하고, SPF 계산등 연산할 일이 많기 때문에 CPU에 부담을 준다.

대규모 네트워크에 설치되는 고성능 라우터에 적합한 방식이다.

대표적인 링크 상태 알고리즘에는 OSPF(Open Shortest Path First)가 있다.


* 라우팅 프로토콜 구현 사례


- 역내 라우팅 프로토콜의 예(IGP)


RIP - 거리,벡터 라우팅 기법을 사용하는 가장 보편적인 프로토콜로, 라우터가 가지고 있는 모든 라우팅 정보를 다른 라우터에 주기적으로 전송한다. 그러나 이는 홉의 제한을 소규모나 중간규모의 네트워크에 적합하다.


OSPF - OSPF 라우팅 프로토콜은 최근에 주목받고 있는 경로설정 프로토콜이다. OSPF는 동일한 AS 내에서 사용되는 IGP이며, RIP의 문제점을 해결하기 위해 고안된 링크 상태 프로토콜이다. 


- 역외 라우팅 프로토콜의 예(EGP)


EGP - 경로제어 정보를 교환하는 두 IP 라우터가 서로 다른 두 AS에 속할 때 이를 역외환경이라 한다. 이와 같이 역외환경에서 라우터가 도착 가능성 정보를 다른 AS에 알리기 위해 사용하는 프로토콜이 EGP이다.




* OSPF 라우팅 프로토콜 


- OSPF의 라우팅 계위


OSPF에서는 RIP와 달리 라우팅 알고리즘을 적용하기 위한 계위구조를 취한다. 자치시스템은 공통적인 라우팅 정보를 공유하면서 하나의 관리 체제에 의해 관리되는 네트워크의 집합으로 정의된다. AS는 다시 여러 개의 서브네트워크로 나누어지고, 연속적인 네트워크 및 접속된 시스템들의 집합으로 구성된다. 하나의 AS내에서 서브네트워크을 연결해주는 네트워크를 '백본 네트워크'라고 한다. 


내부라우터 - 서브네트워크에 직접 접속한 라우터이며 백본 네트워크에 접속한 라우터도 이 범주에 속한다.


영역경게 라우터 - 서브네트워크와 백본 네트워크를 연결시켜주는 라우터


백본 라우터 - 백본 네트워크에 접속한 모든 라우터 


AS 경계라우터 - 다른 AS 속한 라우터와 경로 정보를 주고 받는 라우터









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* 개요 


트랜스포트 계층 프로토콜은 서로 다른 호스트에서 동작하는 애플리케이션 프로세스들 간의 논리적 통신을 제공한다.


송신 측의 트랜스포트 계층은 송신 애플리케이션 프로세스로부터 수신한 메시지를 인터넷 용어로는 트랜스포트 계층 세그먼트인 트랜스포트 계층 패킷으로 변환한다. 이러한 변환은 애플리케이션 메시지를 트랜스포트 계층 세그먼트로 만들기 위해 작은 조각으로 분할하고, 각각의 조각에 트랜스포트 계층 헤더를 추가함으로써 수행된다. 그런 후에 트랜스포트 계층은 송신 종단 시스템에 있는 네트워크 계층으로 세그먼트를 전달하고 여기서 세그먼트가 네트워크 계층 패킷안에 캡슐화되어 목적지로 전달된다.


* 트랜스포트 계층과 네트워크 계층 사이의 관계 


트랜스포트 계층은 서로 다른 호스트에서 동작하는 프로세스들 사이의 논리적통신을 제공하지만, 네트워크 계층 프로토콜은 호스트들 사이의 논리적 통신을 제공한다. 미묘하지만 이러한 차이점은 중요하다. 


* 인터넷 트랜스포트 계층의 개요 


인터넷에서 트랜스포트 계층 패킷을 세그먼트로 일컫는다. 


인터넷, TCP/IP 네트워크는 애플리케이션 계층에게 두가지 구별되는 트랜스포트 계층 프로토콜들을 제공한다.



하나는 비연결형 서비스를 제공하는 UDP이고, 다른 하나는 애플리케이션에게 신뢰적이고 연결지향형 서비스를 제공하는 TCP이다.


인터넷의 네트워크 계층 프로토콜은 '인터넷 프로토콜' 줄여서 IP라고 부른다. IP 서비스 모델은 호스트들 간에 논리적 통신을 제공하는 '최선형' 전달 서비스이다. 이것은 IP가 통신하는 호스트들 간에 세그먼트를 전달하기 위해서 최대한 노력하지만, 어떠한 보장도 하지 않는다는 것을 의미한다. 



 

 UDP

 TCP

 공통점

1. 종단 시스템 사이의 IP 전달 서비스를 종단 시스템에서 동작하는 두 프로세스 간의 전달서비스로 확장하는 것, 두 프로세스 간의 전달 서비스. 트랜스포트 계층 다중화 & 역다중화


2. 헤더에 오류 검출 필드를 포함함으로써 무결성 검사를 제공한다. 

 TCP의 추가적인 기능

 x

1. 신뢰적인 데이터전달


Flow Control, 순서번호, 확인응답, 타이머등을 사용해서 송신하는 프로세스로부터 수신하는 프로세스에게 데이터가 순서대로 정확하게 전달되도록 한다.


2. 혼잡제어(Congestion Control)


TCP연결이 과도한 양의 트래픽으로 통신하는 모든 호스트들 사이의 스위치와 링크를 폭주되게 하는 것을 방지하는 것이 TCP 혼잡제어이다. TCP는 혼잡한 네트워크 링크에서 각 TCP 연결이 링크의 대역폭을 공평하게 공유하여 통과하도록 해준다.



* 다중화와 역다중화 



네트워크 계층이 제공하는 호스트 대 호스트 전달 서비스에서 호스트에서 동작하는 애플리케이션에 대한 프로세스 대 프로세스 전달 서비스로 확장하는 것.


네트워크 어플리케이션의 한 부분으로서 프로세스가 소켓을 가지고 있다. 이를 통해 네트워크에서 프로세스로 데이터를 전달하며 또한 프로세스로 부터 네트워크로 데이터를 전달하는 출입구 역할을 한다. 그러므로 수신측 호스트의 트랜스포트 계층은 실제로 데이터를 직접 프로세스로 전달하지 않고, 중간에 매개자인 소켓에게 전달한다. 


이때, 트랜스포트 계층 세그먼트의 데이터를 올바른 소켓으로 전달하는 작업을 역다중화라고 한다. 출발지 호스트에서 소켓으로부터 데이터를 모으고, 이에 대한 세그먼트를 생성하기 위해서 각 데이터에 헤더 정보로 캡슐화하고 세그먼트들을 네트워크 계층으로 전달하는 작업을 다중화라고 한다.


호스트의 각 소켓은 포트번호를 할당받는다. 그리고 세그먼트가 호스트에 도착하면, 트랜스포트 계층은 세그먼트 안의 목적지 포트번호를 검사하고 상응하는 소켓으로 세그먼트를 보내게 된다. 그러면 세그먼트의 데이터는 소켓을 통해 해당되는 프로세스로 전달된다. 



다중화 역다중화 방식 

 UDP

TCP 

세그먼트 헤더 정보

출발지 포트번호, 목적지 포트번호, 길이, 체크섬

 출발지 포트번호, 목적지 포트번호, 출발지 IP 목적지 IP, 길이, 체크섬

동작

UDP 소켓 19157을 가진 호스트A의 프로세스가 호스트 B의 UDP 소켓 46428을 가진 프로세스에게 애플리케이션 데이터 전송.


각 포트번호와 길이, 체크섬을 포함하는 헤더를 가지는 세그먼트를 생성하고 네트워크 계층으로 전달한다. 네트워크 계층은 세그먼트를 IP데이터 그램으로 캡슐화하고 최선형 전달 서비스로 세그먼트를 수신호스토 전달한다. 수신호스트는 세그먼트 헤더의 목적지 포트번호를 검사하고 그 세그먼트를 포트 46428로 식별되는 소켓에 전달한다. 호스트 B에 여러 프로세스가 수행될 수 있다는 것에 유의.


UDP 소켓은 목적지 IP주소와 목적지 포트번호로 구성된 두요소로 된 집합에 의해 구별, 

 TCP 서버 어플리케이션은 TCP 클라이언트로 부터 연결설정 요청을 기다린다


연결 설정요청은 목적지 포트 번호와 TCP 헤더에 특별한 연결설정 비트를 가진 TCP 세그먼트에 지나지 않는다. 이 출발지 포트 번호는 클라이언트에 의해서 선택된 번호이다. 


서버 프로세스로 동작하는 컴퓨터의 호스트 운영체제가 목적지 포트를 포함하는 연결 요청 세그먼트를 수신하면 이 세그먼트를 포트너머로 연결수락을 기다리는 서버 프로세스로 보낸다.


서버는 연결요청 세그먼트의 다음과 같은 네 가지 값을 주목한다 (1) 출발지 포트넘버 (2) 출발지 IP주소 (3) 목적지 포트번호 (4) 목적지 IP주소, 새롭게 생선된 연결 소켓은 이들 네가지 값에 의해서 식별된다. 




* 신뢰성 있는 데이터 전송의 원리(rdt) 


신뢰적인 채널에서는 전송된 데이터가 손상되거나 손실되지 않고 순서대로 전달된다.


데이터 전송 프로토콜의 송신 측은 rdt_send() 호출에 의해서 위쪽으로부터 호출될 것이다. 수신 측에서는 상위 계층으로 전달될 데이터를 넘길 것이다.


rdt_rcv()는 패킷의 채널의 수신 측으로부터 도착했을 때 호출된다. rdt 프로토콜이 상위 계층에 데이터를 전달하려고 할 때 deliver_data()를 호출한다. 



* 완벽하게 신뢰적인 채널 상에서의 신뢰적인 데이터 전송 : rdt 1.0



rdt의 송신측은 rdt_send 이벤트에 의해 상위 계층으로 부터 데이터를 받아들이고 데이터를 포함한 패킷을 생성한다. 그리고 패킷을 채널로 송신한다. 

수신측에서는 rdt는 rdt_rcv(packet) 이벤트에 의해 하위의 채널로 부터 패킷을 수신하고, 패킷으로부터(extract) 데이터를 추출한 후 데이터를 상위계층으로 전달한다 (deliver_data(data)) rdt_rcv(packet)는 하위 계층 프로토콜 프시저의 호출에 의해서 발생한다.


* 비트 오류가 있는 채널 상에서의 신뢰적 데이터 전송 rdt 2.0 


패킷 안의 비트들이 하위 채널에서 손상되는 모델이다. 


ACK, NAK 둘다사용한다. 재전송을 기반으로 하는 신뢰적인 데이터 전송 프로토콜은 ARQ(자동재전송요구) 프로토콜로 알려져 있다.


송신자 프로토콜은 수신자로부터 ACK 또는 NAK 패킷을 기다린다. ACK 패킷이 수신된다면 송신자는 가장 최근에 전송된 패킷이 정확하게 수신되었다는 것을 알게된다. 만약 NAK가 수신되면 프로토콜은 마지막 패킷을 재전송하고 재전송된 데이터 패킷에 대한 응답으로 수신자에 의해 응답되는 ACk, NAK를 기다린다.


ACK 또는 NAK를 기다리는 상태에 있을 때 application layer 로 부터 더이상의 데이터를 전달받을 수 없다는 것에 유의한다. 즉 rdt_send() 이벤트는 발생할 수 없다. 오직 송신자가 ACK를 수신하고 이 상태를 떠난 후에만 발생한다. 


이러한 행동 때문에 rdt2.0과 같은 프로토콜은 전송-후-대기(stop and wait) 프로토콜로 알려져있다.


rdt2.0은 ACK또는 NAK 패킷이 손상될 수 있다는 가능성을 고려하지 않았다.


* 순서번호를 반영하는 신뢰적인 데이터 전송 rdt 2.1 


rdt 2.1에서는 ack및 nak의 손실은 없고 손상은 있다.


순서가 바뀐 패킷이 수신되면 수신자는 이미 전에 수신한 패킷에 대한 긍정 확인 응답을 전송한다. 손상된 패킷이 수신되면 수신자는 부정 확인응답을 전송한다.


같은 패킷에 대해 2개의 ACK를 수신한 송신자는 수신자가 두 번 ACK한 패킷의 다음 패킷을 정확하게 수신하지 못했다는 것을 안다. 






* rdt 2.2 


rdt 2.2는 nak가 없고 ack에 순서번호를 포함한다. 


rdt 2.1과 rdt 2.2 사이의 미묘한 차이는 수신자가 반드시 ACK 메시지에 의해서 확인응답하는 패킷의 순서번호를 포함해야 한다는 것이다. 







* 비트 오류와 손실이 있는 채널 상에서의 신뢰적 데이터 전송 : rdt 3.0 


패킷 손실을 어떻게 검출? -> 타임아웃 


송신자가 어떤 패킷을 손실했다는 것을 확신하기 위해 얼마나 오랫동안 기다려야 할까? 송신자는 적어도 송신자와 수신자 사이의 왕복시간 지연에 수신 측에서 패킷을 처리하는 데 필요한 시간을 더한 만큼 기다린다.



'

이렇게 Stop&Wait 프로토콜 rdt 1.0, 2.0~2.2, 3.0을 다루어 보았다. 하지만 Stop&Wait 프로토콜의 문제점은 링크 이용률이 낮다는 것이다. 이러한 성능 문제대한 해결책은 전송 후 대기방법으로 동작하는 대신에 송신자에게 확인응답을 기다리지 않고 여러 패킷을 전송하도록 허용하는 것이다. 이것을 파이프라이닝 이라고 한다. 


파이프라이닝을 쓰는 프로토콜을 슬라이딩 윈도우 프로토콜이라하며 슬라이딩 윈도우 프로토콜에는 Go-Back-N과 Selective-AND-Repeat 방식이 있다. 




확인 응답이 안된 가장 오래된 패킷의 순서번호를 base로 정의하고 사용되지 않은 가장 작은 순서번호를 nextseqnum으로 정의한다면, 순서번호의 범위에서 4개의 간격을 식별한다.


[0,base-1] 에서 순서번호는 이미 전송되고 확인 응답이 된 패킷에 대응된다.

[base, nextseqnum-1]은 송신은 되었지만 아직 확인응답되지 않은 패킷에 대응된다.

[nextseqnum,base+N-1]은 상위 계층으로부터 데이터가 도착하면 바로 전송될 수 있는 패킷을 위하여 사용.

[base+N] 이상의 순서번호는 파이프라인에서 확인응답이 안 된 패킷의 확인응답이 도착될 때까지 사용될 수 없다. 


* 슬라이딩 윈도우 프로토콜 - Go-Back-N(N부터 반복)


상위로부터 호출 : rdt_send()가 어플리케이션 레이어로 부터 호출되면, 송신자는 첫째로 윈도우가 가득찼는지, 즉 N개의 아직 확인응답되지 않은 패킷이 있는지 확인한다. 만약 윈도우가 가득 차 있다면, 송신자는 윈도우가 가득 차 있다는 것을 가리키는 함축적인 의미로 단지 데이터를 상위 계층으로 반환한다. 상위 계층은 나중에 다시 시도할 것이다. 실제적인 구현에서 송신자는 이 데이터를 버퍼링한다.


ACK의 수신 : GBN 프로토콜에서 순서번호 n을 가진 패킷에 대한 확인응답은 누적확인 응답으로 인식된다.sliding 윈도우가 한꺼번에 한칸이상 밀려갈 수 있다. 프레임이 0,1,2 를 전송한 후 ack3가 온 경우 프레임 2까지 잘 전송된 것으로 판단하여 sliding window가 세간 이동.



타임아웃 이벤트 : GBN 프로토콜의 이름은 손실이 있거나 아주 긴 지연된 패킷이 있을 때의 송신자의 동작으로부터 유래되었다. 전송 후-대기 프로토콜에서와 같이, 타이머는 손실된 데이터 또는 손실된 확인응답 패킷으로부터 회복하는 데 사용된다. Go-Back-N에서의 타이머는 한개뿐이다. 만약 타임아웃이 발생한다면 송신자는 이전에 전송되었지만 아직 확인응답되지 않은 모든 패킷을 다시 송신한다. 예를들어 6번 프레임을 보냈는데 3번 프레임의 타이머가 만료된 경우 3,4,5,6을 다시 전송.


수신측 : 수신측의 슬라이딩 윈도우 크기는 1이다. 받고자 하는 프레임의 번호만 가리키고 있는다. 기다리고 있는 프레임의 번호에 해당하는 패킷이 아닌경우 패킷들을 버린다.



* 슬라이딩 윈도우 프로토콜 - Selective-and-Repeat



GBN은 패킷 하나의 오류 때문에 많은 패킷을 재전송하므로, 많은 패킷을 불필요하게 재전송하는 경우가 발생한다. 


- Timer는 각 프레임당 한개씩 동작한다. 


- 송신자와 수신자의 윈도우 사이즈가 동일하다.(수신자의 윈도우 사이즈가 1이 아니다)


-중요한건 수신자가 sliding window 범위 안의 프레임이 순서가 뒤바뀌어 온경우 버리지 않고 저장하고 ack를 보낸다.


- 송신자는 타임 아웃이 발생한 패킷에 대해서만 다시 보낸다. 









 








































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