[데이터 통신과 네트워킹] Network Layer Protocol

YJ·2024년 5월 7일

네트워킹 데이터 통신

데이터 통신과 네트워킹

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Internet Protocol (IP)

IP의 위치

Internet Protocol (IP) : packetizing, forwarding, delivery of a packet의 책임을 가진다.
Internet Control Message Protocol (ICMP) : delivery 할 때 발생하는 에러 처리를 하여 IP를 돕는다.
Internet Group Management Protocol (IGMP) : multicasting 할 때 IP를 돕는다.
Addres Resolution Protocol (ARP) : 주소 매핑 할때 사용

IPv4 Datagram 형식

IP에 패킷을 datagrame으로 불린다.
datagrame은 두 파트로 이루어진 variable-length를 가진다.
- Header : 20 ~ 60 bytes
  - routing과 delivery를 위한 정보로 이루어진다.
- payload (data) : transport layer에서 내려온 데이터
이더넷 프레임의 데이터 부분(최대 1500 bytes)에 넣어줘야 하기 때문에 잘라서(fragmentation) 전달해줘야 한다.

IPv4 datagrame 형식

Source IP address : 송신측 IP 주소

Destination IP address : 수신측 IP 주소

Total length : 총 길이 (가변) - 16bits

최소 길이 : 20bytes

최대 길이 : 65,535bytes

데이터 길이 : (총 길이) - (HLEN) * 4

VER : IP 버전, 예) IPv4는4

HLEN : 헤더 길이, 4bit 밖에 안되기 때문에 4bytes 단위로 표시를 함

최소 길이 : 5 (5x4bytes = 20bytes) 0101

최대 길이 : 15 (15x4bytes = 60bytes) 1111

Flags : Flagmentation이 있는지 없는지 나타냄

bit 0 : 사용 x

bit 1 : Don't Fragment (DF), 1이면 fragment를 하지 마라

bit 2 : More Fragment (MF), 1이면 fragment가 더 존재한다.

Fragmentation offset : 0에서 부터 얼마나 떨어져 있는가?, 8 바이트 단위로 나타냄

Protocol : IP datagram에서 사용하는 protocol 정의

ICMP, UDP, IGMP, OSPF, TCP

Time-to-live (TTL) : hop count와 함께 패킷 생존 기간을 제한

router를 하나 지나갈때마다 1씩 감소, 0이되면 폐기 -> ICMP Time Exceed 메세지를 수신자에게 보냄

Header checksum : 오류 체크, Header만 본다.

desitnation address, protocol field, fragmentation field 등의 오류가 생기면 IP에 비정상적인 동작이 발생할 수 있다.

router를 지나갈때마다 header의 checksum을 계산하여 checksum field와 비교한다.

Service type : 품질 정의

Identification : 구별을 위해 하나의 데이터그램에 대해서 번호 부여한다.

Options : test나 debug를 위해 사용한다.

Payload : checksum에 포함되지 않는다.

예시 1

처음 8비트가 (01000010)2로 IPv4 패킷이 도착했다

수신자는 패킷을 폐기한다. 왜 그럴까?

solution

가장 왼쪽 4비트(0100)2가 버전을 보여준다. -> correct

다음 4 bits (0010)2 -> 올바르지 않은 header length (2X4=8)

header의 최소 사이즈가 20이기 때문이다.

예시 2

IPv4 패킷에서 HLEN의 값은 (1000)2이다.

이 패킷에 의해 전송되는 옵션의 수는 몇 바이트입니까?

solution

HLen이 8이므로 header의 total number의 8X4 = 32 bytes이다.

처음 20bytes는 기본 헤더이고, 다음 12bytes는 옵션이다.

예시 3

IPv4 패킷에서, HLEN의 값은 5이고, 전체 길이 필드의 값은 (0028)16이다.

이 패킷에 의해 몇 bytes의 데이터가 운반되고 있나?

solution

HLEN 값은 5이며, 이는 헤더의 총 bytes 수가 5×4 또는 20 bytes(옵션 없음)임을 의미한다.

전체 길이는 (0028)16 또는 40bytes이며, 이는 패킷이 20bytes의 데이터(40-20)를 운반하고 있음을 의미한다.

예시 4

IPv4가 다음과 같이 16진수 형태로 도착했다.

패킷이 drop되기전에 이동할 수 있는 hop수는 몇 개인가?

데이터는 어떤 상위 계층 프로토콜에 속하는가?

solution

time-to-live field를 찾기 위해, 처음 8 bytes를 스킵한다.

time-to-live field는 9번째 bytes로 (01)16이다.

이것은 패킷이 하나의 hop만을 이동할 수 있음을 뜻한다.

protocol field는 다음 bytes인 (02)16인데, 이것은 상위 계층 프로토콜이 IGMP임을 뜻한다.

option없는 IPv4 header에 대해 checksum을 계산하는 예시

header를 16-bit로 나눔
모든 sections을 더해주고 올림 수에 대해 wrapped sum을 한 후 보수를 취해준다.
결과를 checksum field로 대체 한다.

checksum 계산 후 error check

송신측에서 똑같이 계산 후 0이 나오면 오류가 없는 것이다.

Fragmentation

각 router에서 frame을 decapsulate하고, procces하고, 다른 frame으로 encapsulate한다.
frame size는 physical network에서 사용하는 프로토콜에 의존한다.
각 link layer protocol은 고유한 frame 형식을 가진다.

Maximum Transfer Unit(MTU)

MTU는 data link layer에서 사용되는 최대 데이터 크기를 말한다.
ethernet에서 최대 데이터 크기는 1500 bytes이다.
IP Datagram의 최대 데이터 크기는 65536 bytes이다.
MTU 값은 physical network마다 다르다.
- Ethernet : 1500, FDDI :4000, X.25 :576, Gigabit : 9000 byte
- 크기를 맞추기 위해 데이터를 잘라야 한다.

Fragmentation

IPv4는 지정된 MTU 제한을 수용하기 위해 datagram을 조각으로 나눈다.
- Ethernet : 1500, FDDI :4000, X.25 :576, Gigabit : 9000 byte
datagrame이 4000bytes라고 하면,
- MTU가 1400 bytes인 3개의 fragment로 fragmentation된다.
- Offset은 8 bytes block 단위로 계산된다.

Fragmentation과 관련된 3개의 field
1) identification field

송신측 host로 부터 datagrame을 식별한다.

2) Flag field

가장 왼쪽 bit : Reserved, 항상 0이어야 한다.
두 번째 bit : Don't Fragement(DF)
세 번째 bit : More Fragment(MF)
- 0이면 last fragment이다.

3) Fragmentation offset field

fragment에 상대적인 위치를 보여준다.
8 bytes 단위로 측정된다.

Fragmentation 예시

예시

offset 값이 100이고, HLEN 값이 5이며, total length가 100인 패킷이 도착했다.

첫 번째 바이트와 마지막 bytes의 수는 무엇이냐?

solution

첫 번째 byte는 100 X 8 = 800이다.

total length가 100 bytes이고 header length가 20 bytes (5 X 4)이므로, datagram에는 80 bytes의 데이터가 있음을 의미한다.

첫 번째 byte가 800이면 마지막 byte는 879여야 한다.

Options

IPv4 datagram의 header는 두 개의 파트로 구성된다.
- fixed part의 길이는 20 bytes이다.
- variable part는 header의 경계를 보존하기 위해 최대 40 bytes가 될 수 있는 옵션들로 구성되어 있다.

Security of Datagram

security는 IPv4 protocol에 대한 보안이 제공되지 않았다.
- IPv4 protocol은 인터넷 사용자들이 서로 신뢰할 때 시작되었다.
- 오늘날의 internet은 더 이상 안전하지 않다.

IP protocol의 세 가지 security issue

packet sniffing : (복사해서) 훔쳐가기, 다른 용도로 사용
packet modification : 패킷을 변조시킴
IP spoofing : 패킷을 위조함

IP Sniffing

침입자가 IP 패킷을 가로채고(intercept) 복사(copy)할 수 있다.
공격자는 packet의 내용을 변경하지 않는다.
다른 목적으로 사용한다.

-> packet의 암호화(encryption)는 공격자를 막을 수 있다. (복사해가도 쓸모없게 만듦)

Packet Modification

공격자는 pcaekt을 가로채서 내용을 변경하고 새 packet을 수신자에게 전송한다.

-> Data Integrity 메커니즘은 packet이 변경되었는지 확인한다. (Data Integrity를 보장해주는 방법 적용), Data Integrity를 증명하도록 한다.
integrity : packet이 원래 데이터 그대로이다.

IP Spoofing

공격자는 잘못된 송신측 IP 주소 IP packet을 만들고 대상 server로 전송한다.
-> origin authentication 메커니즘을 사용하여 방지할 수 있다. (송신측 IP 주소가 위조된 것이 아님, 데이터 출발 packet이 그대로 도착 한 것임을 인증)
예) DDoS (Distributed Denial of Service)
- 송신측 IP 주소를 위조한다.
- 3 단계 과정으로 경로 설정을 할 때, 송신측 주소가 가짜가 되면 수신측은 마지막 응답이 오기를 기다리는데, 송신측 주소가 가짜이므로 응답이 오지 않는다.
- 서버는 메모리를 소모하게 되고 더 이상 서비스를 하지 못하게 된다.

IPSec(IP Security) : secure netowrk protocol

network protocol에서 동작됨
sources of IP packet을 검증 (Autentication)
- 송신측에서 보낸 packet이 맞다는 것을 인증
old packet의 replaying 방지
packet integrity(무결성) and/or confidentiality(기밀성) of packet(Encryption)

두 가지 모드로 IPSec이 동작한다.

Transport mode (for end-to-end)
Tunnel mode (for VPN)

Transport mode (for end-to-end)

Data link layer로 보내기전에 IPsec Layer가 있어 IPsec Header/Trailer를 붙이고 새로운 IP Header를 붙여서 보냄

Tunnel mode (for VPN) in Router

Network layer 위에 IPSec Layer를 두고 IPSec Header/Trailer를 붙여줌
router와 router 사이에 Tunnel을 형성해서 전달

IPSec Protocol 모음

Authentication Header (AH)
Encapsulating Security Payload (ESP)
Internet Key Exchange (IKE)
IP Payload Compression (IPcomp)

AH(Authenticcation Header)

source authentiaction을 제공
data integrity 제공
confidentiality를 위한 보호 기능이 없음
인증을 위해 추가함

Encapsulating Security Payload (ESP)

AH가 제공하는 모든 것을 제공한다.
confiddentiality도 제공한다. (대칭 키 암호화)
암호화를 이용해서 데이터를 더 추가가 된다.

ICMPv4

IP의 부족한 부분들을 보충

IPv4

erorr-reporting과 error-correcting 메커니즘이 없음
host와 management querie에 대한 메커니즘이 없음
- 네트워크 상황이 어떠지 질의하는 기능이 없음

Internet Control Message Protocol version 4 (ICMPv4)

위의 두가지 결함을 보완하기(compensate) 위해 설계 되었다.
두가지 categories
- error-reporting messages
- query messages

error-reporting messages는 problems을 report한다.

router나 host(destination)은 IP packet을 처리할 때 문제가 발생할 수 있다.

query messages에 의한 특정 정보

node는 자신의 이웃을 검색할 수 있다.
host는 자신의 network에서 router를 검색하고 학습할 수 있다. (이웃 router에 대한 정보를 구함)
rotuer는 node가 message를 redirect하는 데 도움을 줄 수 있다. (메시지를 다른 경로로 보내고 싶을 때)

ICMPv4 Messages Format

Type, Code, Checksum 부분이 같음
Query messages에는 ID가 들어감 (질의하고 응답을 해야하기 때문)
- Echo request and replay : 특정 노드에 대해 echo를 보내면 그 노드가 reply함
- Timestamp request and reply : packet에 Timestamp를 기록함
Error-reporting messags는 문제가 발생했음을 알려주기만 하면된다.
- Destination unreachable (목적지 주소가 잘못됨)
- Source quench (너무 바쁨 - 그만 보내는 것을 요청)
- Time Exceeded (TTL 초과)
- Parammeter Problem : 파라미터에 문제가 생김

Error Reporting Messages

Destination Unreachabl
- host에 연결할 수 없음을 송신측에 알려줌
Source quench
- network에 congestion이 발생하여 datagram이 삭제되었음을 송신자에게 알려준다.
- 송신측에서는 datagram 전송 속도를 늦춰야한다.
Redirect (경로 변경)
- source가 잘못된 router를 사용하여 데이터를 보낼대 사용된다.
- router가 redirect하여 기본 gateway를 변경해야한다는 것을 송신측에 알려준다. (원래의 경로를 다르게 바꿔서 전송)
Time Exceed
- TTL field가 0이 되어 폐기된 datagrame을 source에 알려준다.

중간에 있는 router들이 에러가 발생했을때 송신자에게 보냄

Query Message

Echo Request/Reply
- host나 router가 echo request를 다른 host나 router로 전송한다.
- 만약 alive(활성화)되어 있으면, echo reply message로 응답한다.
- Example : ping, traceroute
Timestamp Request
- 두 장치 간에 round-trip time을 찾는 방법
- 두 장치가 synchronize되어 있는지 확인하기 위함
  round-trip time : 두 장치 사이에 얼마나 시간이 걸리는지 알아 볼때 사용

Debugging Tools
Ping

ping 프로그램은 IP(Internet Protocol)에서 host에 도달할 수 있는지 테스트하기 위해 사용된다.
Ping은 대상 host로 ICMP echo request packet을 보내고 ICMP echo reply를 기다림으로써 동작한다.
프로그램은 errors, packet loss, statical summmary of results를 보고하는데, 일반적으로 minimum, maximum, mean round-trip time과 standard deviation of the mean를 포함한다.

traceroute(Unix), tracert (window)

송신측에서 수신측까지 packet의 경로를 추적하는데 사용한다. (목적지까지 어떤 경로를 가는지)
경로를 따라 방문하는 모든 router의 IP 주소를 찾을 수 있다.
Application layer 프로그램이지만 client 프로그램만 필요하다.
Traceroute 프로그램은 two error-repoting으로 부터 도움을 받는다.
- Destination Unreachable Message
- Time Exceeded Message

Use of ICMP in traceroute

첫 번째 traceroute message는 TTL 값을 1로 설정하여 전송된다.
- 첫 번째 라우터가 packet을 drop하고 Time-exceed message가 송신측으로 전송된다.
네 번재 message가 송신측에 도착한다. (Port 번호를 다르게 해서 보내어 송신측에 도착할 수 없다.)
- port 번호를 찾을 수 없기 때문에 이 호스트는 packet을 drop한다. -> Destination Unreachable message가 송신측으로 전송된다.

traceroute 예시

Unix 예시
4 hop만에 도착
30 hops max -> 최대 hop을 말함, 예) 40 hop이면 안됨

simple echo-request message Checksum 계산법

checksum은 전체 message에 대해 계산된다. (header와 data)
mesasge를 16 bit word로 나눈다.
word가 더해지고 보수를 취한다. 송신측은 checksum field에 이값을 넣는다.

Summary

IPv4

end-to-end delivery, unreliable, connection-less service
unreliable : 믿을 수없음, rotuer는 전달만하고 송신측과 수신측 사이에 IP는 책임을 지지 않는다. -> transport에서 함
datagrame은 각각 header와 payload 두가지 구성 요소를 가진다.
- header의 길이는 20~60 bytes이고, total size는 65,535 bytes까지 가능하다.
datagram은 송신측에서 수신측으로 이동하는 동안 한 번 이상 fragementation 될 수 있다.
- fragmentation의 재조립은 destination에서 수행된다.
datagrame의 checksum은 header에 대해서만 계산된다.

ICMPv4 - IP 지원