[네트워크 스터디] 8 네트워크의 전체 흐름 살펴보기 (컴퓨터->스위치->라우터->웹서버 간의 데이터 처리와 전달, 캡슐화, 역캡슐화, OSI 계층, 라우팅)

네트워크의 구성

OSI 모델

 

세 개의 네트워크로 이루어진 컴퓨터, 스위치, 라우터, 웹 서버의 구성

위 네트워크를 OSI 모델로 나타내면 아래와 같다.

 

데이터 전달과 처리 (컴퓨터의 데이터 -> 스위치)

컴퓨터의 웹 브라우저에 URL을 입력할 때부터 웹 서버에 데이터가 도착할 때까지 각 과정에서는 캡슐화와 역캡슐화가 이루어진다.

1. (3-way handshake가 이루어져 연결이 확립된 상태라고 전제한다면) 사용자가 웹 브라우저에 URL을 입력하고, 엔터를 입력하면 응용 계층에서의 캡슐화가 이루어진다. 이때 응용 계층에 html 데이터를 보내달라는 요청을, HTTP 메세지에 담아 보낸다.

계속해서 이 데이터는 전송 계층에 전달된다. 전송 계층에서는 TCP 헤더가 필요한데, 출발지 포트 번호와 목적지 포트 번호가 이곳에 담긴다. (세그먼트가 된다)

 

❕ 출발지 포트 번호는 well-known port number가 아닌 번호 중 무작위로 선택된다. 한편, 이 경우에는 목적지 포트 번호는 HTTP이기 때문에 80번 포트가 될 것이다. 이 글에서는 출발지 포트 번호가 3500번이라고 가정한다.

 

기존 응용 계층에서 받아온 HTTP 메세지에, 응용 계층에서 전송 계층으로 캡슐화가 진행되면서 TCP Header를 추가한 세그먼트가 만들어진다.

이제 네트워크 계층에서는 IP 헤더가 붙는다.

 

IP 헤더는 위 그림처럼, 출발지와 목적지의 IP 주소 정보가 담겨 있다. 이렇게 만들어진 IP 헤더에는 전송 계층에서 전달받은 세그먼트(데이터)가 붙어 네트워크 계층에서는 IP 패킷으로 캡슐화된다. IP 패킷은 데이터 링크 계층으로 전달된다.

 

 

네트워크 계층에서 데이터 링크 계층으로 캡슐화될 때는 이더넷 헤더와 트레일러(FCS)가 추가되어 이더넷 프레임이 생성된다.

 

이제 이 컴퓨터의 데이터는 물리 계층을 지나면서 랜 카드에 의해 전기 신호로 변환되어 스위치 A로 전송된다.

 

데이터 전달과 처리 (스위치와 라우터)

스위치 A는 데이터 링크 계층에서 데이터를 전기 신호로 변환하여 라우터 A로 전송한다.

즉, 물리 계층 -> 데이터 링크 계층 -> 물리 계층 순으로 데이터가 전달된다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

라우터 A에 도착한 데이터는 데이터 링크 계층에서 이더넷 프레임의 목적지 MAC 주소와 자신의 MAC 주소를 비교하고, 이때 주소가 동일하다면 이더넷 헤더와 트레일러를 분리하는 역캡슐화를 수행한다.

이후 네트워크 계층으로 전달하고, 자신의 라우팅 테이블과 목적지의 IP 주소를 비교하는 과정을 거친다.

 

이제 라우터 A의 라우팅 테이블에서 목적지 IP의 주소를 알 수 있으므로, 라우팅이 가능하다. 현재 출발지 IP 주소로 설정된 192. 168. 1. 10은 라우터의 외부 IP 주소(실제로는 WAN 측)인 172. 16. 0. 1로 변경한다.(네트워크 계층) 이후, 데이터 링크 계층으로 전달해 라우터 B에 보내지도록 이더넷 헤더와 트레일러를 붙여 물리 계층으로 보내고, 이곳에서는 데이터가 다시 전기 신호로 변환되어 네트워크로 전달된다. 데이터는 이렇게 전기신호로 라우터 A에서 라우터 B로 이동한다.

 

이제 라우터 B에 도착한 데이터는 이더넷 프레임의 목적지 MAC 주소와 자신의 MAC 주소를 비교하고, 주소가 같으면 또 역캡슐화를 진행해 트레일러와 이더넷 헤더를 분리한다. 이후, 네트워크 계층으로 전달되어 자신의 라우팅 테이블에서 목적지 IP 주소를 비교한다. 라우터 A에서의 흐름을 그대로 반복하는 이유는 라우터 B 역시 목적지 네트워크를 알아야 하기 때문이다.

 

이제 라우팅 B의 라우팅 테이블을 통해 목적지 IP 주소를 알아내고, 현재 출발지 IP 주소로 설정된 172. 16. 0. 1을 라우터 B의 내부 IP(실제로는 LAN 측의) 192. 168. 10. 1로 변경한다. 다시 데이터 링크->물리 계층을 지나며 캡슐화와 전기 신호 변환 과정을 거친다.

전기 신호는 라우터 B에서 스위치 B로 이동한다. 전기 신호는 스위치 B의 데이터 링크 계층에서 처리된 후 다시 전기 신호로 변환되어 웹 서버로 전달된다.

데이터 전달과 처리 (웹 서버)

전기신호로 변환된 데이터를 스위치 B로부터 전달받은 웹 서버는 차근차근 데이터 링크 계층 -> 네트워크 계층에서 위와 똑같은 역캡슐화를 진행한다. (MAC 주소 비교, IP 주소 비교)

전송 계층에서는 목적지 포트 번호를 확인하고, 어떤 애플리케이션으로 전달해야 하는지 판단 후 TCP 헤더를 분리해, 상위 계층인 응용 계층으로 이동한다.

 

 

라우팅의 두 가지 방식

라우팅이란 패킷을 목적지 컴퓨터까지 최적의 경로를 택해 전송하는 방법을 말한다.

 

정적 라우팅

• 관리자가 미리 라우팅 테이블에 수동으로 경로를 추가한다.
• 경로가 하나거나, 경로를 고정할 때 주로 택한다.
• 네트워크에 존재하는 모든 목적지 네트워크를 직접 라우터에 알려줘야 해서 소규모 네트워크에서 사용된다.
  • 대규모 네트워크에서는 리소스가 너무 많이 투입된다.
• 라우팅 정보는 교환되지 않기 때문에, 라우터 간의 대역폭 부담이 없다.
• 라우터 CPU에 라우팅 오버 헤드가 없어 더 저렴한 라우터를 사용할 수 있다.
• 관리자만 특정 네트워크로의 라우팅을 허용되므로, 보안이 강화된다.
• 동적으로 반영되지 않아, 어떤 경로의 장애가 발생한다면 우회가 불가능

동적 라우팅

• 네트워크 변경을 자동으로 감지해, 실시간으로 트래픽의 변화를 반영한다.
  • 라우팅 테이블에서 경로의 현재 상태에 따라 경로를 자동으로 조정한다.
  • 동적 경로(Dynamic Route) : 동적 라우팅에 의해 그때마다 새로 설정하는 경로
• 동적 라우팅은 프로토콜을 사용해 네트워크 대상과 도달 경로를 검색한다.
  • 동적 라우팅 프로토콜에는 RIP, OSPF 등이 있다.
  • 🔍 OSPF(Open Shortest Path First) : 링크 상태 라우팅 프로토콜에 기초해 자치시스템 내부의 라우터들끼리 라우팅 정보를 교환하는 라우팅 프로토콜
  • 🔍 RIP(Routing Information Protocol) : 거리벡터 알고리즘에 기초해 개발된 라우팅 프로토콜. 소규모 또는 교육용 등 간단한 네트워크에 주로 사용된다.
• 네트워크의 장애로, 경로가 다운되면, 라우터끼리 정보 교환이 가능해 다른 최적의 경로를 탐색 후 우회 가능
• 관리자의 부담이 적고 구성이 쉽다.
• 대규모 네트워크에서는 동적 라우팅을 기본으로 사용한다. (정적 라우팅을 지원하지 않는다.)
• 다른 장비와 통신을 더 많이 해야하기 때문에 대역폭 소비가 크다.
• 정적 라우팅보다 안전하지 않다.

참고

<모두의 네트워크>

정보통신기술용어해설