[Network] 라우터의 패킷 중계 동작에 대해서 알아보자!

🌱 들어가기 전

지난 포스팅까지는 클라이언트 측에서 발생하는 일, 브라우저 -> 소켓 라이브러리 -> 프로토콜 스택 -> LAN 드라이버 -> LAN 어댑터까지 어떻게 HTTP 요청이 처리되는지 알아보았다. 

이번 포스팅에서는 [클라이언트 측 LAN]에서 일어나는 일 중, 트위스트 페어 케이블, 리피터 / 스위칭 허브를 지나 라우터에서 어떤 식으로 패킷을 중계하는지 알아보자. (케이블, 허브에서 일어나는 건 전기신호에 대한 내용이라 정리하지 않았다.)

 

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 🌱 라우터는 어떻게 생겼을까?

기본적으로 라우터의 경우 네트워크 간의 패킷을 중계하는 장치로, 이더넷 같은 링크 계층 프로토콜과 IP 같은 네트워크 계층 프로토콜을 모두 지원한다. 실제로는 훨씬 복잡하겠지만 간결하게 그리면 이런 구조로 생겼다.

여기서 '중계 부분'과 '포트 부분'이라는 것으로 나누어지는데, 말 그대로 중계 부분은 패킷의 중계 대상을 판단하고, 포트 부분은 실질적으로 패킷을 송수신하는 역할을 담당한다. 프로토콜 스택의 IP 담당 부분과 LAN 어댑터와 비슷하다고 보면 된다.

 

	주소 식별	전송
프로토콜 스택	IP 담당 부분	LAN 어댑터
라우터	중계 부분	포트 부분

 

우리가 사용하는 컴퓨터는 LAN 어댑터를 교환하여 이더넷뿐만 아니라 무선 LAN도 지원이 가능한데, 라우터의 포트 부분에 무선 LAN용 하드웨어를 장착하거나 컴퓨터용 LAN 어댑터를 장착하면 어떤 기술을 지원할지 선택이 가능하다. 혹은 ADSL, FTTH 같은 통신 회선도 선택이 가능하다.

 

그래서 만약 포트 부분이 이더넷이라면 이더넷 규칙을, 무선 LAN이라면 무선 LAN 규칙을, 통신 회선이면 통신 회선 규칙을 따르게 된다.

💡 포트 부분의 하드웨어에 의뢰하여 패킷을 수신하고, 중계 부분에서 받은 패킷의 IP 패킷에 기록된 수신처 IP 주소와 라우팅 테이블을 비교하여 중계 대상을 판단한 다음, 중계 대상 측의 포트로 패킷을 옮겨 포트 부분의 하드웨어 규칙에 따라서 패킷을 송신한다.

라우터의 포트는 물리적인 인터페이스로서, 각각의 포트는 모두 고유한 MAC 주소를 가지고, 이더넷에서는 MAC 주소를 사용하여 목적지 장비를 식별한다. 포트 부분이 패킷의 송/수신처가 되며, 만약 이더넷이면 라우터의 포트에는 MAC 주소가 할당되어 이더넷의 송/수신처로 동작한다. 하지만, 라우터는 패킷 중계뿐만 아니라 네트워크 계층의 패킷 중계도 수행하기 때문에 IP 주소 역시 할당받는다.

 

패킷을 중계할 때 라우터의 포트가 수신처가 되어 이더넷의 패킷 수신 동작을 실행하고,

중계 대상 조사 후 포트 부분이 다시 송신처가 되어서 이더넷의 패킷 송신 동작을 실행한다. 

 

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 🌱 라우팅 테이블 알아보기

라우터의 경우 IP 헤더에 기록된 수신처 IP 주소를 통해서 중계 대상을 판단한다.

(참고로, 라우터 이전의 스위칭 허브의 경우 MAC 헤더에 기록된 수신처 MAC 주소로 중계 대상을 판단한다) 

라우팅 테이블이 관리하는 대략적인 정보이다.

 

💬 수신처

기본적으로 수신처의 정보에는 네트워크 번호에만 값이 있고 호스트 번호 부분의 비트값은 모두 0으로 되어 있는 IP 주소가 들어있다. (모두 0이 아닌 경우는 바로 밑에서 설명할 예정)

 

💬 넷마스크

라우터는 여기에 등록된 IP 주소와 수신한 패킷의 IP 주소를 비교하여 일치하는 행을 찾는다. (네트워크 번호만 일치하는지!)

이때, 네트워크 번호의 비트 수를 비교해야 하기 때문에 라우팅 테이블에는 넷마스크도 존재한다.

 

몇 개의 서브넷을 모아서 하나의 서브넷으로 간주한 다음 라우팅 테이블에 등록하는 과정을 '주소 집약'이라고 하는데,

예를 들어 10.10.1.0/24, 10.10.2.0/24, 10.10.3.0/24라는 3개의 서브넷이 있다면 3개 모두를 등록하지 않고 10.10.0.0/16이라는 하나의 서브넷으로 묶어서 관리하는 것이다. 이때는 넷마스크 값을 변경하여 라우팅 테이블에 등록하고, 수신처에 집약된 주소를 등록하는 형태로 구성된다,

 

하지만, 반대로 묶어서 관리하지 않고 한 개의 서브넷을 세분화하여 여러 개처럼 보이도록 하고 싶을 수도 있다.

이때는 호스트 번호 부분 값이 들어있는 개별 컴퓨터를 나타내는 주소를 수신처 항목에 등록한다.

넷마스크 값은 32비트를 전부 1로 만든 255.255.255.255로 설정하면 된다. (테이블에서 2, 4번째 행이 그 경우이다.)

 

💬 게이트웨이와 인터페이스, 메트릭

수신처과 넷마스크을 통해 일치하는 행을 찾아내면, 인터페이스에 등록된 포트에서 게이트웨이에 등록된 IP 주소를 가진 라우터에 대해 패킷을 중계하게 된다. 메트릭의 경우 수가 작을수록 수신처 IP 주소에 기록된 목적지가 가까우며, 크다면 먼 것을 의미한다.

 

- cf. 스위칭 허브는 패킷 중계 시에 MAC 주소 테이블의 내용을 추가하면서 테이블의 내용을 변경하지만, 라우터에서는 단순히 라우팅 테이블의 내용을 조회하기만 한다. 라우팅 테이블에 정보를 등록하는 건 사람이 직접 등록하는 방법도 있고, 라우팅 프로토콜 (ex. RIP, OSPF, BGP)을 활용하여 라우터끼리 정보를 교환하고 자체적으로 정보를 등록하도록 만들 수 있다.

 

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 🌱 라우터의 패킷 수신 처리

이더넷 포트에서의 패킷 수신 동작을 알아보자.

여기서 한 번 정리!

이더넷의 경우 링크 계층 프로토콜로, 컴퓨터, 스위치, 허브 같은 단말 장비들이 통신할 수 있는 방법을 제공하는 프로토콜이다.
케이블이나 무선 매체를 통해 데이터를 전송하고, 각 장비는 고유한 <MAC 주소>를 가지고 있다.
- 즉, 같은 네트워크 상에서 데이터를 전송하는 프로토콜

라우터의 경우 네트워크 계층 프로토콜인 IP를 사용하여 네트워크 간의 패킷을 중계한다.
서로 다른 네트워크 네트워크에서 장비들이 통신할 수 있도록 연결해주며 각 라우터의 포트는 고유한 <IP 주소>를 가지고 있다.
- 즉, 다른 네트워크 상에서 통신을 중계하는 프로토콜

그래서 라우터는 다양한 종류의 매체를 통해 데이터를 전송할 수 있으며,
여기서는 대표적으로 이더넷 매체를 통해 데이터를 전송하는 방법을 보여준다. 
핵심만 요약하면 라우터는 목적지 IP 주소를 기반으로 다음 라우터 / 목적지 네트워크로 패킷을 중계한다. 이때, 이더넷은 MAC 주소를 통해 통신하기 때문에 라우터는 이더넷 헤더에 목적지와 송신지 MAC 주소를 기록하여 이더넷 매체에게 패킷을 전송한다. 

https://elearning.vector.com/mod/page/view.php?id=2070

 

신호가 커넥터 부분에 도착하게 되면 PHY (MAU) - MAC 회로에서 신호를 데이터로 변환하고, 패킷 끝부분의 FCS를 대조하여 오류 유무 점검 후 정상이면 MAC 헤더의 수신처 MAC 주소가 본인과 일치하는지 확인한다.

만약 일치한다면 패킷을 수신 버퍼 메모리에 저장하고, 일치하지 않으면 해당 패킷은 폐기한다.

 

라우터는 패킷 수신 동작이 끝나면 MAC 헤더를 폐기한다.

수신처 MAC 헤더에는 라우터의 포트 번호에 할당된 MAC 주소가 기록되어 있었기 때문에 단순히 라우터에게 패킷을 건네주는 것까지가 역할이다. 그렇기 때문에 IP 헤더의 내용을 바탕으로 패킷 중계 동작을 시작한다.

 

 

💬 라우팅 테이블에서 일치하는 행 찾기

 

이 그림을 다시 보자. 10.10.1.101 PC에 192.168.1.10 서버에 보낸 패킷이 라우터에 들어온 상황이다.

라우팅 테이블에서 넷마스크를 통해 네트워크 번호의 비트 수를 판단하여 네트워크 번호만 비교하게 된다.

 

첫 번째 행을 예시로 보자. 여기서 넷마스크가 255.255.255.0이기 때문에 24비트만 확인하게 되고, 수신처 IP 주소 중 앞의 24비트만 떼서 192.168.1와 10.10.1을 비교하게 된다. 첫 번째 행은 일치하지 않기 때문에 패스한다.

 

같은 방법으로 두 번째 행의 경우 32비트 전부를 비교해서 10.10.1.101와 192.168.1.10이 다르기 때문에 패스하고,

세 번째 행은 192.168.1 == 192.168.1이라 후보로 넣는다. 네 번째 행은 192.168.1.10 == 192.168.1.10, 다섯 번째 행은 0개의 비트를 비교하는 것 (무조건 통과)이기 때문에 후보가 된다.

 

그렇다면 총 3, 4, 5번째 행이 중계 대상인데, 어디를 선택해야 할까? 여기서 네트워크 번호의 비트 수가 가장 긴 것을 찾는다.

만약 네트워크 번호의 길이가 동일하다면, 매트릭 값이 더 작은 값을 기준으로 선택한다.

이는, 네트워크 번호의 비트 수가 길면 자연스럽게 호스트 번호의 비트 수가 적어지면서, 호스트 번호로 할당 가능한 번호의 수가 적어져 서브넷에 접속 가능한 대수가 적다는 의미가 되어, 더 적은 범위를 선택하는 것과 동일해진다.

 

3번째 행의 경우 192.168.1.10/255.255.255.0이라는 서브넷을 나타내며, 4번째 행의 경우 192.168.1.10/255.255.255.255라는 서버를 나타내게 된다. 두 행의 차이를 생각해보자. 3번째 행은 네트워크 번호가 24비트 호스트 번호가 8비트, 4번째 행은 네트워크 번호가 32비트를 나타내게 되기 때문에 4행을 선택하게 된다.

 

 

💬 라우팅 테이블에서 일치하는 행이 하나도 없을 때

이때는 해당 패킷을 폐기하고, ICMP 메시지를 통해 송신처에게 일치하는 게 없다고 통지한다.

스위칭 허브의 경우 모든 포트에 패킷을 뿌리지만, 라우터의 경우 범위가 매우 크기 때문에 중계 대상이 명확하지 않으면 폐기한다.

 

하지만, 사실 5행처럼 넷마스크 항목을 0.0.0.0으로 한다면 모든 주소와 일치하기 때문에 중계 대상이 분명하지 않은 경우는 없다.

5행의 게이트웨이 항목을 통해 인터넷으로 나가는 라우터를 등록해주면, 일치하는 행이 없을 경우 이쪽으로 중계한다.

5행 자체를 '기본 경로'라고 하며, 여기에 등록한 라우터를 '기본 게이트웨이'라고 한다.

 

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 🌱 패킷의 유효 기간

이전 포스팅에서 IP 헤더의 필드 중 TTL 이라는 친구를 봤었다.

TTL은 패킷의 생존 기간을 나타내며, 라우터를 경유할 때마다 1씩 값이 줄어들어 0이 되면 만료로 간주한다.

사실 이는, 라우팅 테이블에 등록된 정보에 오류가 있거나 기기 자체 고장 등으로 인해서 무한으로 순환되는 것을 막기 위해서 생긴 필드이다. 송신처가 처음에 패킷을 송신할 때 64, 128 같은 값을 등록한다.

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 🌱 패킷의 크기가 큰 경우

앞에서는 계속 이더넷만 말했지만, 사실 라우터의 포트 부분에는 통신 회선이나 그 외 다른 LAN 등도 존재한다.

위의 종류에 따라서 패킷의 최대 길이 역시 달라지기 때문에 출력 포트측의 패킷 길이가 입력측보다 작아서 부족한 경우도 발생한다!

 

이때 IP 프로토콜에서 규정된 'fragmentation' 을 사용하여 패킷을 분할한 다음 중계한다.

먼저, 출력측의 MTU를 조사하여 해당 패킷을 출력측에서 그대로 송신할 수 있는지 조사한다.

패킷의 최대 길이는 포트의 종류에 따라 결정되기 때문에, 헤더의 길이를 빼서 MTU를 산출하여 중계하는 패킷의 길이와 비교한다.

출력측의 MTU가 작아서 분할해야 하는 경우, IP 헤더의 플래그 필드를 통해 분할이 가능한지 확인한다.

 

만약 플래그가 분할 불가라면 패킷을 폐기한 뒤 ICMP 메시지로 알리고, 아니라면 분할을 진행한다.

이때, TCP 헤더 이후의 부분을 분할 대상으로 간주하며, 이는 IP 입장에서 데이터든 TCP 헤더든 의뢰받은 데이터로 보기 때문에 사용한다.

IP 헤더에는 분할 시 필요했던 핵심 정보를 일부 기록한다.

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🌱 송신 진행하기

이제 송신 이전의 전처리 작업은 끝났기 때문에 출력측 포트에 따른 송신 작업을 진행한다.

이더넷이라면 이더넷 규칙에 따라 패킷을 신호로 바꾸고, ADSL이라면 ADSL의 규칙을 따라 변환한다.

출력측의 포트가 이더넷이라면, 패킷의 맨 앞부분에 MAC 헤더를 부가하여 패킷을 완성시킨 후 전기신호로 변환해서 보낸다.

 

 

💬 수신처 MAC 주소 필드

먼저 MAC 헤더의 수신처 MAC 주소 필드를 채우기 위해서 라우팅 테이블의 '게이트웨이' 항목을 살핀다.

만약 값이 있으면 해당 IP 주소를 건네줄 상대로 입력하고, 비어있다면 IP 헤더의 수신처 주소를 설정한다.

IP 주소를 설정했다면 ARP를 통해 IP 주소에서 MAC 주소를 조사하고, 해당 결과를 수신처 MAC 주소로 설정한다.

(마찬가지로 라우터에도 ARP 캐시가 있기 때문에 캐시값을 먼저 살펴본다)

 

 

💬 송신처 MAC 주소 필드

출력측 포트에 할당된 MAC 주소로 설정한다. (보통 하드웨어 제조시 ROM에 기입되어 있다)

 

이렇게 패킷이 만들어졌기 때문에 전기 신호로 만들고, 이더넷이라면 스위칭 허브를 통해 수신처 MAC 주소를 확인하여 거기 적힌 다음 라우터 주소까지 패킷을 운반시킨다. 이렇게 계속 반복되어 최종적으로 목적지에 도착한다!

 

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🌱 라우터 vs 스위칭 허브

라우터와 스위칭 허브를 중간중간 비교해서 말했는데, 간단하게 비교하면서 마무리하고자 한다.

사실 앞서 말했던 '패킷 중계 시 MAC 헤더를 젤 앞에 부여하기' 라는 것은, 이더넷 패킷의 데이터 부분에 IP의 패킷을 넣는 것이다.

= IP는 스스로 패킷을 운반할 수 없기 때문에 이더넷의 원리로 다음 라우터까지 운반되는 것.

 

라우터는 IP를 기반으로 하고, 스위칭 허브는 이더넷을 기반으로 하기 때문에 IP와 이더넷을 잘 구분해야 한다.

사실 앞서서는 라우터가 패킷을 운반하는 것을 스위칭 허브에게 의뢰한다고 했지만, 스위칭 허브가 아닌 리피터 허브를 사용하거나, 라우터 포트를 직접 연결할 수도 있기 때문에 라우터 입장에서는 패킷이 어떻게 운반되더라도 그냥 운반되기만 하면 된다.

 

💡 통신 상대까지 패킷을 전달하는 전체 동작은 IP(라우터)가 담당하고,
이때 다음 라우터까지 패킷을 운반하는 역할은 이더넷 (스위칭 허브)가 담당한다.

 

IP가 이더넷에게 의뢰할 때는 최종 목적지가 아닌, 다음 라우터까지 패킷을 운반하는 것을 의뢰하고 있기 때문에 MAC 헤더 생성 시 IP 경로표에서 다음 라우터의 IP 주소를 조사하고, ARP를 통해 조사한 MAC 주소를 수신처 MAC 주소에게 의뢰한다.

그리고 다음 라우터는 패킷을 받아서 이걸 또 반복해서 이더넷에게 의뢰한다. 

 

그냥 중요한 건 라우터까지 패킷을 라우터가 운반하는 게 아니라, 다양한 통신 기술 (이더넷이나 무선 LAN이나...)을 사용하여 운반하는 것이다. 이런 식으로 다양한 통신 기술을 활용할 수 있다는 게 곧 IP의 큰 특징이 되며, 덕분에 인터넷 같은 큰 네트워크를 만들 수 있게 되엇다.