[혼자 공부하는 네트워크] 3. 네트워크 계층

LAN을 넘어서는 네트워크 계층

물리 계층과 데이터 링크 계층의 네트워크 범위는 일반적으로 LAN으로 한정되어 있음

• 물리 계층과 데이터 링크 계층만으로는 LAN을 넘어서 통신하기 어려운 두 가지 이유
  1. 다른 네트워크까지의 도달 경로를 파악하기 어려움
     • 네트워크 계층이 있어야 네트워크 간 라우팅이 가능함 
     • 라우팅(routing): 패킷이 이동할 최적의 경로를 결정하는 것
     • 라우터(router): 라우팅을 수행하는 대표적인 장비
  2. MAC 주소만으로는 모든 네트워크에 속한 모든 호스트의 위치를 특정하기 어려움
     • MAC 주소와 IP는 함께 사용되고, 기본적으로 IP 주소를 우선 활용함

IP 주소	MAC 주소
택배의 수신지 역할	택배의 수신인 역할
논리 주소	물리 주소
- 유동적으로 할당 - 자동으로 할당(DHCP)받거나 사용자가 직접 할당	NIC마다 할당되는 고정된 주소

 

LAN을 넘어 다른 네트워크와의 통신을 위한 계층이 3계층인 네트워크 계층이다.

• IP 주소를 통한 송수신지 대상 지정
• 라우팅을 통한 다른 네트워크와 통신

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네트워크 계층의 핵심, 인터넷 프로토콜(IP)

• 물리 계층과 데이터 링크 계층의 한계를 극복하는 프로토콜
• IPv4와 IPv6 존재 → 오늘날까지는 IPv4를 많이 사용함

[IP 공식적인 두 기능]

1. 주소 지정(IP addressing)

• IP 주소(IPv4)를 바탕으로 송수신 대상을 지정하는 것을 의미
• 4바이트(32비트)로 하나의 주소를 표현 → ex) $192.168.1.1$
• 숫자당 8비트로 표현: 0~255 범위 안에 있는 네 개의 10진수로 표기
• 각 숫자는 점(.)으로 구분 → 옥텟(octet)

2. 단편화(IP fragmentation)

• 전송하고자 하는 패킷의 크기를 MTU 이하의 복수의 패킷으로 나누는 것
  • IP 패킷의 헤더도 MTU 크기에 포함
  • 일반적인 MTU 크기는 1500바이트, MTU 크기 이하로 나누어진 패킷은 수신지에 도착하면 다시 재조합
    • IPv4 패킷은 프레임의 페이로드로 데이터 필드에 명시됨
    • MTU(Maximum Transmission Unit): 한 번에 전송 가능한 IP 패킷의 최대 크기

데이터링크 계층의 프레임과 네트워크 계층의 IP(출처: https://www.youtube.com/watch?v=c_4x5M_GwD8&t=14511s)

• 단편화는 적게 수행되는 것이 좋음
  • 단편화가 많을 수록 불필요한 트래픽 증가와 대역폭 낭비됨
  • 쪼개진 IP 패킷들을 하나로 합치는 과정에서 발생하는 부하도 성능 저하 요소임
  • IP 단편화 피하기
    • IP 패킷을 주고받는 모든 노드가 'IP 단편화 없이 주고 받을 수 있는 최대 크기'만큼만 전송하는 방법
      • 호스트 A와 호스트 B가 처리 가능한 MTU의 크기가 있더라도, 라우터가 처리 가능한 MTU 크기만큼 패킷을 전송
    • IP 단편화 없이 주고 받을 수 있는 최대 크기 = 경로 MTU(Path MTU)
      • 즉, 단편화를 피하는 방법은 경로 MTU만큼의 데이터를 전송하는 것
      • 경로 MTU 발견: 경로 MTU를 구하고 해당 크기만큼만 송수신하여 IP 단편화를 회피
  • 실제로도 단편화는 자주 일어나지는 않음 → 대부분 DF 비트가 세팅되어 있음

IP 단편화 피하기(출처: https://www.youtube.com/watch?v=c_4x5M_GwD8&t=14511s)

 

[IPv4 패킷의 핵심 필드]

IPv4 패킷(출처: https://www.youtube.com/watch?v=c_4x5M_GwD8&t=14511s)

 

1. 식별자: 패킷에 할당된 번호로, 쪼개져서 도착한 IPv4 패킷들이 어떤 메시지에서 쪼개졌는지를 알기 위해 사용

2. 플래그(flag): 세 개의 비트로 구성

미사용(항상 0)

DF

MF

• 첫 번째 비트는 항상 0: 현재 사용되지 않음
• DF 비트(Don't Fragment): IP 단편화를 수행하지 말라는 표시
  • 1이라면: 'IP 단편화를 수행하지 말라'
  • 0이라면: 'IP 단편화 가능하다'
• MF 비트(More Fragment): 단편화된 패킷이 더 있는지를 나타냄
  • 1이라면: '쪼개진 패킷이 아직 더 있다'
  • 0이라면: '이 패킷이 마지막 패킷이다'

3. 단편화 오프셋(fragment offset): 초기 데이터에서 몇 번째로 떨어진 패킷인지를 나타냄

• 단편화되어 전송되는 패킷들은 수신지에 순서대로 도착하지 않을 수 있음
• 수신지가 패킷들을 순서대로 재조합하려면, 단편화된 패킷이 초기 데이터에서 몇 번째에 해당하는 패킷인지 알아야 함

→ 식별자, 플래그, 단편화 오프셋은 단편화를 수행하기 위해 사용되는 필드임!

 

4. TTL(Time To Live): 패킷의 수명을 나타냄

• 무의미한 패킷이 네트워크 상에 지속적으로 남아있는 것을 방지하기 위해 존재함
• 패킷이 하나의 라우터를 거칠 때마다 TTL이 1씩 감소, TTL 값이 0으로 떨어진 패킷은 폐기
• 홉(hop): 패킷이 호스트 또는 라우터에 한 번 전달되는 것
• 즉, TTL 필드의 값은 홉마다 1씩 감소되는 값

→ TTL 필드는 라우팅을 수행하기 위해 사용되는 필드임!

 

5. 프로토콜: 상위 계층의 프로토콜이 무엇인지를 나타내는 필드

• ex) 전송 계층의 대표적인 프로토콜인 TCP는 6번, UDP는 17번

6. 송신지 IP 주소, 수신지 IP 주소: 송수신지의 IPv4 주소

→ 송신지 IP 주소, 수신지 IP 주소는 주소지정을 수행하기 위해 사용되는 필드임!

 

[IPv6]

• 이론적으로 할당 가능한 IPv4 주소 개수는 총 $2^{32}$개로 약 43억 개
  • 전 세계 인구가 하나씩 IP 주소를 가지고 있어도 부족한 숫자임
  • 결국 약 43억 개라는 IPv4의 주소의 총량은 쉽게 고갈됨
• IPv6은 16바이트(128비트)로 주소를 표현할 수 있고, 콜론(:)으로 구분된 8개 그룹의 16진수로 표기 → ex) $2001:0230:abcd:ffff:0000:0000:ffff:1111$
• 이론적으로 할당 가능한 IPv6 주소는 $2^{128}$개로, 사실상 무한에 가까운 수 할당 가능함
• IPv6는 IPv4보다 패킷의 헤더가 단순하지만, IP의 주 기능인 주소 지정과 단편화를 위한 필드로 구성되어 있음

<IPv6 패킷의 핵심 필드>

IPv6 패킷(출처: https://www.youtube.com/watch?v=c_4x5M_GwD8&t=14511s)

1. 다음 헤더: 상위 계층의 프로토콜 또는 확장 헤더를 가리키는 필드

• 확장 헤더: IPv6는 기본 헤더와 더불어 확장 헤더라는 추가 헤더를 가질 수 있음
• 확장 헤더는 기본 헤더와 페이로드 데이터 사이에 위치
• 마치 꼬리에 꼬리를 물듯 또 다른 확장 헤더를 가질 수도 있음

IPv6의 확장 헤더(출처: https://www.youtube.com/watch?v=c_4x5M_GwD8&t=14511s)

• 대표적인 확장 헤더:
  • 홉 간 옵션: 송신지에서 수신지까지의 모든 경로의 네트워크 장비가 패킷을 검사하도록하는 옵션
  • 수신지 옵션: 수신지에서만 패킷을 검사하도록하는 옵션
  • 라우팅: 라우팅과 관련된 정보 옵션
  • 단편: 단편화와 관련된 옵션
  • ESP(Encapsulating Security Payload), AH(Authentication Header): 암호화와 인증과 관련한 옵션
  • 등
• IPv6의 단편화
  • IPv6는 단편화 확장 헤더를 통해 단편화가 이루어짐
  • 단편화 확장 헤더에도 다음 헤더 필드가 있음
    • 예약됨(reserved)과 예약(res) 필드는 0으로 설정되어 사용되지 않음
    • 단편화 오프셋과 M 플래그(M flag), 식별자 필드
      • 단편화 오프셋: 전체 메시지에서 현재 단편화된 패킷의 위치 → IPv4의 단편화 오프셋 필드
      • M 플래그: 1일 경우 더 많은 단편화된 패킷이 있음을, 0일 경우 마지막 패킷 → IPv4의 MF 플래그 필드
      • 식별자: 동일한 메시지에서부터 단편화된 패킷임을 식별 → IPv4의 식별자 필드

2. 홉 제한(Hop Limit): IPv4 패킷의 TTL 필드와 비슷

• 패킷의 수명을 나타내는 필드

3. 송신지 IP 주소와 수신지 IP 주소: IPv6 주소를 통한 송수신지 지정

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IP 주소로 MAC 주소 알아내기: ARP

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

• 동일 네트워크 내에 있는 송수신 대상의 IP 주소를 통해 MAC 주소를 알아낼 수 있음
• ARP 동작
  ① ARP 요청
  ② ARP 응답
  ③ ARP 테이블 갱신

ex) 동일 네트워크에 속한 호스트 A, B가 있을 때, 호스트 A는 호스트 B의 IP 주소는 알지만 MAC 주소는 모르는 상황에서 호스트 B의 MAC 주소를 알아내는 과정

예시(출처: https://www.youtube.com/watch?v=c_4x5M_GwD8&t=14511s)

① ARP 요청

• 호스트 A: 브로드캐스트 메시지 전송
• 이 브로드캐스트 메시지 = ARP 요청이라는 ARP 패킷

ARP 요청(출처: https://www.youtube.com/watch?v=c_4x5M_GwD8&t=14511s)

② ARP 응답

• 호스트 B: 자신의 MAC 주소를 담은 유니캐스트 메시지를 A에게 전송
  • 호스트 B 외에 나머지 호스트는 자신의 IP 주소가 아니므로 무시
• 이 유니캐스트 메시지 = ARP 응답이라는 ARP 패킷
  • 이 메시지를 수신한 A는 B의 MAC 주소를 알게 됨

ARP 응답(출처: https://www.youtube.com/watch?v=c_4x5M_GwD8&t=14511s)

<ARP 패킷>

• ARP 요청, 응답 과정에서 송수신되는 패킷
  • 오퍼레이션 코드(Opcode): ARP 요청의 경우 1, ARP 응답의 경우 2
  • 송신지 하드웨어 주소(Sender Hardware Address), 수신지 하드웨어 주소(Target Hardware Address) → MAC 주소
  • 송신지 프로토콜 주소(Sender Protocol Address), 수신지 프로토콜 주소(Target Protocol Address) → IP 주소

ARP 패킷(출처: https://www.youtube.com/watch?v=c_4x5M_GwD8&t=14511)

 

③ ARP 테이블 갱신

• ARP 테이블(ARP Table): ARP 요청-응답을 통해 알게 된 IP 주소와 MAC 주소의 연관 관계
  • ARP 테이블 항목은 일정 시간이 지나면 삭제, 임의 삭제도 가능
  • ARP 테이블에 등록된 호스트에 대해선 ARP 요청을 보낼 필요 없음
  • ARP 프로토콜은 같은 네트워크 내에 있는 호스트의 IP주소를 통해 MAC주소를 알아내는 프로토콜임

ARP 테이블(출처: https://www.youtube.com/watch?v=c_4x5M_GwD8&t=14511)

 

통신하고자 하는 호스트 A와 B가 서로 다른 네트워크에 속해 있을 경우, 네트워크 별로 수행됨

1) 호스트 A가 라우터 A의 MAC 주소를 모를 경우,  ARP 요청-ARP 응답 과정을 통해 라우터 A의 MAC 주소를 알아낸 뒤, 이를 향해 패킷 전송

출처: https://www.youtube.com/watch?v=c_4x5M_GwD8&t=14511

2) 라우터 A가 라우터 B의 MAC 주소를 모를 경우,  ARP 요청-ARP 응답 과정을 통해 라우터 B의 MAC 주소를 알아낸 뒤, 이를 향해 패킷 전송

출처: https://www.youtube.com/watch?v=c_4x5M_GwD8&t=14511

ARP와 스위치 MAC 학습의 차이

두 개념은 함께 동작하지만 역할은 완전히 다름

	ARP	스위치 MAC 학습
동작 주체	호스트(OS/네트워크 스택)	스위치(하드웨어)
학습 대상	IP → MAC 매핑	MAC → Port 매핑
목적	L3 → L2 주소 변환	프레임을 어느 포트로 내보낼지 결정
계층	L3 ↔️ L2 경계	L2 내부

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IP 주소

주소 지정은 IP 주소로 이루어짐

IP 주소 = 네트워크 구조 + 호스트 주소

• 네트워크 주소(=네트워크 ID, 네트워크 식별자): 네트워크를 표현하는 부분
  • 호스트가 속한 특정 네트워크를 식별
• 호스트 주소(=호스트 ID, 호스트 식별자): 호스트를 표현하는 부분
  • 특정 호스트를 식별

IP 주소 예시(출처: https://www.youtube.com/watch?v=c_4x5M_GwD8&t=14511s)

 

IP 주소에서 네트워크 주소와 호스트 주소 크기는 상황마다 다름

• 네트워크 주소가 하나의 옥텟으로 이루어질 경우, 한 네트워크 당 호스트 주소 할당에 24비트 사용 가능(상대적으로 많은 호스트에 IP 주소 할당)
• 네트워크 주소가 세개의 옥텟으로 이루어질 경우, 한 네트워크 당 호스트 주소 할당에 8비트 사용 가능(상대적으로 적은 호스트에 IP 주소 할당)

출처: https://www.youtube.com/watch?v=c_4x5M_GwD8&t=14511s

 

• 무조건 호스트 주소 공간 크게 할당하면, 호스트가 할당되지 않은 다수의 IP 주소가 낭비
• 무조건 호스트 주소 공간을 작게 할당하면, 호스트가 사용할 IP 주소가 부족
• 이런 고민을 해결하기 위해 생겨난 개념 = IP 주소의 클래스(class)

클래스풀 주소 체계

클래스(class): 네트워크 크기에 따라 IP 주소를 분류하는 기준

• 클래스풀 주소 체계: 클래스를 기반으로 IP 주소를 관리하는 주소 체계
• 필요한 호스트 IP 개수에 따라 클래스를 달리 선택: 네트워크 크기 조정 가능
• D와 E 클래스는 각각 멀티캐스트를 위한 클래스, 특수한 목적을 위해 예약된 클래스
  • 특수한 목적을 위해 예약된 IP 주소
    • 0.0.0.0/8: 호스트가 IP 주소를 할당받기 전에 임시로 할당되는 IP 주소 ex) DHCP Discover 메시지를 전송하는 시점의 클라이언트 IP 주소
      • 특별히 지칭할 IP 주소가 없을 때 사용되는 IP 주소로, 호스트 입장에서 마땅히 자신을 지칭할 IP 주소가 없을 때
    • 0.0.0.0/0: 0.0.0.0/8과 유사하지만 다른 의미를 지니는 주소로, '모든 임의의 IP 주소'
      • 주로 라우팅에서 디폴트 라우트(default route)를 나타내기 위해 사용
        • 디폴트 라우트: 패킷을 어떤 IP 주소로 전달할지 결정하기 어려울 경우 기본적으로 패킷을 전달할 경로
        • 어디로 패킷을 전달해야 할지 명확하지 않으면 여기로 패킷을 이동시켜라
    • 127.0.0.1: 루프백 주소, 로컬 호스트
      • 자기 자신을 가리키는 특별한 주소
      • 루프백 주소로 전송된 패킷은 자기 자신에게 되돌아옴 → 부메랑 역할을 수행하는 주소, 테스트나 디버깅 용도로 사용

클래스풀 주소 체계(출처: https://www.youtube.com/watch?v=c_4x5M_GwD8&t=14511s)

A 클래스

• B와 C 클래스에 비해 할당 가능한 호스트 주소의 수가 많음
• 네트워크 주소는 비트 '0'으로 시작하는 1옥텟, 호스트 주소는 3옥텟으로 구성
• 이론상 $2^7$(128)개의 A 클래스 네트워크 존재 가능
• 각 네트워크에 $2^{24}$(16,777,216)개의 호스트 주소 할당 가능
• A 클래스로 나타낼 수 있는 IP 주소 범위
  • 최솟값을 10진수를 표현하면 0.0.0.0
  • 최댓값을 10진수로 표현하면 127.255.255.255
• 가장 처음 옥텟의 주소가 0~127일 경우 A 클래스 주소임을 짐작 가능

A 클래스 IP 주소 범위(출처: https://www.youtube.com/watch?v=c_4x5M_GwD8&t=14511s)

B 클래스

• 네트워크 주소는 비트 '10'으로 시작하는 2옥텟, 호스트 주소도 2옥텟으로 구성
• 이론상 $2^{14}$개의 B 클래스 네트워크 존재 가능
• 각 네트워크에 $2^{16}$(65,534)개의 호스트 주소 할당 가능
• B 클래스로 나타낼 수 있는 IP 주소 범위
  • 최솟값을 10진수로 표현하면 128.0.0.0
  • 최댓값을 10진수로 표현하면 191.255.255.255
• 가장 처음 옥텟의 주소가 128~191일 경우 B 클래스 주소임을 짐작 가능

B 클래스 IP 주소 범위(출처: https://www.youtube.com/watch?v=c_4x5M_GwD8&t=14511s)

C 클래스

• 네트워크 주소는 비트 '110'으로 시작하는 3옥텟, 호스트 주소는 1옥텟으로 구성
• 이론상 $2^{21}$(2,097,152)개의 C 클래스 네트워크 존재 가능
• 각 네트워크에 $2^8$(256)개 호스트 주소 할당 가능
• C 클래스로 나타낼 수 있는 IP 주소 범위
  • 최솟값을 10진수로 표현하면 192.0.0.0
  • 최댓값을 10진수로 표현하면 223.255.255.255
• 가장 처음 옥텟의 주소가 192~233일 경우 C 클래스 주소임을 짐작 가능

C 클래스 IP 주소 범위(출처: https://www.youtube.com/watch?v=c_4x5M_GwD8&t=14511s)

 

 

호스트의 주소 공간을 모두 사용할 수 있는 것은 아님!

• 호스트 주소가 전부 0인 IP 주소: 해당 네트워크 자체를 의미하는 네트워크 주소로 사용
• 호스트 주소가 전부 1인 IP 주소: 브로드캐스트 주소로 사용

출처: https://www.youtube.com/watch?v=c_4x5M_GwD8&t=14511s

클래스별 할당 가능한 주소의 개수(출처: https://www.youtube.com/watch?v=c_4x5M_GwD8&t=14511s)

 

클래스풀 주소 체계의 한계

• 클래스별 네트워크 크기가 고정되어 있어 여전히 낭비되는 IP 주소가 많을 수 있다.
  • A 클래스 네트워크 하나 당 할당 가능한 호스트: 1600만개 이상
  • B 클래스 네트워크 하나 당 할당 가능한 호스트: 6만개 이상
  • C 클래스 네트워크 하나 당 할당 가능한 호스트: 254개
• 클래스별 네트워크 크기가 고정되어 있어 사전에 정해진 크기 외의 다른 크기 네트워크 구성 불가능
  • ex) 직원 300명 컴퓨터, 동일 네트워크로 구성하려면? C 클래스로는 불가하고, B 클래스는 낭비되는 호스트 주소가 많아짐

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클래스리스 주소 체계(classless addressing)

클래스 개념 없이 클래스에 구애받지 않고 네트워크의 영역을 나누고 호스트에게 IP 주소 공간을 할당하는 방식

• 클래스풀 주소 체계보다 더 유동적이고 정교한 네트워크 구획 가능
• 오늘날 주로 활용되는 방식

서브넷 마스크(subnet mask)

클래스 없이 IP 주소의 네트워크 주소, 호스트 주소를 구분하는 수단

• IP 주소상에서 네트워크 주소는 1, 호스트 주소는 0으로 표기한 비트열
  • 네트워크 내의 부분적인 네트워크(서브네트워크 subnetwork)를 구분 짓는(마스크 mask) 비트열
• A, B, C 클래스의 기본 서브넷 마스크
  • A 클래스: 255.0.0.0(11111111.00000000.00000000.00000000)
  • B 클래스: 255.255.0.0(11111111.11111111.00000000.00000000)
  • C 클래스: 255.255.255.0(11111111.11111111.11111111.00000000)

서브네팅(subnetting)

서브넷 마스크를 이용해 클래스를 원하는 크기로 더 잘게 쪼개어 사용하는 것

• 서브넷 마스크 이용법: 서브넷 마스크로 네트워크 주소와 호스트 주소를 구분짓는 방법
  • IP 주소와 서브넷 마스크를 비트 AND 연산의 결과 = 네트워크 주소
  • 비트 AND 연산: 피연산자가 모두 1인 경우에는 1, 아닌 경우에는 0이되는 연산
  • ex) 11000000.10101000.11011011.01100111(IP 주소)
    & 11111111.11111111.11111111.00000000(서브넷마스크)
    = 11000000.10101000.11011011.00000000(네트워크 주소)
    = 192.168.219.0
    호스트 할당 가능 IP 주소: 192.168.219.1 ~ 192.168.219.254

CIDR 표기법(Classless Inter-Domain Routing notation)

• 10진수로 서브넷 마스크 직접 표기: 255.255.255.0, 255.255.255.252 등
• CIDR 표기법: 'IP 주소/서브넷 마스크 상의 1의 개수' 형식으로 표기
  • ex) C 클래스의 기본 서브넷 마스크는 255.255.255.0
    이를 이진수로 표기하면 11111111.11111111.11111111.00000000 따라서 /24

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공인 IP 주소와 사설 IP 주소, NAT 기술

공인 IP 주소(public IP address)

전 세계에서 고유한 IP 주소로, 네트워크 간의 통신 즉 인터넷을 이용할 때 사용하는 IP 주소

• 공인 IP 주소는 ISP나 공인 IP 주소 할당 기관을 통해 할당

사설 IP 주소(private IP address)

사설 네트워크에서 사용하기 위한 IP 주소

• 사설 IP 주소로 사용하도록 특별히 예약된 IP 주소 공간
  • 10.0.0.0/8 (10.0.0.0 - 10.255.255.255)
  • 172.16.0.0/12 (172.16.0.0 - 172.31.255.255)
  • 192.168.0.0/16 (192.168.0.0 - 192.168.255.255)
• 사설 IP 주소의 할당 주체는 일반적으로 라우터(공유기)
• 사설 IP 주소는 호스트가 속한 사설 네트워크에서만 유효한 주소
• 얼마든지 다른 네트워크상의 사설 IP 주소와 중복 가능
• 일반적으로 네트워크 간의 통신은 사설 IP 주소가 아닌 공인 IP 주소를 통해 이루어짐

NAT(Network Address Translation)

IP 주소 변환 기술: 주로 사설 IP 주소(네트워크 내부)와 공인 IP 주소(네트워크 외부)를 변환

• 대부분의 라우터와 (가정용) 공유기는 NAT 기능 내장
  • 사설 네트워크의 패킷 속 사설 IP 주소는 공유기를 거쳐 공인 IP 주소로 변경
  • 외부 네트워크의 패킷 속 공인 IP 주소는 공유기를 거쳐 사설 IP 주소로 변경

NAT(출처: https://www.youtube.com/watch?v=c_4x5M_GwD8&t=14511s)

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정적 IP 주소와 동적 IP 주소

정적 할당

호스트에 직접 (수작업으로) IP 주소를 부여하는 방식

• 이렇게 할당된 IP 주소 = 정적 IP 주소(static IP address)
• 정적 IP 주소 부여 방법
  • 윈도우나 맥 OS 등의 네트워크 설정에서 다음 화면처럼 IP 주소를 수동으로 설정
  • 일반적으로 부여하고자 하는 IP 주소, 서브넷 마스크, 게이트웨이(라우터) 주소, DNS 주소를 입력
  • 기본 게이트웨이
    • 게이트웨이의 일반적인 의미: 서로 다른 네트워크를 연결하는 하드웨어적/소프트웨어적 수단
    • 기본 게이트 웨이
      • 호스트가 속한 네트워크 외부로 나가기 위한 기본적인 첫 경로(첫 번째 홉)
      • 네트워크 외부와 연결된 라우터(공유기)의 주소를 의미하는 경우가 많음
      • IP 할당의 맥락에서 사용된 게이트웨이라는 용어는 기본 게이트웨이(라우터(공유기)의 주소)를 의미
• 모든 IP 주소를 정적으로 할당하면,
  • 호스트의 수가 많아질 경우 관리가 곤란
  • 의도치 않게 잘못된 IP 주소를 입력할 수도 있고, 중복된 IP 주소를 입력할 수도 있음

동적 할당

호스트에 IP 주소를 프로토콜을 활용해 자동으로 할당하는 방식 → DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol)

• 이렇게 할당된 IP 주소 = 동적 IP 주소(dynamic IP address)
• DHCP를 통한 IP 주소 할당
  • 클라이언트와 DHCP 서버 간 메시지 송수신을 통해 할당이 이루어짐
  • 클라이언트: IP 주소를 할당받고자 하는 호스트
  • DHCP 서버: 호스트에게 IP 주소를 제공하는 호스트
    • DHCP 서버의 역할은 일반적으로 라우터(공유기)가 수행
    • 특정 호스트에 DHCP 서버 기능을 추가할 수도 있음
    • DHCP 서버는 클라이언트에게 할당 가능한 IP 주소 목록을 관리하다가, 클라이언트 요청 시 IP 주소를 할당
  • DHCP로 할당받은 동적 IP 주소는 사용할 기간(임대 기간)이 정해짐
    • 일반적으로 수 시간에서 수 일
    • 임대 기간이 끝난 IP 주소는 다시 DHCP 서버로 반납
    • 다시 할당 받을 때, 다른 IP 주소를 할당받을 수 있음
  • IP 주소 할당 과정에서 주고받는 메시지
    1. DHCP Discover(클라이언트 → DHCP 서버)
       
       • DHCP 서버를 찾는 메시지로, 브로드캐스트로 전송
       • 클라이언트는 아직 IP 주소를 할당받지 못한: 송신지 IP 주소는 0.0.0.0으로 설정
    2. DHCP Offer(DHCP 서버 → 클라이언트)
       • 클라이언트에게 할당 가능한 IP 주소 정보를 제안하는 메시지
       • 할당 가능한 IP 주소, 서브넷 마스크, 임대 기간 등의 정보 포함
    3. DHCP Request(클라이언트 → DHCP 서버)
       • DHCP Offer 메시지에 대한 응답
       • 아직 IP 주소를 할당받지 못했기 때문에, 브로드캐스트로 전송
    4. DHCP Acknowledgment(DHCP ACK)(DHCP 서버 → 클라이언트
       • 최종 승인과 같은 메시지
       • DHCP ACK 메시지를 클라이언트는 이제 할당받은 IP 주소를 자신의 IP 주소로 설정 후 임대 기간 동안 IP 주소 사용
  • 임대 사용 기간이 모두 끝나면,
    • IP 주소를 DHCP 서버에 반납 후, 원칙적으로는 위 과정을 통해 주고받아 IP 주소 재할당
    • 임대 갱신 이용
      • IP 주소 임대 기간이 끝나기 전에 임대 기간을 연장하는 것
      • 임대 기간이 끝나기 전에 기본적으로 두 차례 자동으로 수행
      • 자동 임대 갱신이 모두 실패하면 그때 IP 주소 반납

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라우팅

라우터(router): 라우팅을 수행하는 대표적인 장비

라우팅(routing): 패킷이 이동할 최적의 경로를 결정하는 것

 

네트워크 간 통신 과정에서 패킷은 여러 라우터를 거쳐서 다양한 경로로 이동할 수 있음

• 패킷은 여러 대의 라우터를 깡충깡충 거치듯 수신지까지 이동
• 홉(hop): 라우팅 도중 패킷이 호스트와 라우터 간에, 혹은 라우터와 라우터 간에 이동하는 한 과정

라우팅(출처: https://www.youtube.com/watch?v=c_4x5M_GwD8&t=14511s)

• 라우팅 과정(홉 수) 확인 명령어 → tracert(윈도우), traceroute(리눅스나 맥OS)

라우팅 수행 방법

라우팅은 라우팅 테이블 이용하며, 라우팅 테이블이 만들어지는 방법과 프로토콜에 따라 라우팅 분류

라우팅 분류(출처: https://www.youtube.com/watch?v=c_4x5M_GwD8&t=14511s)

라우팅 테이블: 특정 수신지까지 도달하기 위한 정보를 명시한 표와 같은 정보로, 라우터는 라우팅 테이블을 참고해 수신지까지의 도달 경로를 판단함

[라우팅 테이블에 포함된 정보]

1. 수신지 IP 주소와 서브넷 마스크: 최종적으로 패킷을 전달할 대상

2. 다음 홉(next hop): 최종 수신지까지 가기 위해 다음으로 거쳐야 할 호스트의 IP 주소나 인터페이스, 게이트웨이라고 명시하기도 함

3. 네트워크 인터페이스: 패킷을 내보낼 통로, 인터페이스(NIC) 이름이 직접 명시되거나 인터페이스에 대응하는 IP 주소 명시

4. 메트릭(metric): 해당 경로로 이동하는 데에 드는 비용으로, 라우팅 테이블의 여러 경로 중 메트릭이 낮은 경로를 선호

라우팅 테이블 예시(출처: https://www.youtube.com/watch?v=c_4x5M_GwD8&t=14511s)

→ 수신지가 192.168.2.0/24인 패킷은 eth0라는 인터페이스를 통해서 192.168.2.1(게이트웨이)로 전송하라

 

디폴트 라우트(default route): 라우팅 테이블에 경로가 없을 때, 기본적으로 패킷을 내보낼 경로

• '모든 IP 주소'를 의미하는 0.0.0.0/0으로 명시
• 일반적으로 기본 게이트웨이 주소 = 디폴트 라우트
  • 기본 게이트웨이 = 네트워크 외부로 나아가기 위한 첫 경로, 일반적으로 라우터/공유기 주소
  • 라우팅 테이블에 따로 경로가 등록되어 있지 않은 패킷들을 기본적으로 기본 게이트웨이(라우터)에게 전달

디폴트 라우트(출처: https://www.youtube.com/watch?v=c_4x5M_GwD8&t=14511s)

→ 수신지 IP 주소가 1.2.3.4 패킷을 받았다면, 디폴트 라우트, eth2를 통해 192.168.0.1로 전송

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라우팅의 분류

정적 라우팅과 동적 라우팅

정적 라우팅과 동적 라우팅은 IP 주소를 할당하는 방법과 유사함

• 정적 라우팅(static routing): 수동으로 구성된 라우팅 테이블 항목을 통해 수행되는 라우팅
  
  • ex) 10.0.0.0/24로 향하는 패킷을 192.168.1.1 게이트웨이로 정적 라우팅
  • 네트워크의 규모가 커지고 관리해야 할 라우터가 늘어나면 정적 라우팅만으로는 관리가 어려움
    • 입력 실수가 발생할 수 있음
    • 입력 실수가 없어도 라우팅 경로상에 예상치 못한 문제가 발생할 경우 경로 우회가 어려움
    • 그렇기 때문에 네트워크 규모가 큰 환경에서는 동적 라우팅을 활용하는 경우가 많음

정적 라우팅 예시(출처: https://www.youtube.com/watch?v=c_4x5M_GwD8&t=14511s)

• 동적 라우팅(dynamic routing): 자동으로 라우팅 테이블 항목을 만들고, 이를 이용해 라우팅
  • 라우팅 프로토콜(routing protocol) 이용
    • 라우터끼리 자신들의 정보를 교환하며 패킷이 이동할 최적의 경로를 찾기 위한 프로토콜
  • 동적 라우팅을 하면 테이블 항목이 수시로 변할 수 있음
    • 라우팅 테이블의 항목을 수동으로 입력할 필요 없음
    • 네트워크 경로상에 문제가 발생했을 때 이를 우회할 수 있게 경로가 자동으로 갱신

AS(Autonomous System): 라우터들의 집단 네트워크

• 동적 라우팅과 라우팅 프로토콜을 이해하기 위한 배경 지식
• 한 회사나 단체에서 관리하는 라우터 집단
  • AS마다 인터넷상에서 고유한 AS 번호(ASN: Autonomous System Number)가 할당
  • AS 번호는 사설 IP 주소처럼 사설 AS 번호도 있지만, 일반적으로 AS 번호는 고유한 AS 번호를 지칭
  • 한 AS 내에는 다수의 라우터가 존재
    • 라우터들은 AS 내부에서만 통신할 수도 있고, AS 외부와 통신할 수도 있음
    • AS 외부와 통신할 경우 AS 경계에서 AS 내외로 통신을 주고받을 수 있는 '특별한 라우터'를 이용
    • 특별한 라우터 = AS 경계 라우터(ASBR; Autonomous System Boundary Router)

AS(출처: https://www.youtube.com/watch?v=c_4x5M_GwD8&t=14511s)

 

AS를 기반으로한 라우팅 프로토콜 분류

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

1. IGP(Interior Gateway Protocol): AS 내부에서 수행(ex: RIP와 OSPF)

IGP 라우팅 방식(출처: https://www.youtube.com/watch?v=c_4x5M_GwD8&t=14511s)

• RIP 프로토콜: 최적의 경로를 선정하는 과정에서 거리 벡터를 사용
  • '거리'는 패킷이 경유한 라우터의 수, 즉 홉의 수를 의미
  • 특정 수신지까지 도달하기 위해 '홉 수가 가장 적은 경로'를 최적의 경로라고 판단
  • 홉 수가 적을수록 라우팅 테이블상의 메트릭 값도 작아짐
  • 주기적으로 인접 라우터끼리 경로 정보 교환, 라우팅 테이블 갱신, 특정 수신지까지의 홉 수 계산

RIP 프로토콜(출처: https://www.youtube.com/watch?v=c_4x5M_GwD8&t=14511s)

• OSPF: 최적의 경로를 선정하는 과정에서 링크 상태를 사용
  • 현재 네트워크 구성을 마치 지도처럼 그린 뒤, 최적의 경로를 선택
  • 현재 네트워크 상태(링크 정보)를 그래프의 형태로 저장
    • 링크 상태 데이터베이스(LSDB; Link State DataBase)에 저장
    • 라우터들의 연결 관계, 연결 비용 등 현재 네트워크의 상태를 그래프로 표현하기 위한 데이터
  • 대역폭을 기반으로 메트릭을 계산하여 최적의 경로를 결정
    • 대역폭이 높은 링크일수록 메트릭이 낮은 경로로 인식

OSPF 프로토콜(출처: https://www.youtube.com/watch?v=c_4x5M_GwD8&t=14511s)

• RIP는 라우팅 테이블 갱신을 위해 주기적으로 라우터 간 통신이 수행되지만, OSPF는 네트워크 구성 변경 시 라우팅 테이블이 갱신됨

2. EGP(Exterior Gateway Protocol): AS 외부에서 수행(ex: BGP)

EGP

• BGP(Border Gateway Protocol): AS 간의 통신에서 사용되는 대표적인 프로토콜로, AS 내 라우터 간 통신도 가능함
  • eBGP(external) BGP: AS 간의 통신을 위한 BGP
    • 피어링(peering): 다른 AS와의 BGP 연결을 유지하기 위해 BGP 라우터끼리 피어가 되도록 연결되는 과정
  • iBGP(internal) BGP: AS 내의 통신을 위한 BGP
  • BGP는 RIP와 OSPF에 비해 최적의 경로를 결정하는 과정이 복잡하고, 일정하지 않은 경우가 많음
  • 경로 결정 과정에서 수신지 주소와 더불어 다양한 '속성'과 '정책'이 고려되기 때문
  • BGP의 속성은 경로에 대한 부가 정보
    • AS-PATH: 메시지가 수신지에 이르는 과정에서 통과하는 AS들의 목록으로, 메시지가 AS를 거칠 때마다 AS-PATH에는 거쳐 간 AS가 추가됨
      ex) AS1에서 곧장 AS2로 가는 경로: AS2
      ex) AS1에서 AS3을 거쳐 AS2에 도달하는 경로: AS3 AS2
    • NEXT-HOP: 다음으로 거칠 라우터의 IP 주소
    • LOCAL-PREF: LOCAL PREFerence의 약자로, AS 외부 경로 선택에 있어 AS 내부에서 어떤 경로를 선호할지에 대한 척도
      • 일반적으로 AS-PATH나 NEXT-HOP 속성보다 우선시 됨
      • LOCAL-PREF 값은 AS 관리 주체가 설정하는 정책의 영향을 받음
  • 정책: AS 관리 주체에 따라 각기 다른 정책 사용 가능
  • BGP의 AS-PATH 속성이 RIP 처럼 단순 '거리'가 아닌, 어디를 거쳐 어디로 이동하는지를 나타내는 '경로'를 고려하는 점에서 경로 벡터(path vector) 라우팅 프로토콜의 일종이라 부르기도함