MPLS (r1)

MPLS 네트워크에서 데이터 패킷은 전통적인 IP 라우팅처럼 목적지 IP 주소를 기반으로 라우팅되지 않는다. 대신, 각 패킷에 짧고 고정된 길이의 식별자인 라벨이 붙으며, 이 라벨을 기준으로 패킷이 전송된다. 라벨은 패킷이 네트워크를 통과할 때 따라야 할 경로를 정의한다. 일반적으로 라벨은 20비트의 값으로 구성되며, 라벨 스위칭 경로 상의 각 라우터는 들어오는 패킷의 라벨을 확인하고, 미리 정해진 테이블(라벨 정보 베이스, LIB)을 참조하여 해당 패킷에 새로운 라벨을 붙이고 특정 출력 인터페이스로 전송한다.

단일 라벨만으로 복잡한 네트워크 정책이나 서비스를 구현하기 어려운 경우가 많다. 이를 해결하기 위해 MPLS는 여러 개의 라벨을 패킷에 차례로 쌓아 올리는 라벨 스택 기능을 제공한다. 라벨 스택은 패킷 헤더에 여러 개의 라벨이 순서대로 포함된 구조이다. 패킷을 처리하는 라우터는 항상 스택의 맨 위에 있는 라벨(톱 라벨)만을 참조하여 포워딩 결정을 내린다. 내부에 중첩된 라벨은 톱 라벨이 제거되기 전까지는 보이지 않는다.

라벨 스택은 네트워크의 계층적 구조와 다양한 서비스를 효율적으로 지원하는 핵심 메커니즘이다. 예를 들어, MPLS VPN 서비스에서는 외부 라벨이 패킷을 공급자 에지 라우터까지 전달하는 데 사용되고, 내부 라벨이 특정 고객의 VPN을 식별하는 데 사용된다. 또한, 트래픽 엔지니어링을 위해 명시적 경로를 지정할 때나, MPLS-TP와 같은 기술에서도 라벨 스택이 활용된다. 라벨 스택의 깊이는 이론적으로 제한이 없지만, 실제 구현에서는 장비 성능에 따라 제한될 수 있다.

라벨 스위칭 경로는 MPLS 네트워크에서 특정 패킷 흐름이 통과하는 경로를 의미한다. 이 경로는 사전에 설정되며, 출발 지점인 Ingress 라우터부터 목적지 지점인 Egress 라우터까지의 일련의 라우터들로 구성된다. LSP는 단방향 경로이며, 양방향 통신을 위해서는 반대 방향의 LSP가 별도로 설정되어야 한다.

LSP는 제어 평면에서 설정되고 데이터 평면에서 사용된다. 설정 방식에 따라 크게 두 가지 유형으로 나눌 수 있다.

LSP의 경로는 최단 경로를 따를 수도 있고, 트래픽 엔지니어링 정책에 따라 대역폭, 지연, 명시적 경로 등 제약 조건을 부여하여 결정될 수도 있다. 이를 통해 네트워크 자원을 효율적으로 활용하고 특정 서비스 수준을 보장할 수 있다. LSP는 MPLS가 기존 IP 라우팅과 차별화되는 핵심 요소로, VPN 서비스의 터널을 형성하는 기반이 된다.

라벨 분배 프로토콜(LDP)은 MPLS 네트워크에서 라우터들이 서로 라벨 정보를 교환하고, 라벨 스위칭 경로(LSP)를 동적으로 설정하기 위해 사용되는 주요 프로토콜이다. LDP는 인접 라우터 사이에 TCP 세션을 수립한 후, 해당 경로에 매핑될 라벨을 자동으로 배포하고 관리하는 역할을 한다. 이 프로토콜은 IP 라우팅 테이블의 정보를 기반으로 라벨을 분배하므로, 네트워크 관리자가 수동으로 LSP를 구성할 필요가 없어 운영 효율성을 높인다.

LDP의 동작은 크게 네 단계로 나눌 수 있다. 첫째, LDP를 실행하는 라우터들은 헬로 메시지를 멀티캐스트 주소를 통해 주기적으로 전송하여 이웃을 발견한다. 둘째, 발견된 이웃과 TCP 연결을 설정하고 LDP 세션을 초기화한다. 셋째, 세션이 수립되면 라우터는 자신의 IP 라우팅 테이블에 있는 FEC(전달 동등 클래스) 정보와 그에 해당하는 라벨 값을 상대방에게 알린다. 마지막으로, 각 라우터는 수신한 라벨 정보를 자신의 LFIB(라벨 전달 정보 베이스)에 저장하고, 실제 데이터 패킷의 전송에 활용한다.

LDP는 주로 내부 게이트웨이 프로토콜(IGP)이 수렴한 네트워크 토폴로지를 따르는 LSP를 생성한다. 이는 네트워크의 최단 경로를 그대로 라벨 스위칭 경로로 사용함을 의미하며, 이를 통해 트래픽 엔지니어링보다는 간단한 MPLS 기반 전송 인프라 구축에 적합하다. LDP의 대안 또는 보완 프로토콜로는 RSVP-TE(자원 예약 프로토콜-트래픽 엔지니어링)나 MP-BGP(다중 프로토콜 BGP) 등이 있으며, 이들은 각각 명시적 경로 지정이나 MPLS VPN 서비스 제공에 특화되어 있다.

MPLS 네트워크에서 데이터 패킷의 경로는 세 가지 역할을 하는 라우터에 의해 정의됩니다. 이들은 각각 Ingress 라우터, Transit 라우터, Egress 라우터로 불립니다. 이 세 가지 역할은 패킷이 MPLS 도메인에 들어와서 전달되고 마지막으로 빠져나가는 전체 흐름을 구성합니다.

Ingress 라우터는 MPLS 도메인의 진입점입니다. 이 라우터는 들어오는 일반 IP 패킷을 검사하고, FEC에 따라 적절한 MPLS 라벨을 패킷 헤더에 붙입니다[5]. 이 과정을 '라벨 푸싱'이라고 합니다. Ingress 라우터는 패킷에 부착된 라벨을 보고 다음 홉으로 패킷을 전송합니다.

Transit 라우터는 MPLS 도메인 내부에 위치한 중간 라우터입니다. 이 라우터의 주요 임무는 들어오는 패킷의 최상위 라벨을 조회하여, 해당 라벨에 매핑된 새로운 출구 라벨과 다음 홉 인터페이스로 패킷을 전달하는 것입니다. 이때 라벨을 교체하는 작업을 '라벨 스와핑'이라고 합니다. Transit 라우터는 일반적으로 패킷의 IP 헤더를 깊이 검사하지 않고, 라벨만을 기준으로 고속 전송을 수행합니다.

Egress 라우터는 MPLS 도메인의 종착점입니다. 이 라우터는 들어오는 패킷의 MPLS 라벨을 제거하는 '라벨 팝핑' 작업을 수행합니다. 이후 원래의 IP 패킷이 복원되어, 기존의 IP 라우팅 방식에 따라 최종 목적지로 전달되거나 다른 네트워크로 포워딩됩니다. Egress 라우터는 MPLS 경로의 끝을 나타냅니다.

MPLS 네트워크에서 데이터 패킷이 전달되는 과정은 기존의 IP 라우팅과는 차별화된 방식으로 이루어진다. 패킷은 Ingress 라우터에서 라벨이 부착된 후, 네트워크 코어를 통과하는 동안 각 Transit 라우터에서는 IP 헤더를 조회하지 않고 라벨만을 기준으로 신속하게 스위칭된다. 최종 목적지 네트워크에 도달하기 직전의 Egress 라우터에서는 라벨이 제거되고, 패킷은 기존의 IP 포워딩 방식으로 최종 목적지로 전송된다.

구체적인 포워딩 과정은 다음과 같은 단계로 설명할 수 있다.

1. 라벨 푸시(Label Push): Ingress 라우터는 들어오는 패킷의 IP 헤더를 분석하여 FEC를 결정한다. 이 FEC에 해당하는 LSP의 다음 홉과 라벨 값을 확인한 후, 패킷의 라벨 스택에 새로운 라벨을 푸시(추가)한다. 이 과정을 통해 패킷은 MPLS 네트워크로 진입한다.

2. 라벨 스왑(Label Swap): 패킷이 Transit 라우터에 도착하면, 라우터는 패킷의 최상위 라벨을 조회하여 자신의 LFIB를 참조한다. LFIB에는 입구 라벨에 매핑된 출구 인터페이스와 새로운 출구 라벨 값이 기록되어 있다. 라우터는 입구 라벨을 출구 라벨로 스왑(교체)하고, 지정된 인터페이스로 패킷을 전송한다. 이 단계가 네트워크 코어를 가로지르는 동안 반복된다.

3. 라벨 팝(Label Pop): 패킷이 LSP의 끝에 도달하면, Egress 라우터는 라벨을 제거(팝)한다. 이는 일반적으로 LFIB 조회 결과 '라벨 제거' 동작으로 표시된다. 라벨이 제거된 순수 IP 패킷은 이후 기존의 IP 라우팅 테이블을 기반으로 최종 목적지로 포워딩된다.

이러한 라벨 기반 포워딩은 매 홉마다 복잡한 IP 라우팅 테이블 조회를 수행할 필요가 없어 하드웨어에서 효율적으로 처리될 수 있다. 또한, PHP 방식을 적용하면 마지막 Transit 라우터에서 라벨을 미리 제거하여 Egress 라우터의 부하를 줄일 수 있다. 결국 MPLS의 패킷 포워딩 과정은 데이터 플레인의 처리 속도를 높이고, 트래픽 엔지니어링이나 VPN 서비스 구현을 위한 논리적 터널을 제공하는 기술적 기반이 된다.

트래픽 엔지니어링은 MPLS 네트워크의 핵심 기능 중 하나로, 기존 IP 라우팅이 최단 경로를 자동으로 선택하는 데 반해, 네트워크 운영자가 트래픽의 흐름을 명시적으로 제어하고 최적화할 수 있게 해준다. 이는 네트워크 대역폭을 효율적으로 활용하고, 혼잡을 방지하며, 서비스 품질을 보장하는 데 목적이 있다. IGP 프로토콜만으로는 불가능했던 경로 제어를 가능하게 하여, 네트워크 자원의 활용도를 극대화한다.

MPLS 트래픽 엔지니어링의 핵심 메커니즘은 제약 조건 기반 경로 계산(CSPF)과 RSVP-TE 프로토콜에 기반한다. 운영자는 대역폭, 지연, 홉 수 등 다양한 제약 조건을 설정하여 특정 LSP를 설정할 수 있다. 이를 통해 중요한 트래픽은 여유로운 경로로, 덜 중요한 트래픽은 대체 경로로 유도하는 정책 기반 라우팅이 가능해진다. 또한, 링크 장애 시 백업 LSP로의 빠른 전환을 통해 네트워크 안정성을 높인다.

주요 적용 사항은 다음과 같다.

이러한 제어 기능은 특히 백본 네트워크나 대규모 서비스 제공자 환경에서 가치가 크다. 네트워크 운영자는 트래픽 엔지니어링을 통해 단순한 연결 이상의 고부가가치 서비스를 제공하고, 네트워크 인프라에 대한 투자 수익률을 개선할 수 있다.

MPLS는 트래픽 엔지니어링 외에도 가상 사설망(VPN) 서비스를 제공하는 핵심 기술로 사용된다. 기존의 IP 라우팅 기반 VPN과 달리, MPLS VPN은 서비스 제공자(SP) 백본 네트워크를 통해 여러 고객의 트래픽을 논리적으로 분리하면서도 효율적으로 전송할 수 있는 메커니즘을 제공한다. 이는 주로 라우팅 프로토콜과 라벨 스위칭 경로를 결합하여 구현된다.

MPLS 기반 VPN은 크게 레이어 2 VPN(L2VPN)과 레이어 3 VPN(L3VPN)으로 구분된다. 대표적인 L3VPN은 BGP/MPLS IP VPN(종종 MVPN으로 지칭됨)이다. 이 아키텍처에서는 각 고객 사이트에 연결된 프로바이더 에지(PE) 라우터가 고객별로 독립적인 가상 라우팅 포워딩(VRF) 테이블을 유지한다. PE 라우터들은 멀티프로토콜 BGP(MP-BGP)를 사용하여 고객의 IP 프리픽스와 함께 MPLS 라벨 정보를 교환함으로써, 서로 다른 고객의 주소 공간이 완전히 격리된 상태로 백본 네트워크를 통해 전송되도록 보장한다.

한편, 이더넷 VPN(EVPN)은 주로 레이어 2 연결성을 제공하는 현대적인 솔루션이다. EVPN은 기존의 VPLS 같은 L2VPN 기술의 한계를 해결하기 위해 설계되었다. EVPN은 BGP 제어 평면을 사용하여 MAC 주소 학습과 전파를 중앙 집중화함으로써, 더 효율적인 롤리벨런싱과 빠른 수렴(convergence)을 가능하게 한다. 또한, EVPN은 MPLS 데이터 평면(EVPN-MPLS) 또는 VXLAN 데이터 평면(EVPN-VXLAN) 위에서 동작할 수 있는 다중 프로토콜 아키텍처이다.

다음은 MPLS 기반 주요 VPN 유형을 비교한 표이다.

이러한 MPLS VPN 서비스는 기업이 지사 간 안전하고 확장 가능한 네트워크를 구성할 수 있게 하여, 기업망 구축의 핵심 인프라로 자리 잡았다.

MPLS는 트래픽 엔지니어링과 함께 서비스 품질(QoS)을 보장하는 데 효과적인 메커니즘을 제공한다. 기존 IP 네트워크에서 QoS는 DiffServ나 IntServ와 같은 복잡한 프로토콜에 의존하며, 모든 라우터가 패킷 헤더를 깊이 검사해야 하는 부담이 있었다. MPLS는 패킷을 분류하고 우선순위를 부여하는 작업을 네트워크 진입점(Ingress 라우터)에서 한 번만 수행하고, 그 결과를 MPLS 라벨에 인코딩하여 전달한다. 이렇게 하면 네트워크 코어의 트랜짓 라우터들은 간단한 라벨 조회만으로 패킷을 적절한 대역폭과 지연 특성을 가진 경로로 전송할 수 있다.

MPLS에서 QoS 지원은 주로 트래픽 엔지니어링(MPLS-TE)과 결합되어 구현된다. 네트워크 관리자는 특정 대역폭, 지연, 지터 요구사항을 가진 트래픽 클래스(예: 실시간 음성, 중요한 데이터)를 위해 전용의 라벨 스위칭 경로(LSP)를 설정할 수 있다. 이 LSP는 네트워크 리소스를 예약하여 해당 트래픽이 약속된 서비스 수준을 받도록 보장한다. 라벨 내의 EXP(Experimental) 필드(3비트)는 패킷의 우선순위를 표시하는 데 사용되어, 혼잡 발생 시 어떤 패킷을 먼저 폐기할지 결정하는 기준이 된다.

MPLS QoS의 적용은 MPLS VPN 서비스에서 두드러진다. 서비스 제공자는 하나의 물리적 MPLS 백본 네트워크 위에 여러 고객의 가상 사설망을 구성하면서, 각 고객이나 고객 내의 특정 애플리케이션에 대해 차별화된 서비스 등급을 보장할 수 있다. 예를 들어, 금융 거래 트래픽은 낮은 지연이 보장되는 LSP를 통해 전송되고, 이메일 트래픽은 베스트 에포트 경로를 사용하도록 정책을 수립할 수 있다. 이는 단순한 연결성 제공을 넘어서, 수익화가 가능한 고부가가치 서비스의 기반이 된다.

IP 라우팅은 패킷의 IP 헤더에 기록된 목적지 주소를 기반으로 각 라우터가 독립적으로 최적의 경로를 조회하여 전달하는 방식을 사용한다. 이는 연결 지향적이지 않은(connectionless) 데이터그램 네트워크의 전형적인 특징이다. 반면, MPLS는 패킷에 짧고 고정된 길이의 라벨을 붙이고, 라우터는 복잡한 IP 주소 조회 대신 이 라벨만을 보고 전송 결정을 내린다. 이는 사전에 설정된 경로인 LSP를 따라 패킷이 전송되도록 하여 연결 지향적(connection-oriented) 특성을 부여한다.

두 방식의 핵심 차이는 포워딩 결정의 기준과 경로 설정에 있다. 다음 표는 주요 차이점을 비교한다.

성능 측면에서 MPLS는 하드웨어에서 간단한 라벨 조회와 교환 작업이 가능하므로 포워딩 속도가 일반적으로 빠르다. 또한, 라벨 스택 기능을 통해 여러 개의 라벨을 중첩시켜 터널링을 구현할 수 있어, MPLS VPN과 같은 서비스를 효율적으로 제공할 수 있다. 기존 IP 네트워크는 구현이 간단하고 범용성이 높지만, 대역폭 보장, 지연 시간 제어, 명시적 경로 지정 등에서 MPLS에 비해 제한적이다.

결론적으로, 기존 IP 라우팅은 유연하고 확장성 높은 인터넷의 기반을 이루는 반면, MPLS는 사업자 네트워크나 대규모 엔터프라이즈 백본에서 트래픽을 제어하고 다양한 부가 서비스를 제공하기 위해 진화한 기술이다. MPLS는 IP 라우팅을 대체하기보다, 그 위에 구축되어 라우팅의 제약을 보완하고 네트워크 운용의 효율성을 높이는 역할을 한다.

MPLS는 기업의 본사와 지사 간 안정적인 통신을 위해 오랫동안 와이드 에리어 네트워크의 핵심 기술로 사용되어 왔다. 반면, SD-WAN은 인터넷 링크를 포함한 다양한 저비용의 광대역 연결을 활용하고, 소프트웨어 정의 네트워킹 원리를 적용하여 WAN을 중앙에서 관리하고 최적화하는 접근 방식을 제공한다. 두 기술은 상호 배타적이기보다는 상호 보완적이며, 네트워크 요구 사항에 따라 함께 사용되거나 대체되는 경우가 많다.

MPLS와 SD-WAN의 주요 차이는 연결 방식과 제어 구조에 있다. MPLS는 사설 네트워크 사업자가 제공하는 라벨 스위칭 경로를 통해 예측 가능한 성능과 높은 신뢰성을 보장하지만, 비용이 상대적으로 높고 신규 사이트 구축에 시간이 소요된다. SD-WAN은 일반 인터넷, LTE, MPLS 링크 등 다양한 물리적 연결을 추상화한 오버레이 네트워크를 구성한다. 중앙 컨트롤 플레인을 통해 애플리케이션 수준에서 트래픽을 식별하고, 실시간으로 링크 상태를 모니터링하여 최적의 경로로 동적으로 스티어링한다. 이는 비용 절감과 배포의 민첩성을 가져온다.

현대적인 하이브리드 WAN 아키텍처에서는 두 기술이 결합되어 사용된다. 예를 들어, 중요한 ERP 트래픽이나 실시간 음성 통화는 품질이 보장되는 MPLS 링크를 통해 전송하고, 일반적인 웹 트래픽이나 클라우드 애플리케이션 접속은 저비용의 인터넷 링크를 통해 전송하는 정책을 SD-WAN 컨트롤러에서 설정할 수 있다. 이렇게 함으로써 MPLS의 안정성과 SD-WAN의 경제성 및 유연성을 동시에 확보한다. 결국, SD-WAN은 MPLS를 대체하기보다는, MPLS를 포함한 다양한 전송 기술을 더 효율적으로 활용하고 관리하는 진화된 프레임워크로 볼 수 있다.

Segment Routing은 MPLS 네트워크의 복잡성을 줄이고 확장성을 향상시키기 위해 개발된 새로운 패킷 포워딩 아키텍처이다. 기존 MPLS가 라벨 분배 프로토콜과 같은 별도의 신호 프로토콜에 의존해 라벨 스위칭 경로를 설정하고 관리해야 했던 것과 달리, 세그먼트 라우팅은 네트워크 경로 정보를 패킷 헤더 자체에 인코딩하는 소스 라우팅 방식을 채택한다. 이 방식은 제어 평면의 단순화와 네트워크 상태 정보의 중앙 집중적 관리 가능성을 제공한다.

세그먼트 라우팅의 핵심 구성 요소는 세그먼트이다. 세그먼트는 네트워크 내의 특정 지시사항을 나타내며, 노드, 링크, 서비스, 또는 특정 포워딩 동작을 가리킬 수 있다. 이러한 세그먼트들의 순서된 목록, 즉 '세그먼트 리스트'가 패킷의 경로를 정의한다. 패킷이 네트워크를 통과할 때, 각 라우터는 패킷 헤더에 명시된 세그먼트 리스트의 최상위 지시사항을 수행하고, 해당 세그먼트가 완료되면 리스트에서 제거한다. 이 과정은 패킷이 최종 목적지에 도달할 때까지 반복된다.

세그먼트 라우팅은 두 가지 데이터 평면을 지원한다. 하나는 MPLS 데이터 평면을 재사용하는 SR-MPLS이고, 다른 하나는 IPv6 확장 헤더를 활용하는 SRv6이다. SR-MPLS는 기존 MPLS 인프라를 최대한 활용할 수 있어 진입 장벽이 낮은 반면, SRv6는 IPv6의 광범위한 주소 공간과 프로그래밍 가능성을 바탕으로 더 풍부한 네트워크 기능을 제공한다.

이 아키텍처는 소프트웨어 정의 네트워킹 및 네트워크 자동화와의 통합에 유리하며, 클라우드 데이터 센터와 5G 코어 네트워크 등 현대 네트워크 요구사항을 충족시키는 핵심 기술로 주목받고 있다.

SR-MPLS는 세그먼트 라우팅의 개념을 MPLS 데이터 평면 위에 구현한 기술이다. 기존 MPLS가 LDP나 RSVP-TE와 같은 별도의 프로토콜을 사용해 라벨을 분배하고 경로를 설정한 것과 달리, SR-MPLS는 네트워크 경로 정보를 IGP 확장을 통해 사전에 학습하고, 출발지 라우터가 패킷의 경로를 라벨 스택 형태로 정의하여 전송한다. 이는 제어 평면을 단순화하고 네트워크 운영의 유연성과 확장성을 크게 향상시킨다.

SR-MPLS의 핵심은 세그먼트 ID이다. SID는 네트워크 내의 특정 지시사항을 나타내는 MPLS 라벨로 인코딩된다. 가장 기본적인 형태는 노드 SID와 애드재센시 SID가 있다. 노드 SID는 특정 라우터까지의 최단 경로를 나타내고, 애드재센시 SID는 특정 링크를 통한 전송을 강제한다. 출발지 라우터는 이러한 SID들을 순서대로 쌓아 라벨 스택을 만들고, 패킷 헤더에 부착한다. 네트워크의 중간 라우터들은 이 스택의 최상단 라벨만을 보고 스위칭을 수행하며, 각 SID가 완료되면 라벨을 제거한다.

SR-MPLS의 주요 장점은 다음과 같다.

이 기술은 특히 SDN 아키텍처와 잘 통합된다. 중앙 컨트롤러가 네트워크 전체 토폴로지를 파악하고 최적의 경로를 계산한 후, 출발지 장비에 적용할 SID 스택을 지시하는 방식으로 활용된다. SR-MPLS는 기존 MPLS 인프라를 대체하지 않고 그 위에 구축될 수 있어, 점진적인 도입과 기존 장비의 재활용이 가능하다는 실용적인 이점도 지닌다.