학교수업/컴퓨터망

Chapter4: Network Layer-Data Plane

흰제비갈매기 2024. 7. 4. 17:37

Network Layer services and protocols

송신 호스트에서 수신 호스트로의 전송 세그먼트
- 송신자
  - 세그먼트를 데이터그램으로 캡슐화한다.
  - 데이터그램을 링크 계층으로 전달한다.
- 수신자
  - 세그먼트를 전송 계층 프로토콜로 전달한다.

모든 인터넷 장치(호스트, 라우터)에서의 네트워크 계층 프로토콜
- 네트워크 계층 프로토콜은 모든 인터넷 장치(호스트와 라우터)에 존재한다.

라우터의 역할
- 라우터는 IP 데이터그램의 헤더 필드를 검사한다.
- 라우터는 데이터그램을 입력 포트에서 출력 포트로 이동시켜 데이터그램이 끝에서 끝으로 전송될 수 있도록 한다.

Two key network-layer functions

네트워크 계층 기능

포워딩(Forwarding)
- 역할: 라우터의 입력 링크에서 적절한 출력 링크로 패킷을 이동시키는 과정이다.
- 비유: 고속도로의 한 교차로를 통과하는 과정이라고 생각할 수 있다.

2. **라우팅(Routing)** - 역할: 출발지에서 목적지까지 패킷이 이동할 경로를 결정하는 과정 - 라우팅 알고리즘을 사용하여 경로를 결정 - 비유: 출발지에서 목적지까지의 여행 계획을 세우는 과정으로 생각할 수 있다.

Network layer: data plane, control plane

데이터 플레인(Data Plane)

로컬, 라우터별 기능
- 데이터 플레인은 각 라우터에서 로컬로 작동하는 기능이다.
- 라우터의 입력 포트에서 도착한 데이터그램이 라우터의 출력 포트로 어떻게 전달될지를 결정한다.
- 예시 그림에서는 도착한 패킷 헤더의 값을 기반으로 데이터그램이 어떻게 전달되는지를 보여준다.

컨트롤 플레인(Control Plane)

네트워크 전체의 논리
- 컨트롤 플레인은 네트워크 전체에서 작동하는 논리이다.
- 데이터그램이 출발지 호스트에서 목적지 호스트까지 여러 라우터를 통해 어떻게 라우팅될지를 결정한다.
- 두 가지 컨트롤 플레인 접근 방식이 있다.
  - 전통적인 라우팅 알고리즘(Tranditional Routing Algorithms): 라우터에서 구현된다.
  - 소프트웨어 정의 네트워킹(Software-Defined Networking: SDN): (원격) 서버에 구현된다.

Per-router control plane

라우터별 컨트롤 플레인

각 라우터에는 독립적인 라우팅 알고리즘이 있다.
이 라우팅 알고리즘은 라우터 간의 상호 작용을 통해 네트워크 전체의 데이터를 관리한다.

컨트롤 플레인과 데이터 플레인의 상호작용

슬라이드의 그림은 컨트롤 플레인과 데이터 플레인의 구조를 보여준다.
컨트롤 플레인: 네트워크의 상위 레벨에서 라우터 간의 경로를 결정하는 데 사용된다.
데이터 플레인: 각 라우터에서 패킷이 실제로 이동하는 경로를 처리한다.

라우팅 알고리즘

각 라우터에는 라우팅 알고리즘이 구현되어 있다.
이 알고리즘은 도착하는 패킷의 헤더 값을 기반으로 로컬 포워딩 테이블을 참조하여 적절한 출력 포트를 결정한다.

로컬 포워딩 테이블

라우터의 로컬 포워딩 테이블은 도착하는 패킷 헤더 값과 그에 대응하는 출력 포트를 나타낸다.
예를 들어, 헤더 값 0100은 출력 포트 3으로 설정되어 있다.

Software-Defined Networking(SDN) control plane

SDN은 네트워크의 데이터 흐름을 중앙에서 제어할 수 있도록 하는 접근 방식이다.

원격 컨트롤러(Remote Controller)
- 원격 컨트롤러는 라우터의 포워딩 테이블을 계산하고 설치한다.
- 이는 네트워크의 중앙 집중식 관리와 제어를 가능하게 한다.

포워딩 테이블 설치
- 원격 컨트롤러는 각 라우터에 포워딩 테이블을 설치한다.
- 이는 네트워크 전체의 데이터 흐름을 효과적으로 관리할 수 있게 한다.

컨트롤 플레인과 데이터 플레인의 구분
- 컨트롤 플레인은 라우터 간의 경로를 결정하고 관리한다.
- 데이터 플레인은 실제로 패킷이 이동하는 경로를 처리한다.

Network Service Model

Q. 송신자에서 수신자로 데이터그램을 전송하는 "채널"에 대한 서비스 모델은 무엇인가?

개별 데이터그램을 위한 서비스 예시

보장된 전달(Guaranteed Delivery)
- 데이터그램이 반드시 목적지에 도달할 것을 보장한다.
40밀리초 이하의 지연으로 보장된 전달(Guaranteed Delivery with Less Than 40 msec Delay)
- 데이터그램이 40밀리초 이하의 지연으로 목적지에 도달할 것을 보장한다.

데이터그램 흐름을 위한 서비스 예시

순서대로 데이터그램 전달(in-order Datagram Delivery)
- 데이터그램이 전송된 순서대로 도착하도록 보장한다.
흐름에 대한 최소 대역폭 보장(Guranteed Minimum Bandwidth to Flow)
- 특정 흐름에 대한 최소한의 대역폭을 보장한다.
패킷 간 간격 변화에 대한 제한(Restrictions on Changes in INter-packet Spacing)
- 패킷 간 간격의 변화를 제한하여 일정한 간격으로 데이터그램이 전달되도록 한다.

인터넷 Best Effort 서비스 모델

인터넷의 Best Effort 서비스 모델은 데이터그램의 전달을 최선의 노력으로 수행하지만, QoS 측면에서 어떠한 보장도 제공하지 않는다.
Best Effort 모델에서는 다음과 같은 사항에 대해 보장이 없다
1. 성공적인 데이터그램 전달(Successful Datagram Delivery)
2. 전달의 타이밍 또는 순서(Timing or Order of Delivery)
3. 종단 간 흐름에 사용 가능한 대역폭(Bandwidth Available to End-to-End Flow)

Relections on best-effort service

Best-Effort 서비스 모델이 인터넷의 널리 채택되고 왜 성공하는 가?

간단한 메커니즘(Simplicity of Mechanism)
- Best-Effort 서비스 모델의 단순함은 인터넷이 널리 배포되고 채택될 수 있도록 했다.
- 복잡하지 않은 구조로 인해 구현과 관리가 용이
충분한 대역폭 제공
- 충분한 대역폭이 제공되면 실시간 어플리케이션(e.g. 통화, 비디오)의 성능이 대부분의 경우에 "충분히 좋은" 상태를 유지할 수 있다.
- 이는 Best-Effort 모델에서도 실시간 서비스가 어느 정도 품질을 유지할 수 있음을 의미한다.
분산된 어플리케이션 계층 서비스
- 데이터 센터와 컨텐츠 배포 네트워크(CDN)와 같은 분산된 어플리케이션 계층 서비스는 클라이언트 네트워크에 가깝게 연결되어 있다.
- 이러한 서비스는 여러 위치에서 제공될 수 있어 사용자가 더 나은 서비스를 받을 수 있다.
"Elastic" 서비스의 혼잡제어
- 탄력적인 서비스의 혼잡 제어는 네트워크의 혼잡을 관리하고 전체 성능을 향상시키는 데 도움이 된다.

Router architecture overview

라우터 입력 포트(Router Input Ports)
- 데이터그램이 라우터에 들어오는 포트이다.
- 각 입력 포트는 패킷을 처리하고, 올바른 출력 포트로 전달하기 위해 준비한다.
고속 스위칭 패브릭(Hight-Speed Switching Fabric)
- 입력 포트에서 출력 포트로 패킷을 전달하는 고속 스위칭 메커니즘이다.
- 이 패브릭은 매우 짧은 시간(나노초 단위) 내에 패킷을 전달할 수 있다.
라우터 출력 포트(Router Output Ports)
- 데이터그램이 라우터를 떠나 목적지로 향하는 포트이다.
- 출력 포트는 패킷을 최종 목적지로 전달하기 위해 준비한다.
라우팅 프로세서(Routing Processor)
- 라우팅의 라우팅 및 관리 기능을 수행하는 프로세서이다.
- 소프트웨어적으로 구현되며, 밀리초 단위의 시간 프레임 내에서 동작한다.

두 가지 주요 플레인

포워딩 데이터 플레인(Forwarding Data Plane)
- 하드웨어적으로 구현되어 있다.
- 패킷이 입력 포트에서 출력 포트로 이동하는 과정을 처리한다.
- 나노초 단위의 시간 프레임 내에서 매우 빠르게 동작한다.
라우팅 및 관리 컨트롤 플레인(Routing and Management Control Plane)
- 소프트웨어 적으로 구현되어 있다.
- 네트워크의 라우팅 경로를 결정하고, 관리 기능을 수행한다.
- 밀리초 단위의 시간 프레임 내에서 동작한다.

Input port functions

라인 종단(Line Termination)
- 물리 계층(Physical Layer)
  - 비트 수준의 수신을 처리한다.
  - 전송 매체로부터 신호를 수신하고 이르 디지털 비트 스트림으로 변환한다.

링크 계층 프로토콜(Link Layer Protocol)
- 링크 계층(Link Layer)
  - e.g. 이더넷
  - 수신된 프레임을 처리하고, 네트워크 계층으로 데이터를 전달한다.

Loopup, Forwarding, Queueing
- 탈중앙화 스위칭(Decentralized Switching)
  - 헤더 필드 값을 사용하여 입력 포트 메모리에 있는 포워딩 테이블을 조회해 출력 포트를 찾는다. 이를 "match plus action"이라고 한다.
  - 목표는 line speed에서 입력 포트 처리를 완료하는 것이다.
  - destination-based forwarding: destination IP address를 기반으로 forward하는 것(전통적)
  - generalized forwarding: header field 값을 기반으로 forword하는 것
- Input Port Queueing
  - 데이터그램이 스위칭 패브릭으로 전달되는 속도보다 더 빨리 도착하면 큐에 저장된다.
  - 이를 통해 혼잡을 방지하고 데이터그램 손실을 최소화한다.

Destination-based forwarding

포워딩 테이블 구조

목적지 주소 범위(Destination Address Range)
- 라우터는 도착하는 패킷의 목적지 주소를 기반으로 출력 링크 인터페이스를 결정한다.
- 각 범위는 특정 링크 인터페이스로 매핑된다.
링크 인터페이스(Link Interface)
- 특정 목적지 주소 범위에 해당하는 출력 포트

Q. 만일 주소범위가 제대로 나눠지지 않는다면?

포워딩 테이블에서 주소 범위가 겹치거나 깔끔하게 나누어지지 않으면 특정 목적지 주소가 여러 범위에 속할 수 있다.

Longest prefix matching

라우터가 목적지 주소에 대해 포워딩 테이블 항목을 찾을 때 사용하는 최장 접두사 일치(Longest Prefix Match) 메커니즘을 설명한다.

정의: Longest Prefix Match

주어진 목적지 주소에 대해 포워딩 테이블 항목을 찾을 때, 가장 긴 주소 접두사와 일치하는 항목을 사용한다.

위의 예에서 link interface는 0과 1이다.

Switching fabric

스위칭 패브릭의 역할
- 입력 링크에서 적절한 출력 링크로 패킷을 전송한다.
- 이는 라우터 내부에서 데이터가 효율적으로 전달되도록 한다.

스위칭 속도(Switching Rate)
- 패킷이 입력에서 출력으로 전송되는 속도이다.
- 종종 입력/출력 라인 속도의 배수로 측정된다.
- 예를 들어, N개의 입력 포트가 있는 경우, 이상적인 스위칭 속도는 라인 속도의 N배이다.
- 이는 라우터가 동시에 여러 입력 포트에서 들어오는 패킷을 처리할 수 있도록 하기 위함이다.

Switching via memory

초기 세대 라우터(First Generation Routers)
- 전통적인 컴퓨터 구조: 스위칭이 CPU의 직접적인 제어 하에 이루어진다.
- 패킷 복사: 패킷은 시스템의 메모리에 복사된다.
- 속도 제한:
  - 메모리 대역폭에 의해 속도가 제한된다.
  - 각 데이터그램당 두 번의 버스 교차가 발생한다.

Switching via a bus

버스를 통한 데이터그램 전송
- 입력 포트 메모리에서 출력 포트 메모리로 데이터그램을 전송하는 과정이 공유된 버스를 통해 이루어진다.
버스 경합(Bus Contention)
- 스위칭 속도는 버스 대역폭에 의해 제한된다.
- 여러 포트가 동시에 버스를 사용하려고 하면 버스 경합이 발생하여 스위칭 속도가 감소할 수 있다.
32 Gbps 버스
- e.g. Cisco 5600 라우터는 32 Gbps의 버스를 사용하여 액세스 라우터로서 충분한 속도를 제공한다.

Switching via interconnection network

크로스바(CrossBar), 클로스(Clos) 네트워크:
- 이러한 상호 연결 네트워크는 원래 멀티프로세서 시스템에서 프로세서를 연결하기 위해 개발되었다.
- 라우터에서도 사용되어 고속 스위칭을 가능케 한다.

다단계 스위치(Multistage Switch)
- 다단계 스위치는 n * n 스위치로, 여러 단계의 작은 스위치들로 구성된다.
- 예를 들어, 8 * 8 스위치는 더 작은 크기의 스위치들로 구성되어 있다.

병렬성 활용(Expoiting Parallelism)
- 데이터그램을 고정 길이 셀로 분할하여 입력한다.
- 이 셀들은 패브릭을 통해 스위칭되고, 출구에서 다시 데이터그램으로 재조립된다.
- 병렬 처리를 통해 스위칭 성능을 향상시킬 수 있다.

Switching via interconnection network

주요 내용:

확장(Scaling)
- 여러 개의 스위칭 "평면(plane)"을 병렬로 사용하여 확장할 수 있다.
- 병렬 처리를 통해 스위칭 속도와 성능을 향상시킬 수 있다.

Cisco CRS 라우터
- 기본 유닛: 8개의 스위칭 평면을 사용한다.
- 각 평면은 3단계 상호 연결 네트워크로 구성된다.
- 수백 Tbps에 달하는 스위칭 용량을 제공한다.

Input port queuing

input port에서 발생하는 queuing 현상과 Head-of-Line(HOL) 블로킹에 대해 설명한다.

스위치 패브릭 속도와 입력 포트:
- 스위치 패브릭의 속도가 입력 포트의 총합보다 느리면 입력 큐에서 큐잉이 발생할 수 있다.
- 입력 버퍼 오버플로우로 인해 큐잉 지연과 데이터그램 손실이 발생할 수 있다.

Head of Line(HOL)블로킹
- queue의 앞 부분에 있는 데이터그램이 다른 데이터그램의 전진을 방해하는 현상이다.

================================================================

Output port queuing

버퍼링(Buffering)
- 스위치 패브릭에서 데이터그램이 링크 전송 속도보다 빠르게 도착할 때 버퍼링이 필요하다.
- 드롭 정책(Drop Policy)
  - 버퍼가 가득 차면 어떤 데이터그램을 버릴지 결정하는 정책이다
  - 혼잡이나 버퍼 부족으로 인해 데이터그램이 손실될 수 있다.
스케줄링 규칙(Scheduling Discipline)
- 큐에 있는 데이터그램 중 어떤 것을 전송할지 선택하는 규칙이다.
  - 우선순위 스케줄링(Priority Scheduling)
    - 누가 최고의 성능을 받을지 결정하는 과정이다.
      - 네트워크 중립성 문제와 관련될 수 있다.

================================================================

버퍼링은 arrival rate가 output line speed를 넘을 때 발생한다.
queueing(delay) and loss는 output buffer의 overflow 때문이다.

Buffer Management

버퍼 관리(Buffer Management)
- Drop
  - 버퍼가 가득 찼을 때 어떤 패킷을 추가하고, 어떤 패킷을 드롭할지 결정하는 과정
  - 테일 드롭(Tail Drop): 도착한 패킷을 드롭한다.
  - 우선 순위(Priority): 우선순위에 따라 패킷을 드롭하거나 제거한다.
- Marking
  - 혼잡을 신호하기 위해 어떤 패킷을 마크할지 결정한다.(ECN, RED)
큐잉과 스케줄링(Queuing and Scheduling)
- 큐잉은 패킷이 도착하여 대기하는 영역을 관리한다.
- 스케줄링은 대기 중인 패킷 중 어떤 것을 먼저 전송할지 결정한다.

Packet Scheduling:FCFS

*packet scheduling: *

FCFS
Priority
round robin
Weighted Fair Queueing: 각 큐에 가중치를 부여하여 공정하게 전송

FCFS: 패킷이 도착한 순서대로 출력 포트로 전송된다.

Scheduling Policies: priority

우선순위 스케줄링

도착한 트래픽을 분류하고 클래스별로 큐에 저장
패킷 헤더의 다양한 필드를 분류에 사용할 수 있다.
가장 높은 우선순위 큐에 있는 패킷부터 전송
우선순위 클래스 내에서는 FCFS 방식으로 처리

Scheduling policies: round robin

라운드 로빈 스케줄링

도착한 트래픽을 분류하고 클래스별로 큐에 저장
패킷 헤더의 다양한 필드를 분류에 사용할 수 있다.
서버는 주기적으로 각 클래스 큐에 스캔하며, 각 클래스에서 하나의 패킷을 차례대로 전송한다.
모든 클래스 큐가 동일하게 처리되므로 공정한 스케줄링이 가능하다.

트래픽 분류(Traffic Classification)

도착한 트래픽은 분류되어 각 클래스 큐에 저장된다.
e.g. 높은 우선순위 트래픽, 보통 우선순위 트래픽, 낮은 우선순위 트래픽

주기적 스캔 및 전송(Cyclic Scanning and Transmission)

서버는 주기적으로 각 클래스 큐를 스캔한다.
각 클래스에서 하나의 패킷을 선택하여 전송한다.
각 클래스 큐가 돌아가며 패킷을 전송하게 된다.

Scheduling polices: weighted fair queueing

Weighted Fair Queuing(WFQ)

일반화된 라운드 로빈
가중치 부여(Weighting)
- 각 클래스 i는 가중치 w_i를 가지며, 각 주기에 가중치에 비례한 양의 서비스를 받는다.
- 각 클래스가 받은 서비스의 비율은 다음과 같다.
minimum bandwidth 보장(per-traffic-class)

Sidebar: Network Neutrality

네트워크 중립성이란 무엇인가?

기술적 관점
- ISP(인터넷 서비스 제공자)가 자원을 어떻게 공유하고 할당해야 하는지에 관한 것
- 패킷 스케줄링, 버퍼 관리 등이 이러한 자원 할당을 위한 메커니즘이다.
사회적, 경제적 원칙
- 자유로운 표현 보호
- 혁신과 경쟁 촉진
법적 규칙과 정책의 시행

Network Layer: Internet

네트워크 계층 기능

경로 선택 알고리즘(Path-Selection-Algorithms)
- 라우팅 프로토콜(OSPF, BGP) 및 SDN 컨트롤러에서 구현된다.
- 경로 선택 알고리즘은 데이터그램이 목적지까지 가는 최적의 경로를 결정한다.

IP 프로토콜(IP Protocol)
- 데이터그램 형식(Datagram Format)
  - 데이터그램의 구조를 정의
- 주소 지정(Addressing)
  - 데이터그램이 올바른 목적지에 도달하도록 주소를 지정한다.
- 패킷 처리 규칙(Packet Handling Coventions)
  - 데이터그램이 네트워크를 통해 올바르게 전송되도록 처리 규칙을 정의한다.

ICMP 프로토콜(ICMP Protocol)
- 오류 보고(Error Reporting)
  - 데이터그램 전송 중 발생하는 오류를 보고
- 라우터 신호(Router Signaling)
  - 라우터 간 신호 전달을 관리한다.

포워딩 테이블(Forwarding Table)
- 데이터그램을 다음 목적지로 전달하기 위한 경로 정보를 저장한다.

IP Datagram foramt

IP addressing: introduction

IP addressing:
- 32비트 식별자
- 각 호스트나 라우터 인터페이스에 할당된다
- e.g. 223.1.1.1
인터페이스
- 호스트/라우터와 물리적 링크 간의 연결을 의미한다.
- 라우터는 보통 여러 개의 인터페이스를 가진다.
- 호스트는 보통 하나 또는 두 개의 인터페이스를 가진다.(e.g. 유선 이더넷, 무선 802.11)

Subnets

서브넷이란?
- 라우터를 거치지 않고 물리적을 서로 도달할 수 있는 장치 인터페이스들의 집합이다.
- e.g. 같은 네트워크 스위치나 WiFi 기지국에 연결된 장치들

IP주소의 구조(IP Addresses Have Structure)
- 서브넷 부분(Subnet Part)
  - 같은 서브넷에 속한 장치들은 공통된 상위 비트를 가진다.
- 호스트 부준(Host Part)
  - 나머지 하위 비트들은 호스트를 식별하는 데 사용된다.

서브넷의 정의 방법
- 각 인터페이스를 호스트나 라우터에서 분리하여 고립된 네트워크 "섬"을 만든다.
- 이렇게 고립된 네트워크를 "서브넷"이라고 부른다.

서브넷 구성
- 서브넷 마스트(Subnet Mask)
  - '/24'는 상위 24비트가 서브넷 부분임을 나타낸다.
- 서브넷 예시
  - 223.1.1.0/24: IP 주소 범위는 223.1.1.0에서 223.1.1.255까지.
  - 223.1.2.0/24: IP 주소 범위는 223.1.2.0에서 223.1.2.255까지.
  - 223.1.3.0/24: IP 주소 범위는 223.1.3.0에서 223.1.3.255까지.

서브넷의 위치
- 네트워크 내에서 여러 서브넷이 존재한다.
- 각 서브넷은 라우터와 호스트를 포함하며, 특정 IP 주소 범위를 가진다.

/24 서브넷 주소(What are the /24 Subnet Addresses?)
- 각 서브넷의 주소는 /24 서브넷 마스크를 사용하여 정의된다.
- /24 서브넷 마스크는 상위 24비트가 서브넷 부분임을 나타낸다.

IP addressing: CIDR

CIDR 정의
- CIDR은 Classless InterDomain Routing의 약자로, "cider"로 발음된다.
- 주소의 서브넷 부분의 길이를 임의로 지정할 수 있다.

주소 형식(Address Foramt)
- 주소 형식은 a.b.c.d/x 형태로, 여기서 'x'는 서브넷 부분의 비트 수를 나타낸다.
- e.g. 200.23.16.0/23

서브넷 부분과 호스트 부분(Subnet Part and Host Part)
- 주소의 앞부분은 서브넷 부분이고, 뒷부분은 호스트 부분이다.
- e.g. 200.23.16.0/23의 경우, 앞의 23비트가 서브넷, 나머지 비트는 호스트부분이다.

IP Addresses:How to Get One?

두 가지 질문(Two Questions)
- Q1. 호스트가 자신의 네트워크 내에서 IP주소를 어떻게 얻는가?(호스트 주소 부분)
- Q2. 네트워크가 자체적으로 IP 주소를 어떻게 얻는가?(네트워크 주소 부분)

호스트가 IP 주소를 얻는 방법(How Does a Host Get IP Address)
- 시스템 관리자에 의해 고정 설정(Hard-Coded by Sysadmin)
  - 시스템 관리자가 구성 파일(e.g. UNIX의 /etc/rc.config)에서 IP 주소를 고정 설정한다.
- DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol)
  - DHCP 서버로 부터 동적으로 IP 주소를 얻는다
  - plug and play 방식을 자동 설정

DHCP: Dynamic Host Configuration Protocol

목표(Goal)
- 호스트가 네트워크에 연결될 때 네트워크 서버로부터 동적으로 IP 주소를 받는다.
- 사용 중인 주소의 임대를 갱신할 수 있다.
- 주소의 재사용을 허용한다.(연결된 동안에는 주소를 유지)
- 네트워크에 가입하고 탈퇴하는 모바일 사용자를 지원

DHCP 개요
- DHCP discover 메시지
  - 호스트가 네트워크에 가입할 때 브로드캐스트로 DHCP discover 메시지를 보낸다.(선택사항)
- DHCP offe 메시지
  - DHCP 서버가 IP 주소를 제안하는 DHCP offer 메시지로 응답한다.(선택사항)
- DHCP request 메시지
  - 호스트가 DHCP 서버에 IP 주소 요청 메시지를 보낸다.
- DHCP ack 메시지
  - DHCP 서버가 IP 주소를 할당하는 DHCP ack 메시지를 보낸다.

DHCP: Client-Server Scenario

DHCP 서버의 위치(DHCP Server Location)
- DHCP 서버는 보통 라우터와 함께 위치한다.
- 라우터에 위치한 모든 서브넷에 IP 주소를 할당한다.

DHCP 클라이언트의 동작(DHCP Client Operation)
- 네트워크에 새로 연결된 DHCP 클라이언트가 IP 주소를 필요로 한다.
- DHCP 클라이언트는 네트워크에 연결될 때 DHCP 서버와 상호작용하여 IP 주소를 얻는다.

DHCP client-server scenario

DHCP discover(탐색)
- 클라이언트: DHCP 서버가 있나요? 라는 메시지를 브로드 캐스트한다.
- 이는 네트워크에 DHCP 서버가 있는지 탐색하는 단계이다.
DHCP offer(제공)
- DHCP 서버: 나는 "DHCP 서버입니다. 사용할 수 있는 IP 주소가 여기에 있습니다." 라는 메시지를 브로드캐스트한다.
- DHCP 서버는 사용 가능한 IP 주소를 클라이언트에게 제안한다.
DHCP reqeust(요청)
- 클라이언트: "알겠습니다. 이 IP 주소를 사용하고 싶습니다!" 라는 메시지를 브로드캐스트한다.
- 클라이언트는 제안된 IP 주소를 사용하겠다고 요청한다.
DHCP ACK(승인)
- DHCP 서버: "알겠습니다. 이 IP 주소를 할당했습니다." 라는 메시지를 브로드캐스트한다.
- DHCP 서버는 클라이언트에게 IP 주소를 할당하고 이를 확인한다.

DHCP: more than IP addresses

DHCP가 반환하는 추가 정보

클라이언트를 위한 첫 홉 라우터의 주소(Address of First-Hop Router for Client)
- 클라이언트가 네트워크 상에서 통신을 시작할 때 사용하는 첫 번째 라우터의 IP 주소

DNS 서버의 이름과 IP 주소(Name and IP Address of DNS Server)
- 클라이언트가 도메인 이름을 IP주소로 변환할 때 사용하는 DNS 서버의 정보

네트워크 마스크(Network Mask)
- 네트워크와 호스트 부분을 구분하는 서브넷 마스크

DHCP: example

DHCP가 실제로 어떻게 작동하는가?

노트북 연결(Connecting Laptop)
- 노트북을 네트워크에 연결하면 DHCP를 사용하여 IP주소, 첫 홉 라우터의 주소, DNS 서버의 주소를 얻는다.

DHCP 요청 메시지(DHCP REQUEST Message)
- DHCP REQUEST 메시지는 UDP에 캡슐화되고, 다시 IP에 캡슐화되고, 최종적으로 이더넷에 캡슐화된다.
- 이는 메시지가 전송될 때 여러 프로토콜 계층을 통해 포장되는 과정을 나타내다.

이더넷 프레임 브로드캐스트(Ethernet Frame Broadcast)
- 이더넷 프레임은 네트워크 상에서 브로드캐스트된다. 목적지 주소는 'FFFFFFFFFFFF'(모든 노드에게 전송됨)이다.
- DHCP 서버가 실행 중인 라우터에게 이 프레임을 수신한다.

프레임 디멀티플렉싱(Frame Demultiplexing)
- 이더넷 프레임이 IP로 디멀티플랙싱되고, IP는 UDP로 디멀티플랙싱 된다.
- 최종적으로 UDP는 DHCP로 디멀티플랙싱된다.
- 이는 각 프로토콜 계층이 데이터 단위로 상위 계층으로 전달하는 과정을 설명한다.

DHCP 서버 응답(DHCP Server Reply)
- DHCP 서버는 클라이언트의 IP 주소, 첫 홉 라우터의 IP 주소, DNS 서버의 이름과 IP 주소를 포함한 DHCP ACK 메시지를 작성한다.
- 이 메시지는 클라이언트에게 전송된다.

DHCP 서버 응답 캡슐화(Encapsulated DHCP Server Reply)
- DHCP ACK 메시지는 여러 프로토콜 계층을 통해 캡슐화되어 클라이언트에게 전달된다.
- 클라이언트에서 해당 메시지를 수신하고 각 계층을 통해 디멀티플렉싱하여 DHCP 메시지를 처리한다.

클라이언트 정보 획득(Client Information Acquisition)
- 클라이언트는 이제 자신의 IP 주소, DNS 서버 이름과 IP 주소, 첫 홉 라우터의 IP 주소를 알게 된다.

IP addresses: how to get one

Q. 네트워크가 IP 주소의 서브넷 부분을 어떻게 얻는가?
A. 네트워크는 ISP가 할당한 주소 공간의 일부를 받는다

Hierarchinal addressing: route aggregation

계층적 주소 지정: 경로 집계

계층적 주소 지정
- 계층적 주소 지정은 라우팅 정보를 효율적으로 광고하는 것을 가능케한다.
- 이는 여러 개의 작은 네트워크 주소를 하나의 큰 주소로 집계하여 라우팅 테이블 크기를 줄이는 데 도움을 준다.

===================59,60,61,62 페이지 생략======================================

NAT:network address translation

네트워크 주소 변환(NAT)의 개념과 작동 방식을 설명함

NAT의 개념
- 로컬 네트워크의 모든 장치는 "사설" IP 주소 공간(10/8, 172.16/12, 192.168/16 프리 픽스)를 사용한다.
- 이런 사설 IP 주소는 로컬 네트워크에서만 사용할 수 있다.
- NAT는 로컬 네트워크의 모든 장치가 외부 세계에 대해 단 하나의 IPv4 주소를 공유하도록 한다.
- 예를 들어, 가정 네트워크 주소가 10.0.0.0/24 인 경우, 모든 장치는 외부 세계에 대해 138,76,29,7의 단일 NAT IP 주소를 사용하게 된다.

로컬 네트워크와 외부 인터넷
- 로컬 네트워크 내의 장치들은 로컬 IP 주소를 사용한다. e.g. 10.0.0.1, 10.0.0.2, 10.0.0.3
- 이 장치들이 인터넷과 통신할 때, NAT 라우터는 이들의 로컬 IP 주소를 공인 IP 주소(138.76.29.7)

데이터그램 전송
- 로컬 네트워크를 떠나는 모든 데이터그램은 동일한 NAT IP 주소(138.76.29.7)를 가지지만, 각 데이터그램은 다른 소스 포트 번호를 가진다.
- 로컬 네트워크 내에서 송수신되는 데이터그램은 여전히 로컬 주소(10.0.0.0/24)를 사용한다.

NAT의 장점
- 단 하나의 IP 주소: 모든 장치에 대해 공급자 ISP로부터 단 하나의 공인 IP 주소만 필요한다.
- 내부 주소 변경: 외부 세계에 알릴 필요 없이 로컬 네트워크 내 호스트의 주소를 변경할 수 있다.
- ISP 변경 용이: 로컬 네트워크 내 장치들의 주소를 변경하지 않고도 ISP를 변경할 수 있다.
- 보안: 로컬 네트워크 내부의 장치는 외부 세계에서 직접적으로 주소가 지정되거나 보이지 않는다.

NAT: network address translation

NAT 라우터의 구현 방식

NAT 라우터의 역할
- NAT 라우터는 투명하게 다음과 같은 작업을 수행해야 한다.

출발 데이터그램(outgoing datagrams)
- 모든 출발 데이터그램의 소스 IP 주소와 포트 번호를 (NAT IP 주소, 새로운 포트 번호) 로 대체
- 원격 클라이언트/서버는 (NAT IP 주소, 새로운 포트 번호)를 목적지 주소로 사용하여 응답한다.

NAT translation table에 기억
- 모든 (소스 IP 주소, 포트 번호) 와 (NAT IP 주소, 새로운 포트 번호) 의 번역 쌍을 NAT 번역 테이블에 저장한다.

도착 데이터그램(incoming datagrams)
- (NAT IP address, new port #)을 (source IP address, port #)로 replace
- 모든 도착 데이터그램의 목적지 필드를 NAT 테이블에 저장된 대응하는 (소스 IP 주소, 포트 번호)로 대체한다.

NAT: network address translation

논란과 현황

논란

라우터 처리 계층 문제
- 라우터는 원래 3계층(네트워크 계층)까지만 처리해야 한다고 여겨진다.
- 그러나 NAT는 포트 번호를 변경하는 등 4계층(전송 계층)까지 처리한다.

주소 부족 문제
- IPv6를 통해 주소 부족 문제를 해결해야 한다고 주장
- IPv6는 더 많은 IP 주소를 제공하여 NAT 없이도 충분히 네트워크를 구성할 수 있다.

종단 간 논쟁 위반
- NAT는 네트워크 계층 장치가 포트 번호를 조작하여 종단 간 통신의 투명성을 위반한다.
- 이는 종단 간 논쟁(end-to-end argument)을 위반하는 행위로 여겨진다.

NAT traversal 문제
- 클라이언트가 NAT 뒤에 있는 서버와 연결하고자 할 때 NAT traversal 문제가 발생한다.
- 이는 NAT가 외부에서 들어오는 트래픽을 적절히 전달하기 어렵게 만든다.

허나

NAT는 현재 널리 사용되고 있다.

가정용 네트워크와 기관 네트워크에서 광범위하게 사용된다.
4G/5G 셀룰러 네트워크에서도 NAT가 사용된다.

IPv6: motivation

등장배경:

IPv4 주소 공간 고갈: 32비트의 IPv4 주소 공간이 완전히 할당될 것이 예상되었다.
- IPv4 주소 공간은 약 43억 개의 고유 주소를 제공한다.
- 인터넷 사용자와 장치의 폭발적인 증가로 인해 IPv4 주소가 부족해졌다.
처리 및 포워딩 속도 향상: 40 바이트 고정 길이 헤더를 사용하여 처리 속도를 높였다.
흐름에 대한 네트워크 계층 처리 기능: 다양한 네트워크 계층에서 흐름(flow)을 다르게 처리할 수 있는 기능을 제공한다.

IPv6 datagram format

IPv4와 비교에서 없는 것

checksum이 없다.: 라우터에서 처리 속도를 높이기 위해 체크섬 필드가 제거되었다.
no fragmentation/reassemply: IPv6는 단편화와 재조립을 지원하지 않는다. 대신, 상위 계층에서 이 기능을 처리한다.
no option: IPv4에서는 다양한 옵션을 제공했지만, IPv6에서는 이러한 옵션이 제거되고 대신 상위 계층이나 다음 헤더 프로토콜에서 제공된다.

Transition from IPv4 to IPv6

IPv4에서 IPv6로의 전환은 네트워크 인프라 전반에 걸쳐 일괄적으로 이루어질 수 없기에 점진적인 전환 방법이 필요하다.

주요 내용
- 모든 라우터의 동시 업그레이드 불가: 모든 라우터를 동시에 업그레이드할 수 없으며, 이를 위한 "flag day" 같은 날을 정할 수도 없다.
- 혼합 운영: 네트워크 IPv4와 IPv6 라우터가 혼재된 환경에서 운영될 수 있다.

터널링(Tunneling)
- 터널링 정의: 터널링은 IPv6 데이터그램을 IPv4 데이터그램의 페이로드로 운반하는 방법이다. 이는 "패킷 안의 패킷" 방식으로 작동한다.
- 운영 방식: IPv4 헤더는 소스 및 목적지 주소를 포함하고, 이 IPv4 헤더 안에 IPv6 데어터그램 전체가 포함된다. IPv6 데이터그램 내부에는 다시 IPv6 헤더 필드와 UDP/TCP 페이로드가 포함된다.
- 터널링의 활용: 터널링은 4G/5G 네트워크와 같은 다른 컨텍스트에서도 광범위하게 사용된다.

도식 설명
- IPv4 헤더 필드: 소스 주소와 목적지 주소가 포함된 IPv4 헤더가 데이터그램의 맨 앞부분을 차지한다.
- IPv6 데이터그램: IPv4 헤더 뒤에는 IPv6 데이터그램이 포함되며, 여기에는 IPv6 헤더 필드와 UDP/TCP 페이로드가 포함된다.
- 페이로드: 최종적으로 IPv4 페이로드로 감싸진 전체 패킷이 전송된다.

Generalized forwarding: match plus action

주요 내용

포워딩 테이블: 각 라우터는 포워딩 테이블(또는 플로우 테이블)을 포함한다.
"매치 플러스 액션" 추상화: 도착하는 패킷의 비트를 매치하고, 특정 동작을 취한다.
- 목적지 기반 포워딩: 목적지 IP 주소에 기반하여 포워딩을 수행한다.
- 일반화된 포워딩: 여러헤더 필드가 액션을 결정할 수 있으며, 다양한 액션이 가능하다.

포워딩 테이블(Forwarding Table)

포워딩 테이블 역할: 도착하는 패킷의 특정 비트를 확인하고, 그에 맞는 액션을 결정한다.
일반화된 포워딩: 단순히 목적지 IP 주소뿐만 아니라, 여러 헤더 필드도 고려할 수 있다.
가능한 액션들
- 드롭(drop): 패킷을 폐기합니다.
- 복사(copy): 패킷을 복사한다.
- 수정(modify): 패킷의 내용을 수정한다.
- 로그(log): 패킷을 로그에 기록

Flow Table abstraction

플로우(Flow): 헤더 필드 값에 의해 정의된다.(링크 계층, 네트워크 계층, 전송 계층의 필드 포함)

일반화된 포워딩(Generalized Forwarding): 단순한 패킷 처리 규칙을 포함한다.
- 매치(Match) : 패킷 헤더 필드에서 패턴 값을 매칭한다.
- 액션(Action): 매치된 패킷에 대해 다음과 같은 동작을 수행할 수 있다.
  - drop: 패킷을 폐기함
  - forward: 패킷을 전달함
  - modify: 패킷을 수정함
  - send to controller: 매치된 패킷을 컨트롤러로 보낸다.
- Priority: 겹치는 패턴을 구별한다.
- Counters: 바이트 수와 패킷 수를 세어준다.
그림
- Flow Table: 라우터의 매치 + 액션 규칙을 정의
- match: 패킷의 헤더 필드를 매칭
- 액션: 매치된 패킷에 대해 정의된 액션을 수행
- src = ..., dest=3.4..: forward(2번 포트로 전달)
- src=1.2.., dest=...: drop(패킷 폐기)
- src=10.1.2.3, dest=...: controller로 전송

OpenFlow: 플로우 테이블 항목

주요 내용

Match(매치): 패킷의 헤더 필드 값을 기준으로 매치
Action(액션): 매치된 패킷에 대해 수행할 동작을 정의
1. 패킷을 특정 포트로 전달
  1. 패킷 폐기
  2. 헤더 필드 수정
  3. 캡슐화하여 컨트롤러로 전달
Stats(통계): 패킷과 바이트 카운터를 포함

OpenFlow: examples

OpenFlow abstraction

match + action
- 이 추상화는 다양한 종류의 네트워크 장치를 통합하는 개념이다. 모든 네트워크 장치는 특정 조건을 매칭하고, 그에 따른 행동을 수행한다.

Router(라우터)
- match(매칭)
  - 가장 긴 목적지 IP 접두사(longest destination IP prefix)를 매칭한다. 즉, 목적지 IP 주소가 특정 범위에 속하는지를 확인한다.
- action(행동)
  - 해당 링크로 패킷을 전달한다(forward out a link)

Switch(스위치)
- match(매칭)
  - 목적지 MAC 주소(destination MAC address)를 매칭한다. 즉, 이더넷 프레임의 목적지 MAC 주소를 확인한다.
- action(행동)
  - 패킷을 전달하거나 (forward) 모든 포트로 전송(flood)한다.

Firewall(방화벽)
- match(매칭)
  - IP 주소와 TCP/UDP 포트 번호를 매칭한다. 즉, 특정 IP 주소와 포트 번호로 들어오는 패킷을 확인한다.
    - action(행동)
    - 패킷을 허용하거나 (permit) 차단한다. (deny)

NAT(Network Address Translation, 네트워크 주소 변환)
- match(매칭)
  - IP 주소와 포트를 매칭한다. 즉, 내부 네트워크의 특정 IP 주소와 포트를 확인한다.
- action(행동)
  - 주소와 포트를 재작성 (rewrite)한다. 즉, 내부 네트워크 주소를 외부 네트워크 주소로 변환한다.

OpenFlow example

Generalized forwarding : summary

match plus action: Abstraction

개념: 패킷 헤더의 비트를 다양한 계층에서 일치시키고 해당하는 동작을 수행하는 추상화
매칭: 링크, 네트워크, 전송 계층의 여러 필드에 대해 매칭한다.
로컬 액션: 패킷을 드롭, 포워드, 수정, 컨트롤러로 보낼 수 있다.
네트워크 전반의 동작: 네트워크 전체의 동작을 "프로그래밍"할 수 있다.

network programmability

간단한 형태: 패킷당 "처리"를 프로그래밍할 수 있다.
역사적 배경: 활성 네트워킹에서 시작되었다.
오늘날: 더 일반화된 프로그래밍을 의미하며, P4와 같은 도구를 사용한다.

Middleboxes

Middlebox; 일반적인 IP 라우터의 표준 기능 외에 다른 기능을 수행하는 중간 장치이다. 이러한 장치는 소스 호스트와 목적지 호스트 사이의 데이터 경로에 위치한다

Middleboxes everywhere!

주요 middlebox의 종류와 용도

NAT(Network Address Translation)
- 용도: 여러 장치들이 하나의 공인 IP 주소를 공유하도록 함
- 사용처: 가정, 셀룰러 네트워크, 기관 네트워크

Application-specific Middleboxes
- 용도: 특정 어플리케이션의 성능 및 보안을 위해 설계된 중간 장치
- 사용처: 서비스 제공자. 기관 네트워크, CDN(컨텐츠 전송 네트워크)

Firewalls, IDS(Intrusion Detection Systems)
- 용도: 네트워크 보안을 강화하고 침입을 탐지 및 차단
- 사용처: 기업, 기관, 서비스 제공자, ISP(인터넷 서비스 제공자)

Load Balancers
- 용도: 트래픽을 여러 서버에 분산하여 부하를 균등하게 분배
- 사용처: 기업 네트워크, 서비스 제공자, 데이터 센터, 모바일 네트워크

Caches
- 용도: 자주 사용하는 데이터를 로컬에 저장하여 접근 속도를 향상
- 사용처: 서비스 제공자, 모바일 네트워크, CDN

Middleboxes

초기 Middlebox

초기 형태: 초기 Middlebox는 독점적인 하드웨어 솔루션으로, 폐쇄된 시스템을 사용했다.

Whitebox 하드웨어로의 이동

Whitebox 하드웨어: 오픈 API를 구현한 범용 하드웨어로의 전환이 진행되고 있다.
- 독점 하드웨어 탈피: 기존의 독점적인 하드웨어 솔루션에서 벗어나고 있다.
- 프로그래밍 가능한 로컬 액션: 'match+action' 메커니즘을 통해 로컬에서 프로그래밍 가능한 작업을 수행할 수 있다.
- 소프트웨어 혁신: 소프트웨어에서의 혁신과 차별화로 나아가고 있다.

SDN(Software Defined Networking)

중앙 집중식 관리: 논리적으로 중앙 집중식 제어 및 구성 관리를 제공하며, 종종 사설 또는 공용 클라우드에서 수행된다.

NFV(Network Functions Virtualization)

프로그래머블 서비스: Whitebox 네트워킹, 계산 및 저장소를 통해 프로그래밍 가능한 서비스를 제공한다

The IP hourglass

하나의 네트워크 계층 프로토콜(IP)

인터넷에서 사용되는 유일한 네트워크 계층 프로토콜은 IP(Internet Protocol)이다.
IP는 전 세계의 수십억 개의 인터넷 연결 장치에 의해 구현되어야 한다.

인터넷의 "love handles"

인터넷이 시간이 지나면서 네트워크 내부에서 동작하는 다양한 중간 장치(middleboxes)가 등장했다.