[혼자 공부하는 네트워크] 3장. 네트워크 계층

이 글은 「혼자 공부하는 네트워크」 책 내용을 정리한 내용입니다.

저작권 문제시 삭제하겠습니다.

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OSI 모델

응용 계층

표현 계층

세션 계층

전송 계층

네트워크 계층

데이터 링크 계층

물리 계층

 

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1. 네트워크 계층이 있어야 하는 이유. 데이터 링크 계층의 한계

 

1) 물리 계층과 데이터 링크 계층은 기본적으로 LAN 을 다루는 계층이다. 따라서 이 두 계층만으로는 다른 네트워크까지의 도달 경로를 파악하기 어렵다. 패킷을 빠르게 전송할 최적의 경로를 찾아야 한다.

*라우팅: 패킷이 이동할 최적의 경로를 결정하는 것.

*라우터: 라우팅 장비

 

2) 모든 호스트가 모든 네트워크에 속한 모든 호스트의 MAC 주소를 서로 알고 있기 어렵다. MAC 주소만으로는 이 세상에 있는 모든 호스트를 특정하기 어렵다.

 

즉, MAC 주소와 IP 주소를 함께 사용하고 기본적으로 IP 주소를 우선으로 활용하는 것.

 

*MAC 주소 = 물리 주소. NIC마다 할당되는 고정된 주소

*IP 주소 = 논리 주소. DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol) 로 자동으로 할당 받거나 사용자가 직접 할당할 수 있다. 복수 IP 주소를 가질 수도 있다.

 

 

 

2. 인터넷 프로토콜(IP: Internet Protocol)

: 네트워크 계층의 핵심 프로토콜.

 

1) IP 종류:  IPv4, IPv6

 

2) IP 주소 형태(IPv4): 4Byte(32bit) 주소로 표현. 0~255 범위의 4개의 10진수로 표기. 옥텟(.)으로 구분.

192.168.1.1

 

3) IP의 기능: IP 주소 지정, IP 단편화.

*IP 주소 지정: IP 주소를 바탕으로 송수신 대상을 지정하는 것.

*IP 단편화: 전송하고자 하는 패킷의 크기가 MTU라는 최대 전송 단위보다 클 경우 MTU 크기 이하로 나누는 것.

(MTU(Matimum Transmission Unit): 한 번에 전송 가능한 IP 패킷의 최대 크기. 일반적으로 1500바이트)

*IP 단편화를 피하는 방법: IP 패킷을 주고받는 모든 호스트의 처리 가능한 MTU 크기를 구해서 해당 크기만큼만 송수신하기. 경로 MTU(Path MTU) 기술.

 

4) IPv4

: 프레임 페이로드로 데이터 필드에 명시

 

① 식별자: 패킷에 할당된 번호

② 플래그: 총 3개의 비트. 항상 0으로 예약된 비트, DF(Don't Fragment) 비트, MF(More Fragment) 비트.

미사용(항상0)

DF

MF

③ 단편화 오프셋: 패킷이 단편화되기 전에 패킷의 초기 데이터에서 몇 번째로 떨어진 패킷인지 나타낸다. 

④ TTL(Time To Live): 패킷의 수명. 패킷이 하나의 라우터를 거칠 때(홉)마다 TTL 이 1씩 감소하며 0이된 패킷은 폐기된다. 무의미한 패킷이 네트워크 상에 지속적으로 남아있는 것을 방지하기 위해 존재한다.

(패킷이 패기될 때 시간초과 메시지가 전송되는데 이를 알려 주는 프로토콜이 ICMP 이다.)

⑤ 프로토콜: 상위 계층의 프로토콜이 무엇인지 나타내는 필드

 

⑥ 송신지 IP 주소와 수신지 IP 주소

 

5) IPv6

* 주소 형태: 16바이트(128비트). 클론(:)으로 구분. 2^128개 표현 가능.

IPv4 주소	IPv6 주소
192.168.1.1	2001:0230:abcd:ffff:0000:0000:ffff:1111

 

① 다음 헤더(기본 헤더): 상위 계층의 프로토콜을 가리키거나 확장 헤더를 가리킴.

(추가 헤더 정보가 필요할 때 확장 헤더를 추가할 수 있음. IPv4 헤더 길이는 가변적이고 IPv6 기본 헤더는 40 바이트로 고정된다.)

② 홉 제한: 패킷의 수명을 나타냄

③ 송신지 IP 주소와 수신지 IP 주소

 

6) ARP(Address Resolution Protocol): IP 주소를 통해 MAC 주소를 알아내는 프로토콜.

ARP 요청 -> ARP 응답 -> ARP 테이블 갱신

* ARP 요청: 네트워크 내의 모든 호스트에게 브로드캐스트로 IP 주소를 보내서 MAC 주소를 찾음.

* ARP 응답: 상대편 IP 주소에서 MAC 주소를 담아서 메세지를 응답함.

* ARP 테이블 갱신: IP 주소와 그에 맞는 MAC 주소 테이블을 대응해서 저장함.

 

 

 

3.  IP 주소의 구성

- IP 주소는 네트워크 주소와 호스트 주소로 나뉜다.

- 네트워크 주소와 호스트 주소 범위는 유동적이다. (클래스)

 

* 클래스: 네트워크 크기에 따라 IP 주소를 분류하는 기준.

* 클래스풀 주소 체계: 클래스를 기반으로 IP 주소를 관리하는 주소 체계. A, B, C, D, E 클래스

 

1) 클래스풀 주소 체계

① A 클래스

- 네트워크 주소가 비트 0으로 시작, 1옥텟으로 구성, 2^7(128)개의 네트워크.

- 호스트 주소는 3옥텟으로 구성, 2^24(16,777,216)개의 호스트 주소.

- IP 주소 범위: 0.0.0.0 ~ 126.255.255.255

 

② B 클래스

- 네트워크 주소가 비트 10으로 시작, 2옥텟으로 구성. 2^14(16,384)개의 네트워크

- 호스트 주소는 2옥텟으로 구성. 반반. 2^16(65,534)개의 호스트 주소를 가질 수 있음.

- IP 주소 범위: 128.0.0.0 ~ 191.255.255.255

 

② B 클래스

- 네트워크 주소가 비트 110으로 시작, 3옥텟으로 구성. 2^21(2,097,152)개의 네트워크

- 호스트 주소는 1옥텟으로 구성. 2^8(256)개의 호스트 주소를 가질 수 있음.

- IP 주소 범위: 192.0.0.0 ~ 223.255.255.255

 

cf. 예약된 호스트 주소 공간(특정 호스트를 지칭하는 IP 주소로 사용 불가능)

- 호스트 주소가 전부 0인 IP 주소: 해당 네트워크 자체를 의미하는 네트워크 주소

- 호스트 주소가 전부 1인 IP 주소: 브로드캐스트를 위한 주소로 사용

 

즉, 예약된 호스트 주소 공간 때문에 A/B/C 클래스의 실제 할당 가능한 호스트 수는 -2개씩이다. 

 

 

2) 클래스리스 주소 체계

: 서브넷 마스크로 클래스풀 주소 체계보다 더 유동적이고 정교하게 네트워크를 구획할 수 있는 주소체계.

- 서브넷 마스크로 클래스를 원하는 크기로 더 잘게 쪼개어 사용하는 것을 서브네팅이라고 한다.

- 서브넷 마스크와 IP 주소를 비트 AND 연산해서 네트워크 주소를 알아낼 수 있다.

 

* 서브넷 마스크: IP 주소상에서 네트워크 주소는 1, 호스트 주소는 0으로 표기한 비트열.

 

* 서브넷 마스크 표기

①  10진수 표기. ex) 255.255.255.0

②  'IP 주소/서브넷 마스크상의 1의 개수' 형식으로 표기. ex) 192.168.219.103/24

 

3) 공인 IP 주소와 사설 IP 주소

- 공인 IP 주소: 전 세계에서 고유한 IP 주소

- 사설 IP 주소: 사설 네트워크에서 사용하기 위한 IP 주소. 외부 네트워크에 공개되지 않은 네트워크.

- 사설 IP 주소를 사용하는 호스트가 외부 네트워크와 통신하려면 NAT 기술이 필요하다.

* NAT(Network Address Translation): IP 주소를 변환하는 기술. 대부분의 라우터와 가정용 공유기는 이 기능을 내장하고 있음.

 

4) 정적 IP 주소와 동적 IP 주소

: 호스트에 IP 주소를 할당하는 방법. 정적할당 / 동적할당

- 정적할당: 호스트에 직접 IP 주소를 부여하는 방식.

- 동적할당: 호스트에 IP 주소가 동적으로 할당되는 방식. 사용되지 않을 경우 회수되고 할당받을 떄마다 다른 주소를 받는다. DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol) 이 한다.

 

5) DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol)

: IP 동적 할당에 사용되는 대표 프로토콜. DHCP 서버간에 메세지를 주고 받으며 관리됨.

- DHCP 서버는 클라이언트에게 할당 가능한 IP  주소 목록을 관리한다.

- 클라이언트가 요청할 때 IP 주소를 할당한다.

- DHCP 로 할당받은 IP 주소는 사용할 기간(임대 기간)이 정해져 있다.

① DHCP Discover: 브로드캐스트로 전송하며 DHCP 서버 찾기

② DHCP Offer: DHCP 서버가 클라이언트에게 할당해 줄 IP 주소를 제안

③ DHCP Request: 브로드캐스트로 DHCP 서버에게 써도 되는지 확인

④ DHCP ACK: 클라이언트에게 최종 승인.

 

cf) 임대 기간에 기본적으로 2차례 자동 임대 갱신됨.

 

 

 

4. 라우팅

: 최적의 경로로 패킷을 이동시키는 것.

 

1) 라우터

: 가정에서의 공유기가 라우터의 역할을 대신한다.

: 패킷이 호스트와 라우터간에, 라우터와 라우터 간에 이동하는 과정을 '홉'이라고 부른다.

 

2) 라우팅 테이블

: 특정 수신지까지 도달하기 위한 정보를 명시한 표.

: 라우터가 이 라우팅 테이블을 보고 수신지까지 도달 경로를 판단한다.

 

① 수신지 IP 주소와 서브넷 마스크: 최종적으로 패킷을 전달할 대상

② 다음 홉: 다음으로 거쳐야 할 호스트의 IP 주소나 인터페이스. Gateway 라고 부르기도 함.

③ 네트워크 인터페이스: 패킷을 내보낼 통로.

④ 메트릭: 해당 경로로 이동하는데 드는 비용. 메트릭이 낮은 경로를 선호함.

 

cf) 라우팅 테이블에 없는 경로로 패킷으 전송해야 할 때, '디폴트 라우트'에게 보냄.

*디폴트 라우트: 0.0.0.0/0

 

3) 정적 라우팅과 동적 라우팅

① 정적 라우팅: 사용자가 수동으로 직접 채워 넣은 라우팅 테이블의 항목을 토대로 라우팅 되는 방식

② 동적 라우팅: 자동으로 라우팅 테이블 항목을 만들고 이를 이용해서 라우팅하는 방식. 동적 라우팅은 라우팅 테이블 항목이 수시로 변한다. 네트워크 상에 문제가 발생했을 때 차선 경로로 자동 갱신된다.

 

4) 라우팅 프로토콜

: 라우터끼리 자신들의 정보를 교환하며 패킷이 이동할 최적의 경로를 찾기 위한 프로토콜

: AS 내부에서 실행되느냐, AS 외부에서 실행되느냐로 구분됨.

(AS(Autonomous System): 한 회사나 단체에서 관리하는 라우터 집단)

 

① IGP(Interior Gateway Protocol): AS 내부에서 실행

: 최적의 경로를 선정하는 과정에서 거리벡터를 사용하느냐, 링크 상태가 사용되느냐로 나뉨.

- RIP(Routing Information Protocol): 거리벡터를 사용하는 방법. 홉 수가 가장 적은 경로 선택.

- OSPF(Open Shortest Path First): 링크 상태를 사용하는 방법. 대역폭을 기반으로 매트릭이 낮은 경로를 선택.

 

② EGP(Exterior Gateway Protocol): AS 외부에서 실행

- eBGP(external BGP): AS 간의 통신

- iBGP(internal BGP): AS 내의 통신