[컴퓨터 네트워크] - Network Layer_Control Plane

 이전 정리글까지는 network layer의 data plane, forwarding 방식이 어떻게 이루어지는지, 그리고 그 forwarding이 일어나는 router의 구조는 어떻게 되어있고, 어떤 action을 하는지 등에 대해서 정리해 보았다.

 

 이번 정리글부터는 routing을 담당하는 Netowkr Layer의 control plane에 대해서 정리해 보려고 한다.

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1. Control Plane

 앞서, 네트워크 계층은 data plane과 control plane으로 나뉜다고 정리했고, 이전 정리글까지는 data plane에 대해서 정리해 보았다. 네트워크 계층의 기능에 대해서 다시 정리해 보면,

• forwarding : 패킷을 라우터의 input 포트로부터 적절한 output 포트로 옮기는 것 > data plane
• routing : source에서 destination까지 패킷을 전달할 때 경로를 정하는 것 > control plane

 이때, network control plane을 구성할 때, 두 가지 접근법이 있다.

• per-router control(전통적인 방식)
• logically centralized control(소프트웨어 기반 네트워킹=SDN(Software-Defined Networking))

먼저, per-router control 방식에 대해서 알아보자.

 

1.1 Per-router Control Plane

 이 방식은 각각의 router에서 자체적으로 routing algorithm을 실행시켜, control plane에서 서로 그 결과값을 공유하여 routing 경로를 결정하고 forwarding table을 작성하는 방식이다. 즉, 각 라우터는 Control Plane과 Data Plane을 모두 내장하고 있으며,라우터 내부에서 이 둘이 직접 상호작용하게 된다. 다음 그림을 참고하자.

위 그림을 예로 들어, 0111헤더가 붙은 패킷이 전달되려고 할 때, 각 라우터에서 라우팅 알고리즘을 계산해 그 결과값을 서로 공유하고, 공유한 결과를 바탕으로 각 라우터의 forwarding table을 작성하는 방식이다.

 

 이 방식은 인터넷 초창기부터 사용된 전통적인 방식으로, 라우터의 개별 분산 판단 능력에 의존한다는 특징이 있다.

 

1.2 SDN(Software-Defined Networking)

 이 방식은 1.1의 방식과 달리, 각 router에서 routing algorithm을 적용시키는 것이 아니라, 중앙의 원격 controller가 존재해 라우팅 결정을 대신 수행한다. 즉, controller가 전체 네트워크의 라우팅 정보를 중앙에서 수집하고 분석한다. 그 후, 라우터에 forwarding table을 install해주는 방식이다. 다음 그림을 살펴보자.

 

그림을 보면 알 수 있듯이, 1.1의 방식과 달리 라우터 라우터 내에 control plane이 존재하지 않고, 원격의 controller가 CA(Control Agent)를 통해 라우터와 정보를 주고 받으며, routing algorithm을 계산한 뒤, forwarding table을 만들어 라우터에 전달해준다.

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2. Routing Protocols

 그럼 이 routing을 해주는 프로토콜에는 무엇이 있을까? 먼저, routing protocol의 goal을 알아보자.

Routing protocol goal:

determine "good" paths(=routes), from sending hosts to receiving host,

through network of routers

즉, 좋은 라우터 경로를 찾는 것이다. 이때, path와 good은 다음을 의미한다.

• path : 주어진 source host로부터 final destination host까지 패킷이 이동하는 라우터의 순서
• good : least cost, fastest, least congested

 이런 라우팅 프로토콜은 top-10 networking challenge에 속한만큼, 어렵고, 중요한 과제이다.

 

 최적의 경로를 찾는 방법 중 가장 좋은 것은 graph로 나타낸 뒤 계산하는 것이다. 다음 그림을 한 번 살펴보자.

위 그림과 같이, router와 link들을 weighted graph로 나타낸 것이다. 이때, 이 graph를 G라고 하면 G는 다음과 같이 나타낼 수 있다. 

G = (N,E)

그라프는 보통 (Vertex, Edeges)로 나타낸다. 이때, N과 E는 각각 다음을 의미한다.

 

그리고 이때, 다음c를 다음과 같이 정의한다.

즉, a와 b 사이에 직접 연결된 link가 있다면, 그 link의 가중치 값이 c가 되고 아니면, 무한대로 표시한다. 예를 들어, c(w,z) = 5 로 나타낼 수 있고, c(u,z) = 무한대로 나타낼 수 있다.

 

참고로, 이런 link들의 가중치는 네트워크 운영자에 의해 정의될 수 있다.(모두 1이 될 수도, 아니면 bandwidth나 혼잡도에 따라 다르게 나타낼 수도)

 

그리고, 위의 그라프는 간단하게 나타낸 것인데, 사실 link는 양방향성이 있기 때문에 directed graph로 나타내야 정확하다.

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3. Routing Algorithm Classification

 라우팅 알고리즘은 다음과 같이 분류할 수 있다.

 

먼저, 그림의 세로축은 다음과 같이 구분한다.

• global : 모든 라우터들이 완벽히 동일한 link cost 정보를 알고 있을 때, global하다고 한다. "link state"  알고리즘이 이에 해당한다.
• decentralized : 각자 link cost를 계산한 뒤, 이웃들끼리만 정보를 교환하는 것. "distance vector" 알고리즘이 이에 해당한다.

decentralized에 대한 예를 더 자세히 들어보면, 서울에서 부산까지 가는 상황에서 서울은 수원/구리와 같은 이웃 도시들과 연결 상태만 알고 있고, 이들로부터 간접적으로 정보를 받아 최적 경로를 점진적으로 계산하는 것이다.

• 서울에서 수원: 1시간 30분
• 서울에서 구리: 2시간
• 수원/구리에서 대구 : 2시간
• 대구에서 부산 : 2시간

위 정보를 통해 서울은 수원-대구-부산이 최적 경로임을 재귀적으로 알아내는 방식이다. 뒤에서 더 자세히 설명할 예정이니 참고로만 알아두자.

 

 다음으로, 그림의 가로축은 다음과 같이 구분한다.

• static : 정해진 경로에서 거의 바뀌지 않는다. 
• dynamic : 경로를 동적으로 바뀐다. (원래 가려고 했던 link의 혼잡도가 증가하면, 다른 경로로 바꾼다.)