[03] 네트워크 계층

네트워크

[03] 네트워크 계층

BGK97 2024. 5. 29. 13:45

LAN을 넘어서는 다른 네트워크와 통신을 하려면 네트워크 계층의 역할이 필수적

데이터 링크 계층의 한계

물리, 데이터 링크 계층만으로는 다른 네트워크 까지의 도달경로 파악이 어려움
- 거리가 먼 사용자들 끼리 통신을 할 때, 패킷이 이동을 해야하는데, 이를 라우팅이라 함
- 하지만 물리와 데이터 링크 계층에는 라우팅이 수행 불가
MAC 주소만으로는 모든 네트워크에 속한 호스트의 위치 특정이 어려움
- 호스트가 모든 네트워크에 속한 호스트의 MAC주소를 알기는 어려움
- 네트워크 계층에서는 이를 대신해 IP 주소를 사용
- 이 때 MAC 주소를 물리주소, IP를 논리 주소라고 함
- IP는 호스트에 직접 할당하는데, DHCP를 통해 자동할당을 받거나 사용자가 임의 할당

인터넷 프로토콜(IP)

네트워크 계층의 가장 핵심적인 프로토콜
IP에는 4버전과 6버전이 존재, 일반저긍로 4버전을 의미

IP 주소의 형태

IP 주소는 4바이트 형태로 주소 표현 가능, 숫자당 8비트
점으로 구분되는 8비트를 옥텟이라고 함

IP의 기능

IP 주소 지정, IP 단편화

IP 주소 지정은 IP 주소를 바탕으로 송수신 대상을 지정
IP 단편화는 전송하고자 하는 패킷의 크기가 MTU(최대 전송 단위)보다 클 경우, 이를 MTU 이하의 복수 패킷으로 나누는 것을 의미
- 일반적으로 MTU는 1500바이트 크기

IPv4

IPv4패킷은 다음과 같이 표현
가장 중요한 부분은 7가지로, 식별자 부터 수신지 IP 주소까지 중 헤더 체크섬을 제외한 부분

식별자

패킷에 할당된 번호
패킷이 분할되어 전송됐을 시에, 이를 마지막에 재조합 할 때에 사용

플래그

총 세 개의 비트로 구성된 필드
처음은 0으로 예약된 비트로 사용 x
사용되는 나머지 두 개의 비트 중 하나는 DF (단편화 수행 여부 결정, 0이면 수행, 1이면 X)
나머지 하나난 MF (단편화된 패킷이 더 있는지 확인하는 비트로, 0이면 없다, 1이면 더 있다)

단편화 오프셋

패킷이 단편화 되기 전, 패킷의 초기 데이터에서 몇 번째로 떨어진 패킷인지 나타냄

TTL

Time To Live의 약어로, 패킷의 수명을 의미
라우터를 거치면서 1씩 감소하며, 0으로 된 패킷은 폐기
패킷이 호스트나 라우터에 한 번 전달되는 것을 홉이라 함
- 홉마다 1씩 감소한다는 얘기임
무의미한 패킷이 네트워크상에 지속되어 남아있는 것을 방지하기 위함

프로토콜

상위 계층의 프로토콜이 무엇인지 나타내는 필드
TCP는 6번, UDP는 17번...

송신지, 수신지 IP주소

송수신지의 IPv4 주소를 알 수 있음

IPv6

IPv4의 용량 부족을 이유로 등장
16바이트로 주소 표현이 가능, 콜론으로 구분된 8개 그룹의 16진수로 표기
사실상 무한에 가까운 개수로 할당 가능함
IPv6 패킷의 기본 헤더는 다음 헤더, 홉 제한, 송신지 IP 주소, 수신지 IP주소로 구성

다음 헤더

다음 상위 계층의 프로토콜이나 확장 헤더를 가리킴
- 확장 헤더란, 다음과 같음

홉 제한

홉 제한은 패킷의 수명을 나타내는 필드

송신지, 수신지 IP 주소

IPv6 주소 지정이 가능

IPv4의 헤더는 옵션, 패딩 필드가 선택적으로 길이가 가변적이다
IPv6의 헤더는 40바이트로 고정적이다.

ARP

IP주소를 통해 MAC 주소를 알아내는 프로토콜
다음과 같은 과정으로 MAC주소를 알아냄
1. ARP 요청
2. ARP 응답
3. ARP 테이블 갱신

1. ARP 요청

호스트A 가 모든 호스트에게 브로드 캐스트 메세지를 보냄
- 여기서 브로드캐스트란, 자신을 제외한 모든 네트워크의 호스트에게 전송하는 방식임

2. ARP 응답

아닌 사람들은 모두 무시하고, 해당 통신매체만 응답을 함
이 때 자신의 MAC주소를 담은 메세지를 전송함

3. ARP 테이블 갱신

ARP 테이블이라는 정보를유지 하는데, MAC 주소 테이블과 같다고 보면 될 듯함
응답을 받았으면 이 정보를 ARP 테이블에 갱신을 하고, 연관관계를 테이블에 추가함
ARP는 동일 네트워크에 있는 호스트의 IP주소를 통해 MAC주소를 알아낸다!!
만약 다르다면?
- 라우터를 활용

라우터를 활용한 타 네트워크간 통신

라우터 A가 B에게 패킷을 전달해야함, 이 때 요청과 응답과정을 거쳐 B의 MAC주소를 가져옴

이제 라우터 B는 호스트 B에게 전달해야하므로 똑같은 과정을 거쳐 전달함

IP 주소

네트워크 주소와 호스트 주소로 이루어짐

네트워크 주소와 호스트 주소

네트워크 주소는 네트워크 ID, 네트워크 식별자 등으로 불리기도 함
호스트 주소는 똑같이 ID와 식별자로 불림
형태는 네트워크 주소 16비트, 호스트 주소 16비트로 구성
- 고정은 아니며, 옥텟의 구성 여부에 따라 달라짐

클래스풀 주소 체계

호스트, 네트워크 주소 공간을 효율적으로 할당하기 위해 생겨난 개념
네트워크 크기에 따라 IP 주소를 분류
필요한 호스트 IP 개수에 따라 네트워크 크기를 가변적으로 조정해, 네트워크와 호스트 주소를 구획
클래스를 기반으로 IP주소를 관리하는 체계를 클래스풀 주소 체계라고 함

그림에서 보면 A클래스가 할당 가능한 호스트가 가장 많음
네트워크 주소는 0으로 시작하고, 1옥텟으로 구성, 호스트는 3옥텟 구성
네트워크는 2의7승, 호스트는 2의 24승 구성이 가능

클래스풀 주소 체계에서, 호스트의 주소공간이 모두 0이거나 1인 경우는 사용할 수 없다
-> 0은 네트워크 주소로 사용, 1은 브로드캐스트 주소로 사용하기 때문

클래스리스 주소 체계

클래스풀 주소 체계보다 더 유동적이고 정교하게 네트워크를 구획할 수 있는 방법
개념 없이 클래스에 구애받지않고, 네트워크 영역을 나누어 호스트에게 IP주소 공간을 할당하는 방식
오늘날 주로 사용

서브넷 마스크

IP 주소상에서 네트워크 주소는 1, 호스트 주소는 0으로 표기한 비트열을 의미
네트워크 내의 부분적인 네트워크를 구분 짓는 비트열
서브넷 마스크를 이용해 클래스를 원하는 크기로 더 잘게 쪼개어 사용하는 것을 서브네팅

서브네팅 : 비트 AND 연산

네트워크와 호스트 주소를 구분짓는 방법

서브넷 마스크의 0이 8개이므로 호스트 주소도 8비트로 표현 가능!
- 여기서 네트워크 주소인 0과 브로드캐스트인 255를 제외한 이 사이 값을 이용 가능

서브넷 마스크 표기: CIDR 표기법

서브넷 마스크 표현에는 두가지 방식이 있음
- 10진법으로 표현
- IP 주소/서브넷 마스크 상의 1의 개수로 표기
여기서, IP 주소/서브넷 마스크 상의 1의 개수로 표기하는 형식을 CIDR 표기법이라 함

서브넷 마스크에서의 1의 개수를 / 뒤에 표현함

공인 IP와 사설 IP 주소

공인 IP 주소

전 세계에서 고유한 IP 주소
네트워크 간의 통신, 인터넷을 이용시 사용하는 IP 주소 등...
ISP나 공인 IP 주소 할당 기관을 통해 발급 가능

사설 IP 주소와 NAT

사설 네트워크에서 사용하기 위한 IP주소
외부 네트워크에 공개되지 않은 네트워크
- 사설 네트워크로 사용하도록 예약된 주소 공간

사설 IP주소의 할당 주체는 일반적으로 라우터임
해당 호스트 상의 네트워크에서만 유효하기 때문에, 다른 네트워크상의 사설 IP 주소와 중복 가능
외부와 통신하고 싶을 땐 NAT를 사용( Network Address Translation )
- 네트워크 내부에서 사용하는 사설 IP와 외부에서 사용되는 공인 IP주소를 변환 시에 사용
- 대부분의 라우터와 공유기는 NAT 기능을 내장
  1. 사설 네트워크의 패킷 속 사설 IP 주소는 공유기를 통해 공인 IP로 변경 후 외부 네트워크 전송
  2. 외부 네트워크로 받은 패킷 속 공인 IP 주소는 공유기를 거쳐 사설 IP 로 변경 후사설 네트워크 속 호스트에게 전달

정적 Ip 주소와 동적 Ip 주소

정적 할당
- 수작업으로 IP 주소를 부여
동적 할당과 DHCP
- 수작업으로 잘못된 IP나 중복된 IP주소 입력을 방지하기 위함
- 사용하지 않을 경우 회수
- 이 때 사용되는 프로토콜이 DHCP( Dynamic Host Configuration Protocol)
  - DHCP 서버 간 메세지를 통해, 할당 가능한 ip주소 목록을 관리하여 클라이언트 요청시마다 주소를 할당하는 방식을 사용
  - 이 때 사용기간이 정해져 있어, 기간이 지나면 다시 DHCP 서버로 반납
  - 그래서 임대로 표현하기도 한다...

DHCP Discover(클라이언트 -> DHCP 서버)

클라이언트에서 DHCP 서버를 찾는 메세지

DHCP Offer(DHCP 서버 -> 클라이언트)

클라이언트에게 ip주소를 제안하는 메세지

DHCP Request(클라이언트 -> DHCP 서버)

Offer메세지에 대한 응답으로, 브로드 캐스트에 전송하여 주소 사용 가능 여부를 되물어봄

DHCP ACK(DHCP 서버 -> 클라이언트)

최종 승인 메세지로, 해당 메세지 이후 ip주소를 사용하여 임대기간 동안 사용

더 사용하고 싶으면, 임대갱신으로 기간 연장 가능!!