라우터는 왜 인터넷의 내비게이션이 되었을까

앞선 글에서는 DNS가 사람이 기억하기 쉬운 도메인 이름을 컴퓨터가 사용하는 IP 주소로 바꾸는 과정을 살펴보았다. 덕분에 컴퓨터는 자신이 통신해야 할 목적지가 어디인지 알 수 있게 되었다. 그러나 목적지의 주소를 알아냈다고 해서 데이터가 저절로 그곳에 도착하는 것은 아니다. 출발지와 목적지 사이에는 수많은 네트워크와 통신 장비가 연결되어 있기 때문이다.

서울에서 부산까지 이동한다고 생각해 보면 주소를 아는 것과 길을 아는 것은 서로 다른 문제라는 점을 쉽게 이해할 수 있다. 목적지의 주소를 정확히 알고 있더라도 어느 도로로 들어가야 하는지, 어디에서 방향을 바꾸어야 하는지 알지 못한다면 도착하기 어렵다. 인터넷에서도 이와 비슷한 길 안내가 필요하다. 패킷이 이동할 다음 경로를 판단하고 다른 네트워크로 전달하는 장치가 바로 라우터(Router)이다.

한줄 요약

라우터는 패킷에 기록된 목적지 IP 주소를 확인하고 라우팅 테이블을 참고하여 데이터가 이동할 다음 네트워크를 선택하는 장치이다.

목적지를 알아도 길을 모르면 도착할 수 없다

인터넷에서 전송되는 데이터는 한 덩어리로 이동하지 않는다. 보내려는 정보는 일정한 크기의 패킷으로 나뉘고, 각 패킷에는 출발지와 목적지에 관한 정보가 붙는다. 라우터는 패킷을 받으면 그 안에 기록된 목적지 IP 주소를 확인한 뒤 자신이 알고 있는 경로 가운데 어느 방향으로 보내야 할지를 판단한다.

가정에서 사용하는 인터넷 공유기도 기본적인 라우터 역할을 수행한다. 노트북이나 스마트폰에서 외부 웹사이트로 데이터를 보내면 공유기는 그 패킷을 인터넷 서비스 제공자의 네트워크로 전달한다. 이후 패킷은 더 큰 규모의 라우터를 여러 차례 거치면서 목적지 서버가 속한 네트워크에 가까워진다. 사용자는 웹사이트 주소를 한 번 입력하였을 뿐이지만, 실제 데이터는 여러 장비의 판단을 거쳐 이동한다.

라우터는 패킷의 전체 내용을 읽고 이해하는 장치라기보다, 봉투 겉면의 주소를 확인하여 다음 우편물 처리 시설로 보내는 분류 장치에 가깝다. 현재 위치에서 목적지까지의 모든 이동 과정을 한 장비가 책임지는 것도 아니다. 각각의 라우터는 자신이 알고 있는 범위 안에서 패킷을 어느 다음 지점으로 넘길지를 결정한다. 이러한 짧은 판단이 연속적으로 이어지면서 데이터는 먼 곳에 있는 서버까지 도달한다.

라우터는 라우팅 테이블을 보고 판단한다

라우터가 길을 선택할 때 사용하는 핵심 정보가 라우팅 테이블(Routing Table)이다. 라우팅 테이블에는 특정한 목적지 네트워크로 가기 위해 패킷을 어느 방향으로 보내야 하는지가 기록되어 있다. 여기에는 목적지 네트워크의 범위, 다음으로 전달할 장비인 다음 홉(Next Hop), 패킷을 내보낼 통신 인터페이스와 같은 정보가 포함될 수 있다.

라우터는 목적지 IP 주소와 라우팅 테이블의 항목을 비교하여 가장 구체적으로 일치하는 경로를 찾는다. 예를 들어 넓은 지역을 가리키는 경로와 그 안의 더 작은 지역을 가리키는 경로가 함께 있다면, 일반적으로 목적지를 더 자세하게 나타내는 경로를 선택한다. 이를 최장 접두사 일치(Longest Prefix Match)라고 한다. 지도에서 대한민국 전체를 가리키는 표지판보다 특정 도시와 도로를 가리키는 표지판이 목적지를 찾는 데 더 유용한 것과 비슷하다.

목적지와 정확히 일치하는 세부 경로가 없을 때에는 기본 경로를 이용하기도 한다. 가정용 공유기가 외부 인터넷으로 향하는 대부분의 패킷을 통신사의 장비로 보내는 것이 대표적인 사례이다. 공유기가 전 세계 모든 네트워크의 경로를 보관할 필요는 없다. 자신이 직접 알지 못하는 목적지는 상위 네트워크에 맡기고, 상위 라우터가 다시 다음 경로를 판단하는 방식으로 인터넷의 전달 구조가 이어진다.

짧은 생각

라우터가 목적지까지의 모든 길을 한꺼번에 계산한다고 생각하기 쉽지만, 실제로는 다음에 어디로 보낼지를 반복해서 결정한다는 점이 인상적이었다. 거대한 인터넷은 하나의 장비가 지휘하는 구조가 아니라 수많은 장비가 자신의 자리에서 작은 판단을 이어 가는 방식으로 움직이고 있었다. 결국 핵심 키워드는 "연결'인 셈이다. 

인터넷의 경로는 어떻게 만들어질까?

규모가 작은 네트워크에서는 관리자가 라우터에 경로를 직접 입력할 수 있다. 이를 정적 라우팅이라고 한다. 경로가 단순하고 거의 변하지 않는 환경에서는 이해하기 쉽고 예측하기도 편하다. 하지만 수많은 장비와 회선이 연결된 대규모 네트워크에서는 모든 경로를 사람이 직접 입력하고 변경하는 것이 현실적으로 어렵다.

이 때문에 라우터끼리 자신이 알고 있는 네트워크 정보를 주고받는 동적 라우팅이 사용된다. 같은 조직이나 사업자의 내부 네트워크에서는 OSPF(Open Shortet Paht First)와 같은 라우팅 프로토콜을 이용할 수 있다. OSPF를 사용하는 라우터들은 네트워크 연결 상태를 공유하고, 목적지까지 도달하기 위한 경로의 비용을 계산하여 적절한 경로를 선택한다. 회선이나 장비에 문제가 생기면 변경된 상태를 반영하여 새로운 경로를 찾을 수 있다.

전 세계 인터넷은 하나의 조직이 운영하는 단일 네트워크가 아니다. 통신사와 기업, 대학, 정부기관 등 각기 다른 운영 주체의 네트워크가 서로 연결되어 있다. 이처럼 하나의 관리 정책 아래 운영되는 네트워크의 집합을 자율시스템(Autonomous System)이라고 한다. 자율시스템 사이에서는 주로 BGP(Border Gateway Protocol)를 이용하여 어느 네트워크에 도달할 수 있는지에 관한 정보를 교환한다.

BGP는 단순히 물리적으로 가장 짧은 길만을 찾는 기술은 아니다. 각 네트워크 사업자의 연결 관계와 운영 정책, 경로를 거쳐 온 자율시스템 정보 등을 종합하여 사용할 경로를 결정한다. 따라서 인터넷에서 말하는 좋은 경로는 언제나 거리만 짧은 경로를 뜻하지 않는다. 안정성이나 계약 관계, 관리 정책에 따라 더 긴 경로가 선택될 수도 있다.

패킷은 언제나 같은 길로 이동할까?

인터넷에서 출발지와 목적지가 같더라도 패킷이 항상 동일한 경로로 이동한다고 보장할 수는 없다. 네트워크의 연결 상태와 라우팅 정보는 계속 변하기 때문이다. 특정 회선에 장애가 발생하거나 경로 정책이 변경되면 이후의 패킷은 다른 라우터를 거쳐 이동할 수 있다. 여러 개의 동일한 경로가 존재하는 환경에서는 트래픽을 분산하기 위해 서로 다른 경로가 사용되기도 한다.

패킷마다 이동 시간이 달라지면 목적지에 도착하는 순서도 달라질 수 있다. 먼저 전송된 패킷이 먼 경로를 지나고 나중에 전송된 패킷이 짧은 경로를 지나면 순서가 뒤바뀔 수 있기 때문이다. 인터넷 프로토콜은 모든 패킷이 순서대로 도착하거나 반드시 전달된다고 보장하지 않는다. 신뢰성이 필요한 통신에서는 TCP와 같은 상위 계층의 프로토콜이 순서를 확인하고 누락된 데이터를 다시 요청하여 원래의 흐름을 복원한다.

라우터를 지날 때마다 패킷에는 이동 횟수를 제한하기 위한 값도 적용된다. IPv4에서는 TTL, IPv6에서는 Hop Limit이라는 값이 사용된다. 라우터가 패킷을 전달할 때마다 이 값이 줄어들고, 정해진 한계에 도달하면 해당 패킷은 폐기된다. 잘못된 라우팅 정보로 인해 패킷이 여러 장비 사이를 끝없이 순환하는 상황을 방지하기 위한 장치이다.

이처럼 인터넷의 경로는 철도처럼 처음부터 끝까지 고정된 하나의 선로가 아니다. 패킷은 각 지점에서 다음 경로를 선택받으며 이동하고, 네트워크 상황이 달라지면 경로도 달라질 수 있다. 이러한 유연성은 인터넷이 빠르게 확장될 수 있었던 중요한 이유 가운데 하나였다.

우회할 수 있는 구조가 인터넷을 지탱하였다

라우터와 라우팅 프로토콜의 중요한 역할은 단순히 평상시의 길을 알려주는 데 그치지 않는다. 기존 경로에 문제가 생겼을 때 사용할 수 있는 다른 길을 찾는 것도 중요하다. 하나의 통신 회선이 끊어지거나 특정 라우터가 작동하지 않더라도 다른 연결 경로가 존재하고 라우팅 정보가 적절히 변경된다면 패킷은 우회하여 목적지에 도달할 수 있다.

물론 대체 경로가 없거나 여러 장비가 동시에 장애를 일으키면 통신은 중단될 수 있다. 새로운 경로 정보가 모든 라우터에 반영되기까지 일정한 시간이 걸리기도 한다. 따라서 인터넷이 어떤 장애에도 절대 멈추지 않는다고 말할 수는 없다. 다만 하나의 중앙 통로에 모든 통신을 의존하지 않고 여러 네트워크가 서로 경로를 교환하는 구조는 일부 장애가 전체 인터넷의 중단으로 곧바로 이어지는 위험을 줄여 주었다.

DNS가 목적지의 이름을 IP 주소로 바꾸어 주었다면, 라우터는 그 주소가 속한 네트워크를 향해 패킷을 한 단계씩 전달하였다. 사용자가 웹사이트를 여는 짧은 순간에도 DNS 조회와 라우팅, 여러 구간의 패킷 전달이 연속적으로 일어난다. 화면에서는 한 번의 접속처럼 보이지만 그 뒤에서는 수많은 장비가 각자의 정보를 바탕으로 길을 선택하고 있다.

DNS가 주소를 알려주었다면 라우터는 길을 선택하였다

우리는 인터넷을 사용할 때 데이터가 어떤 길로 이동하는지 거의 의식하지 않는다. 주소창에 도메인을 입력하면 DNS가 IP 주소를 찾아주고, 이후의 패킷은 여러 라우터를 거쳐 목적지 서버로 전달된다. 각각의 라우터는 목적지 주소와 라우팅 테이블을 비교하여 다음 경로를 결정한다. 이 작은 판단이 반복되면서 서로 멀리 떨어진 컴퓨터도 통신할 수 있게 된다.

라우터를 인터넷의 내비게이션이라고 부르는 이유도 여기에 있다. 다만 자동차 내비게이션이 출발지에서 목적지까지의 전체 경로를 운전자에게 보여주는 것과 달리, 인터넷의 라우터는 주로 자신이 맡은 지점에서 다음 방향을 선택한다. 여러 라우터가 연속적으로 패킷을 넘겨주면서 전체 경로가 만들어진다는 점에서 더욱 분산된 길 안내 체계라고 할 수 있다.

TCP/IP는 서로 다른 컴퓨터가 통신할 수 있는 공통 규칙을 만들었고, DNS는 사람이 입력한 이름을 목적지 주소로 바꾸어 주었다. 라우터는 그 주소를 따라 데이터가 이동할 길을 선택하였다. 어느 하나만으로는 오늘날의 인터넷을 완성할 수 없었다. 규칙과 주소, 경로가 함께 작동하면서 인터넷은 실제로 정보를 전달할 수 있는 공간이 되었다.

그러나 여기에는 아직 한 가지 과정이 남아 있다. 우리가 보내는 사진이나 문서, 영상은 왜 작은 패킷으로 나뉘어 전송되는 것일까? 그리고 나뉜 패킷은 어떻게 다시 하나의 정보로 완성될까? 다음 글에서는 인터넷이 데이터를 효율적으로 전달할 수 있게 만든 핵심 원리인 패킷 교환(Packet Switching)을 살펴볼 수 있다.

짧은 생각

인터넷을 하나의 거대한 길이라고 생각하였지만 실제로는 수많은 갈림길이 연결된 교통망에 가까웠다. 라우터는 모든 길을 지배하는 중앙 장치가 아니라 자신의 위치에서 다음 길을 선택하였다. 작은 판단들이 이어져 전 세계의 통신이 완성된다는 점이 인터넷다운 방식이라고 생각하였다. 기본은 변하지 않는다. 기본에 충실하라는 말이 있는 이유를 다시한번 생각해봐야 한다.