[정리] Multicast의 이해

1. 서론: 왜 멀티캐스트인가?

• 유니캐스트와 브로드캐스트의 한계

 인터넷에서 데이터를 전송하는 방식에는 대표적으로 유니캐스트와 브로드캐스트가 있다. 유니캐스트는 한 대의 송신자가 하나의 수신자에게 각각 데이터를 보내는 방식이고, 브로드캐스트는 네트워크에 연결된 모든 장비에게 동시에 데이터를 뿌리는 방식이다. 유니캐스트는 수신자가 많을수록 같은 데이터를 반복해서 보내야 하므로 비효율적이며, 브로드캐스트는 필요 없는 장비에게까지 데이터를 보내 불필요한 네트워크 자원을 소비하게 된다. 이러한 이유로, 동일한 데이터를 여러 사용자에게 효율적으로 전달할 수 있는 새로운 방식이 필요하게 되었다.

 

• 멀티캐스트의 등장 이유: 대역폭 절감 + 효율성

 멀티캐스트는 하나의 송신자가 네트워크 상에서 여러 수신자에게 동시에 데이터를 전달할 수 있는 전송 방식이다. 하지만 브로드캐스트와 달리, 멀티캐스트는 “수신을 원하는 장비”에게만 데이터를 전달하기 때문에 네트워크 자원을 낭비하지 않는다. 예를 들어 100명이 같은 영상을 본다고 해도, 멀티캐스트는 송신자가 한 번만 데이터를 보내고, 네트워크 장비들이 이를 알아서 필요한 사람들에게 분배해주는 방식이다. 이로 인해 전체 트래픽이 줄고, 대역폭을 아끼며, 효율적인 네트워크 운영이 가능해진다.

 

• 멀티캐스트의 대표적 사용 사례 (IPTV, CCTV, 금융망 등)

 멀티캐스트는 주로 같은 데이터를 실시간으로 여러 곳에 동시에 전달해야 하는 환경에서 사용된다. 대표적으로 가정에서 많이 사용하는 IPTV는 실시간 방송 영상을 수천, 수만 가구에 동시에 보내기 위해 멀티캐스트를 활용한다. 또한 기업의 CCTV 영상 전송이나 금융사의 실시간 주식 시세 방송 등, 정보의 빠른 전달과 효율성이 중요한 곳에서 널리 사용된다. 이러한 분야에서는 수많은 사용자에게 동일한 데이터를 빠르고 안정적으로 전달해야 하므로, 멀티캐스트가 가장 적합한 전송 방식이다.

 

 

2. 멀티캐스트의 기본 구조와 용어 정리

 멀티캐스트는 단순히 송신자와 수신자가 있는 구조가 아니라, 이를 중간에서 관리하고 연결해주는 다양한 구성 요소들이 함께 작동한다. 사용자는 단순히 ‘IPTV를 시청한다’고 느끼지만, 실제 네트워크 내부에서는 송신자, 수신자, 라우터, 그룹 주소 등 여러 요소가 정해진 규칙에 따라 움직인다. 멀티캐스트를 제대로 이해하려면 이러한 용어들과 구조의 개념을 먼저 정확히 짚고 넘어갈 필요가 있다. 각 구성 요소들은 자신만의 역할을 수행하면서, 효율적으로 트래픽을 보내고 받을 수 있도록 전체 흐름을 제어하고 있다.

 

 

• Multicast Group Address (예: 239.1.1.1)

멀티캐스트에서 데이터를 전송할 때는 일반적인 IP 주소가 아닌 ‘멀티캐스트 전용 주소’를 사용한다. 이 주소는 224.0.0.0부터 239.255.255.255 사이에 존재하며, 수신자는 자신이 받고 싶은 그룹 주소에 ‘가입’함으로써 해당 데이터를 받을 수 있다. 예를 들어, 239.1.1.1이라는 주소는 하나의 방송 채널처럼 사용되며, 이 주소에 가입한 사용자만 해당 멀티캐스트 데이터를 수신할 수 있게 된다. 즉, 멀티캐스트 주소는 트래픽을 받을 사람들을 묶어주는 일종의 ‘방송 채널 번호’라고 볼 수 있다.

 

• IGMP, PIM, RP, BSR 역할 간단 요약

 수신자가 멀티캐스트 그룹에 참여하고 싶을 때 사용하는 프로토콜이 IGMP(Internet Group Management Protocol)이다. 이 프로토콜은 PC나 IPTV 셋톱박스 등 최종 장비에서 라우터에게 “이 그룹의 방송을 보고 싶다”고 요청하는 데 사용된다. 그 다음 라우터는 PIM(Protocol Independent Multicast)을 이용해 실제 멀티캐스트 트래픽이 송신자로부터 수신자까지 도달할 수 있도록 경로를 만든다. RP(Rendezvous Point)는 멀티캐스트 트래픽을 중계하는 중심 노드이며, BSR(Bootstrap Router)은 RP를 자동으로 선출해주는 기능을 한다. 이들이 서로 협력하여 멀티캐스트 네트워크를 효율적으로 유지한다.

 

 

• "트래픽을 누가 뿌리고, 누가 받아주는가?"의 개념 정립

 

 멀티캐스트 트래픽의 흐름을 단순화하면 ‘서버는 뿌리고, 라우터는 걸러서 보내준다’로 설명할 수 있다. 송신자는 수신자가 있든 없든 멀티캐스트 주소로 데이터를 계속 전송한다. 그러나 이 트래픽이 실제로 수신자에게 도달하려면, 중간의 라우터가 수신자의 요청을 감지하고, 필요한 경로를 설정해줘야 한다. 즉, 서버는 무작정 데이터를 뿌리지만, 누가 받을지는 라우터가 판단하고 결정한다. 이 구조 속에서 라우터는 단순 중계가 아니라, 네트워크 효율성을 위해 중요한 판단을 내리는 중심 역할을 수행한다.

 

 

 

3. Dense Mode vs Sparse Mode: 작동 방식 비교

 멀티캐스트가 작동하는 방식에는 크게 두 가지가 있다. 하나는 Dense Mode이고, 다른 하나는 Sparse Mode이다. 이 두 가지는 모두 멀티캐스트 트래픽을 수신자에게 전달한다는 점에서는 같지만, 트래픽을 어떻게 전파하고 수신자를 어떻게 판단하는지에 있어 방식이 완전히 다르다. Dense는 ‘일단 다 보내고 필요 없는 쪽은 차단’, Sparse는 ‘요청이 들어오면 그때부터 전달’이라는 사고방식에서 출발한다. 이 차이는 네트워크 효율성과 확장성, 설정 방식에 큰 영향을 미친다.

 

• Dense Mode의 기본 로직: Flood → Prune

 Dense Mode는 수신자가 어디에 있는지 정확히 모르더라도, 멀티캐스트 트래픽을 네트워크 전체로 먼저 전파한다. 이후 수신자가 없는 네트워크 장비나 경로에서는 "더 이상 필요 없다"는 Prune 메시지를 보내 트래픽을 차단한다. 이런 방식은 단순하고 설정도 쉬우며, 수신자가 많거나 네트워크가 작을 때는 효과적일 수 있다. 그러나 수신자가 적거나 트래픽이 많아지면, 불필요한 데이터가 네트워크를 점령하게 되어 오히려 효율이 떨어진다. 결국 Dense Mode는 ‘처음엔 많이 뿌리고, 나중에 가지치기한다’는 철학을 가진 방식이다.

 

 

• Sparse Mode의 기본 로직: IGMP Join → PIM Join → 전달

 Sparse Mode는 Dense와 반대로 ‘요청이 있을 때만’ 트래픽을 전달한다. 수신자가 멀티캐스트 그룹에 참여하고 싶다고 IGMP Join 메시지를 보내면, 이를 받은 라우터가 상위 장비나 RP(Rendezvous Point)로 PIM Join 메시지를 전달한다. 이렇게 요청 경로가 완성되면 그때부터 멀티캐스트 트래픽이 수신자 쪽으로 흘러들어온다. 이 방식은 트래픽 낭비가 거의 없고, 수신자가 적은 환경에서도 매우 효율적으로 동작한다. 대신 설정이 더 복잡하고, RP나 BSR 같은 중간 노드가 필요하다는 점에서 관리 측면의 부담이 생긴다.

 

 

• “수신자가 있어야 트래픽이 흐른다”의 진짜 의미

 Dense Mode와 Sparse Mode 모두 결과적으로는 ‘수신자가 있어야 트래픽이 도달한다’는 점에서는 동일하다. 하지만 그 접근 방식은 완전히 다르다. Dense Mode는 송신자가 트래픽을 먼저 네트워크 전체로 퍼뜨리고, 수신자가 없는 경로는 나중에 차단한다. 반면 Sparse Mode는 수신자의 요청이 먼저 있어야 트래픽이 전파된다. 즉, Dense는 ‘먼저 주고, 필요 없으면 줄인다’이고, Sparse는 ‘필요한 사람에게만 정확히 주겠다’는 구조이다. 이 철학의 차이가 실제 네트워크 설계와 동작 방식에 큰 영향을 준다.

 

 

• 서버는 항상 뿌린다 vs 라우터는 받을지 말지를 정한다

 멀티캐스트 트래픽은 송신자의 입장에서 보면, 마치 공중으로 방송을 내보내는 것처럼 요청 여부와 상관없이 일정한 멀티캐스트 주소로 지속적으로 전송된다. 즉, 서버는 수신자의 존재 여부를 고려하지 않고 항상 데이터를 ‘뿌리고’ 있는 상태이다. 그러나 이 트래픽이 실제로 수신자에게 도달할 수 있을지는 중간에 있는 라우터가 판단한다. 라우터는 네트워크 상태, IGMP Join 메시지의 유무, 설정된 모드(Dense 또는 Sparse)에 따라 트래픽을 받아줄지, 경로를 유지할지를 결정한다. 결국 멀티캐스트 전송의 실질적인 제어권은 송신자가 아닌 라우터에 있다고 할 수 있다.

 

 

• 라우터의 동작 흐름 관점으로 비교 (Push vs Pull)

 라우터의 입장에서 보면, Dense Mode와 Sparse Mode는 트래픽을 다루는 방식 자체가 완전히 다르다. Dense Mode에서는 트래픽이 먼저 라우터에 전달되며, 이 라우터는 필요 없는 경우에만 Prune 메시지를 보내 차단한다. 이는 라우터가 기본적으로 ‘받고 있다가 필요 없으면 끊는’ 구조이므로 Push 방식에 가깝다. 반면, Sparse Mode에서는 수신자로부터 IGMP Join 요청이 있을 때에만 라우터가 상위 라우터나 RP에게 PIM Join을 보낸다. 즉, 라우터는 "요청이 있을 때만 경로를 만들고 트래픽을 받는" Pull 방식으로 동작한다. 이 차이는 단순한 구성 차이가 아니라, 전체 네트워크의 효율성과 확장성에 직접적인 영향을 미친다.

 

 

 

 

 

4. 실제 흐름 예시로 보는 동작 원리

 멀티캐스트 라우팅은 단순히 설정만 되어 있다고 작동하는 것이 아니라, 실제 네트워크 상황에 따라 수신자의 요청, 라우터의 판단, 송신자의 트래픽 전송이 유기적으로 연결되어야 한다. 이를 가장 쉽게 이해할 수 있는 방법은 실제 흐름을 단계별로 살펴보는 것이다. 아래 예시는 Dense Mode와 Sparse Mode 각각에서 어떤 순서로 트래픽이 흐르고, 어떤 조건이 충족되어야 최종적으로 수신자가 데이터를 받을 수 있는지를 보여준다.

 

 

• 수신자가 존재할 때의 흐름 (IGMP Join → 트래픽 수신 성공)

 수신자는 멀티캐스트 그룹에 참여하고 싶을 때, IGMP Join 메시지를 통해 자신이 어느 그룹의 데이터를 받고 싶은지를 라우터에게 알린다. 이 메시지는 수신자의 PC 또는 IPTV 장비에서 자동으로 생성된다. 이 메시지를 받은 라우터는, Dense Mode일 경우 해당 인터페이스에 계속 트래픽을 전달하고, Sparse Mode일 경우 RP나 상위 라우터에게 PIM Join을 보내 멀티캐스트 경로를 형성한다. 이 흐름이 모두 정상적으로 완료되면, 송신자가 보내는 트래픽이 라우터를 거쳐 수신자까지 도달하게 되고, 최종적으로 사용자는 스트리밍 영상을 시청할 수 있게 된다.

 

• 수신자가 없을 때의 흐름 (Prune 또는 트래픽 없음)

 만약 멀티캐스트 그룹에 참여하는 수신자가 없다면, Dense Mode에서는 해당 인터페이스에 더 이상 IGMP Join이 들어오지 않게 되므로 일정 시간이 지나 Prune 메시지가 전송된다. 이 메시지를 받은 상위 라우터는 그 방향으로 더 이상 트래픽을 보내지 않게 된다. Sparse Mode의 경우에는 애초에 IGMP Join이 없기 때문에 PIM Join도 발생하지 않으며, 따라서 멀티캐스트 트래픽은 해당 경로로 아예 흐르지 않는다. 즉, 수신자가 없는 상황에서는 두 모드 모두 결국 트래픽을 차단하지만, 그 과정과 타이밍은 완전히 다르다.

 

• RP의 역할: Sparse에서의 중앙 집중 점

 Sparse Mode에서는 RP(Rendezvous Point)가 중심적인 역할을 수행한다. 송신자는 RP를 향해 멀티캐스트 트래픽을 먼저 보내고, 수신자가 IGMP Join 요청을 하면 그 요청도 RP 방향으로 PIM Join 메시지로 전달된다. RP는 이렇게 송신자와 수신자 양쪽의 요청을 받은 후, 멀티캐스트 트래픽을 적절한 경로를 통해 수신자 쪽으로 중계해준다. 즉, RP는 단순히 경로를 만들어주는 라우터가 아니라, 멀티캐스트 네트워크 전체의 흐름을 조정하는 핵심 노드 역할을 한다. 이를 통해 Sparse Mode는 보다 정교하고 통제된 멀티캐스트 운영이 가능하다.

 

• Dense에서 트래픽 과잉과 Prune 시간 초과에 대한 실제 사례

 

 Dense Mode에서는 기본적으로 트래픽이 모든 인터페이스로 전달되기 때문에, 수신자가 거의 없는 환경에서는 많은 불필요한 멀티캐스트 트래픽이 네트워크를 떠돌게 된다. 이로 인해 대역폭을 과도하게 점유하거나, 라우터의 CPU와 메모리에 불필요한 부하를 줄 수 있다. 특히 Prune 메시지가 제대로 전파되지 않거나, Prune 타이머가 짧게 설정되어 반복적으로 Flooding이 발생할 경우, 이러한 현상은 더욱 심해진다. 이러한 이유로 대부분의 기업 네트워크에서는 Dense Mode보다는 Sparse Mode가 선호된다.

 

 

 

 

5. 실무에서의 선택 기준: 언제 Dense, 언제 Sparse?

 멀티캐스트 전송 방식을 선택할 때, 단순히 기술적인 작동 원리만 보고 결정하는 것은 적절하지 않다. 실제 환경에서는 네트워크 규모, 수신자의 분포, 구성 복잡도, 유지 보수 가능성 등을 종합적으로 고려해야 한다. Dense Mode와 Sparse Mode는 각각 장단점이 뚜렷하게 존재하며, 목적과 환경에 맞게 선택해야 효율적인 멀티캐스트 네트워크를 운영할 수 있다. 아래에서는 두 모드가 어떤 상황에 적합한지를 구체적으로 비교하여 설명한다.

 

 

• Dense Mode: 테스트망, 단순망에서의 유용성

 Dense Mode는 기본적으로 멀티캐스트 트래픽을 먼저 뿌리고 필요 없는 경로를 가지치기하는 구조이기 때문에, 초기 설정이 간단하고 별도의 중앙 노드(RP)를 지정할 필요가 없다. 이로 인해 소규모 네트워크나, 실험망, 테스트 베드에서는 매우 간편하게 사용할 수 있다. 수신자가 네트워크 전역에 걸쳐 고르게 분포해 있을 때도 Dense Mode는 유효할 수 있다. 다만, 수신자가 드물거나 네트워크 규모가 클 경우, 과도한 Flooding으로 인해 오히려 성능 저하나 트래픽 낭비를 유발할 수 있다는 점에서 한계가 분명하다.

 

• Sparse Mode: 대규모 통제 환경에서의 안정성과 효율성

 Sparse Mode는 수신자의 Join 요청이 있을 때만 트래픽 경로가 생성되기 때문에, 네트워크의 트래픽 사용 효율이 매우 높다. 특히 수신자가 일부 구간에 집중되어 있는 환경이나, 실시간 영상 전송처럼 고속/고품질 멀티캐스트 트래픽이 필요한 상황에서는 Sparse Mode가 훨씬 유리하다. RP를 중심으로 트래픽이 관리되기 때문에 중앙 통제도 용이하다. 단점이라면 설정이 상대적으로 복잡하고, RP/BSR 구성에 대한 이해와 설계가 필요하다는 점이다. 그러나 이러한 구조적 복잡성은 대규모 네트워크에서는 효율성이라는 이점으로 상쇄된다.

 

• 구성 복잡도 vs 트래픽 효율성 트레이드오프

 Dense Mode와 Sparse Mode의 선택은 곧 구성의 단순함과 네트워크 효율성 사이의 균형 문제로 볼 수 있다. Dense Mode는 빠르고 간단하게 구성할 수 있지만, 장기적인 운용에서는 트래픽 과잉 문제를 유발할 수 있다. 반면 Sparse Mode는 설정이 복잡하고 초기 구성에 시간이 걸릴 수 있지만, 수신자 기반의 경량화된 트래픽 전달로 인해 안정적이고 예측 가능한 운영이 가능하다. 따라서 네트워크 규모와 수신자 분포, 운영의 복잡성까지 고려해 종합적으로 판단하는 것이 중요하다.