링크상태 라우팅: 토폴로지 데이터베이스로 최단 경로를 계산하는 방식

전체 토폴로지를 공유해 경로를 계산하는 라우팅

링크상태(Link State) 라우팅은 각 라우터가 네트워크 전체의 토폴로지 정보를 바탕으로 최단 경로를 계산하는 방식이다. 라우터는 자신에게 직접 연결된 링크의 상태를 알리고, 네트워크 안의 다른 라우터도 같은 정보를 보유하도록 만든다.

거리 벡터 라우팅처럼 이웃이 알려준 경로 정보를 중심으로 판단하는 대신, 링크상태 라우팅은 전체 네트워크 맵을 구축한 뒤 경로를 결정한다. 대표적인 프로토콜은 OSPF(Open Shortest Path First)와 IS-IS(Intermediate System to Intermediate System)이며, 대규모 기업 네트워크와 ISP 백본에서 주로 활용된다.

링크 변화가 라우팅 테이블에 반영되는 흐름

링크상태 라우터는 자신의 상태와 이웃 라우터 정보를 담은 LSP(Link State Packet)를 생성한다. 이 패킷이 플러딩을 통해 네트워크 전체로 전달되면, 각 라우터는 수신한 LSP를 바탕으로 토폴로지 데이터베이스를 구축한다.

그 다음 다익스트라(Dijkstra) 알고리즘 기반의 SPF(Shortest Path First) 알고리즘을 실행해 목적지별 최단 경로를 구하고, 계산 결과를 라우팅 테이블에 반영한다.

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SPF 트리에서 최단 경로를 선택하는 법

SPF 알고리즘은 라우터 자신을 루트(Root)로 삼아 모든 네트워크 노드까지의 최단 경로를 트리 형태로 계산한다. 시작점의 거리를 0으로 두고, 인접 노드의 거리를 계산한 뒤 가장 가까운 노드를 선택한다. 선택된 노드를 거쳐 더 짧은 경로가 발견되면 값을 갱신하며, 모든 노드를 방문할 때까지 이 과정을 반복한다.

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위 토폴로지에서 A 라우터가 다익스트라 알고리즘을 적용하면 A에서 B까지는 직접 연결로 비용 1이다. C까지는 A→B→C 경로의 비용 3이 A→C 직접 연결의 비용 5보다 효율적이다. D까지는 A→B→D로 비용 3, E까지는 A→B→D→E로 비용 4가 된다.

LSP에 담기는 링크 상태 정보

LSP에는 라우터 ID, 링크 정보, 시퀀스 번호, TTL(Time To Live) 등이 포함된다. 시퀀스 번호는 최신 정보를 식별하고 중복을 제거하는 데 사용한다.

일반적인 LSP 구성에는 네트워크에서 라우터를 고유하게 식별하는 라우터 ID, 직접 연결된 이웃 라우터 목록, 대역폭·지연 시간 등을 기반으로 한 링크 비용이 들어간다. 여기에 최신 상태를 확인하는 시퀀스 번호와 LSP 유효 기간을 나타내는 에이징(Aging) 정보가 더해진다.

플러딩은 같은 토폴로지 관점을 유지한다

라우터가 LSP를 생성하거나 변경을 감지하면, 수신한 인터페이스를 제외한 연결 인터페이스로 LSP를 전송한다. LSP를 받은 라우터는 자신의 데이터베이스와 비교해 새로운 정보일 때만 다시 전송하며, 이미 처리한 LSP는 중복 처리를 피하기 위해 무시한다.

이 과정에는 시퀀스 번호와 TTL 값을 이용한 루프 방지 메커니즘도 포함된다.

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전체 정보를 쓰는 방식의 이점과 부담

링크상태 라우팅은 네트워크 변화에 빠르게 적응하고, 변경된 링크 정보만 전파한다. 전체 토폴로지를 바탕으로 경로를 계산하므로 라우팅 루프를 방지할 수 있으며, 다양한 메트릭을 사용해 효율적인 경로를 선택할 수 있다. 초기 설정 이후에는 변경 사항만 교환해 대역폭을 절약하고, OSPF의 영역(Area)처럼 계층적으로 설계할 수도 있다.

반면 전체 토폴로지 정보를 저장해야 하므로 메모리 요구량이 높다. SPF 계산에는 상당한 CPU 처리 능력이 필요하고, 거리 벡터 프로토콜보다 구성이 복잡하다. 초기에는 전체 토폴로지를 공유하면서 많은 트래픽이 발생할 수 있다.

OSPF의 영역 기반 설계

OSPF는 가장 널리 사용되는 링크상태 라우팅 프로토콜이자 IP 네트워크용 표준 IGP(Interior Gateway Protocol)다. 영역 기반의 계층적 설계를 지원하며, 브로드캐스트와 포인트-투-포인트 같은 다양한 네트워크 유형에 적용할 수 있다.

인증 지원, 빠른 수렴 시간, 가변 길이 서브넷 마스크(VLSM), 로드 밸런싱도 OSPF의 특성이다.

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EIGRP와 IS-IS의 특성

EIGRP(Enhanced Interior Gateway Routing Protocol)는 시스코의 하이브리드 라우팅 프로토콜이지만 링크상태 특성을 가진다. 거리 벡터 알고리즘과 링크상태 알고리즘의 장점을 결합하며, DUAL(Diffusing Update Algorithm)을 사용해 빠르게 수렴한다. 부분 업데이트 전송으로 대역폭 효율성을 확보하고, 대역폭·지연·신뢰성·부하·MTU를 포함한 다중 메트릭과 불균형 로드 밸런싱을 지원한다.

IS-IS(Intermediate System to Intermediate System)는 OSI 모델을 위해 설계된 링크상태 라우팅 프로토콜로, 대규모 ISP 백본에서 널리 사용된다. 레벨 1과 레벨 2 라우팅으로 계층 구조를 지원하며, 라우팅 도메인 안에서 효율적으로 경로를 계산한다. IPv4, IPv6, IPX 등 다양한 네트워크 프로토콜을 지원하고, OSPF보다 설정이 간단하며 확장성이 우수하다.

기업망과 ISP 백본에서의 구성

다수의 지사와 데이터센터를 보유한 금융회사 네트워크에서는 백본에 OSPF Area 0을 두고, 각 지역 지사를 별도 OSPF Area로 구성할 수 있다. ABR(Area Border Router)로 영역을 연결하고, 중요 링크의 비용(cost)을 조정해 트래픽 엔지니어링을 수행한다. 이중화된 WAN 링크는 고가용성 확보에 사용된다.

대형 통신사업자 네트워크에서는 코어 네트워크에 IS-IS를 구현하고, 레벨 1의 지역 라우팅과 레벨 2의 백본 라우팅을 계층으로 구성할 수 있다. BGP와 연동해 인터넷 라우팅을 처리하며, 메트릭 조정으로 트래픽 엔지니어링을 수행한다. 빠른 컨버전스를 위해 BFD(Bidirectional Forwarding Detection)를 활용할 수도 있다.

운영 시 조정하는 항목

대규모 네트워크에서는 적절한 영역 분할로 토폴로지 데이터베이스 크기를 제한할 수 있다. 요약 라우팅(Route Summarization)은 라우팅 테이블 크기와 업데이트를 줄이고, 필터링은 불필요한 라우팅 정보의 유입을 제한한다.

LSA 타이머는 네트워크 안정성과 수렴 시간 사이의 균형을 고려해 조정한다. MD5 인증으로 보안을 강화하고, 다중 경로의 로드 밸런싱으로 트래픽을 분산할 수 있다. BFD 통합은 링크 장애를 신속하게 탐지하는 데 활용된다.

링크상태 라우팅은 초기 설정과 리소스 요구량이 크지만, 전체 토폴로지를 기반으로 루프 없는 경로를 계산하고 네트워크 변화에 빠르게 대응한다. OSPF, IS-IS, EIGRP는 각기 다른 특성을 바탕으로 엔터프라이즈 네트워크와 서비스 제공업체 인프라에서 활용된다.