IT Professional Engineering/NW

링크상태(Link State) 라우팅: 네트워크 토폴로지 기반 최적 경로 결정 방식

GilliLab IT 2025. 6. 30. 18:31
728x90
반응형

링크상태(Link State) 라우팅: 네트워크 토폴로지 기반 최적 경로 결정 방식

링크상태 라우팅의 개념

  • 링크상태(Link State) 라우팅은 전체 네트워크 토폴로지 정보를 기반으로 최단 경로를 계산하는 라우팅 알고리즘.
  • 각 라우터가 전체 네트워크의 토폴로지를 파악하고 이를 바탕으로 최적의 경로를 독자적으로 계산.
  • 라우터가 자신과 직접 연결된 링크의 상태 정보를 네트워크 전체에 전파하는 방식으로 동작.
  • 다른 라우팅 프로토콜(예: 거리 벡터 라우팅)과 달리 전체 네트워크 맵을 구축한 후 경로 결정.
  • 대표적 프로토콜: OSPF(Open Shortest Path First), IS-IS(Intermediate System to Intermediate System).
  • 주로 대규모 기업 네트워크나 ISP 백본 네트워크에서 활용.

링크상태 라우팅의 작동 원리

  1. LSP(Link State Packet) 생성: 각 라우터는 자신의 상태와 이웃 라우터 정보를 포함한 LSP 생성.
  2. 플러딩(Flooding): LSP를 네트워크 전체에 전파하여 모든 라우터가 동일한 정보를 보유하도록 함.
  3. 토폴로지 데이터베이스 구축: 수신한 LSP를 기반으로 전체 네트워크 토폴로지 DB 구축.
  4. SPF 알고리즘 실행: 다익스트라(Dijkstra) 알고리즘을 이용해 모든 목적지까지의 최단 경로 계산.
  5. 라우팅 테이블 구성: 계산된 최단 경로를 바탕으로 라우팅 테이블 업데이트.
graph TD
    A[라우터 시작] --> B[링크 상태 감지]
    B --> C[LSP 생성]
    C --> D[플러딩 - 네트워크 전체에 LSP 전파]
    D --> E[토폴로지 데이터베이스 구축]
    E --> F[SPF 알고리즘 실행]
    F --> G[라우팅 테이블 구성]
    G --> H[패킷 전달]
    H --> B

SPF(Shortest Path First) 알고리즘

  • 링크상태 라우팅의 핵심은 다익스트라(Dijkstra) 알고리즘을 기반으로 한 SPF 알고리즘.
  • 라우터는 자신을 루트(Root)로 하는 SPF 트리를 구성.
  • 모든 네트워크 노드까지의 최단 경로를 계산하여 트리 형태로 표현.
  • 경로 계산 과정:
    1. 자신을 시작점으로 설정(거리 0).
    2. 모든 인접 노드에 대한 거리 계산.
    3. 가장 가까운 노드를 선택하여 방문 처리.
    4. 선택된 노드를 통해 다른 노드로의 새로운 경로가 더 짧은지 확인하고 업데이트.
    5. 모든 노드를 방문할 때까지 반복.
graph TD
    A((A)) --- |1| B((B))
    A --- |5| C((C))
    B --- |2| C
    B --- |2| D((D))
    C --- |1| D
    C --- |5| E((E))
    D --- |1| E

    style A fill:#f96,stroke:#333,stroke-width:2px

위 토폴로지에서 A 라우터가 다익스트라 알고리즘을 적용하면:

  • A에서 B까지: 직접 연결로 비용 1
  • A에서 C까지: A→B→C 경로로 비용 3 (A→C 직접 연결의 비용 5보다 효율적)
  • A에서 D까지: A→B→D 경로로 비용 3
  • A에서 E까지: A→B→D→E 경로로 비용 4

LSP(Link State Packet) 구조

  • LSP는 라우터의 ID, 링크 정보, 시퀀스 번호, TTL(Time To Live) 등을 포함.
  • 시퀀스 번호는 최신 정보 식별과 중복 제거에 사용.
  • 일반적인 LSP 구성 요소:
    1. 라우터 ID: 네트워크에서 라우터를 고유하게 식별하는 값.
    2. 인접 라우터 목록: 직접 연결된 모든 이웃 라우터.
    3. 링크 비용: 각 링크의 메트릭 값(대역폭, 지연 시간 등 기반).
    4. 시퀀스 번호: LSP의 최신 상태 확인용.
    5. 에이징(Aging) 정보: LSP의 유효 기간.

플러딩(Flooding) 메커니즘

  • 링크상태 정보를 네트워크 전체에 효율적으로 전파하는 핵심 기술.
  • 작동 과정:
    1. 라우터가 LSP 생성 또는 변경 감지.
    2. 자신과 연결된 모든 인터페이스로 LSP 전송(수신한 인터페이스 제외).
    3. LSP를 수신한 라우터는 자신의 DB와 비교하여 새로운 정보인 경우에만 재전송.
    4. 이미 처리한 LSP는 중복 처리 방지를 위해 무시.
  • 루프 방지 메커니즘 포함: 시퀀스 번호, TTL 값 등.
sequenceDiagram
    participant A as 라우터 A
    participant B as 라우터 B
    participant C as 라우터 C
    participant D as 라우터 D

    A->>B: LSP 전송
    A->>C: LSP 전송
    B->>D: LSP 전송
    C->>D: LSP 전송 (이미 받았으므로 무시)

링크상태 라우팅의 장점

  • 빠른 수렴 시간: 네트워크 변화 시 빠르게 적응.
  • 네트워크 변화에 효율적 대응: 변경된 링크 정보만 전파.
  • 루프 방지: 전체 토폴로지 정보를 기반으로 경로 계산으로 라우팅 루프 방지.
  • 계층적 설계 가능: 영역(Area) 개념을 통한 대규모 네트워크 관리(OSPF).
  • 효율적인 경로 선택: 최적 경로 결정을 위한 다양한 메트릭 사용 가능.
  • 대역폭 효율성: 초기 설정 후 변경사항만 교환하여 대역폭 절약.

링크상태 라우팅의 단점

  • 높은 메모리 요구량: 전체 토폴로지 정보 저장 필요.
  • CPU 부하: SPF 알고리즘 계산에 상당한 처리 능력 요구.
  • 설정 복잡성: 거리 벡터 프로토콜보다 구성이 복잡.
  • 초기 설정 오버헤드: 초기 전체 토폴로지 공유 시 많은 트래픽 발생.

OSPF(Open Shortest Path First)

  • 가장 널리 사용되는 링크상태 라우팅 프로토콜.
  • IP 네트워크용 표준 IGP(Interior Gateway Protocol).
  • 특징:
    1. 영역(Area) 기반 계층적 설계 지원.
    2. 다양한 네트워크 유형 지원(브로드캐스트, 포인트-투-포인트 등).
    3. 인증 지원으로 보안 강화.
    4. 빠른 수렴 시간.
    5. 가변 길이 서브넷 마스크(VLSM) 지원.
    6. 로드 밸런싱 지원.
graph TD
    subgraph "Area 0 (백본 영역)"
        ABR1((ABR1))
        ABR2((ABR2))
        IR1((IR1))
        ABR1 --- IR1
        IR1 --- ABR2
        ABR1 --- ABR2
    end

    subgraph "Area 1"
        ABR1 --- R1((R1))
        R1 --- R2((R2))
        R2 --- R3((R3))
    end

    subgraph "Area 2"
        ABR2 --- R4((R4))
        R4 --- R5((R5))
    end

    style ABR1 fill:#f96,stroke:#333,stroke-width:2px
    style ABR2 fill:#f96,stroke:#333,stroke-width:2px

EIGRP(Enhanced Interior Gateway Routing Protocol)

  • 시스코의 하이브리드 라우팅 프로토콜이지만 링크상태 특성 보유.
  • 거리 벡터 알고리즘과 링크상태 알고리즘의 장점 결합.
  • 특징:
    1. DUAL(Diffusing Update Algorithm) 사용으로 빠른 수렴.
    2. 부분적 업데이트 전송으로 대역폭 효율성.
    3. 다양한 네트워크 프로토콜 지원.
    4. 다중 메트릭 사용(대역폭, 지연, 신뢰성, 부하, MTU).
    5. 불균형 로드 밸런싱 지원.

IS-IS(Intermediate System to Intermediate System)

  • OSI 모델을 위해 설계된 링크상태 라우팅 프로토콜.
  • 대규모 ISP 백본에서 널리 사용.
  • 특징:
    1. 레벨 1과 레벨 2 라우팅으로 계층적 구조 지원.
    2. 라우팅 도메인 내에서 효율적인 경로 계산.
    3. IPv4, IPv6, IPX 등 다양한 네트워크 프로토콜 지원.
    4. OSPF보다 설정이 간단하고 확장성이 우수.

링크상태 라우팅 구현 사례

대기업 네트워크 구현 사례

  • 다수의 지사와 데이터센터를 보유한 금융회사 네트워크:
    • 백본 네트워크에 OSPF Area 0 구성.
    • 각 지역 지사는 별도 OSPF Area로 구성.
    • ABR(Area Border Router)를 통한 영역 간 연결.
    • 중요 링크에 대한 비용(cost) 조정으로 트래픽 엔지니어링.
    • 이중화된 WAN 링크를 통한 고가용성 확보.

ISP 백본 구현 사례

  • 대형 통신사업자 네트워크:
    • IS-IS 프로토콜을 코어 네트워크에 구현.
    • 레벨 1(지역 라우팅)과 레벨 2(백본 라우팅) 계층 구성.
    • BGP와의 연동을 통한 인터넷 라우팅.
    • 트래픽 엔지니어링을 위한 메트릭 조정.
    • 빠른 컨버전스를 위한 BFD(Bidirectional Forwarding Detection) 활용.

링크상태 라우팅 최적화 기법

  • 영역 설계 최적화: 적절한 영역 분할로 토폴로지 데이터베이스 크기 제한.
  • 요약 라우팅(Route Summarization): 라우팅 테이블 크기 축소 및 업데이트 감소.
  • 필터링: 불필요한 라우팅 정보 제한.
  • LSA 타이머 조정: 네트워크 안정성과 수렴 시간 간 균형 조정.
  • 인증 구현: MD5 인증을 통한 보안 강화.
  • 로드 밸런싱: 다중 경로를 통한 트래픽 분산.
  • BFD 통합: 링크 장애 신속 탐지.

결론

  • 링크상태 라우팅은 현대 네트워크 인프라의 핵심 기술로, 전체 네트워크 토폴로지를 기반으로 최적의 경로 결정.
  • 다익스트라 알고리즘을 기반으로 한 SPF 계산으로 최단 경로 도출.
  • OSPF, IS-IS, EIGRP 등 다양한 프로토콜로 구현되며, 각각 고유한 특징과 장점 보유.
  • 대규모 네트워크에서도 효율적인 라우팅이 가능하도록 계층적 설계 지원.
  • 초기 설정과 리소스 요구량이 높지만, 안정성과 효율성 측면에서 뛰어난 성능 제공.
  • 네트워크 변화에 빠르게 적응하며 루프 없는 라우팅 보장.
  • 현대 엔터프라이즈 네트워크와 서비스 제공업체 인프라의 핵심 구성 요소로 계속 발전 중.

Keywords

Link State Routing, SPF Algorithm, OSPF, EIGRP, Dijkstra Algorithm, Flooding, 링크상태 라우팅, 다익스트라 알고리즘, 토폴로지 데이터베이스, 최단경로 계산

728x90
반응형