라우팅과 인터넷 구조 (1) - 라우팅의 기본 원리 - soo:bak

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패킷은 어떻게 목적지를 찾아가는가

네트워크 통신의 원리 (3)에서 라우터의 기본 개념을 살펴보았습니다. 라우터는 패킷의 목적지 IP 주소를 확인하고 다음 홉(next hop)을 결정하는 역할을 수행합니다.


그런데 라우터는 다음 홉을 어떻게 알 수 있을까요? 인터넷에는 수십억 개의 IP 주소가 존재하므로, 라우터가 모든 주소를 개별적으로 기억하기란 불가능합니다.


이 질문의 답을 찾으려면 라우팅의 역사로 돌아가야 합니다.

ARPANET: 분산 라우팅의 탄생

1969년, 인터넷의 전신인 ARPANET이 시작되었습니다. 미국 국방부 고등연구계획국(DARPA)이 자금을 지원한 이 프로젝트의 핵심 설계 목표는 생존성(survivability)이었습니다.


핵 공격으로 일부 노드가 파괴되더라도 나머지 네트워크가 계속 동작해야 했기에, ARPANET은 분산 라우팅(distributed routing) 방식을 채택했습니다. 중앙 제어 장치 없이 각 노드가 독립적으로 경로를 결정하며, 일부 노드가 사라지면 나머지가 자동으로 우회 경로를 탐색합니다.


ARPANET의 노드는 IMP(Interface Message Processor)라 불렸으며, 오늘날 라우터의 원형이라 할 수 있습니다.


초기 ARPANET은 단순한 알고리즘을 사용했는데, 각 IMP가 이웃과 정보를 교환하면서 최단 경로를 계산하는 방식이었습니다. 이것이 바로 라우팅 알고리즘의 출발점입니다.

라우팅 테이블: 경로의 지도

라우터의 핵심은 라우팅 테이블(Routing Table)입니다. 목적지로 가기 위해 어디로 보내야 하는지를 기록한 표로, 일종의 “경로 안내 지도” 역할을 합니다.


라우팅 테이블의 기본 구조는 다음과 같습니다.

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목적지 네트워크        다음 홉           인터페이스    메트릭
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192.168.1.0/24        직접 연결          eth0         0
10.0.0.0/8           192.168.1.1        eth0         1
172.16.0.0/16        192.168.1.2        eth0         2
0.0.0.0/0            192.168.1.254      eth0         1


각 항목의 의미를 살펴보면 다음과 같습니다.

  • 목적지 네트워크: 어디로 가는 패킷인지를 나타냄
  • 다음 홉(Next Hop): 해당 패킷을 어디로 전달해야 하는지 지정
  • 인터페이스: 어느 네트워크 인터페이스로 내보낼지 결정
  • 메트릭(Metric): 이 경로의 비용(거리)을 수치로 표현


여기서 주목할 점은 목적지가 개별 IP가 아니라 네트워크 단위라는 사실입니다. 예를 들어 192.168.1.0/24는 192.168.1.0부터 192.168.1.255까지 256개의 주소를 포함하는데, 이는 서브넷(Subnet)에서 설명한 CIDR 표기법을 따릅니다.


이처럼 네트워크 단위로 묶어서 관리하기 때문에 수십억 개의 IP 주소를 수십만 개의 네트워크 항목으로 압축할 수 있게 됩니다.

최장 접두사 매칭: 가장 구체적인 경로 선택

패킷이 도착하면 라우터는 목적지 IP와 일치하는 항목을 라우팅 테이블에서 찾습니다. 그런데 문제가 하나 있는데, 여러 항목이 동시에 일치할 수 있다는 점입니다.


예를 들어 목적지가 10.1.2.3인 경우를 살펴보겠습니다.

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10.0.0.0/8        → 일치 (10.x.x.x 모두 포함)
10.1.0.0/16       → 일치 (10.1.x.x 모두 포함)
10.1.2.0/24       → 일치 (10.1.2.x 모두 포함)
0.0.0.0/0         → 일치 (모든 주소 포함)


이 중 어떤 것을 선택해야 할까요? 이때 적용되는 원칙이 바로 최장 접두사 매칭(Longest Prefix Match)입니다. 가장 구체적인, 즉 접두사가 가장 긴 항목을 선택하는 방식입니다.


위 예시에서는 /24가 가장 길므로 10.1.2.0/24가 선택됩니다.


왜 이런 방식을 사용할까요? 더 긴 접두사는 더 구체적인 목적지를 의미하기 때문입니다. 네트워크 관리자가 특정 서브넷에 대해 별도의 경로를 지정했다면 그 의도를 존중해야 합니다.


한편 0.0.0.0/0은 기본 경로(Default Route)라 부릅니다. 모든 IP와 일치하지만 접두사 길이가 0이므로, 다른 어떤 항목도 일치하지 않을 때에만 사용됩니다.


기본 경로가 설정되어 있으면 라우터는 “모르는 목적지”에 대해서도 패킷을 전달할 수 있습니다. 가정용 공유기에서 ISP의 게이트웨이를 기본 경로로 설정하는 것이 대표적인 예입니다.

정적 라우팅: 수동 설정

라우팅 테이블을 채우는 방법은 크게 두 가지가 있습니다.


첫 번째는 정적 라우팅(Static Routing)으로, 관리자가 직접 경로를 입력하는 방식입니다.

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# Linux에서 정적 경로 추가
ip route add 10.0.0.0/8 via 192.168.1.1


정적 라우팅은 다음과 같은 특성을 지닙니다.

  • 단순함: 한 번 설정하면 변하지 않음
  • 예측 가능: 항상 동일한 경로를 사용
  • 오버헤드 없음: 라우팅 프로토콜 메시지가 필요 없어 대역폭 절약
  • 확장성 부족: 네트워크 규모가 커지면 관리 부담이 급증
  • 장애 대응 불가: 경로에 문제가 생겨도 자동으로 우회하지 못함

동적 라우팅: 자동 학습

반면 동적 라우팅(Dynamic Routing)은 라우터들이 서로 정보를 교환하여 자동으로 경로를 학습하는 방식입니다.


동적 라우팅의 동작 흐름은 다음과 같습니다.

  1. 라우터가 자신이 연결된 네트워크 정보를 이웃에게 알림
  2. 이웃 라우터는 이 정보를 받아 자신의 테이블을 업데이트
  3. 업데이트된 정보를 다시 다른 이웃에게 전파
  4. 이 과정이 반복되어 네트워크 전체가 동일한 라우팅 정보를 갖게 됨


여기서 수렴(Convergence)이란 모든 라우터가 일관된 라우팅 정보를 갖게 된 상태를 말합니다. 수렴이 완료되기 전에는 라우터마다 다른 정보를 보유할 수 있어 루프가 발생할 위험이 있습니다.


동적 라우팅의 특성은 다음과 같습니다.

  • 자동화: 네트워크 변화에 자동으로 대응
  • 장애 복구: 경로 장애 발생 시 우회 경로를 자동 선택
  • 확장성: 대규모 네트워크를 효과적으로 지원
  • 오버헤드: 라우팅 프로토콜 메시지가 대역폭을 소비
  • 복잡성: 설정과 디버깅이 상대적으로 어려움

정적 vs 동적: 언제 무엇을 선택할까

두 방식의 특성을 이해했다면, 이제 실제 상황에서 어떤 것을 선택해야 할지 알아보겠습니다.


정적 라우팅이 적합한 상황:

상황 이유
소규모 네트워크 (라우터 2~3대) 관리할 경로가 적어 수동 설정이 부담되지 않음
스텁 네트워크 (출구가 하나뿐) 어차피 모든 트래픽이 한 곳으로 가므로 동적 라우팅이 불필요
보안이 중요한 환경 경로를 고정하여 예측 불가능한 경로 변경 방지
대역폭이 제한된 링크 라우팅 프로토콜 트래픽으로 인한 오버헤드 제거
백업 경로 설정 동적 경로가 실패했을 때 사용할 대체 경로 지정


동적 라우팅이 적합한 상황:

상황 이유
중대형 네트워크 수백 개의 경로를 수동으로 관리하기 어려움
네트워크 변경이 잦은 환경 토폴로지 변화에 자동 대응 가능
고가용성이 필요한 환경 장애 발생 시 자동으로 우회 경로 선택
다중 경로가 존재하는 환경 최적 경로를 자동으로 계산하고 부하 분산 가능
여러 관리자가 관여하는 환경 일관된 라우팅 정책 유지가 용이


실무에서의 일반적인 조합:

실제 환경에서는 정적 라우팅과 동적 라우팅을 함께 사용하는 경우가 많습니다. 예를 들어 기업 네트워크의 코어에서는 OSPF 같은 동적 프로토콜을 사용하면서, 인터넷으로 나가는 기본 경로는 정적으로 설정하는 식입니다.

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내부 네트워크: 동적 라우팅 (OSPF)으로 자동 학습
외부 연결: 정적 기본 경로 (0.0.0.0/0 → ISP 게이트웨이)
백업 링크: 정적 경로로 설정하되 높은 메트릭 부여


이런 하이브리드 접근법을 통해 각 방식의 장점을 취하면서 단점을 보완할 수 있습니다.

관리 거리: 어떤 정보를 신뢰할 것인가

동적 라우팅을 사용하다 보면 같은 목적지에 대해 여러 소스에서 경로 정보를 받는 상황이 발생합니다. 정적 경로, RIP, OSPF, BGP 등이 각각 다른 다음 홉을 알려줄 수 있기 때문입니다.


그렇다면 어떤 정보를 믿어야 할까요?


이 문제를 해결하기 위해 관리 거리(Administrative Distance, AD)라는 개념이 도입되었습니다. 라우팅 정보 소스의 신뢰도를 숫자로 나타낸 것으로, 값이 낮을수록 더 신뢰합니다.


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소스                관리 거리
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직접 연결            0
정적 경로            1
EIGRP (내부)        90
OSPF               110
RIP                120
EIGRP (외부)       170
iBGP               200
알 수 없음          255


구체적인 예를 들어보겠습니다.

  • 정적 경로로 10.0.0.0/8 → 192.168.1.1 (AD=1)
  • RIP로 10.0.0.0/8 → 192.168.1.2 (AD=120)

이 경우 AD 값이 더 낮은 정적 경로가 선택됩니다.


참고로 AD=255는 “사용하지 않음”을 의미하며, 이런 경로는 라우팅 테이블에 설치되지 않습니다.


직접 연결(AD=0)이 가장 높은 신뢰도를 갖는 이유는 간단합니다. 라우터 자신의 인터페이스에 연결된 네트워크이므로 정보가 틀릴 가능성이 없기 때문입니다.

메트릭: 어떤 경로가 더 좋은가

같은 소스(같은 AD)에서 같은 목적지로 가는 여러 경로가 있다면 어떻게 할까요? 이때는 메트릭(Metric)으로 비교합니다.


메트릭은 경로의 “비용”을 수치화한 것입니다. 다만 라우팅 프로토콜마다 메트릭을 계산하는 기준이 다릅니다.


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프로토콜    메트릭 기준
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RIP        홉 수 (거치는 라우터 수)
OSPF       비용 (대역폭 기반)
EIGRP      복합 메트릭 (대역폭, 지연, 신뢰성, 부하)
BGP        경로 속성 조합


RIP는 단순히 홉 수만 셉니다. 예를 들어 A → B → C → D는 3홉이고, A → E → D는 2홉이라면 RIP는 2홉 경로를 선택합니다.


그러나 여기에는 문제가 있습니다. 홉 수가 실제 경로 품질을 반영하지 못한다는 점입니다. 만약 A → E 구간이 56kbps 링크이고, A → B → C → D 구간이 모두 1Gbps 링크라면 어떨까요? RIP는 여전히 느린 2홉 경로를 선택하게 됩니다.


반면 OSPF는 대역폭 기반 비용을 사용합니다. 기본 공식은 “비용 = 참조 대역폭 / 인터페이스 대역폭”입니다.


참조 대역폭이 100Mbps인 경우를 살펴보면:

  • 100Mbps 링크: 비용 = 1
  • 10Mbps 링크: 비용 = 10
  • 1Gbps 링크: 비용 = 0.1 → 1 (최소값 적용)


OSPF는 비용의 합이 가장 작은 경로를 선택하므로, 결과적으로 대역폭이 높은 경로가 선호됩니다.

라우팅 루프: 패킷이 빙빙 돈다

동적 라우팅에서 가장 주의해야 할 위험 요소는 라우팅 루프(Routing Loop)입니다.


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라우터 A: 10.0.0.0으로 가려면 B로 보내라
라우터 B: 10.0.0.0으로 가려면 A로 보내라

이 상태에서 10.0.0.0으로 향하는 패킷은 A → B → A → B → … 식으로 무한 반복하게 됩니다.


왜 이런 상황이 발생할까요? 네트워크 토폴로지가 변경되었을 때 모든 라우터가 동시에 정보를 업데이트하지 못하기 때문입니다.


구체적인 상황을 살펴보겠습니다. 10.0.0.0 네트워크에 직접 연결된 라우터 C가 있다고 가정합니다.

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     ┌───────┐
     │   C   │── 10.0.0.0/8
     └───────┘
         │
     ┌───────┐
     │   A   │
     └───────┘
         │
     ┌───────┐
     │   B   │
     └───────┘


이 상태에서 C와 A 사이의 링크가 끊어졌다고 해봅시다. A는 C를 통한 경로가 사라진 것을 알지만, B는 아직 이 사실을 모릅니다.


B는 여전히 “10.0.0.0으로 가려면 A로 보내라”라고 알고 있고, A는 대안 경로를 찾다가 B의 정보를 보고 “B를 통해 갈 수 있구나”라고 잘못 판단합니다. 이렇게 루프가 형성됩니다.


이 문제를 해결하기 위한 여러 메커니즘이 존재하며, Part 2에서 자세히 다루겠습니다.

TTL: 루프의 피해를 제한하다

다행히 루프가 발생하더라도 패킷이 영원히 도는 것은 아닙니다. IP 헤더에 포함된 TTL(Time To Live) 필드가 이를 방지해 줍니다.


TTL은 패킷이 거칠 수 있는 최대 홉 수를 나타내며, 일반적으로 64, 128, 또는 255로 시작합니다. 패킷이 라우터를 지날 때마다 TTL이 1씩 감소하고, 0이 되면 해당 패킷은 폐기됩니다.


따라서 루프가 발생하더라도 패킷은 최대 TTL 횟수만큼만 돌게 되어 무한 루프로 인한 네트워크 마비를 방지할 수 있습니다.


TTL이 0이 되어 패킷을 폐기할 때, 라우터는 송신자에게 ICMP Time Exceeded 메시지를 전송합니다. 네트워크 경로를 추적하는 traceroute 명령어가 바로 이 메커니즘을 활용합니다.

라우팅 프로토콜의 분류

동적 라우팅 프로토콜은 여러 기준에 따라 분류할 수 있습니다.


알고리즘에 따른 분류:

  • 거리 벡터(Distance Vector): 이웃에게 자신의 전체 라우팅 테이블을 전송하는 방식
  • 링크 상태(Link State): 네트워크 토폴로지 전체를 공유하고 각 라우터가 개별적으로 경로를 계산
  • 경로 벡터(Path Vector): BGP에서 사용하며, 전체 경로 정보를 포함


적용 범위에 따른 분류:

  • IGP(Interior Gateway Protocol): 하나의 자율 시스템(AS) 내부에서 사용
    • RIP, OSPF, EIGRP, IS-IS
  • EGP(Exterior Gateway Protocol): 자율 시스템 간 통신에 사용
    • BGP


IGP와 EGP의 차이는 매우 중요합니다. 하나의 조직 내부에서는 기술적으로 최적인 경로를 찾는 것이 목표인 반면, 조직 간에는 정책적 고려사항(누구를 경유할 것인가, 어떤 경로를 광고할 것인가)이 더 중요해집니다.


이어지는 Part 2에서 거리 벡터와 링크 상태 알고리즘의 동작 원리를 자세히 살펴보고, Part 3에서 BGP와 인터넷의 구조를 알아보겠습니다.

라우팅의 핵심 원리

지금까지 살펴본 라우팅의 핵심 원리를 정리하면 다음과 같습니다.

  1. 분산 시스템: 중앙 제어 없이 각 라우터가 독립적으로 결정
  2. 집계(Aggregation): CIDR로 네트워크를 그룹화하여 테이블 크기 감소
  3. 최장 접두사 매칭: 가장 구체적인 경로 선택
  4. 신뢰도와 비용: AD로 소스 신뢰도를, 메트릭으로 경로 비용을 평가
  5. 수렴: 네트워크 변화 후 일관된 상태에 도달


이러한 원리들이 수십억 기기가 연결된 인터넷을 가능하게 합니다. 중앙에서 모든 경로를 관리하는 것은 사실상 불가능하므로, 분산된 라우터들이 서로 협력하여 패킷을 목적지까지 전달하는 것입니다.

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Tags: IP, 네트워크, 라우터, 라우팅

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