[데이터 통신과 네트워킹] Introduction to Network Layer

Network-Layer Services

• router와 end computer가 node에 해당
• network layer 사이에는 logical connection이 연결되어 데이터 전달이 이루어진다.

1) Packetetizing

• payload를 Encapsulationg / decapsulation
• Carrier service :송신측에서 수신측으로 contents에 변화 없이 보냄

2) Routing & Forwarding

• Routing : 목적지까지 가는 최적의 길을 찾아주는 것
• Forwarding : 출구(output interface)를 정하는 것

3) Others : Error, Flow, congestion, Security 등

• 여기서 payload는 transport layer에서 내려온 데이터
• header를 붙이거나 뗌
• router들은 forwarding table을 관리한다.

Packetizing

• 송신측의 IP datagram에 payload를 Encapsulating
• 수신측의 datagram으로부터 payload를 Decapsulating

Header format

• VER : 버전 정보
• HLEN : Header의 길이
• Total length : Data 포함 전체 길이
• Source Ip address : 송신측 IP 주소
• Destination IP address : 수신측 IP 주소
• Header checksum : 오류 제어를 위한 것
  • network layer에서는 전체 데이터에 대해서 오류 제어를 하지 않고, header에 대해서만 오류제어
• Framentation offset : frame으로 자르는 것에 대한 정보
• Identification : 패킷 구분 번호
• Time-to-live : 패킷의 생존 기간

Routing and Forwarding

• Network layer는 가장 좋은 길을 찾아야 할 책임이 있다.

Forwarding Table

• routing algoritms은 각 forwarding table(routing table)을 생성하기 위해 적용된다.
• 각 노드에서는 forwarding table을 관리한다.

Forwarding

• packet이 interface 중 하나에 도착할 때 적용되는 작업

Router에서 Forwarding 과정

• router는 output interface number를 찾기 위해 packet header에 있는 forwarding value를 사용한다.
• 목적지 IP주소나 label이 forwarding value가 될 수 있다.

Other Services

Error control

• newtwork layer는 기본적으로 error control을 하지 않는다.
• 단지 header 부분에 오류를 체크하기 위해 checksum을 추가한다.

Internet Control Message Protocol (ICMP)

• header가 오류가 나면 datagrame을 폐기하고 송신자에게 ICMP로 폐기했다는 것을 알려준다.

Flow Control

• Network layer는 flow control을 하지 않는다.
• transport layer에서 flow control 기능을 제공한다

• flow control에서는 buffer가 필요하다.
• frame의 경우에는 medium을 사용하지 않을 때, 보낼 frame이 있으면 내보냄

Congestion Control

• network의 처리 용량을 넘어서면 congestion이 발생한다.
  • router에서는 폐기해버림
• network layer에서는 Congestion control도 없음

Quality of Service(Qos)

• Internet이 multimedia application을 허용함 따라 QoS가 매우 중요해졌다.
• 하지만, upper layer에서 처리한다.

Security

• Internet의 초기에는 Security가 고려되지 않았다.
• Internet Protocol Security (IPsec)
  • pacekt에 data를 인증(authenticate)하고 암호화(encrypt)하는 secure network protocol
    • 송신자에서 온 데이터인지, 내용이 올바른 내용인지 인증되어야 한다.
    • 가로채기를 할 수 있기 때문에 암호화시킨다.
  • Internet Protocol network를 통해 두 컴퓨터 간에 안전한 암호화된 통신을 제공한다.

Packet Switching

• Router는 network layer에서 input port와 output port 사이를 연결하는 switch이다.

packet-switched network에서 두 가지 route approach

• pacekt-switched netowork : 패킷 단위로 동작되는 네트워크

1) Datagram Approach : Connectionless Oriented Service

2) Virtual Circuit Approach : Connection Orietned Service

Datagram Approach

Datagram : Connnectionless Oriented Service

• network layer에서는 기본적으로 connectionless service로 설계되어 있다.
  • 각각 packet은 독립적으로 가고, 다른 packet과 관계가 없다.
  • packet은 같은 길로 갈 수도 안 갈 수도 있다.

Connectionless packet - switched network

• packet의 순서를 바로 잡아야 한다.
  • buffer가 순서를 잡아준다.
• 송신측과 수신측 사이의 connection이 없음

connectionless network에서 Forwarding process

• router는 destination address만을 가지고 routing 해준다.
• error가 발생하면 packet은 폐기하고 송신측에 ICMP를 이용해서 폐기됨을 알려준다.

• Ip주소가 B인 것은 2번으로 내보내라는 뜻

Virtual-Circuit Approach

Virtual-Circuit Approach : Connection-oriented Service

• virtual 연결은 datagram의 path을 설정해야한다. (회로를연결하고 데이터를 보낸다.)
  • dagrame은 모두 같은 path를 따라간다.
  • packet 사이에 관계가 있다.
• Packet은 송신측과 목적지 IP 주소와 flow label을 추가해서 처리한다.
  • flow label은 packet이 따라야하는 virtual path를 정의하는 virtual circuit identifier(VCI)이다.

Setup과 Teardown 단계

• router는 virtual circuit을 만들기 위해 forwarding table을 만든다.

• Request Packet : 경로 요청 packet
• Acknowledgement Packet : 확인 packet
• Teardown pacekt : 경로 폐쇄 packet

virtual-circuit packet-switched network

• datagrame은 같은 path를 따라가야한다.

virtual circuit nework에서 Forwarding process

• forwarding 결정은 packet에 label(VCI, virtual circuit identifier)값에 의해 결정된다.

• 1번 port에서 l1 label로 들어오는 packet은 2번 port로 내보내고 l2 label을 달아서 보내라는 뜻

Request packet (길 설정)

• packet은 송신측과 수신측 주소를 전송한다.

• Outgoing label은 ACK때 채워짐

Acknowledgement Packet (ACK로 회신)

• packet은 switching table을 완성한다.

Data Transfer Phase (데이터를 보낼때)

• 모든 packet은 동일한 label 순서를 따르고, 수신측에 순서대로 도착한다.

IPv4 Address

• IP 주소는 각 장치(host or router)의 연결을 고유하게 구분한다.
• IP 주소는 address of connection이다.
  • 장치에 대한 주소가 아니다.
  • 여러 개를 가질수 있다. (LAN 카드마다 다르게 부여한다.)
  • router는 연결선마다 IP주소를 다르게 부여한다.
• IPv4에 세가지 다른 표기법
  • 4자리 형태로 부여됨

IP Address

• 만약 host가 다른 network로 이동하면 host의 IP 주소는 변경되어야 한다.
• IP주소는 network주소에 host 주소를 연결 시켜서 구성한다.
  • network가 바뀌면 IP주소가 바뀌게 된다.

IP Address Space

• Addres space는 address의 전체 수이다.
  • b bits address → address space는 2^b
• IPv4 address는 32-bit address이다.
  • address spase는 2^32 or 4,294,967,296

Hierachy in Addressing

• IPv4 주소는 두 part로 구분되는 계층 구조를 가진다.
  • Prefix는 network를 정의한다.
  • Suffix는 node(host)를 정의한다.
• Prefix는 fixed length나 variable length를 가진다.
  • fixed length prefix - Classful addressing
  • variabele length prefix - Classless addressing

Classful Addressing

classful IP Address

• 인터넷 초기에, IPv4 Address는fixed-length prefix로 설계되었다.
• 소형 network와 대형 network를 모두 수용하기 위해서, three fixed-length prefix를 설계했었다. (n = 8, n = 16, n = 24)

• 전체 address space는 5개 class로 나누어진다. (class A, B, C, D, E)

• 컴퓨터가 많은 기관은 적은 기관보다 높은 class를 부여한다.

Classless Addressing

• 인터넷의 성장과 함께, 더 큰 주소 공간이 필요해졌다.
  • IP 주소에 길이 또한 증가했다.
  • 장기적인 해결책 → 128bit의 IPv6

Classless Addressing

• 단기적 해결책 → classless Addresing 방법의 IPv4
• 각 기관에 공정한 주소 공간 분배
• 전체 주소는 variable-length block으로 나누어진다.
• block들 중 하나가 기관에 배정된다.

Classless Inter-Domain Routing (CIDR)

• prefix는 network나 subnet을 구분한다.
• suffix는 network에 포함된 host를 구분한다.
• 만약 주소가 주어진다면 어떻게 prefix 길이를 어떻게 표시하는가?
  • prefix lengh (n)은 주소에 추가된다.
  • slash(/)에 의해 구분된다. → slash notation

classless addressing에서 나타내는 정보

예시

IP주소를 부여 받을 때는 기관에서 network 주소를 부여 받아 컴퓨터마다 번호 매김

• 167.199.170.82/27

• 172.16.0.0/12

prefix의 Address Mask

• prefix를 1로 채운 것, 나머지는 0으로

address block의 정보

예시

• 167.199.170.82/27

• 230.8.24.56과 같은 주소는 prefix에 따라 여러 블록에 해당 될 수 있다.
• /를 통해 어느 블록에 있는지 결정

• subnet은 network를 다시 나눈것이다.

Network Address

• network address는 패킷을 목적지 네트워크로 라우팅하는데 사용된다.
• 패킷이 rotuer에 도착하면 패킷을 어느 network로 보내야하는지 알아야한다.

Block Allocation

• ICANN (Internet Corporation for Assigned Names and Numbers)은 네트워크 주소를 부여한다.

  • ICANN은 각 사용자에게 주소를 할당하지 않는다.
  • ICANN은 ISP(Internet Service Provider)에게 큰 주소 block을 할당한다.

• block 할당에 두 가지 제약

  • 주소의 수는 2의 제곱 개이다.
  • 첫 번째 주소는 주소의 수로 나누어 떨어진다.

ISP가 1000개의 주소 block을 요청한다.

Subnetting

• subnetting을 통해 더 많은 수준의 계층 구조를 만들 수 있다.
• subnetwork는 여러 sub-subnetwork로 나눌 수 있다.

subnet 규칙

subnet mask

예시

Address Aggregation

• 더 block들의 주소가 더 큰 block으로 결합될 때, 라우팅은 더 큰 블록의 prefix에 의해 행해질 수 있다.
• ICANN은 ISP에 큰 주소 block을 할당한다.
• 각 ISP는 할당된 block을 더 작은 하위 block으로 나누고, 해당 blcok을 고객에게 부여한다.

예시

• 4개의 작은 주소 block이 ISP에 의해 4개의 조직으로 할당된다.
• ISP는 이 4개의 block을 단일 block으로 결합한다.
• 이러한 larger blcok으로 향하는 패킷은 이 ISP로 전송되어야 한다.

DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol)

• 동적으로 인터넷을 하는 컴퓨터의 네트워크 환경 설정을 고정시키지 않고 사용
  • IP 주소를 고정하지 않고 IP 주소를 빌리고 사용하지 않으면 반납
• 기관에 주소 block이 부여된다.
  • network 관리자는 개별 host나 rotuer에 수동으로 주소를 할당할 수 있다.
• DHCP 서버는 IP주소와 다른 network configuration parameter를 각 장치에 자동으로 할당한다.
• DHCP는 application-layer 프로그램으로, netowkr 계층에서 TCP/IP를 도와준다.

DHCP Message Format

DHCP Operation

• DHCP는 4단계로 나뉜다
  1) server discovery - IP주소를 자동으로 부여해주는 서버를 찾음
  2) IP lease offer
  3) IP lease request
  4) IP lease acknowledgment
  

FSM for the DHCP client

• BOUND : IP 주소를 확정함
• IP 주소를 일정시간 사용하지 않으면 반납을 한다.
  • 50%를 사용하면 다시 요청해서 갱신함
  • 시간이 지나도 사용하지 않으면 반납함

NAT (Network Address Translation)

• small network에 있는 컴퓨터의 일부만이 Internet에 동시에 접속할 필요가 있다.
  • NAT를 사용하면 IP를 효율적으로 사용할 수 있다.

Network Address Translation (NAT)

• private address 와 global Internet address 사이에 mapping
• virtual private network를 지원한다.

• 공인 IP 주소는 부족하다. 또한 사용료를 내야한다.
• 동시에 Internet을 사용하는 것이 아니다.
• private IP 주소를 배정해서 내부에서 통신할 때는 이것을 사용한다.
• 외부로 나갈 때는 공인 IP주소로 변환 시켜 사용한다.

Private Address 범위

Address Translation

• NAT 기능은 router나 firewall에서 구현된다.
  • router가 공인 ip주소를 가지고 있음

Translation Table

• 외부 서버 프로그램과 private netwrok 내에 host간에 multiple connection을 설정하기 위해, 더 많은 정보가 translation table에 필요하다.

IP 주소 부족 해결방법

1) IPv6
2) DHCP
3) NAT

Forwarding of IP Packet

Forwarding

• 패킷을 목적지로 향하도록 배치한다.
• 패킷을 다음 hop까지 전달한다.

Forwarding의 IP Address

• Connectionless protocl : datagrame의 수신측 IP 주소를 보고
  • 연결 설정을 하지 않고 보냄
• Connection-oriented protocol : datagrame에 붙은 label을 보고
  • path 설정을 하고 packet을 전달하는

Forwarding Based on Destination Address

• host와 router는 forwarding table을 가진다.
  • router는 forwarding table을 유지 관리한다.
• router가 패킷을 받을때,
  • 패킷을 다음 hop으로 전달하기 위해 forwarding table을 찾는다.
  • mask를 포함해서 network 주소를 가지고 해당되는 interface로 패킷을 내보낸다.

• next-hop Ip address : 다음 router의 주소

R1의 forwarding table

• 가장 왼쪽에 26비트가 첫 번째 행의 비트와 일치하는 패킷이 도착하면, 그 패킷은 인터페이스 m2로 전송
• 가장 긴 prefix는 forwarding table의 첫번째 행에 위치한다.
• default : 매칭이 되지 않은 것들을 next hop으로 보내어 외부로 나감

예시)

• 180.70.65.140 - m0로 보냄
  

• 201.1.20.140 - default, m2로 보냄

Address Aggregation

• forwarding table의 행 수를 줄일 수 있다.
• 4개의 연속된 /26 nework는 하나의 더 큰 /24로 routing table 엔트리로 aggregate될 수 있다.

가장 긴 Mask Matching

• 가장 긴 prefix는 forwarding table의 첫 번째 row에 위치된다.
• 목적지 주소가 140.24.7.200인 패킷이 R2에 도착했을때 R2의 처음 두 개 엔트리가 교체되면, 패킷은 m0에 보내질 수 있다.

Hierarchical Routing

• region ISP는 120.14.64.0부터 16384개의 주소를 부여받는다.
• 마스크 /18이 있는 원래 block은 4개의 block으로 나누어진다.

Forwarding Based on Label

• connection-oriented network에서는 switch는 label 기초하여 패킷을 전달한다.

  • Network의 IP주소는 endpoint를 식별한다.
  • label은 endpoint간에 설정된 경로 식별한다.

• IP를 connection-oriented protocol 처럼 동작하도록 변경하는 노력이 시작되었다.

  • routing이 switching으로 대체되는 경우
    • routing은 table의 내용을 searching하는 것을 기반으로 한다.
    • switching은 index를 사용하여 테이블에 access하는 것을 할 수 있다.

Forwarding Based on Destination IP Address

• 패킷이 router에 도착하면 the longest mask algortim을 사용하여 forwarding table을 searching한다.
• 일치하는 것을 찾을 때까지 network address를 확인한다.
• 시간이 오래걸린다.

Forwarding Based on Label

• table의 index로 label이 사용되므로, 표에서 정보를 즉시 찾는 것이 가능하다.

Multi-Protocol Label Switching (MPLS)

• 지금까지 router는 이렇게 동작하지 않는다.
  • rotuer를 switch처럼 빠르게 동작 시키기 위한 추가적인 패킷이 필요하다.
• MPLS Router는 router와 switch처럼 동작한다.
  • router처럼 : 패킷은 수신측 주소를 사용하여 forwarding
  • siwtch처럼 : 패킷은 label을 사용하여 forwarindg된다.

Label Switch Router(LSR)

• LSR은 어떤 traffic의 전체 IP주소가 아니라 MPLS label을 해석한다.
• 패킷을 수신한 최초 라우터는 패킷의 전체 경로를 미리 계산한다.
• 패킷 헤더의 label을 사용하여 고유 식별자를 이후 라우터에 전달한다.