모두의 네트워크 정리 (5)

조민서·2021년 10월 2일

네트워크

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🌏 5장 네트워크 계층 : 목적지에 데이터 전달하기

🚩 이 장의 목표

OSI 모델의 3계층인 네트워크 계층에 대해서 알아보자.

IP를 이해한다.
라우터를 이해한다.
IP 주소를 이해한다.
서브넷을 이해한다.
라우팅을 이해한다.

LESSON 17. 네트워크 계층의 역할

전 세계에는 수 많은 네트워크가 있고 그 네트워크들은 서로 연결되어 거대한 인터넷을 이루고있다. 네트워크 간의 연결에 대해 알아보자.

1. 네트워크 간의 연결 구조

데이터 링크 계층에서는 이더넷 규칙을 기반으로 데이터 전송을 담당한다. 하지만 이 규칙에 따라 같은 네트워크에 있는 컴퓨터로는 데이터를 전송할 수 있지만, 인터넷이나 다른 네트워크로는 데이터를 전송할 수 없다.

위 사진을보자. 데이터 링크 계층의 장비로는 네트워크 A의 컴퓨터 끼리는 데이터 전송이 되지만, 네트워크 A에서 네트워크 B나 C로는 데이터 전송이 안된다. 이 네트워크 간의 통신을 가능하게 하는 것이 네트워크 계층의 역할이다.

네트워크 계층을 통해 다른 네트워크로 데이터를 전송하려면 라우터(router)라는 네트워크 장비가 필요하다. 라우터는 데이터의 목적지가 정해지면 해당 목적지까지 어떤 경로로 가는 것이 좋은지를 알려주는 기능을 한다.

하지만 데이터를 보내려는 목적지가 어디에 있는지 모르면 라우터도 목적지까지의 경로를 알지 못한다. 그래서 네트워크에서도 데이터를 보내기 위해 목적지 주소가 반드시 있어야 한다. 이 주소를 IP 주소라고 한다.

이제 원하는 목적지 IP 주소를 지정하면 데이터를 보낼수 있다. IP 주소로 목적지를 지정하는 것 뿐만 아니라 데이터를 어떤 경로로 보낼지도 결정한다. 이 처럼 목적지 IP 주소까지 어떤 경로로 데이터를 보낼지 결정하는 것을 라우팅(routing)이라고 한다.

라우팅은 라우터 또는 레이어 3 스위치라는 장비가 한다.
라우터를 사용하여 거리에 관계없이 다른 네트워크로 데이터를 보낼 수 있다. 이 라우터에는 라우팅 테이블(routing table)이 있어서 경로 정보를 등록하고 관리한다.

2. IP란?

네트워크 계층에는 IP라는 프로토콜이 있다고 했다. 네트워크 계층에서는 캡슐화 할 때
아래 사진의 IP 헤더를 붙인다.

전부 외우지 말고 IP 헤더에 출발지 IP주소와 목적지 IP 주소가 있다는 것을 기억하자.

IP 프로토콜을 사용하여 캡슐화할 때는 데이터에 IP 헤더가 추가되는데, 이렇게 만들어진 것을 IP 패킷이라고 한다. << 데이터 링크 계층에서 이더넷 헤더와 트레일러가 추가 된것은 프레임이라고 했다.

3. Lesson 17 정리

서로 다른 네트워크 간에 통신을 하려면 라우터가 필요하다.
랜 안에서는 MAC 주소만으로도 통신할 수 있지만 네트워크 간에 통신을 하려면 IP 주소가 필요하다.
경로를 선택하고 목적지 IP 주소까지 어떻게 데이터를 전달할지 결정하는 것을 라우팅이라고 한다.
라우터의 라우팅 테이블에는 경로 정보가 등록되어 있다.
네트워크 계층의 대표적인 프로토콜에는 IP가 있다.
네트워크 계층에서는 캡슐화할 때 IP 헤더를 추가하고, 이렇게 만들어진 것을 IP 패킷이라고 한다.

LESSON 18. IP 주소의 구조

네트워크 간의 통신을 하려면 IP 주소가 필요하다. IP 주소의 구조에 대해 알아보자.

1. IP 주소란?

IP 주소는 실생활에 비유하면 주소와 같은 개념이다. 우편물을 보내려면 주소가 필요하다. 이와 비슷하게 데이터를 다른 네트워크의 목적지로 보내려면 IP 주소가 필요한 것이다.

IP 주소는 인터넷 서비스 제공자(ISP)에게 받을 수 있다. IP 버전에는 IPv4와 IPv6가 있다.

왜 버전이 IPv4와 IPv6 두 가지로 나뉠까?

현재 주로 사용하고 있는 IPv4 주소는 32비트로 되어 있어서 IP 주소를 약 43억 개를 만들 수 있는데, 처음 IP 주소를 만들 때는 43억 개면 충분하고 생각했다. 하지만 인터넷이 널리 보급 되면서 IP 주소가 부족해졌고 그러면서 IPv6 주소를 사용하게 됐다. IPv6는 128비트로 약 340간 개를 만들 수 있다. 간은 340조의 1조 배의 1조 배다.

IP 주소에는 공인 IP 주소와 사설 IP 주소가 있다. 공인 IP 주소는 인터넷 서비스 제공자(ISP)가 제공한다. 공인 IP 주소와 사설 IP 주소는 모두 2진수의 32비트를 동일하게 사용하고 있다.

IP 주소가 왜 두 종류나 필요할까?

IPv4 주소는 위에서 말했듯이 주소의 수가 고갈되고 있다. 그래서 인터넷에 직접 연결되는 컴퓨터나 라우터에는 공인 IP 주소를 할당하고, 회사나 가정의 랜에 있는 컴퓨터는 사설 IP 주소를 할당하는 정책을 사용하고 있다.

예를 들어 아래 사진과 같이 랜 안에 컴퓨터가 여러 대 있다면 공인 IP 주소는 사용할 수 있는 숫자가 제한되므로 컴퓨터 한 대당 공인 IP 주소를 하나씩 할당하기 어렵다. 그래서 우선 인터넷 서비스 제공자가 제공하는 공인 IP 주소는 라우터에만 할당하고 랜 안에 있는 컴퓨터에는 랜의 네트워크 관리자가 자유롭게 사설 IP 주소를 할당하거나 라우터의 DHCP 기능을 사용하여 주소를 자동으로 할당한다. 그러면 공인 IP 주소 한 개로 랜안에 있는 컴퓨터 세대에 인터넷을 모두 연결할 수 있는 환경을 만들 수 있다.

DHCP는 Dynamic Host Configuration Protocol의 약어로 IP 주소를 자동으로 할당하는 프로토콜 이다.

IP 주소와 MAC 주소는 비트 수가 다르다?

MAC 주소는 48비트로 구분하기 쉽도록 16진수로 표시하고, IP 주소는 32비트로 구분하기 쉽도록 10진수로 표시한다.

위 사진을보자. IP 주소는 다음과 같이 8비트 단위로 나눠서 표시한다. 참고로 8비트를 옷텟(octet)이라고 부르기도 한다. 각 8비트씩 나눈 후에는 사람이 읽기 쉽도록 10진수로 변환한다.

IP 주소는 네트워크 ID와 호스트 ID로 나눠져 있다.
네트워크 ID는 어떤 네트워크인지를 나타내고, 호스트 ID는 해당 네트워크의 어느 컴퓨터인지를 나타낸다. 이 두 가지 정보가 합쳐져 IP 주소가 된다.

2. Lesson 18 정리

데이터를 다른 네트워크로 전달하려면 IP 주소가 필요하다.
IP 주소는 인터넷 서비스 공급자에게 할당받을 수 있다.
IPv4의 IP 주소는 32비트, IPv6의 IP 주소는 128비트로 구성되어 있다.
IP 주소의 종류에는 공인 IP 주소와 사설 IP 주소가 있다.
IP 주소는 네트워크 ID와 호스트 ID로 나누어진다.

LESSON 19. IP 주소의 클래스 구조

IP 주소는 네트워크의 규모에 따라 A~E 클래스로 나누어져 있다. 네트워크 클래스 구조에 대해 알아보자.

1. IP 주소 클래스란?

IPv4의 IP 주소는 32비트다. 이 비트를 옥탯 단위로 끊어서 네트워크 ID를 크게 만들거나 호스트 ID를 작게 만들어 네트워크 크기를 조정할 수도 있다. 네트워크 크기는 클래스 라는 개념으로 구분하고 있다.

클래스 이름	내용	네트워크 ID 크기	호스트 ID
A 클래스	대규모 네트워크 주소	8비트	24비트
B 클래스	중형 네트워크 주소	16비트	16비트
C 클래스	소규모 네트워크 주소	24비트	8비트
D 클래스	멀티캐스트(multicast) 주소	x	x
E 클래스	연규 및 특수용도 주소	x	x

공인 IP 주소와 사설 IP 주소를 포함한 클래스 범위도 살펴보자.

A 클래스의 1옥텟의 범위는 2진수로 00000001~01111111(1~127)이다. 호스트 ID 비트는 24비트다. 따라서 2~4의 옥텟 범위는 각각 2진수로 00000000~11111111(0~255)이다. 최대 호스트 수는 (256)^3-2(네트워크 주소 1개, 멀티캐스트 주소 1개 -> Lesson 20에서 설명)로 1677만 7214개다.

B 클래스의 1옥텟의 범위는 2진수로 10000000~10111111(128~191)이다. 호스트 ID 비트는 16비트다. 따라서 3~4의 옥텟이다. 최대 호스트 수는 (256)^2-2로 6만5534개다.

C 클래스의 1옥텟의 범위는 2진수로 11000000~11011111(192~223)이다. 호스트 ID 비트는 8비트다. 따라서 4 옥텟 뿐이다. 최대 호스트 수는 256-2로 254개이다.

종류	공인 IP 주소의 범위	사설 IP 주소의 범위
A 클래스	1.0.0.0~9.255.255.255	10.0.0.0~10.255.255.255
	11.0.0.0~126.255.255.255
B 클래스	128.0.0.0~172.15.255.255	172.16.0.0~172.31.255.255
	172.32.0.0~191.255.255.255
C 클래스	192.0.0.0~192.167.255.255	192.168.0.0~192.168.255.255
	192.169.0.0~223.255.255.255

사설 IP 주소는 절대로 공인 IP 주소로 사용 할 수 없다.

가정의 랜에서는 주로 C 클래스의 사설 IP 주소인 192.168.ㅁ.ㅁ이다.
다들 시작 메뉴 검색 창에 cmd를 입력해서 '명령 프롬프트'를 켜서 ipconfig 명령어를 실행해서 자신의 IP 주소를 확인해보자.

2. Lesson 19 정리

IP 주소는 A~E 클래스로 나누어지며 일반적으로는 A~C 클래스를 사용한다.
IP 주소의 클래스별 호스트 수는 A 클래스가 1677만 7214대, B 클래스가 6만 5534대, C 클래스가 254대다.

LESSON 20. 네트워크 주소와 브로드캐스트 주소의 구조

컴퓨터에 할당할 수 없는 IP 주소인 네트워크 주소와 브로드캐스트 주소에 대해 알아보자.

1. 네트워크 주소와 브로드캐스트 주소란?

IP 주소에는 네트워크 주소와 브로드캐스트 주소가 있다.

이 두 주소는 특별한 주소로 컴퓨터나 라우터가 자신의 IP로 사용하면 안된다.

예를 들어 C 클래스 사설 IP 주소가 있다고 가정하자.
그러면 IP 주소의 범위는 192.168.0.0~192.168.255.255이다. 이것은 256개의 네트워크 ID에 각각 호스트 ID가 256개가 있는 것이다. 그럼 이제 아래 사진을 보자.

이 사진은 256개의 네트워크 ID 중에서 하나인 192.168.1.0~192.168.1.255 부분이다. 같은 네트워크 ID의 호스트 주소이므로 네트워크 주소는 192.168.1로 당연히 같다. 그러면 이제 첫 번째 호스트 ID인 192.168.1.0은 네트워크 주소이고 마지막 호스트 주소인 192.168.1.255는 브로드캐스트 주소이다.

네트워크 주소는 전체 네트워크에서 작은 네트워크를 식별하는 데 사용되고, 호스트 ID가 10진수로 0이면 그 네트워크 전체를 대표하는 주소가 되는거다. 쉽게 말해 전체 네트워크 대표 주소라고 생각하자.

브로드캐스트 주소는 네트워크에 있는 컴퓨터나 장비 모두에게 한 번에 데이터를 전송하는 데 사용되는 전용 IP 주소다. 예를 들어 192.168.1.1의 데이터를 192.168.1.2~192.168.1.254 모두에게 전송하고 싶으면 전송 할 데이터를 192.168.1.255에게 보내면 된다.

2. Lesson 20 정리

네트워크 주소와 브로드캐스트 주소는 컴퓨터에 설정할 수 없다.

LESSON 21. 서브넷의 구조

네트워크를 분할하는 것을 서브넷팅이라고 한다. 서브넷의 구조에 대해 알아보자.

1. 서브넷이란?

IP 주소는 A, B, C, D, E 클래스로 나누어져 있다고 했다. 여기서 A 클래스 네트워크는 호스트 ID가 24비트로 하나의 네트워크에 1677만 7214개의 IP 주소를 사용한다.

만약 이 상태에서 브로드캐스트 패킷을 전송하면 모든 컴퓨터에 패킷이 전송되고 네트워크가 혼잡해질 것이다. 어떻게 할까?

A 클래스의 대규모 네트워크를 작은 네트워크로 분할하여 브로드캐스트로 전송되는 패킷의 범위를 좁힐수 있다. 이렇게 하면 더 많은 네트워크를 만들 수 있어서 IP 주소를 더 효과적으로 활용 할 수 있다. 이처럼 네트워크를 분할하는 것을 서브넷팅(subneting)이라고 하고, 분할된 네트워크를 서브넷(subnet)이라고 한다.

A 클래스를 서브넷팅하기 전

네트워크 ID	호스트 ID
00000001	00000000 00000000 00000000

A 클래스를 서브넷팅한 후

네트워크 ID	서브넷 ID	호스트 ID
00000001	00000000 00	000000 00000000

이처럼 기존에 있던 호스트 ID에서 비트를 빌려 서브넷 ID로 바꿔 서브넷을 만든다.

2. 서브넷 마스크란?

IP 주소를 서브넷팅하면 어디까지가 네트워크 ID고 어디부터가 호스트 ID인지 판단하기가 어려울 때가 있따. 그럴 때는 서브넷 마스크라는 값을 사용한다.

서브넷 마스크는 네트워크 ID와 호스트 ID를 식별하기 위한 값이다.

32비트의
A 클래스의 서브넷 마스크는 11111111 00000000 00000000 00000000 = 255.0.0.0
B 클래스의 서브넷 마스크는 11111111 11111111 00000000 00000000 = 255.255.0.0
C 클래스의 서브넷 마스크는 11111111 11111111 11111111 00000000 = 255.255.255.0

프리픽스(prefix) 표기법으로도 사용할 수 있다.
프리픽스 표기법은 서브넷 마스크를 슬래시(/비트 수)로 나타낸 것을 말한다. 예를 들어 255.255.255.0은 /24가 된다.

문제 1

C클래스인 192.168.1.0은 현재 네트워크 ID는 24비트로 호스트 ID 비트는 8비트이다. 호스트 ID 비트에서 4비트를 빌려 서브넷팅 해보자.

C클래스 기본 서브넷은 255.255.255.0이다.
호스트 ID 비트에서 4비트를 가져오면 앞부분 0000을 가져온다. 그러면
네트워크 ID : 255.255.255,
서브넷 ID: 0000~1111 (범위 이므로 1111은 최대 서브넷 개수),
호스트 ID: 0000

호스트 ID 부분에서 4비트를 빌려 서브넷 ID로 바꾼 후 비트는 11110000이다. 11110000은 240(128+64+32+16)이므로 *브넷 마스크는 255.255.255.240이다 이것을 프리픽스 표기법으로 바꾸면 네트워크 ID와 서브넷 ID가 28비트가 되어 /28이다.

문제 2

255.255.255.252를 프리픽스 표기법으로 나타내면 무엇일까?

기본 서브넷 마스크는 255.255.255로 C 클래스다.
252 = 255-3 이므로 호스트 ID는 xxxxxx11(3)이다. 즉 서브넷 ID는 111111xx(252)이다. (x는 0이다.)
그럼 네트워크 ID는 24비트 서브넷 ID는 6비트 이므로 프리픽스 표기법으로 나타내면 /30이다.

3. Lesson 21 정리

네트워크를 분할하는 것을 서브넷팅이라고 하고 분할된 네트워크를 서브넷이라고 한다.
서브넷팅 되면 구성이 '네트워크 ID + 호스트 ID'에서 '네트워크 ID + 서브넷 ID + 호스트 ID'로 변경된다.
서브넷 마스크는 네트워크 주소와 호스트 주소를 식별하는 값이다.
클래스별로 서브넷 마스크는 A클래스는 255.0.0.0, B클래스가 255.255.0.0, C 클래스가 255.255.255.0이다.
프리픽스 표기법은 서브넷 마스크를 슬래시(/비트)로 나타 낸다. 예를들어 255.255.255.0을 프리픽스 표기법으로 나타내면 /24이고, 255.255.255.254를 프리픽스 표기법으로 나타내면 /31이다.

LESSON 22. 라우터의 구조

서로 다른 네트워크와 통신하려면 라우터가 필요하다. 라우터에 대해 알아보자.

1. 라우터란?

서로 다른 네트워크와 통신하려면 라우터가 필요하다. 라우터는 아래 사진과 같이 네트워크를 분리할 수 있다.

한편 스위치(레이어 2)와 허브는 네트워크를 분리 할 수 없다. 모두 동일한 네트워크다.

라우터를 이용해 네트워크를 분할한 다음에 컴퓨터 한 대가 다른 네트워크로 접속하려면 어떻게 해야 할까?

컴퓨터 1이 다른 네트워크에 데이터를 전송하려면 라우터의 IP 주소를 설정해야 한다. 이것은 네트워크의 출입구를 설정하는 것으로 기본 게이트웨이(default gateway)라고 한다.

라우터 IP 주소는 왜 지정해야 할까?

컴퓨터 1은 다른 네트워크로 데이터를 보낼 때 어디로 전송해야 하는지 알지 못한다. 그래서 네트워크 출입구를 지정하고 일단 라우터로 데이터를 전송한다. 여기서 컴퓨터 1은 192.168.1.0/24 네트워크에 속해 있기 때문에 라우터의 IP 주소인 192.168.1.1로 설정했다. 하지만 게이트웨이 설정만으로는 컴퓨터 1에서 컴퓨터 6으로 데이터를 보낼 수 없다. 추가로 라우터의 라우팅(routing)기능이 필요하다.

2. 라우팅이란?

라우팅은 경로 정보를 기반으로 현재의 네트워크에서 다른 네트워크로 최적의 경로*를 통해 데이터를 전송한다고 했다. 이 경로 정보가 등록되어 있는 테이블이 라우팅 테이블이다.

경로 정보는 위 사진과 같이 각 라우터의 라우팅 테이블에 경로 정보가 등록되어 있어서 라우팅이 가능하다. 따라서 10.1.0.0 컴퓨터에서 10.4.0.0 컴퓨터로 데이터를 보낼 수 있다.
참고

라우팅 테이블은 어떻게 등록할까?

네트워크 관리자가 수동으로 등록하는 방법과 자동으로 등록하는 방법이 있다. 수동으로 등록하는 방법은 소규 네트워크에 적합하고, 자동으로 등록하는 방법은 대규모 네트워크에 적합하다.

수동으로 등록하는 방법은 대규모 네트워크에서는 정보를 하나하나 라우터에 등록하기가 힘들기 때문이다. 또 등록된 내용이 수정되면 수동으로 변경해야 해서 작업량도 많아진다.

한편 자동으로 등록하는 방법은 라우터 간에 경로 정보를 서로 교환하여 라우팅 테이블 정보를 자동으로 수정해준다. 수동으로 등록하는 방법처럼 직접 네트워크 관리자가 변경하지 않아도 되기 떄문에 훨씬 편하다.

이처럼 라우터 간에 라우팅 정보를 교환하기 위한 프로토콜을 라우팅 프로토콜이라고 한다. 대표적인 라우팅 프로토콜에는 RIP, OSPF, BGP 등이 있고 각각 다른 특징이 있다.

3. Lesson 22 정리

서로 다른 네트워크와 통신하려면 라우터가 필요하다.
라우터는 네트워크를 분할할 수 있지만 스위치(레이어 2)와 허브는 분할할 수 없다.
컴퓨터에서 다른 네트워크로 데이터를 전송하려면 기본 게이트웨이를 설정해야 한다.
라우팅은 경로 정보를 기반으로 현재의 네트워크에서 다른 네트워크로 최적의 경로를 통해 데이터를 전송하는 방식이다.
경로 정보가 등록되어 있는 테이블을 라우팅 테이블이라고 한다.
라우터 간에 라우팅 정보를 서로 교환하기 위한 프로토콜을 라우팅 프로토콜 이라고 한다.

보강❗

IPv6

현재 주로 사용하고 있는 IPv4(internet protocol version 4)는 32비트의 IP주소이다. 2의 32제곱인 약 43억 개의 컴퓨터 IP 주소를 할당할 수 있다. 처음에는 이 정도의 IP 주소로도 충분할 줄 알았지만 인터넷이 보급되면서 주소가 급속도로 고갈되기 시작했다.

이 대책으로 생겨난 것이 IPv6(Internet Protocol version 6)이다. IPv4는 32비트 IP 주소였지만 IPv6은 128비트로 확장하여 2의 128제곱이라는 사실상 무제한의 IP 주소를 사용할 수 있게 되었다.
이에 따라 현재 약 60억 명이 살고 있는 전 세계 사람들에게 IP 주소를 균등하게 할당해도 1인당 5.6양개(5600조의 100조배)를 할당할 수 있다.

현재는 IPv6 네트워크가 보급되면서 가정에 있는 TV나 에어컨에서도 인터넷을 연결하여 통신 할 수 있게 되었다 (사물인터넷 확장).

🎈 용어 정리

네트워크 계층(network layer) : 네트워크 계층은 다른 네트워크와 통신하기 위한 경로 설정을 위해 라우터를 통한 라우팅을 하며 패킷 전송을 담당한다.

IP(Internet Protocol, 인터넷 프로토콜) : 인터넷에 있는 한 컴퓨터에서 다른 컴퓨터로 데이터를 보내는 데 사용되는 네트워크 계층 프로토콜이다.

IP 주소 클래스(IP address class) : IPv4에서 사용하는 주소 그룹에는 다섯 개 가 있다. A, B, C클래스는 네트워크 ID와 호스트 ID로 구성되며, D 클래스는 멀티캐스트 주소로 사용된다. E 클래스는 필요에 따라 사용하기 위해 확보해 놓은 것이다.

라우터(router) : 서로 다른 네트워크를 연결해 주는 장치로 현재의 네트워크에서 다른 네트워크로 패킷을 전송할 수 있도록 한다.

라우팅(routing) : 네트워크에서 패킷을 목적지로 보낼 때 목적지까지 갈 수 있는 여러 가지 경로 중 한 가지 경로를 설정해 주는 과정이다.

라우팅 테이블(rotuing table) : 컴퓨터 네트워크에서 목적지 주소를 목적지에 도달하기 위한 네트워크 노선으로 변환시킬 목적으로 사용된다. 다른 네트워크로 가기 위한 가장 좋은 라우터의 정보를 가지고 있다.

서브넷(subnet) : 큰 네트워크를 분할해서 만든 작은 네트워크다.

서브넷팅(subneting) : 네트워크를 분할하기 위해 IP 주소의 구성을 변경하는 작업이다.

서브넷 ID : IP 주소의 네트워크 부분을 늘리기 위해 서브넷 마스크로 사용되는 비트로 서브넷 비트(subnet bits)라고도 한다.

서브넷 마스크(subnet mask) : IP 주소의 네트워크 부분만 나타나게 하여 같은 네트워크인지를 판별하게 하는 마스크다.

멀티캐스트(multicast) : 한 컴퓨터(호스트)에서 패킷을 여러 컴퓨터로 동시에 전송하는 것을 말한다.

브로드캐스트(broadcast) : IP 네트워크에 있는 모든 컴퓨터(호스트)로 데이터를 전송하는 방식이다.

조민서

내 두뇌는 휘발성 메모리다. 😪

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