[혼공네트] 3주차_네트워크 계층

담·2024년 7월 19일

네트워크 컴퓨터공학

컴퓨터공학

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데이터 링크 계층의 한계

물리 계층과 데이터 링크 계층만으로는 다른 네트워크까지의 도달 경로 파악이 어려움 (라우팅의 어려움)

MAC 주소만으로는 모든 네트워크에 속한 호스트의 위치를 특정하기 어려움

네트워크 계층

통신을 빠르게 주고받기 위해 패킷이 이동할 최적의 경로를 결정하는 라우팅이 이루어진다.

네트워크 계층의 IP 주소를 이용해 네트워크 상의 호스트 식별 가능

물리 계층과 데이터링크 계층은 LAN에 국한된 통신
LAN 을 넘어서기 위한 계층으로 네트워크 간 통신이 가능한 계층
단편화가 이루어지는 계층

기본적으로 MAC 주소 이전에 IP주소를 사용

구분	특징	비유	주소
MAC주소	물리주소	수취인 개인 정보(주민등록번호)	A1:B2:C3:D4:E5:F6
IP주소	논리주소	수취인 주소(서울특별시 노원구..)	192.168.1.1

직접 할당
자동할당 (DHCP)

인터넷 프로토콜 (IP)

네트워크 계층의 핵심 프로토콜

IP 주소 형태

4바이트(32비트) 주소로 표현 가능
0~255 범위 안에 있는 네 개의 10진수로 표기
각 10 진수는 점(옥텟)으로 구분 된다.

IP 의 기능

IP 주소 지정
1. IP 주소를 바탕으로 송수신 대상을 지정하는 것
단편화
1. 패킷의 크기를 최대 전송 단위 MTU(Maximum Transmission Unit) 이하로 유지, 최대 전송 단위 보다 클 경우에는 크기 이하의 복수의 패킷으로 나눔
2. MTU 크기 이하로 단편화된 패킷들은 목적지에서 재조합

IP 버전

버전 4(IPv4)와 6(IPv6 )가 있고, 각각 주소의 길이와 헤더의 구성이 다르다.

IPv4

IP 주소 지정 기능에 관여 : 송신지 IP 주소, 목적지 IP 주소
IP 단편화 기능에 관여 : 식별자, 플래그 단편화 오프셋
- 식별자: 패킷에 할당된 번호 (재조합시 사용)
- 플래그 : 부가 정보
  - 첫 번째 비트 : 항상 0,미사용
  - DF(Don’t Fragment) - IP 단편화 금지 : 나머지 두개의 비트중 하나
    - 1 : IP 단편화 미수행 / 0 : IP 단편화 수행 가능
  - MF (More Fragment 비트) : 단편화된 패킷이 더있는 지 나타냄
    - 1: 쪼개진 패킷이 아직 존재 / 0 : 마지막 패킷
- 단편화 오프셋 : 단편화되기 전 패킷의 초기 데이터에서 얼마나 떨어져 있는 패킷인가 (재조합시 필요)
TTL : 패킷의 수명, 라우터를 거칠때마다(홉마다) 1씩 감소 하며 0이 되면 폐기
- 홉 : 패킷이 호스트 또는 라우터에 한 번 절달되는 것
프로토콜 : 상위 계층의 프로토콜이 무엇인지(TCP인지, UDP 인지)

IPv6

할당 가능한 IPv4 주소 갯수는 약 43억개로 주소 총량이 고갈 되는 것을 해소하고자 IPv6 등장
16바이트(128비트)로 주소 표현, 콜론(:)으로 구분된 8개 그룹의 16진수
2의 128제곱으로 무한에 가까운 갯수 할당 가능
간소화된 IPv6 패킷의 기본헤더
- 다음헤더, 홉 제한, 송신지 IP 주소, 수신지 IP wnth

ARP

기본적으로 MAC 주소 이전에 IP 주소를 사용

동일 네트워크 내의 호스트의 IP주소를 통해 MAC 주소를 알아내기 위한 프로토콜

동작 과정

ARP 요청
ARP 응답
ARP 테이블(ARP 캐시) 갱신

1. ARP 요청 (브로드캐스트 메시지)

특정 IP 주소를 가진 호스트의 MAC 주소를 알아내기 위해 보내는 브로드캐스트 메시지
해당 호스트의 MAC 주소를 모르기 때문에 브로드캐스트 메시지로 전송

2. ARP 응답

ARP 요청 메시지에 대한 응답
자신의 MAC 주소 포함

3. ARP 테이블 갱신

ARP 테이블 (ARP 캐시) : MAC 주소와 IP 주소가 매핑된 표 형태의 데이터
일정 시간이 지나면 삭제
ARP 테이블에 추가된 호스트는 브로드캐스트로 ARP 브로드캐스트로 ARP 요청 보낼 필요 없음

다른 네트워크에 속한 호스트의 MAC 주소 일경우

다른 네트워크에 속한 호스트에게 패킷을 보내야 할 경우 네트워크 외부로 나가기 위한 장비(라우터)의 MAC 주소를 알아내어 패킷 전송

ARP 요청 - ARP 응답 (MAC 주소를 모를 경우)

호스트 A와 라우터 A

라우터 A와 라우터 B

라우터 B와 호스트 B

IP 주소의 구성

: 네트워크 주소, 호스트 주소 (유동적)

네트워크 주소	호스트주소
네트워크를 표현하는 부분	호스트를 표현하는 부분
네트워크 ID, 네트워크 식별자 등	호스트 ID, 호스트 식별자등

IP 주소에서 네트워크 주소와 호스트 주소를 구분하는 범위는 유동적 일 수 있다.

클래스풀 주소 체계

클래스를 이용해 네트워크 주소와 호스트 주소를 나누는 방식
네트워크 주소와 호스트 주소의 공간분배 고민을 해결하기 위해 생긴 개념
네트워크 크기에 따라 IP 주소를 분류하는 기준

호스트의 주소공간을 모두 사용할 수는 없다.
- 전부 0 : 해당 네트워크 자체를 의미하는 네트워크 주소
- 전부 1 : 브로드캐스트를 위한 주소

클래스리스 주소체계

클래스를 이용하지 않고 서브넷 마스크로 네트워크 주소와 호스트 주소를 구분 짓는 방법
클래스풀 주소 체계는 클래스 별 네트워크 크기가 고정되어 있기 때문에 다수의 IP 주소가 낭비될 수 있음
오늘날 주로 사용하는 방식

서브넷 마스크

IP 주소 상에서 네트워크 주소는 1, 호스트 주소는 0으로 이루어진 비트열
네트워크 내의 부분적인 네트워크(서브네트워크)를 구분 짓는(마스크) 비트열
서브네팅 : 서브넷 마스크를 이용해 클래스를 원하는 크기로 더 잘게 쪼개어 사용하는 것
클래스 A : 255.0.0.0
클래스 B : 255.255.0.0
클래스 C : 255.255.255.0

서브네팅 : 비트 AND 연산

서브넷 마스크를 이용해 네트워크 주소와 호스트 주소를 구분 짓는 방법
서브넷 마스크와 IP 주소의 비트 AND 연산 ⇒ 네트워크 주소

서브넷 마스크 표기 : CIDR 표기법

서브넷 마스크 상의 1의 개수를 IP주소/숫자로 표기
192.168.100.103/30

MAC 주소의 구성

: 제조사 번호, 일련 번호 (비트 수 24/24비트 고정)

공인 IP 주소와 사설 IP 주소

IP 주소는 전세계 고유한 주소이기도 하면서 아니기도 하다.

공인 IP 주소

인터넷 사용할 때 사용하는 고유한 주소
ISP나 공인 IP 주소 할당 기관을 통해 할당 받을 수 있다.

사설 IP 주소

사설 네트워크 내에서 사용하는 고유하지 않은 주소
- 사설 네트워크 : 이넡넷, 외부 네트워크에 공개되지 않은 네트워크
- 해당 호스트가 속한 사설 네트워크상에서만 유효한 주소이기 떄문에 다른 네트워크 상의 사설 IP주소와 중복 될 수 있다.
사설 IP 주소 대역
- 10.0.0/8
- 172.16.0.0/12
- 192.168.0.0/16

NAT(Network Address Translation) : 공인 IP 주소와 사설 IP 주소 간의 변환 기능

하나의 공인 IP 주소를 여러 사설 IP 주소가 공유 가능
IP 주소 부족 문제 해결
대부분의 라우터와 (가정용)공유기는 NAT 기능을 내장하고 있다.
1. 사설 IP 주소는 공유기를 거쳐 공인 IP 로 변경되어 외부 네트워크로 전송
2. 외부 네트워크로 받은 패킷 속 공인 IP주소는 공유기를 거쳐 사설 IP주소로 변경되어 사설 네트워크 속 호스트에 이름

정적 IP 주소와 동적 IP 주소

IP 주소의 할당 방법 : 정적 할당과 동적 할당

정적 할당

호스트에 직접 수작업으로 IP 주소를 부여하는 방법
- IP 주소, 서브넷 마스크, 게이트웨이(라우터)주소, DNS 주소 입력 가능
정적 IP 주소 : 정적 할당된 IP 주소 (고정)

기본 게이트 웨이

호스트가 속한 네트워크 외부로 나가기 위한 기본적인 첫 경로(첫 번쨰 홉)

게이트웨이 : 서로 다른 네트워크를 연결하는 하드웨어적/소프트웨어적 수단

동적 할당

호스트에 IP 주소가 동적으로 할당되는 방식
: 사용되지 않을 경우 회소, 할당받을 때마다 다른 주소 할당 가능
동적 IP 주소 : 동적 할당된 IP 주소 (유동적)
DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol)
- 동적 IP 주소를 할당하기 위한 프로토콜
- DHCP 서버에 의해 동적으로 IP 주소 할당 (== IP 주소 임대)
- 정해진 임대 시간이 끝날 경우 임대 갱신 (자동 수행, 수동 수행)
1. DHCP Discover (클라이언트 → DHCP 서버)
2. DHCP Offer (DHCP 서버 → 클라이언트)
3. DHCP Request (클라이언트 → DHCP 서버)
4. DHCP ACK (DHCP 서버 → 클라이언트)

네트워크 계층 장비, 라우터

라우팅

패킷이 이동할 최적 경로 설정, 해당 경로로 패킷을 이동시키는 것

라우팅 프로토콜 : 라우팅을 수행하는 방법

홉

라우팅 도중 패킷이 호스트와 라우터 간에, 라우터와 라우터 간의 패킷 이동 과정

홉 바이 홉 라우팅

라우팅 테이블 (routing table)

특정 목적지까지 도달하기 위한 정보를 명시하는 표와 같은 정보
대표적인 정보 : 목적지 주소, 서브넷 마스크, 게이트웨이(다음 홉), 인터페이스, 메트릭
롱기스트 프리픽스 매치 (logest prefix match)
- 여러 라우팅 테이블 항목과 일치할 경우 가장 길게 일치하는 항목 선택 후 패킷 전송
디폴트 라우트 (default route)
- 합치되는 경로가 없을 경우(라우팅 테이블에 없는 경로로 패킷을 전송해야할 경우) 기본으로 내보낼 경로 (0.0.0.0/0)

정적 라우팅과 동적 라우팅

정적 라우팅: 수동으로 라우팅 테이블 항목 채워넣기
동적 라우팅 : 자동으로 라우팅 테이블 항목 채워넣기 (라우팅 프로토콜)
- 대규모 네트워크 관리에 유리
- 네트워크 경로상 문제 발생시 우회 가능
AS (Autonomous System)
- 동일한 라우팅 정책으로 운영되는 라우터들의 집단 네트워크
- 예) 한 회사나 단체에서 관리하는 라우터 집단
- 한 AS 내에는 다수의 라우터 존재
- AS 외부와 통실할 경우, AS 경계 라우터 사용하여 통신

라우팅 프로토콜

라우터 끼리 자신들의 정보를 교환하여 패킷이 이동할 최적의 경로를 찾기위한 프로토콜

AS 내부 라우팅 프로토콜 (IGP) : RIP, OSPF
- 최적의 경로를 선정하는 과정에서 거리 벡트, 링크 상태가 사용되는냐에 따라 분류
- RIP : 거리벡터 라우팅 프로토콜, 거리 기반으로 최적의 경로를 찾음, 패킷이 경유한 라우터의수(홉의 수), 라우터 간에 경로 정보를 주기적으로 교호나하며 라우팅 테이블 갱신
- OSPF : 링크 상태 라우팅 프로토콜, 최적의 경로를 위한 대역폭 기반으로 메트릭 계산(대역폭이 높은링크 : 메트릭이 낮은 경로) , 네트워크 구성이 변경될대 라우팅 테이블 갱신
AS 외부 라우팅 프로토콜 (EGP) : BGP
- AS 간의 통신에 사용되는 프로토콜, AS 내 라우터 간 통신도 가능