[네트워크] 제어 평면 (The Control Plane)

0. 제어 평면

네트워크 계층의 기능
  - 포워딩 : 패킷을 라우터 내부의 입력포트에서 출력포트로 전송하는 방법 / 데이터 평면과 관련이 있음
  - 라우팅 : 네트워크 차원에서 어떤 라우터를 거쳐 전송할지 결정하는 방법 / 제어 평면과 관련이 있음
  - 여기서, 제어평면에는 두 가지 방식이 있음
  - 전통적인 방법 : 라우터에 각자의 라우팅 알고리즘이 들어있음
  - SDN(Software Defined Networking) : 논리적으로 집중된 제어

 

Computer Networking : A Top Down Approach 교재

 

 

1. 라우팅 프로토콜

라우팅 알고리즘
  - 패킷이 거치는 라우터의 경로를 좋게(가장 적은 비용으로, 빠르게, 덜 혼잡하게) 만들어 보자!
  - 네트워크를 노드(라우터)와 엣지(링크)로 이루어지는 그래프로 추상화해 생각
  - 엣지를 지나는데에 드는 비용은 대역폭이나, 혼잡한 정도에 영향을 받을 수 있음
  - 라우팅 알고리즘은 global(전지적 상황), decentralized(주변 상황) / static, dynamic으로 분류할 수 있다

 

link-state 알고리즘(global 라우팅)
  - 다익스트라 알고리즘
  - 전지적 정보를 브로드캐스트를 통해 모두 알고있음
  - 어떤 노드든 현재 노드에서 최적의 경로를 포워딩 테이블을 통해 찾을 수 있음
  - https://blog.naver.com/ndb796/221234424646

 

distance-vector 알고리즘(decentralized 라우팅)
  - 벨만 포드 방정식(동적 프로그래밍)
  - 각 노드가 연결된 링크의 비용이 바뀌었음을 감지할 수 있음
  - 이 때, 비용이 적어짐은 빨리 알 수 있지만, 많아짐은 늦게 알 수 있어 문제 발생
  -http://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=ryutuna&logNo=100126060021

 

LS(list-state)와 DV(distance-vector)알고리즘 비교
  - LS : O( 노드 수 * 엣지 수 )의 메세지가 O(n^)의 속도로 전송 / 중간의 라우터 고장 시 다른 곳으로 보낼 수 있다.
  - DV : 그때 그때 다름 / 중간의 라우터 고장 시 경로 비용을 잘못 계산할 수 있다.

 

 

 

2. OSPF (Open Shortest Path First)

OSPF 라우팅은 인터넷에서 AS 내부 라우팅에 널리 사용된다. OSPF의 Open은 라우팅 프로토콜에 대한 명세가 공개적으로 사용 가능함을 의미한다. (반대의 예를 들면, 시스코의 EIGRP 프로토콜은 시스코에서 비공개로 대략 20년 간 사용하다가 최근에서야 공개했다.) OSPF는 링크 상태 정보를 플러딩하고 다익스트라 최소 비용 경로 알고리즘을 사용하는 링크 상태 알고리즘이다. OSPF를 이용하여 각 라우터는 전체 AS에 대한 완벽한 토폴로지 그래프를 얻는다. 각 라우터는 자신을 루트 노드로 두고 모든 서브넷에 이르는 최단 경로 트리를 결정하기 위해서 혼자 다익스트라의 최단 경로 알고리즘을 수행한다. 개별 링크들의 비용은 네트워크 관리자가 구성한다. 또한 OSPF를 사용하는 라우터는 인접한 라우터만이 아니라 자율 시스템 내의 다른 모든 라우터에게 라우팅 정보를 브로드캐스트 한다. 라우터는 링크 상태가 변경될 때마다 링크 상태 정보를 브로드캐스트 하고 링크 상태가 변경되지 않았더라도 정기적으로 링크 상태를 브로드캐스트한다. 
(출처 : https://wogh8732.tistory.com/33?category=670138)

 

  - 앞에서 다뤘던 상황들은 이상적인 상황들. 실제로 그 많은 주소를 어떻게 테이블로 관리하겠는가!
  - 하지만 모든 호스트가 아닌 네트워크 단위로 다룬다면?
  - 이때의 단위를 AS (autonomous system) : 동일한 인터넷 관리자에 의해 동일한 라우팅 프로토콜을 사용하는 단위
  - OSPF는 AS 내부 라우팅에 사용되고, 전체 링크 상태를 플러딩해서 link-state(다익스트라)로 라우팅
  - 보안성, 같은 비용의 경로 허용, 내부의 계층적 구조 등
  - 계층적으로는 지역, 중추로 나눔 각자 자기 지역에 대해 잘 알지만, 다른 지역으로는 방향만 알고있음
  - 각 지역의 임원 라우터는 자기 지역의 정보를 요약해서 다른 지역의 임원 라우터로 전달

 

 

 

3. BGP

OSPF가 AS 내부 라우팅 프로토콜이라고 위에서 설명했다. 동일한 AS 내에 있는 출발지와 목적지 사이에서 패킷을 라우팅할 때, 패킷이 전송되는 경로는 전적으로 AS 내부 라우팅 프로토콜에 의해 결정된다. 그러나 패킷이 여러 AS를 통과하도록 라우팅 할 때, 우리는 AS간 라우팅 프로토콜이 필요하다. AS 간 라우팅 프로토콜은 여러 AS간의 협력이 수반되므로 통신하는 AS들은 같은 AS 간 라우팅 프로토콜을 수행해야만 한다. 인터넷의 모든 AS들은 경계 게이트웨이 프로토콜, 즉 BGP라고 불리는 프로토콜을 사용한다. BGP는 인터넷에 수천 개의 ISP 들을 연결하는 프로토콜이므로, 인터넷 프로토콜들 중에 가장 중요하다.

  - BGP는 나 여기있어요 하고 알리는 프로토콜
  - eBGP는 AS간의 통신, iBGP는 AS내부의 통신(OSPF는 라우터 내부의 데이터를 다루는거라 iBGP와 역할이 다름)
  - 메세지 타입(기본적으로 TCP 사용) : OPEN, UPDATE, KEEPALIVE, NOTIFICATION
  - 정책 + shortest AS-PATH + hot potatto NEXT-HOP + 기타 조건 = RGB 라우팅
  - 여기서 정책은, 여기로는 라우팅 하지 않겠다!
  - 자신을 거쳐서 라우팅 해버리면 경로가 알려져 계속해서 나를 거쳐갈 것이므로 안 알려주면 됨

 

뜨거운 감자 라우팅(Hot Potato Routing)
  - 뜨거운 감자를 손에 들고 있다면 생각할 새도 없이 가장 가까운 사람에게 넘길 것
  - AS역시 목적지를 향해서 외부 AS로 패킷을 넘길 때, 자신에게 가장 가까운 AS로 넘김

 

AS 내부 라우팅, AS 외부 라우팅
  - 내부(intra-AS), OSPF : 관리자가 정책적으로 직접 트래픽을 제어가능, 네트워크 성능에만 집중할 수 있음
  - 외부(inter-AS),  BGP : 관리자가 제어할 것 없지만, 성능보다는 정책적인 결정이 중요

 

 

 

4. SDN (Software Defined Networking)

제어 평면(control plane)
  - 테이블이나 경로를 위한 데이터가 오가는 제어평면은 데이터 평면과 분리해서 생각
  - 전통적인 방법(per-router) : 제어 평면에서 각 라우터에 있는 포워딩 테이블을 서로 주고 받으며 계산하는 방법
  - 논리적으로 집중된 방법(logically centralized) : 따로 제어하는 컨트롤러를 두고, 일괄적으로 계산해서 전달

 

SDN
  - 논리적으로 집중된 방법
  - 라우터의 에러, 흐름 제어 등 관리가 더 좋고, 프로그래밍 하기에도 더 쉽다.
  - 라우터 네트워크는 세가지 평면으로 분리해 생각(데이터 평면ㅡ제어 평면(SDN 컨트롤러ㅡ제어프로그램))
  - 데이터 평면 : 컨트롤러와 통신(계산된 테이블)하는 프로토콜 필요
  - SDN 컨트롤러 : 데이터 평면과 통신해 네트워크 상황 정보 얻고, 상위의 제어 프로그램과 통신
  - 제어 프로그램(network-control application) : 실질적으로 상황정보를 가지고 계산을 해내는 핵심 역할
  - https://d2.naver.com/helloworld/387756

  - 오류가 났을 때의 과정
  - 1. 링크 오류를 감지하고, OpenFlow API를 이용해서 SDN 컨트롤러에게 보고
  - 2. SDN 컨트롤러는 그걸로 링크 상황 정보를 업데이트
  - 3. 상황 정보 변경 시, 제어 프로그램 호출
  - 4. 제어 프로그램이 SDN 컨트롤러의 정보에 접근해 새로운 라우팅 방법을 계산
  - 5. 제어 프로그램이 계산 결과로 SDN 컨트롤러의 flow table 영역을 업데이트 해줌
  - 6. 컨트롤러는 데이터 평면의 스위치들에 OpenFlow를 활용해 테이블을 업데이트 해줌
  - 꼭 OpenFlow 아니더라도 ODL, ONOS 등 여러가지 존재

 

 

 

5. ICMP, SNMP

ICMP(Internet Control Message Protocol)
  - 호스트와 라우터가 네트워크 단계 정보를 교환하기 위해 사용
  - 에러(접근할 수 없는 호스트, 포트 등), 요청, 답신 등
  - IP 데이터그램 안에 ICMP 메세지가 전달됨

 

SNMP(Simple Network Management Protocol)
  - AS 안에는 수천개의 상호작용하는 호스트들이 있고, 비행기, 원자력 발전소 등 모니터링 및 네트워크의 관리가 필요
  - 관리 개체는 MIB(Management Information Base)를 갖고 관리받는 개체들에게서 데이터를 모음
  - 모으는 방식은 두 가지( 관리개체가 요청해서 응답을 받거나, 관리받는 개체들이 변화가 생기면 알아서 보냄)