[OSI 모델 Layer 3] - 네트워크 계층

Jin Hur·2022년 1월 16일

네트워크(Network)

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reference: "하루 3분 네트워크 교실" / 아미노 에이지

3계층의 역할

어드레싱(IP 주소)

라우팅(Routing)

요약

좁은 의미의 네트워크는 라우터로 나뉘어진 컴퓨터 그룹(브로드캐스트 도메인)을 말한다.
이 좁은 의미의 네트워크 간에서 데이터 통신을 하는 것을 인터넷 작업이라 한다.
3계층에서는 인터넷 작업을 수행한다.
위치정보를 가진 IP 주소를 논리 주소라 한다. 반면 MAC 주소는 물리 주소라 한다.
수신처까지의 경로 선택을 하는 것이 라우팅이다.
TCP/IP 프로토콜 군에서 인터넷 작업을 수행하는 것이 IP 프로토콜이다.

네트워크

1계층: 전기적인 '케이블'이 연결되어 있는 상태에 대한 신호 전달
2계층: 신호 송수신 가능한 상태에서 세그먼트 내(브로드캐스트 도메인)에서 어떻게 데이터를 주고받는지에 대한 것
3계층: 세그먼트 내를 초월하여 세그먼트(좁은 의미의 네트워크) 간에 어떻게 데이터를 주고받는지에 대한 것

상위 계층은 하위 계층을 생각하지 않는다.
상위인 2계층은 '신호가 운반된다는 전제'하에서 컴퓨터나 기기 간에서 데이터를 송수신하는 역할을 한다.
반대로 하위인 1계층은 상위 계층인 2계층을 위해 일한다.
2계층: "이 타이밍에서 이렇게 데이터를 보낸다."
=> 1계층: "네, 그럼 신호를 보내겠습니다."

세그먼트를 달리 말하면 라우터와 라우터 간의 범위라고 생각하면 된다. 이 세그먼트 내에서 데이터의 송수신을 하는 것이 2계층의 역할이다.

세그먼트를 초월한 송수신을 하려면 '패킷 교환기'인 라우터를 지나 다른 세그먼트로 데이터를 보내야 한다.
세그먼트 간에서의 데이터 송수신을 하는 것이 3계층이다.

세그먼트란 말은 1계층과 2계층에서 사용하는 말이고, 3계층에서는 이것과 같은 범위를 가리켜 네트워크(좁은 의미)라고 한다.

인터넷 작업

이더넷으로 허브나 스위치를 사용하면 어느 정도 규모는 만들 수 있다. 하지만 스위치를 사용하면 충돌이 없어지기는 하지만 스위치의 '브로드캐스트를 제어하지 않는다'는 문제가 해결되지 않는다.

스위치는 확실히 멀티캐스트, 브로드캐스트, 아직 학습하지 않은 주소 수신의 프레임을 플러딩함.

브로드캐스트 송신하면 그 브로드캐스트가 도달하는 범위의 모든 컴퓨터가 그것을 수신해서 컴퓨터의 처리가 증가하게 된다. 대수가 늘어날수록 브로드캐스트의 총 수도 늘어나 문제가 된다.

이러한 문제를 라우터로써 해결할 수 있다. 라우터를 넘어서는 브로드캐스트 송신되지 않는다. 즉, 1개의 큰 네트워크를 복수의 네트워크로 분할함으로써 브로드캐스트가 도달하는 범위를 제한할 수 있다.

source: https://m.blog.naver.com/PostView.naver?isHttpsRedirect=true&blogId=hmin011&logNo=150141159119

이 (좁은 의미의)네트워크 간(세그먼트 간)에서의 데이터 송수신을 인터넷 작업이라고 한다다(고유명사인 인터넷과 다름).

3계층은 인터넷 작업을 수행하는 것이 그 역할이다. 인터넷 작업에 의해 떨어진 위치에 있는 컴퓨터끼리 데이터 통신이 가능하게 된다.

그리고 인터넷 작업이란 건 "어드레싱"과 "라우팅"이다.

3계층의 역할1: 어드레싱(IP 주소)

2계층 이더넷에서는 주소로 MAC 주소를 사용했지만, 3계층에서는 MAC 주소는 사용하지 않는다. 그 이유는 MAC 주소는 장소를 특정할 수 없는 주소이기 때문이다

3계층 이상부터는 2계층 주소와 3계층 주소, 2개의 주소를 사용한다. 3계층에서 사용하는 주소는 논리 주소라고 불리는데 이 주소는 어디에 있는지와 같은 위치정보가 있다.

반면 2계층에서 사용되는 주소는 물리 주소라고 불린다. 바로 MAC 주소이다. '어느 컴퓨터'라는 정보를 가진다.

3계층의 역할2: 라우팅(Routing)

3계층의 두번째 역할은 라우팅(Routing)이다. 수신처까지 어떤 경로로 갈지를 결정하는 것이다.

source: https://computingforgeeks.com/what-is-ip-routing-and-routing-protocols-in-networking/

인터넷 프로토콜

'어드레싱'과 '라우팅'에 의한 인터넷 작업을 수행하기 위한 프로토콜로서 TCP/IP 프로토콜군에서 사용되는 것이 IP(Internet Protocol)이다.

일단 TCP/IP 에서는 IP를 반드시 사용한다.

DHCP, ARP, DNS 프로토콜

DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol)

=> 자신의 IP 주소를 할당받기 위해

응용 계층 프로토콜
4개의 주소는 데이터를 주고받는데 필요하다.
송신처 MAC 주소는 송신할 인터페이스에 고정 주소를 사용한다.
송신처 IP 주소 설정 방식은 수동으로 정하느 정적인 방식과 "DHCP"를 사용해서 자동으로 할당하는 동적인 방식이 있다.
각 클라이언트는 DHCP 서버가 가지고 있는 어드레스 풀로부터 IP 주소를 할당 받는다.

DHCP란 호스트의 IP주소와 각종 TCP/IP 프로토콜의 기본 설정을 클라이언트에게 자동적으로 제공해주는 프로토콜을 말합니다.
DHCP에 대한 표준은 RFC문서에 정의되어 있으며, DHCP는 네트워크에 사용되는 IP주소를 DHCP서버가 중앙집중식으로 관리하는 클라이언트/서버 모델을 사용하게 됩니다.
DHCP지원 클라이언트는 네트워크 부팅과정에서 DHCP서버에 IP주소를 요청하고 이를 얻을 수 있습니다.
네트워크 안에 컴퓨터에 자동으로 네임 서버 주소, IP주소, 게이트웨이 주소를 할당해주는 것을 의미하고, 해당 클라이언트에게 일정 기간 임대를 하는 동적 주소 할당 프로토콜입니다.

source: https://jwprogramming.tistory.com/35 [개발자를 꿈꾸는 프로그래머:티스토리]

ARP(Address Resolution Protocol): 주소 해결 프로토콜

=> 상대측 MAC 주소를 알기 위해

수신처 MAC 주소를 알기 위해서는 ARP를 사용한다.
IP 주소와 MAC 주소의 대응표인 ARP 테이블을 갖는다.
ARP 테이블은 일정기간 경과하면 파기된다.
초기 송신에서는 디폴트 게이트웨이로 ARP를 수행한다.
- 디폴트 게이트웨이 IP를 알고 있어야 함
- 고정되어 있거나, DHCP 서버로 부터 할당받음

DNS(Domain Name System)

=> 상대측 IP 주소를 알기 위해

응용 계층 프로토콜
사용자 혹은 애플리케이션이 수신처를 결정한다.
IP 주소를 알고 있으면, 그것을 사용할 수가 있다.
호스트 명을 알고 있는 경우는 DNS를 사용한다.
DNS 서버에 호스트 명에 대응하는 IP 주소를 문의한다.

☆송신 과정 중 DHCP, DNS, ARP 프로토콜의 역할☆

송신처 MAC 주소는 NIC을 장치하면 자동적으로 알 수 있다.
송신처 IP 주소는 수동 또는 DHCP로 할당 받아서 알 수 있다.
수신처의 도메인 명을 결정하면 DNS로 수신처 IP 주소를 알 수 있다.
(DNS 관련 포스팅: https://velog.io/@jinh2352/%ED%98%B8%EC%8A%A4%ED%8A%B8%EC%BB%B4%ED%93%A8%ED%84%B0-%EC%9D%B4%EB%A6%84%EA%B3%BC-%EB%A6%AC%EC%A1%B8%EB%B2%84#dns%EC%99%80-%EB%8F%84%EB%A9%94%EC%9D%B8)
수신처 IP 주소를 알면 ARP로 수신처 MAC 주소를 알 수 있고, 이를 통해 데이터 전송이 가능해진다.
: ARP는 브로드캐스트이다. 따라서 동일 브로드캐스트 도매인 내에 있는 라우터인 '디폴트 게이트웨이'에 ARP를 수행하며, 차례대로 다음 라우터를 찾아가며 ARP를 수행한다.

컴퓨터가 최초로 데이터를 보내는 '수신처'는 디폴트 게이트웨이가 되는 것이다. 그리고 이렇게 컴퓨터가 '다른' 네트워크에 데이터를 송실할 경우 수신처는 반드시 디폴트 게이트웨이의 MAC 주소가 된다.
(https://velog.io/@jinh2352/%EB%9D%BC%EC%9A%B0%ED%8C%85Routing#arp%EC%99%80-%EB%9D%BC%EC%9A%B0%ED%84%B0)