화보로 보는 네트워크 기초 | 라우터의 이해
PC마다 LAN 카드를 장착하고, 이들을 허브나 스위치로 연결했다고 이것이 인터넷에 연결되는 것을 의미하지는 않는다. 라우터는 이렇게 허브나 스위치로 연결된 내부 LAN을 바깥 세상, 즉 인터넷과 연결시켜주는 역할을 하는 장비다. 때문에 인터넷을 기반으로 하는 오늘날의 네트워크 환경에서 인터네트워킹 장비인 라우터를 이해하는 것은 네트워크를 이해하는 좋은 방법의 하나가 될 것이다.
라우터(Router)는 이름 그대로 네트워크와 네트워크 간의 경로(Route)를 설정하고 가장 빠른 길로 트래픽을 이끌어주는 네트워크 장비다. 우리말로 풀어보면 '경로설정기'라고 할 수 있을 것이다.
인터넷, 다시 말해 IP 네트워크가 모든 네트워크의 기본이 되면서 라우터는 네트워크의 가장 핵심 장비로 등극했다. 인터넷이 확산되기 이전에는 사실 네트워크 자체가 확산되지 않은 상태이긴 했지만, 우리보다 네트워크의 역사가 오래된 해외의 경우를 보더라도, 과거 기업 단위 LAN 환경의 핵심은 스위치였다. 네트워크 내를 흐르는 트래픽의 대부분이 내부 LAN에서만 움직였기 때문에 스위치를 넘어 데이터가 전달되는 비중이 많지 않았기 때문이다. 내부 LAN 밖으로 데이터가 나가는 경우는 본사와 지사를 연결하는 전용회선을 통하는 경우가 전부였다.
하지만 인터넷 기반의 네트워크 환경에서는 어떤 형식으로든 네트워크가 외부의 다른 네트워크와 연결돼야 하고, 이를 위해서는 서로 다른 네트워크 간을 연결하는 장비인 라우터의 비중이 높아질 수 밖에 없게 된 것이다. 물론 라우터가 IP 네트워크 만을 위한 장비는 아니지만, 여기서는 최근의 네트워크 환경과 이해의 편의를 위해 인터넷 환경에 한정해 살펴보겠다.
라우터는 인터네트워킹 장비다
인터넷에 연결된 개별 네트워크의 수는 이루 헤아릴 수 없이 많은 것이 사실이다. 인터넷의 어원이 인터네트워크(Internetwork)에 있듯이, 라우터는 이렇게 서로 연결된 네트워크(Internetwork) 간의 경로(Route)를 설정해주는 장비다. 라우터가 '경로'에 비중을 둔 이름을 갖게 된 것도 이렇게 수없이 연결된 네트워크 간을 어떻게 연결하는 것이, 다시 말해 어떤 경로로 연결하는 것이 가장 효율적인가를 알려주는 길잡이 역할이 중요하기 때문이다.
라우터의 이런 인터네트워킹 기능은 OSI 참조모델로 살펴보면 훨씬 명확하게 이해할 수 있다. 허브나 스위치가 OSI 참조모델 2계층, 데이터 링크 계층에 속하는 반면, 라우터는 3계층, 즉 네트워크 계층에 해당하는 장비이다. 잘 알려진 대로 네트워크 계층은 여러 개의 독립적인 네트워크 간에 데이터를 전송하는 것에 관한 계층이다.
허브나 스위치가 속해 있는 데이터링크 계층의 데이터 전송은 물리적인 장치의 주소 지정에 의해 단일 네트워크로 연결된 모든 장치에 데이터를 브로드캐스팅하며, 수신측 장비에서 확인해 자신에게 오는 데이터를 수신받는 방식이다. 이런 방식은 일정한 범위와 크기의 내부 LAN에서는 가능하지만, 네트워크의 규모가 일정 크기를 넘어서면 매우 비효율적인, 그리고 현실적으로 운영할 수 없는 네트워크가 되고 만다. 광대한 인터넷을 향해 브로드캐스팅을 한다는 것은 누가 생각해도 합리적이지 못한 방법이다.
그러나 네트워크 계층의 장비인 라우터는 여러 개의 네트워크가 연결된 환경에서 특정 경로를 선택해 데이터가 전송되도록 한다. 이는 목적지로 데이터를 전송하면서 목적지가 아닌 네트워크에 데이터가 전송되는 것을 방지할 수 있다. 여기서 특정 경로란 다양한 라우팅 알고리즘을 통한 최적의 경로를 말한다.
라우터는 컴퓨터다
라우터의 기본적인 구성은 일반 컴퓨터와 마찬가지다. 중앙처리 장치인 CPU가 있고, 각종 메모리가 라우터의 운영체제와 환경설정 정보, 그리고 라우팅 정보 등을 담고 있다. 그리고 네트워크 인터페이스를 통해 트래픽을 입출력한다. 때문에 초기에는 소규모 환경에서 값비싼 라우터 장비 대신 일반 PC 서버를 이용해 라우팅 서비스를 구현하는 경우도 적지 않았다.
CPU는 라우터의 성능(처리량)을 결정짓는 부분이기 때문에 소형 라우터보다 중형 라우터가 더 빠른 CPU를 내장하고 있으며, 사용자가 많거나 더 많은 작업을 할수록 메모리 용량이 커야 한다.
라우터의 메모리에는 라우터 운영체제(예를 들면 시스코의 IOS)와 라우터의 환경 설정에 대한 내용 즉, 라우터 비밀번호, 시리얼 포트의 속도, 포트에 등록된 IP 어드레스 등의 내용이 저장돼 있다. NVRAM( Non-Volatile Random Access Memory)을 사용하기 때문에 라우터를 재부팅해도 수정된 환경이 적용된다.
라우터는 ROM에 있는 부트스트랩 프로그램을 통해 플래시 메모리에 라우터 운영체제를 저장하고 있다가 메모리로 올린다. 네트워크 운영체제는 기능이 향상되고, 제공하는 기능이 많아질수록 버전이 올라가는데, 이때 프로그램 크기도 점차 커지므로 이를 저장하고 운영하기 위한 메모리도 커진다. 따라서 네트워크 운영체제의 버전이나 장비에 따라 필요한 플래시 메모리 용량이 다르다. 일반적으로 시스코 IOS 12 버전이라면 8MB 정도의 메모리가 필요하다.
라우터는 외부 인터넷이나 원거리에 있는 지점간 통신을 하기 위해 통신 포트를 제공한다. 일반적으로 2개를 제공하는 시리얼 포트는 첫번째 포트가 serial0, 두번째 포트는 serial1로 지정돼 있다.
PC 의 COM 포트는 일반적으로 비동기 방식의 포트(Async Port)에 해당하는 반면, 시스코 라우터의 시리얼 포트는 동기(Synchronous) 방식이다. 또한 라우터에도 이더넷 포트가 있어서 스위치나 허브를 연결할 수 있다. 그밖에도 라우터에는 콘솔(console) 포트와 AUX(AUXiliary) 포트가 있는데, 이는 라우터를 처음 설치하거나 유지보수를 위해 설정을 변경할 때 사용한다.
라우터의 핵심 : 라우팅 테이블
스위치가 MAC 어드레스를 기반으로 패킷을 목적지로 전달하는 것처럼, 라우터도 어드레스 테이블에 해당하는 '라우팅 테이블'을 가지고 라우팅 서비스를 제공한다. 이 라우팅 테이블에 기록된 정보를 바탕으로 라우터는 자신에게 보내온 패킷을 어디로 전달할 것인지 결정한다. 보다 정확하게 말하면, 라우터는 철저하게 라우팅 테이블에 의존해 라우팅을 한다. 따라서 라우터의 운영은 라우팅 테이블을 관리하는 것이 절반 이상의 비중을 차지하며, 이 라우팅 테이블을 어떻게 구성하고 관리하느냐에 따라 라우터의 원래 목적, 즉 최적의 경로를 찾는 것이 가능해진다.
라우팅 테이블의 정보를 관리하는 방법은 크게 정적(static) 라우팅과 동적(dynamic) 라우팅으로 나눌 수 있다. 정적 라우팅은 관리자가 직접 라우터에 대해 접속하려는 특정 장소, 즉 상대 라우터를 지정하는 방식이며, 동적 라우팅은 라우터가 자체적으로 라우터끼리의 접속 정보를 주고받아 라우팅 테이블이 자동 갱신되는 방법이다.
동적 라우팅이 당연히 편하고 효과저인 방법처럼 보이지만, 정적 라우팅도 라우터 자체의 부하가 적고 회선 대역폭의 효율이 좋다는 장점이 있다. 때문에 모뎀이나 브로드밴드 네트워크와 같이 필요할 때만 연결하는 환경에서는 라우팅 정보를 라우터끼리 주고받지 않는 정적 라우팅이 주로 이용된다.
동 적 라우팅은 자동으로 라우팅 테이블이 갱신된다는 장점으로 인해 장애가 발생된 라우터가 라우팅 정보에세 제거됨으로써 네트워크 장애의 영향을 피할 수 있으며, 일부 라우터가 사라지거나 새로이 추가돼도 항상 최적의 경로로 데이터를 전송할 수 있다. 이미 헤아릴 수 없을 정도로 많은 라우터가 설치돼 있는 인터넷은 정적 라우팅을 적용하기에는 이미 너무 복잡한 상태라고 할 수 있다.
최적 경로 찾기의 조건 : 라우팅 프로토콜과 라우팅 알고리즘
그렇다면 동적 라우팅 테이블은 어떤 방식으로 만들어지는 것일까. 연결된 라우터끼리 무작위로 정보를 전송해 이를 저장하는 방식으로는 복잡 다단한 구성을 갖고 있는 인터넷에서 라우터가 최적의 경로를 찾을 수 없을 것이다.
이렇게 라우터끼리 서로의 정보를 주고 받는 방식을 정한 것이 바로 라우팅 프로토콜이며, 이들 라우팅 프로토콜은 일정한 라우팅 알고리즘을 바탕으로 이뤄져 있다. 라우팅 알고리즘은 거리 계산 방식(Distance Vector Advertisement)과 연결 상태 방식(Link State Advertusement)으로 나눠지며, 거리 계산 방식의 라우팅 프로토콜에는 RIP, IGRP, EIGRP가, 연결 상태 방식 라우팅 프로토콜에는 OSPF, IS-IS, NLSP 등이 대표적이다.
거리 계산 방식은 네트워크 어드레스에 대해 거리(홉 수)와 방향(라우터의 어느 포트인지) 정보를 다른 라우터로 보내 라우팅 테이블 정보를 변경하는 방법이다. 반면 연결 상태 방식은 여기에 더해 대역폭, 전송지연, 회선 신뢰도, 부하 등을 적절히 조합해 최적의 경로를 선택한다. 다시 말해 라우터를 여러 개 거쳐서 홉 수가 많더라도 회선 속도가 보다 빠른 쪽으로 경로를 설정할 수 있다는 것이다.
· RIP
RIP는 처음에 제록스의 XNS(Xerox Network System)에서 사용하기 위한 라우팅 프로토콜로 개발됐다. 이후 1982년에 BSD(Berkeley Standard Distribution) 버전 유닉스의 TCP/IP 프로토콜 환경에서 ‘routed’라는 프로세스 형태로 구현되면서 일반에 널리 알려졌으며, RFC(Request For Comment) 1085로 제정, 인터넷 표준 라우팅 프로토콜로 정해졌다.
RIP는 초기에 빠른 속도로 인터넷 환경에 적용됐는데, 그 이유는 당시의 인터넷은 그다지 복잡하지 않았기 때문에 RIP와 같이 구현이 쉽고 견고한 라우팅 프로토콜을 원하고 있었기 때문이다.
RIP에서는 송신지와 수신지 간의 거리를 패킷이 경유하는 라우터의 개수에 해당하는 홉(hop) 수로 표시하는데, 하나의 라우터를 경유한다면 이는 1홉의 거리가 되며, 2개의 라우터를 경유한다면 2홉의 거리가 되는 것이다.
RIP는 매 30초 이내에 새로운 라우팅 정보를 발송하며, 만약 180초 이내에 새로운 라우팅 정보가 수신되지 않으면 해당 경로를 이상 상태로 간주한다. RIP에서는 액티브와 패시브 두 가지 유형의 사용자를 정의하고 있다.
액 티브 사용자(라우터가 대표적임)는 자신이 속해 있는 네트워크 내에서 데이터그램 패킷을 통해 매 30초마다 라우팅 정보를 브로드캐스트한다. 반면에, 패시브 사용자(호스트 컴퓨터가 대표적임)는 RIP 정보를 수신해 경로를 갱신하지만, 스스로 라우팅 정보를 송신하지는 않는다. RIP 패킷 내에는 송신지에서 바라본 각 수신지 주소와 홉 수 등이 포함돼 있다.
그러나 RIP에는 몇가지 결함이 있다. 홉 수가 15를 넘는 대규모 네트워크에는 적합하지 않고, 서브넷 마스크를 지원하지 않으므로 IP 주소 영역의 활용을 제한한다. 또한 경로 테이블 전체를 매 30초마다 전송하므로 네트워크 대역폭의 효율적인 사용이 어렵고 최적의 경로를 찾기 위한 정보로 홉(거리값)만을 고려하므로 RIP가 선택한 경로가 최적의 경로가 아닌 경우가 발생할 수 있다. 이후 RIP의 단점을 보완하기 위한 RIP v2가 개발되긴 했지만, 다른 라우팅 프로토콜과의 경쟁에서 밀려, 그다지 많이 사용되지는 않고 있다.
· OSPF
1980년대 중반 이후 RIP 프로토콜의 한계가 드러나자 IETF( Internet Engineering Task Force)는 SPF(Shortest Path First) 알고리즘에 기반한 IP 네트워크용 라우팅 알고리즘인 OSPF를 개발했다.
OSPF는 ‘Open Shortest Path First’란 이름에서 알 수 있듯이 모든 사양이 개방돼 있다. OSPF의 사양은 RFC 1247(후에 RFC 1583; OSPF v2로 대체)로 발표됐다.
OSPF 는 연결 상태(link state) 개념을 기반으로 한다. 논리적인 영역 내의 모든 라우터는 연결 상태 정보를 모든 라우터에 전송하는데, 이로 인해 논리적인 그룹 영역의 모든 라우터에 일관된 연결 상태 정보 데이터베이스가 제공된다.
각 라우터는 이를 통해 SPF(Shortest Path First) 알고리즘을 실행해 경로를 계산하고 이것을 라우팅 경로로 간주한다. 이는 RIP와 달리 연결 실패가 감지된 후 1초 이내에 재연결하는 기능을 제공한다. 업데이트된 라우팅 정보만을 생성하기 때문에 네트워크 트래픽도 적으며, 논리적인 네트워크 체계에서 계층을 형성하고, 확장성이 좋다.
OSPF는 라우터간에 변경된 최소한의 부분만을 교환하므로 네트워크의 효율 저하를 최소화하며, 라우터의 위치를 설정함에 의해 확장성과 대규모 네트워크에 적용할 수 있는 장점이 있다. OSPF는 RIP가 갖고 있는 여러 단점을 해결할 수 있지만, 프로토콜 자체가 복잡해 구성과 관리가 어렵다는 것이 단점으로 지적된다.
· IGRP
IGRP(Interior Gateway Routing Protocol)는 시스코에서 독자적으로 개발한 프로토콜이다. RIP와 유사하게 홉 수를 기준으로 정보를 전송하는 IGRP는 회선의 전송 능력, 전송 지연 시간, 회선의 사용율, 신뢰성을 바탕으로 라우팅 경로를 결정한다. IGRP는 또한 복수 경로에서의 로드밸런싱 기능을 지원한다.
· OSI 라우팅
OSI 참조 모델을 만든 ISO(International Organization for Standardization)가 OSI 참조 모델의 네트워크 계층 프로토콜을 위한 라우팅 프로토콜로 개발했다. OSI 라우팅의 기반이 되는 IS-IS는 처음에 DECnet에서 사용되는 라우팅 개념에서 출발했다. 초기에는 OSI 표준 모델의 네트워크 계층 프로토콜인 CLNP(Connectionless Network Protocol)를 위한 라우팅만을 지원했으나, 후에 IP 네트워크를 위한 버전도 개발됐다.
OSI 라우팅 프로토콜은 OSI 참조 모델에 근거한 표준 라우팅 프로토콜이기는 하지만, 실제 환경에서는 잘 사용되지 않는다.
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