💫 오늘은 데이터-링크 계층에서 사용되는 프로토콜 중 하나인
ARP에 대한 개념부터 어떻게 코드로 구현할 수 있을까에 대해 알아보자!
근데
왜 ARP를 알아야 할까?
TCP/IP 프로토콜 스택이 네트워크 통신에서 중추적인 역할을 하기 때문에
대부분의 주소 결정은 TCP/IP의 ARP를 통해 이루어진다.
이 프로토콜은 노드가 네트워크 상의 다른 노드로 데이터를 전송하고자 할 때, 해당 노드의 물리적 주소(MAC 주소)를 IP 주소로부터 파악하는 데 사용된다.
네트워크 상에서 데이터 패킷은 물리적 주소를 기반으로 전송되기 때문에, ARP는 IP 주소를 물리적 주소로 변환하는 중요한 과정을 담당한다. 따라서 ARP를 이해하는 것은 네트워크의 기본 동작을 이해하는 데 필수적이라고 볼 수 있다.
본격적으로 알아보자!
ARP 패킷
ARP 패킷의 구조는 아래 그림과 같다.
유의해서 봐야할 부분은 Operation과 아래의 주소들이다.
Operation : Request(요청) - 1, Reply(응답) - 2
Source HW/protocol address : 송신지 데이터-링크/네트워크 계층 주소
Destination HW address : 수신지 데이터-링크 계층 주소 (요청 시에는 empty)
Destination protocol address : 수신지 네트워크 계층 주소
ARP 동작
아래는 ARP의 동작 방식이다.
간략하게 말하면 시스템 A에서 Broadcast로 요청을 보낸다.
그리고 요청을 받은 각 호스트에서 ARP 패킷을 확인하고
자신의 주소와 비교 후 일치하면 Destination HW address을 넣어 응답한다.
세부 동작
세부 동작을 알아보기 위해 가져온 예시이다.
데이터-링크 계층 3종류를 지나가고
ARP Operation을 3번(Alice <-> R1, R1 <-> R2, R2 <-> Bob) 수행한다.
-
Alice <-> R1
Alice에서 ARP로 R1의 데이터-링크 계층의 주소 L1을 받아와서
캡슐화할 때, Destination HW address에 L1을 작성하고 R1으로 데이터를 송신한다.
-
R1 <-> R2
R1에서 ARP로 R2의 데이터-링크 계층의 주소 L3을 받아와서
캡슐화할 때, Destination HW address에 L3을 작성하고 R2로 데이터를 송신한다.
-
R2 <-> Bob
R2에서 ARP로 Bob의 데이터-링크 계층의 주소 LB을 받아와서
캡슐화할 때, Destination HW address에 LB을 작성하고 Bob으로 데이터를 송신한다.
-
Bob
Bob은 받은 데이터 패킷을 역캡슐화해가며 자신의 주소가 맞는지 확인하고 상위계층으로 보낸다.
캐싱
ARP를 공부하다보면 자주 제기되는 질문이 있다.
시스템 A가 시스템 B의 "링크 계층 주소를 찾기 위해" 프레임을 브로드캐스트할 수 있다면,
왜 시스템 A는 시스템 B에 대한 "데이터그램"을 브로드캐스트 프레임으로 보낼 수 없을까요?
결론부터 말하면 모든 데이터그램을 브로드캐스트하는 것은 비효율적이다.
모든 노드가 네트워크상의 모든 데이터 패킷을 처리해야 하기 때문에, 이는 네트워크 트래픽을 불필요하게 증가시키고, 자원을 낭비하며, 시스템의 성능 저하를 초래할 수 있다.
한 번 ARP를 통해 링크 계층 주소를 알아낸 후에는, 이 주소 정보를 일정 시간 동안 캐싱(저장)하여 사용한다. 이로써, 같은 주소에 데이터를 지속적으로 보낼 때 매번 ARP 요청을 보내는 대신, 캐시된 주소를 사용하여 효율적으로 네트워크 자원을 관리할 수 있다.
이는 네트워크의 전반적인 효율성을 높이는 데 중요한 역할을 한다.
ARP_sender & ARP_receiver 구동
프로그래밍 언어 : C
개발 환경 : Ubuntu 22.04.3 LTS
ifconfig 명령어로 환경의 IP주소와 MAC주소를 확인할 수 있고
루프백 IP를 사용했다.
실행 결과를 보면 데이터 송수신과 캐싱이 잘 작동하는 것을 볼 수 있다.
C코드를 첨부하기엔 길이가 너무 길어질 것 같아서
필자의 Github에 업로드할 예정이다.
