🌐 네트워크 계층: 인터넷의 택배 시스템은 어떻게 동작할까? 6️⃣

🌐 네트워크 계층의 세계로!

지난번엔 전송 계층에서 프로세스 간의 논리적 통신을 담당하는 TCP와 UDP에 대해 알아보았다. 이번에는 한 컴퓨터에서 다른 컴퓨터로 데이터 패킷을 전달하는, 즉 호스트 대 호스트(host-to-host) 통신의 핵심인 네트워크 계층(Network Layer) 에 대해 깊이 파고들어 보자. 인터넷이라는 거대한 네트워크의 택배 시스템이 어떻게 동작하는지 그 원리를 살펴보자. 🚚

1. 네트워크 계층의 두 가지 핵심 기능: Forwarding & Routing

네트워크 계층은 두 가지 중요한 기능을 수행한다.

• 포워딩 (Forwarding): 라우터에 도착한 패킷을 어떤 출력 링크(output link)로 보내야 할지 결정하는 로컬한 동작이다. 라우터의 입력 포트로 들어온 패킷을 적절한 출력 포트로 스위칭하는 과정이다.
• 라우팅 (Routing): 패킷이 출발지에서 목적지까지 가는 전체 경로를 결정하는 과정이다. 라우팅 알고리즘을 통해 얻어진 결과를 바탕으로 각 라우터는 포워딩 테이블을 만들게 된다.

쉽게 비유하자면, 라우팅은 여행자가 전체 지도(네트워크 토폴로지)를 보고 서울에서 부산까지 갈 경로(e.g., 경부고속도로)를 정하는 것이고, 포워딩은 각 고속도로 분기점(라우터)에서 이정표(포워딩 테이블)를 보고 다음 방향(e.g., ‘부산’ 방면)으로 핸들을 꺾는 것과 같다.

2. 데이터 플레인 vs 컨트롤 플레인

네트워크 계층의 동작은 논리적으로 두 개의 ‘플레인(plane)’으로 나눌 수 있다.

데이터 플레인 (Data Plane)

• 각 라우터에서 포워딩 기능을 수행하는 부분이다.
• 패킷이 입력 포트에서 출력 포트로 어떻게 전달될지를 결정하고 실행한다.
• 속도가 매우 중요하기 때문에 주로 하드웨어로 구현된다. (ns 단위)

컨트롤 플레인 (Control Plane)

• 네트워크 전체의 라우팅을 담당하는 부분이다.
• 라우팅 알고리즘을 실행하여 포워딩 테이블을 계산하고, 이를 각 라우터의 데이터 플레인에 설치한다.
• 전통적으로는 각 라우터가 라우팅 알고리즘을 실행하며 서로 정보를 교환했지만, 최근에는 SDN(Software-Defined Networking) 이라는 새로운 접근 방식이 등장했다.
  • SDN: 중앙의 원격 컨트롤러가 전체 네트워크를 조망하며 경로를 계산하고, 각 라우터에 포워딩 규칙을 내려주는 방식이다. 덕분에 더 유연하고 중앙 집중적인 네트워크 관리가 가능해졌다.

3. 라우터는 어떻게 생겼을까?

라우터는 패킷을 포워딩하기 위해 특별히 설계된 고성능 컴퓨터다. 그 내부 구조를 간단히 살펴보자.

• 입력 포트 (Input Ports): 물리적 링크로부터 패킷을 수신하고, 링크 계층 프로토콜을 처리한 뒤, 포워딩 테이블을 조회(lookup) 하여 패킷을 어디로 보낼지 결정한다. 여기서 지연이 발생하면 큐잉이 일어날 수 있다.
• 스위칭 패브릭 (Switching Fabric): 입력 포트와 출력 포트를 연결하는 라우터의 핵심부다. 패킷을 입력 포트에서 올바른 출력 포트로 신속하게 전달하는 역할을 한다. 메모리, 버스, 인터커넥션 네트워크 등 다양한 방식으로 구현된다.
• 출력 포트 (Output Ports): 스위칭 패브릭으로부터 전달받은 패킷을 저장(큐잉)했다가, 링크를 통해 다음 목적지로 전송한다. 출력 링크의 전송 속도보다 패킷이 더 빨리 도착하면 버퍼에 쌓이게 되고, 버퍼가 가득 차면 패킷 손실(drop) 이 발생한다.
• 라우팅 프로세서 (Routing Processor): 컨트롤 플레인 기능을 수행한다. 라우팅 프로토콜을 실행하고, SDN 컨트롤러와 통신하며 포워딩 테이블을 계산하고 갱신한다.

Longest Prefix Matching

포워딩 테이블을 조회할 때, 라우터는 목적지 IP 주소와 가장 길게 일치하는 항목(prefix)을 선택한다. 이를 Longest Prefix Matching 규칙이라고 한다. 덕분에 더 구체적인 경로 정보가 일반적인 경로 정보보다 우선순위를 갖게 되어 효율적인 라우팅이 가능하다.

4. 인터넷의 주소 체계: IP 프로토콜

인터넷의 모든 장치는 IP(Internet Protocol) 주소라는 고유한 식별자를 가진다. 현재 널리 사용되는 IPv4를 기준으로 알아보자.

IPv4 데이터그램 포맷

• Version: IP 프로토콜의 버전 (e.g., 4).
• Header length: 헤더의 길이. 옵션이 없으면 20바이트다.
• Length: 데이터그램 전체(헤더+데이터)의 길이.
• TTL (Time to Live): 패킷이 네트워크 안에서 영원히 떠도는 것을 방지하기 위한 값. 라우터를 하나 거칠 때마다 1씩 감소하며, 0이 되면 패킷은 폐기된다.
• Source/Destination IP address: 32비트 길이의 출발지 및 목적지 IP 주소.

IP 주소와 서브넷

• IP 주소: 호스트나 라우터의 인터페이스(interface) 에 할당되는 32비트 숫자다.
• 서브넷 (Subnet): IP 주소는 네트워크 부분을 나타내는 서브넷 파트(subnet part) 와 해당 네트워크 내에서 장치를 식별하는 호스트 파트(host part) 로 나뉜다. 라우터 없이 서로 통신할 수 있는 장치들의 집합을 하나의 서브넷이라고 볼 수 있다.
• 서브넷 마스크 & CIDR: /24와 같이 표현하며, IP 주소의 앞 24비트가 서브넷 부분임을 나타낸다. 이를 CIDR(Classless InterDomain Routing) 표기법이라고 하며, 기존의 A, B, C 클래스 방식보다 유연하게 주소를 할당하고 관리할 수 있게 해준다.

IP 주소는 어떻게 받을까? (DHCP)

우리가 카페에서 와이파이에 접속하면 자동으로 IP 주소를 할당받는데, 이는 DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol) 덕분이다.

1. Discover: “나 여기 새로 왔는데, IP 주소 좀 줄 사람?” (브로드캐스트)
2. Offer: DHCP 서버가 “이 주소 어때?” 라고 제안.
3. Request: “좋아, 그 주소로 할게!”
4. ACK: DHCP 서버가 “알겠어, 이제 그 주소는 네 거야.” 라고 확정.

DHCP는 IP 주소뿐만 아니라 서브넷 마스크, 기본 게이트웨이(첫 번째 홉 라우터) 주소, DNS 서버 주소 등 네트워크 접속에 필요한 모든 정보를 제공해주는 고마운 프로토콜이다.

5. 주소 고갈 문제와 해결사 NAT

IPv4 주소는 약 40억 개로, 이미 오래전에 모두 소진되었다. 😱 이 문제를 해결하고 IPv4의 생명을 연장해준 일등공신이 바로 NAT(Network Address Translation), 우리에게는 공유기로 더 익숙한 기술이다.

NAT는 사설 네트워크(e.g., 우리 집)에서 사용하는 사설 IP 주소를 인터넷(공용 네트워크)에서 사용하는 공인 IP 주소 하나로 변환해주는 기술이다. 덕분에 하나의 공인 IP 주소만으로 여러 장치가 동시에 인터넷을 사용할 수 있게 된다.

6. ICMP: 네트워크의 상태를 알려주는 프로토콜

ICMP(Internet Control Message Protocol) 는 호스트와 라우터가 네트워크 상태에 대한 정보를 주고받기 위해 사용하는 프로토콜이다. 오류 리포팅(e.g., “목적지에 도달할 수 없음”)이나 간단한 쿼리(e.g., “살아있니?”)에 사용된다. 우리가 흔히 사용하는 ping이나 traceroute 같은 네트워크 진단 도구들이 바로 이 ICMP를 이용해 만들어졌다.

---

네트워크 계층은 우리가 매일 사용하는 인터넷의 근간을 이루는 매우 중요한 부분이다. 라우터 내부의 복잡한 동작부터 IP 주소 할당의 비밀까지, 보이지 않는 곳에서 수많은 기술들이 협력하여 안정적인 통신을 만들어내고 있다.