4.1 네트워크 계층 계요
두 호스트 H1과 H2가 있을 때, 네트워크 계층은 두 호스트 중 하나의 트랜스포트 계층 세그먼트를 추출하여 H2의 트랜스포트 계층까지 전달하는 역할을 한다.
라우터는 트랜스포트 계층과 애플리케이션 계층을 지원하지 않으므로 프로토콜 스택에서 네트워크 계층의 상위 계층은 존재하지 않는다.
각 라우터에는 데이터 평면과 제어 평면이 존재한다.
데이터 평면: 입력 링크에서 출력 링크로 데이터그램을 전달한다.제어 평면: 데이터그램이 출발지 호스트에서 목적지 호스트까지 전달되게끔 로컬 포워딩, 라우터별 포워딩을 대응
4.1.1 포워딩과 라우팅: 데이터 평면과 제어 평면
네트워크 계층의 근본적인 역할은 송신 호스트에서 수신 호스트로 패킷을 전달하는 것이다.
위 역할을 위한 중요한 기능 두 가지
포워딩(전달): 패킷이 라우터의 입력 링크에 도달했을 때 라우터는 그 패킷을 적절한 출력 링크로 이동시켜야 한다. 포워딩에서 예외적으로 한 기능은 데이터 평면에서 실행된다. 매우 짧은 시간 단위(보통 몇 나노초)를 갖기에 대표적으로 하드웨어에서 실행된다.라우팅: 송신자가 수신자에게 패킷을 보낼 때 네트워크 계층은 패킷 경로를 결정해야 한다. 이러한 경로를 계산하는 알고리즘을 라우팅 알고리즘이라고 한다. 네트워크 전반에 걸쳐 출발지에서 목적지까지 데이터그램의 종단 간 경로를 결정하여 시간이 오래걸려 소프트웨어에서 실행된다.
포워딩 테이블
라우터는 도착하는 패킷 헤더의 필드값을 통해 포워딩 테이블의 내부 색인으로 사용하여 패킷을 전달한다.
포워딩 테이블 엔트리에 저장되어 있는 헤더의 값은 해당 패킷이 전달되어야 할 라우터의 외부 링크 인터페이스를 나타낸다.
제어 평면: 전통적인 접근 방법
라우팅 알고리즘은 각각의 모든 라우터에서 실행되며, 라우터는 포워딩과 라우팅 기능을 모두 갖고 있어야 한다.
또한, 한 라우터의 라우팅 알고리즘 기능은 다른 라우터의 라우팅 알고리즘과 소통하며 포워딩 테이블의 값을 계산한다.
이러한 소통은 라우팅 프로토콜에 따라 라우팅 정보에 포함한 라우팅 메시지를 교환하며 이루어진다.
제어 평면: SDN 접근 방법
위 그림은 라우터로부터 물리적으로 분리된 원격 컨트롤러 컴퓨터와 각각의 라우터에 의해 사용될 포워딩 테이블을 분배하는 다른 접근법을 보여준다.
라우터는 원격 컨트롤러와 포워딩 테이블과 그 밖의 라우팅 정보를 포함한 메시지를 교환함으로써 소통한다.
원격 컨트롤러가 포워딩 테이블을 계산 및 배분하는 동안 라우팅 기기는 포워딩만을 수행한다. 즉, 네트워크가 소프트웨어적으로 정의되었을 때 포워딩 테이블을 계산하는 컨 트롤러는 라우터와 상호작용을 하며 소프트웨어에서 실행된다.
이렇게 원격 컨트롤러가 라우터와 떨어져서 높은 신뢰성과 중복성을 갖춘 원격 데이터 센터에 위치하는 접근 방법은 SDN(Software-Defined Networking)의 중심이다.
4.1.2 네트워크 서비스 모델
네트워크 계층 제공 서비스
보장된 전달: 이 서비스 패킷이 출발지 호스트에서부터 목적지 호스트까지 도착하는 것을 보장한다.지연 제한 이내의 보장된 전달: 이 서비스는 패킷의 전달을 보장할 뿐만 아니라 호스트 간의 특정 지연 제한(예: 100ms이내) 안에 전달한다.순서화 패킷 전달: 이 서비스는 패킷이 목적지에 송신된 순서대로 도착하는 것을 보장한다.최소 대역폭 보장: 이 네트워크 계층 서비스는 송신과 수신 호스트 사이에 특정한 비트율의 전송 링크를 애뮬레이트한다. 송신 호스트가 비트들을 특정한 비트율 이하로 전송하는 한, 모든 패킷이 목적지 호스트까지 전달된다.보안 서비스: 네트워크 계층은 모든 데이터 그램을 출발지 호스트에서는 암호화, 목적지 호스트에서는 복호화 할 수 있게 하여 트랜스포트 계층의 모든 세그먼트에 대해 기밀성을 유지해야한다.
이 외에도 수많은 변형들이 있다.
인터넷 네트워크 계층은 최선형 서비스(best-effort service) 라고 알려진 서비스를 제공한다.
최선형 서비스의 특징
- 패킷을 보내는 순서대로 수신됨을 보장하지 않는다.
- 목적지까지 패킷이 전송됨을 보장하지 않는다.
- 종단 시스템 간 지연이 보장되지 않는다.
- 보장된 최소 대역폭이 없다.
- 이렇게 서비스를 제공하지 못하는 인터넷 네트워크 계층의 대안으로 좋은 보다 서비스 모델을 정의하고 구현했지만 인터넷 네트워크 계층은 놀라운 범위의 애플리케이션을 가능하게 할만큼 충분히 좋다고 입증되었다.