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IP 라우팅(IP Routing) 설명

라우터가 실제로 IP 패킷을 전달하는 과정을 IP 라우팅(IP Routing)이라고 합니다. 이것은 스태틱 라우팅이나 다이나믹 라우팅 프로토콜을 통한 네트워크 경로의 “학습”과는 관련이 없으며, 라우터가 하나의 인터페이스에서 다른 인터페이스로 IP 패킷을 전달할 때 수행해야 하는 단계들과 관련이 있습니다.

이 강의에서는 예제를 통해 발생하는 모든 단계를 보여드리겠습니다.

이를 위해 다음 토폴로지(Topology)를 사용합니다:

02_IP Routing Explained_img_p02_01

위에서 두 대의 호스트 컴퓨터와 두 대의 라우터가 있습니다. H1이 H2에게 IP 패킷을 보내려 하며, 이 패킷은 R1과 R2에 의해 라우팅되어야 합니다.

IP 라우팅 프로세스

이 과정을 단계별로, 장치별로 살펴보겠습니다.

H1

H1부터 시작하겠습니다. 이 호스트는 자신의 IP 주소(192.168.1.1)를 출발지로, H2(192.168.2.2)를 목적지로 하는 IP 패킷을 생성합니다. H1이 스스로에게 묻는 첫 번째 질문은 다음과 같습니다:

  • 목적지가 로컬인가, 리모트인가?

H1은 자신의 IP 주소, 서브넷 마스크(Subnet Mask), 목적지 IP 주소를 확인하여 이 질문에 답합니다:

C:\Users\H1>ipconfig
Windows IP Configuration

Ethernet adapter Ethernet 1:
   Connection-specific DNS Suffix . : nwl.local
   Link-local IPv6 Address . . . . . : fe80::88fd:962a:44d6:3a1f%4
   IPv4 Address. . . . . . . . . . . : 192.168.1.1
   Subnet Mask . . . . . . . . . . . : 255.255.255.0
   Default Gateway . . . . . . . . . : 192.168.1.254

H1은 192.168.1.0/24 네트워크에 있으므로 192.168.1.1 ~ 254 범위의 모든 IP 주소가 로컬입니다. 목적지(192.168.2.2)는 로컬 서브넷 외부에 있으므로 기본 게이트웨이(Default Gateway)를 사용해야 합니다.

H1은 이제 이더넷 프레임(Ethernet Frame)을 구성하고, 자신의 출발지 MAC 주소를 입력한 다음 두 번째 질문을 합니다. 기본 게이트웨이의 목적지 MAC 주소를 알고 있는가?

ARP 테이블(ARP Table)을 확인하여 답을 찾습니다:

C:\Users\H1>arp -a

Interface: 192.168.1.1 --- 0x4
  Internet Address      Physical Address      Type
  192.168.1.254         fa-16-3e-3f-fd-3c     dynamic
  192.168.1.255         ff-ff-ff-ff-ff-ff     static
  224.0.0.22            01-00-5e-00-00-16     static
  224.0.0.251           01-00-5e-00-00-fb     static
  224.0.0.252           01-00-5e-00-00-fc     static
  239.255.255.250       01-00-5e-7f-ff-fa     static

H1은 192.168.1.254에 대한 ARP 항목을 가지고 있습니다. 만약 없었다면 ARP 요청(ARP Request)을 보냈을 것입니다. 이제 다음 주소들을 가진 IP 패킷을 운반하는 이더넷 프레임이 만들어졌습니다:

02_IP Routing Explained_img_p04_01

프레임은 R1을 향해 전송됩니다.

R1

이 이더넷 프레임이 R1에 도착합니다. R1은 호스트보다 더 많은 작업을 수행해야 합니다. 가장 먼저 하는 일은 이더넷 프레임의 FCS(Frame Check Sequence)가 올바른지 확인하는 것입니다:

FCS: 이더넷 프레임 끝에 붙는 4바이트 오류 검출 필드. 송신 측이 프레임 내용(Destination MAC ~ Data)을 기반으로 CRC-32 값을 계산해서 프레임 끝에 붙임

02_IP Routing Explained_img_p04_02

FCS가 올바르지 않으면 프레임은 즉시 폐기됩니다. 이더넷에는 오류 복구 기능이 없으며, 이는 전송 계층(Transport Layer)의 TCP와 같은 상위 계층 프로토콜에서 처리합니다.

FCS가 올바르면 다음 조건에 해당하는 경우 프레임을 처리합니다:

  • 목적지 MAC 주소가 라우터 인터페이스의 주소인 경우.
  • 목적지 MAC 주소가 라우터 인터페이스가 연결된 서브넷의 브로드캐스트(Broadcast) 주소인 경우.
  • 목적지 MAC 주소가 라우터가 수신하는 멀티캐스트(Multicast) 주소인 경우.

이 경우 목적지 MAC 주소가 R1의 GigabitEthernet 0/1 인터페이스의 MAC 주소와 일치하므로 처리합니다. 이더넷 프레임에서 IP 패킷을 역캡슐화(De-encapsulate)하여 추출하고, 프레임은 폐기됩니다:

02_IP Routing Explained_img_p05_01

라우터는 이제 IP 패킷을 살펴보며, 가장 먼저 하는 일은 헤더 체크섬(Header Checksum)이 올바른지 확인하는 것입니다:

02_IP Routing Explained_img_p05_02

헤더 체크섬이 올바르지 않으면 IP 패킷은 즉시 폐기됩니다. 네트워크 계층에서도 오류 복구 기능이 없으며, 상위 계층에 의존합니다. 헤더 체크섬이 올바르면 목적지 IP 주소를 확인합니다:

02_IP Routing Explained_img_p05_03

R1은 이제 라우팅 테이블(Routing Table)을 확인하여 일치하는 항목이 있는지 확인합니다:

R1#show ip route
Codes: L - local, C - connected, S - static, R - RIP, M - mobile, B - BGP
       D - EIGRP, EX - EIGRP external, O - OSPF, IA - OSPF inter area
       N1 - OSPF NSSA external type 1, N2 - OSPF NSSA external type 2
       E1 - OSPF external type 1, E2 - OSPF external type 2
       i - IS-IS, su - IS-IS summary, L1 - IS-IS level-1, L2 - IS-IS level-2
       ia - IS-IS inter area, * - candidate default, U - per-user static route
       o - ODR, P - periodic downloaded static route, H - NHRP, l - LISP
       a - application route
       + - replicated route, % - next hop override, p - overrides from PfR

Gateway of last resort is not set

      192.168.1.0/24 is variably subnetted, 2 subnets, 2 masks
C        192.168.1.0/24 is directly connected, GigabitEthernet0/1
L        192.168.1.254/32 is directly connected, GigabitEthernet0/1
S     192.168.2.0/24 [1/0] via 192.168.12.2
      192.168.12.0/24 is variably subnetted, 2 subnets, 2 masks
C        192.168.12.0/24 is directly connected, GigabitEthernet0/2
L        192.168.12.1/32 is directly connected, GigabitEthernet0/2

위에서 R1이 192.168.2.0/24 네트워크에 도달하는 방법을 알고 있으며, 넥스트 홉(Next Hop) IP 주소가 192.168.12.2인 것을 볼 수 있습니다. 이제 192.168.12.2에 도달하는 방법을 알고 있는지 확인하기 위해 두 번째 라우팅 테이블 조회를 수행하는데, 이것을 재귀 라우팅(Recursive Routing) 이라고 합니다. 보시다시피 192.168.12.0/24에 대한 항목이 있으며 사용할 인터페이스는 GigabitEthernet 0/2입니다.

기본적으로 Cisco IOS 라우터는 라우팅 테이블을 구축합니다. 이 기능을 비활성화하여 라우터를 일반 호스트로 전환하는 것도 가능합니다.

IP 패킷을 전달하기 전에 한 가지 더 해야 할 일이 있습니다. 라우팅을 하고 있으므로 TTL(Time to Live) 필드를 1 감소시켜야 합니다. R1은 이 작업을 수행하며, IP 헤더가 변경되므로 새로운 헤더 체크섬을 계산해야 합니다.

02_IP Routing Explained_img_p07_01

이 작업이 완료되면 R1은 ARP 테이블을 확인하여 192.168.12.2에 대한 항목이 있는지 확인합니다:

R1#show ip arp
Protocol  Address          Age (min)  Hardware Addr   Type   Interface
Internet  192.168.1.1            58   fa16.3e87.9c2a  ARPA   GigabitEthernet0/1
Internet  192.168.1.254           -   fa16.3e3f.fd3c  ARPA   GigabitEthernet0/1
Internet  192.168.12.1            -   fa16.3e02.83a1  ARPA   GigabitEthernet0/2
Internet  192.168.12.2           95   fa16.3e01.0c98  ARPA   GigabitEthernet0/2

문제없습니다. ARP 테이블에 항목이 있습니다. 만약 없었다면 R1은 192.168.12.2의 MAC 주소를 찾기 위해 ARP 요청을 보냈을 것입니다. R1은 GigabitEthernet 0/2 인터페이스의 자체 MAC 주소를 출발지로, R2를 목적지로 하는 새로운 이더넷 프레임을 구성합니다. IP 패킷은 이 새로운 이더넷 프레임에 캡슐화(Encapsulate)됩니다.

02_IP Routing Explained_img_p08_01

프레임은 R2를 향해 전송됩니다.

R2

이 이더넷 프레임이 R2에 도착합니다. R1과 마찬가지로 먼저 다음을 수행합니다:

  • 이더넷 프레임의 FCS를 확인합니다.
  • IP 패킷을 역캡슐화하고 프레임을 폐기합니다.
  • IP 헤더 체크섬을 확인합니다.
  • 목적지 IP 주소를 확인합니다.

라우팅 테이블에서 다음을 찾습니다:

R2#show ip route
Codes: L - local, C - connected, S - static, R - RIP, M - mobile, B - BGP
       D - EIGRP, EX - EIGRP external, O - OSPF, IA - OSPF inter area
       N1 - OSPF NSSA external type 1, N2 - OSPF NSSA external type 2
       E1 - OSPF external type 1, E2 - OSPF external type 2
       i - IS-IS, su - IS-IS summary, L1 - IS-IS level-1, L2 - IS-IS level-2
       ia - IS-IS inter area, * - candidate default, U - per-user static route
       o - ODR, P - periodic downloaded static route, H - NHRP, l - LISP
       a - application route
       + - replicated route, % - next hop override, p - overrides from PfR

Gateway of last resort is not set

S     192.168.1.0/24 [1/0] via 192.168.12.1
      192.168.2.0/24 is variably subnetted, 2 subnets, 2 masks
C        192.168.2.0/24 is directly connected, GigabitEthernet0/1
L        192.168.2.254/32 is directly connected, GigabitEthernet0/1
      192.168.12.0/24 is variably subnetted, 2 subnets, 2 masks
C        192.168.12.0/24 is directly connected, GigabitEthernet0/2
L        192.168.12.2/32 is directly connected, GigabitEthernet0/2

192.168.2.0/24 네트워크는 R2의 GigabitEthernet 0/1 인터페이스에 직접 연결되어 있습니다. R2는 이제 IP 패킷의 TTL을 254에서 253으로 줄이고, IP 헤더 체크섬을 다시 계산하고, ARP 테이블을 확인하여 192.168.2.2에 도달하는 방법을 알고 있는지 확인합니다:

R2#show ip arp
Protocol  Address          Age (min)  Hardware Addr   Type   Interface
Internet  192.168.2.2           121   fa16.3e4a.f598  ARPA   GigabitEthernet0/1
Internet  192.168.2.254           -   fa16.3e3c.7da4  ARPA   GigabitEthernet0/1
Internet  192.168.12.1          111   fa16.3e02.83a1  ARPA   GigabitEthernet0/2
Internet  192.168.12.2            -   fa16.3e01.0c98  ARPA   GigabitEthernet0/2

ARP 항목이 있습니다. 새로운 이더넷 프레임이 생성되고, IP 패킷이 캡슐화되며 다음 주소들을 가집니다:

02_IP Routing Explained_img_p09_01

프레임은 H2로 전달됩니다.

H2

H2가 이더넷 프레임을 수신하면 다음을 수행합니다:

  • FCS를 확인합니다.
  • 목적지 MAC 주소로 자신의 MAC 주소를 찾습니다.
  • 프레임에서 IP 패킷을 역캡슐화합니다.
  • IP 패킷에서 목적지로 자신의 IP 주소를 찾습니다.

그런 다음 H2는 프로토콜(Protocol) 필드를 확인하여 어떤 전송 계층 프로토콜을 사용하고 있는지 파악하며, 이후 동작은 사용되는 전송 계층 프로토콜에 따라 달라집니다.

결론

이제 IP 패킷이 하나의 라우터에서 다른 라우터로 전달되는 과정, 즉 IP 라우팅에 대해 배웠습니다.

이 과정을 요약하겠습니다.

호스트는 간단한 결정을 내려야 합니다:

  • 목적지가 로컬 서브넷에 있는가? 그렇다면:
    • ARP 테이블을 확인하여 목적지 IP 주소가 테이블에 있는지 확인하고, 있다면 해당 MAC 주소를 이더넷 프레임의 목적지 필드에 사용합니다.
  • 목적지가 리모트 서브넷에 있는가? 그렇다면:
    • ARP 테이블을 확인하여 기본 게이트웨이의 IP 주소가 테이블에 있는지 확인하고, 있다면 해당 MAC 주소를 이더넷 프레임의 목적지 필드에 사용합니다.

라우터는 여러 작업을 수행해야 합니다:

  • 이더넷 프레임을 수신하면 FCS(Frame Check Sequence)가 올바른지 확인합니다. 올바르지 않으면 프레임을 폐기합니다.
  • 프레임의 목적지 주소가 다음에 해당하는지 확인합니다:
    • 우리의 MAC 주소로 지정된 경우
    • 인터페이스가 속한 서브넷의 브로드캐스트 주소로 지정된 경우
    • 우리가 수신하는 멀티캐스트 주소로 지정된 경우
  • 프레임에서 IP 패킷을 역캡슐화하고 이더넷 프레임을 폐기합니다.
  • 목적지 IP 주소에 대해 라우팅 테이블에서 일치하는 항목을 찾고, 송신 인터페이스와 선택적으로 넥스트 홉 IP 주소를 결정합니다.
  • IP 헤더의 TTL(Time to Live) 필드를 감소시키고 헤더 체크섬을 다시 계산합니다.
  • IP 패킷을 새로운 이더넷 프레임에 캡슐화합니다.
  • 목적지 IP 주소 또는 넥스트 홉 IP 주소에 대해 ARP 테이블을 확인합니다.
  • 프레임을 전송합니다.
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