Delivery and Forwarding of IP Packets

패킷 전달(Delivery) 개념

전달의 정의

송신지에서 수신지까지 패킷을 전달하는 전체 과정을 의미한다.
이는 end-to-end 또는 hop-by-hop 방식으로 이루어진다.

전달 방식 분류

직접 전달(Direct Delivery)

목적지 호스트가 같은 물리 네트워크(LAN)에 있는 경우
라우터를 거치지 않고 직접 전송
마지막 홉에서 목적지 호스트로의 전달

예시 상황:

같은 서브넷 내 호스트 간 통신
라우터에서 직접 연결된 네트워크의 호스트로 전달

간접 전달(Indirect Delivery)

목적지 호스트가 다른 네트워크에 있는 경우
하나 이상의 라우터를 경유하여 전달
인터넷 상의 대부분의 통신이 해당

예시 상황:

서로 다른 ISP 네트워크 간 통신
회사 내부에서 인터넷 사이트 접속

포워딩(Forwarding) 개념

포워딩의 정의

패킷을 다음 홉 라우터 또는 목적지로 보내는 동작을 의미합니다. 라우터의 핵심 기능 중 하나입니다.

포워딩 과정

목적지 주소(DA) 확인: 패킷 헤더에서 목적지 IP 추출
라우팅 테이블 검색: 목적지에 대한 최적 경로 찾기
다음 홉 결정: Next hop IP 주소 또는 출력 인터페이스 선택
ARP 수행: 다음 홉의 MAC 주소 획득
패킷 전송: 프레임으로 캡슐화하여 전송

라우팅 테이블 구조

기본 테이블 구성

Destination	Subnet Mask	Next Hop	Interface
192.168.1.0	255.255.255.0	10.0.0.2	eth0
10.0.0.0	255.0.0.0	0.0.0.0	eth1
0.0.0.0	0.0.0.0	192.168.1.1	eth0

필드 설명

Destination: 목적지 네트워크 주소
Subnet Mask: 네트워크/호스트 구분용 마스크
Next Hop: 다음에 전달할 라우터 IP (0.0.0.0이면 직접 전달)
Interface: 출력할 물리적 인터페이스

포워딩 방식

1. Next-hop Method (다음 홉 방법)

가장 일반적이고 효율적인 방식

특징

라우팅 테이블에 다음 홉 정보만 저장
메모리 사용량 최소화
빠른 검색 속도

장점

메모리 효율성: 전체 경로가 아닌 다음 홉만 저장
단순성: 구현과 관리가 간단
확장성: 네트워크 크기에 관계없이 효율적

2. Network-specific Method (네트워크 지정 방법)

실제 라우팅 테이블에서 주로 사용

특징

같은 네트워크의 모든 호스트를 하나의 엔트리로 관리
네트워크 단위의 경로 정보 저장

예시

목적지: 192.168.1.0/24 → 이 네트워크의 모든 호스트 포함
목적지: 10.0.0.0/8 → Class A 전체 네트워크 포함

3. Host-specific Method (호스트 지정 방법)

특별한 용도로 제한적 사용

특징

특정 호스트를 위한 특별한 경로 지정
정책 기반 라우팅에서 사용

사용 예시

특정 서버로의 우선 경로 설정
보안상 특별한 경로가 필요한 호스트
네트워크 테스트 및 디버깅용

4. Default Method (디폴트 방법)

인터넷 연결 시 필수

특징

일치하는 경로가 없을 때 사용하는 기본 경로
0.0.0.0/0으로 표현
게이트웨이 라우터로 연결

중요성

인터넷의 모든 주소를 라우팅 테이블에 저장할 수 없음
기본 경로를 통해 ISP로 전달하여 해결

5. Route Method (전체 경로 방법)

현재는 사용하지 않음

문제점

메모리 사용량 과다
네트워크 변화 시 전체 경로 재계산 필요
확장성 부족

Classful Addressing Forwarding

동작 과정

패킷 수신: 목적지 주소 추출
클래스 식별: 주소의 앞 비트로 클래스 판별
네트워크 주소 추출: 클래스에 따라 네트워크 부분 분리
라우팅 테이블 검색: 해당 네트워크 주소로 검색
포워딩 결정: 매치되는 엔트리의 다음 홉으로 전송

클래스별 라우팅 테이블 예시

Class A 라우팅 테이블

Network Address	Next-hop Address	Interface
111.0.0.0	0.0.0.0	m0

Class B 라우팅 테이블

Network Address	Next-hop Address	Interface
145.80.0.0	0.0.0.0	m1
170.14.0.0	0.0.0.0	m2

Class C 라우팅 테이블

Network Address	Next-hop Address	Interface
192.16.7.0	111.15.17.32	m0

Default 라우팅 테이블

Network Address	Next-hop Address	Interface
0.0.0.0	111.30.31.18	m0

Classless Addressing Forwarding

특징

마스크 정보 필수: 테이블에 프리픽스 길이(/n) 정보 포함
주소 집약화: 여러 네트워크를 하나로 표현하여 테이블 간소화
Longest Prefix Match: 가장 구체적인 경로 우선 선택

Longest Prefix Match 원리

가장 긴 마스크(가장 구체적인 경로)를 우선적으로 선택하는 방식

예시

목적지 주소: 201.4.22.35
 
**라우팅 테이블**:
201.4.22.0/26  → 201.4.22.0과 매치 안됨
201.4.22.0/25  → 201.4.22.0과 매치 안됨  
201.4.22.0/24  → 201.4.22.0과 매치됨! (선택)

올바른 테이블 정렬의 중요성

라우팅 테이블은 마스크 길이 순으로 정렬되어야 합니다.

잘못된 정렬의 문제

**잘못된 순서**:
201.4.22.0/24  (넓은 범위가 먼저)
201.4.22.0/26  (좁은 범위가 나중)
 
결과: /24가 먼저 매치되어 잘못된 경로 선택

올바른 정렬

**올바른 순서**:
201.4.22.0/26  (가장 구체적)
201.4.22.0/25
201.4.22.0/24  (가장 일반적)
0.0.0.0/0      (기본 경로)

계층적 라우팅(Hierarchical Routing)

계층적 라우팅의 필요성

인터넷이 커지면서 모든 라우터의 정보를 하나의 테이블에 저장하기 어려워짐

계층 구조

Backbone ISP (최상위)
    ↓
Regional ISP (지역별)
    ↓  
Local ISP (지역 내)
    ↓
조직/사용자

주소 할당 예시

Regional ISP가 할당받은 블록: 120.14.64.0/18
 
**하위 분배**:
Local ISP A: 120.14.64.0/20  (120.14.64.0 ~ 120.14.79.255)
Local ISP B: 120.14.80.0/20  (120.14.80.0 ~ 120.14.95.255)
Local ISP C: 120.14.96.0/20  (120.14.96.0 ~ 120.14.111.255)
 
**각 Local ISP 내 조직 분배**:
조직 1: 120.14.64.0/23
조직 2: 120.14.66.0/23
조직 3: 120.14.68.0/23

계층적 라우팅의 장점

라우팅 테이블 크기 감소: 각 계층에서 자신의 범위만 관리
검색 속도 향상: 테이블이 작아져 빠른 검색 가능
관리 효율성 증대: 계층별 독립적 관리
확장성: 새로운 네트워크 추가 시 영향 최소화

지리적 라우팅(Geographical Routing)

개념

지리적 위치를 고려한 주소 할당으로 라우팅 효율성 더욱 향상

주소 할당 예시

**대륙별 할당**:
북미: a.b.c.d/8
유럽: e.f.g.h/8  
아시아: i.j.k.l/8
 
**국가별 세분화**:
미국: a.b.c.d/10
캐나다: a.b.c.d/12

장점

라우팅 테이블 더욱 간소화
지역별 트래픽 최적화
네트워크 관리 효율성 향상

MPLS (Multiprotocol Label Switching)

MPLS 개념

레이블 기반 포워딩 방식
IP 주소 대신 짧은 레이블로 빠른 포워딩
2.5계층 기술로 불림 (L2와 L3 사이)

MPLS 동작 방식

레이블 할당: 패킷에 레이블 부착
레이블 스위칭: 중간 라우터는 레이블만으로 포워딩
레이블 제거: 목적지 근처에서 레이블 제거

MPLS 헤더 구조

필드	크기	설명
Label	20비트	포워딩용 레이블 값
TC	3비트	QoS 및 혼잡 제어
S	1비트	스택 끝 표시 (1=마지막)
TTL	8비트	홉 제한

MPLS 장점

고속 포워딩: IP 주소 검색 없이 레이블로 즉시 포워딩
QoS 지원: 트래픽 클래스별 차등 서비스
VPN 지원: 레이블로 가상 사설망 구현

라우터 구조와 포워딩

라우터 주요 구성요소

입력 포트: 패킷 수신 및 역캡슐화
출력 포트: 패킷 캡슐화 및 전송
라우팅 프로세서: 라우팅 테이블 관리 및 경로 계산
스위칭 패브릭: 입력 포트에서 출력 포트로 패킷 전달

스위칭 패브릭 종류

1. Crossbar Switch

직접 연결 방식
각 입력과 출력 사이에 스위치 배치
병렬 처리 가능, 고성능

2. Banyan Switch

다단계 스위칭 방식
여러 단계를 거쳐 경로 설정
비용 효율적

3. Batcher-Banyan Switch

충돌 방지 기능 추가
동일 출력 포트 경합 해결
높은 안정성

패킷 전달(Delivery) 개념

전달의 정의

전달 방식 분류

직접 전달(Direct Delivery)

간접 전달(Indirect Delivery)

포워딩(Forwarding) 개념

포워딩의 정의

포워딩 과정

라우팅 테이블 구조

기본 테이블 구성

필드 설명

포워딩 방식

1. Next-hop Method (다음 홉 방법)

특징

장점

2. Network-specific Method (네트워크 지정 방법)

특징

예시

3. Host-specific Method (호스트 지정 방법)

특징

사용 예시

4. Default Method (디폴트 방법)

특징

중요성

5. Route Method (전체 경로 방법)

문제점

Classful Addressing Forwarding

동작 과정

클래스별 라우팅 테이블 예시

Class A 라우팅 테이블

Class B 라우팅 테이블

Class C 라우팅 테이블

Default 라우팅 테이블

Classless Addressing Forwarding

특징

Longest Prefix Match 원리

예시

올바른 테이블 정렬의 중요성

잘못된 정렬의 문제

올바른 정렬

계층적 라우팅(Hierarchical Routing)

계층적 라우팅의 필요성

계층 구조

주소 할당 예시

계층적 라우팅의 장점

지리적 라우팅(Geographical Routing)

개념

주소 할당 예시

장점

MPLS (Multiprotocol Label Switching)

MPLS 개념

MPLS 동작 방식

MPLS 헤더 구조

MPLS 장점

라우터 구조와 포워딩

라우터 주요 구성요소

스위칭 패브릭 종류

1. Crossbar Switch

2. Banyan Switch

3. Batcher-Banyan Switch

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