[🌐Network] 네트워크 내 패킷의 전달 과정 (feat. 스위치 테이블, 라우팅 테이블, ARP)

Introduction

본 글은 아래 유튜브 내용을 참고하여, 이해한 바를 바탕으로 재 정리한 글입니다.

글이 아직 정리가 아직 덜 로우한 글입니다. 보기 불편할 수 있습니다.

내용 출처

패킷 전달 과정

3계층 즉, 라우터의 역할은 목적지까지의 최적의 경로를 IP주소를 통해서 라우팅(스위칭) 해주는 것이다.

이러한 최적의 경로를 지도처럼 저장해 둔 것이 바로 라우팅 테이블이다.

따라서 라우팅 테이블에 적혀있는 네트워크 대역만 찾아 갈 수 있고, 라우팅 테이블에 적혀있지 않은 네트워크 대역은 찾아갈 수 없다.

나의 라우팅 테이블에 없으면 주된 게이트웨이로 나간다.

전송 과정을 살펴보자.
A가 자신의 라우팅 테이블을 먼저 살펴본다.

목적지인 B의 네트워크 대역(20번지 가리봉동의 주소)가 자신에게 있는지 살펴본다.

A의 라우팅 테이블에 B의 네트워크 대역이 있으므로 보낼 수 있다. 보낸다고 생각해보자.

다음과 같이 패킷을 보낸다.
2(3(4--형태로 패킷이 감싸져있는 것을 확인 할 수 있다.

여기서 Eth 즉, A가 B에게 패킷을 보낼 때, 이더넷 프로토콜에 들어가는 첫번째 MAC 주소는 무엇일까?

정답은 바로 192.168.10.1의 아이피를 가진 MAC 주소인 CC:CC:CC:CC:CC:CC:CC 이다.

이더넷은 2계층 프로토콜이기 때문에 내가 보는 세상이 즉, 내가 속한 네트워크가 전부인 것이다.

따라서, 전달할 수 있는 최대 범위가 자신이 속한 네트워크가 전부이다. 그래서, 자신이 속한 네트워크에서 목적지까지 가장 가까운 곳까지 갈 수 있다.
그만큼 가깝게 통신할 수 밖에 없다.

이 말이 다음과 같은 말과 같아요

바로, Eth! 이더넷 프로토콜은 어디까지?
자신의 네트워크 끝까지! 갈 때 필요하다.

자신의 네트워크를 통과하기 위해서 필요한 맨 마지막에 둘러쌓인 옷이라고도 볼 수 있다!

옷이기 때문에 서로다른 프로토콜 형태를 써도 상관은 없다 (하지만 이더넷이 99%다~)

그럼 다시 돌아와서 한번 점검해보자.

라우팅 테이블에 어떻게 써져있었나요?

바로 목적지 주소(20번지 가리봉동)로 갈려면은 일단은 "192.168.10.1로 가라" 그 다음에는 그쪽에서 또 라우팅 테이블을 참고해서 가면된다.

이 말인 것입니다!

엇 그런데 보니까
192.168.10.1은 게이트웨이(가장 가까운 라우터)의 주소입니다.

그렇습니다. 바로 이더넷 프로토콜에는 게이트웨이에 해당하는 가장 가까운 라우터의 MAC주소가 적혀있는 것입니다.

그럼 이 패킷이 이동해봅시당

어디로 갈까요?

중간에 스위치가 있네요? 스위치에 들리게 되겠죠?

자 스위치는 2계층 장비입니다.
따라서 이더넷을 보고 스위칭을 해주는 장비죠!

이더넷 프레임에는 다음과 같이 목적지 MAC 주소와 출발지 MAC주소가 포함되어 있습니다.

스위치에서는 이제 스위치 테이블을 보고 목적지에 갈 수 있도록 스위칭을 해주면 되는거죠!

스위칭 테이블에는 목적지 MAC 주소와 가야하는 포트가 적혀있습니다.

이제 목적자가 CC~인 경우를 찾고 그에 해당하는 포트또한 찾아서 그쪽으로 보내주면 되는 것이죠!

그렇게 라우터(공유기)까지 잘 도착했습니다.

이젠 라우터는 3계층 장비이기 때문에 3계층 패킷을 뜯어볼 수 있습니다.

뜯어봐야겠죠?
3계층은 네트워크 패킷을 까보았더니 목적지 IP주소와 출발지 IP주소가 적혀있습니다.

출발지 주소는 192.168.10.10 (c0 a8 0a 0a)
목적지 주소는 192.168.20.20 (c0 a8 14 14)

목적지 주소를 보니 "내(192.168.10.1)"가 아니군요?
아 나말고 다른애가 목적지구나~

라우터(공유기)가 라우팅 테이블을 쫙 펼칩니다.

자~ 나는 목적지가 아니였고,,목적지 주소는 192.168.20.20이라고?

해당하는 목적지 주소와 다음번지로 어디로 가야하는지 라우팅 테이블에 써져 있는가를 확인합니다.

오! 운좋게도 가리봉동 20번지로 가는 것이 써져있습니다. 192.168.30.2 주소로 가면된다고 하네요!
이젠 192.168.30.2 IP주소를 가지는 MAC 주소로 가면 되는 것이죠!

그럼 192.168.30.2는 누구인지 볼까요?

바로 옆의 라우터였군요!

그럼 패킷을 수정해서 바로 옆의 라우터로 갈 수 있도록 해봅시다. (이게 바로 옷 갈아 입히기)
기존 옷을 버리고, 다시 입는 것이죠!
영어로는 프레임 리라이트!

잠깐!
헤더 자체를 생성하고, 이를 벗겨내어 데이터를 추출하는 용어인 encapsulation - de encapsulation와는 약간의 차이가 있습니당

새로운 출발지 주소와 목적지 주소로 프레임을 새로 씌웠네요! 이것이 바로 Frame Re Write 입니다.

• 각 계층의 데이터 단위
  1계층 : 물리 계층 - Frame
  2계층 : 데이터링크 계층 - Frame
  3계층 : 네트워크 계층 - Datagram, Packet
  4계층 : 전송 계층 - Segment
  5계층 : 응용 계층 - User Data

자 그럼 이렇게 패킷을 새롭게 생성하고 다시 전송합니다.

그럼 라우터에서는 이 패킷을 받아서 어떻게 처리할까요?

라우터는 목적지가 될 수도 있지만 핑을 보내는 경우가 아닌 이상, 실제 상황을 고려해봤을 때 단말로써의 사용이 되지는 않겠죠

자신이 목적지가 아니라는 것을 안 라우터는 3계층 패킷을 열고, 목적지 IP를 확인합니다.

음. 192.168.20.20이군요!

이제 자신의 라우터 테이블을 열어봅니다.

목적지 IP "대역" 192.168.20.0으로 가기위한 방법이 놀랍게도 또 잘 작성되어있군요!

목적지 IP로 바로 가는 것이 아니라 목적지 IP가 위치한 네트워크 대역으로 간다는 것을 주의! (당연히 바로는 못가죠~)

192.168.40.2는 누구일까요?

바로 옆에 있는 공유기였군요!

이제 해당 공유기로 가기위해서 192.168.40.2에 해당하는 MAC 주소를 다시 Eth프레임을 열어서 변경해주면 되겠군요!

이를 통해서 MAC 주소를 바탕으로 다시 보냅니다!

여기서 알 수 있는 점은, Eth(이더넷)프로토콜은 네트워크를 이동하면서 계속해서 새롭게 작성(프레임 리라이트)되고 있습니다.

반면에 Ipv4인 네트워크 패킷은 출발지주소와 목적지 주소를 가진체 단순히 목적지가 맞는지 확인만 할 뿐 처음부터 그대로~유지되고 있습니다.

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이제 끝이 보입니다! 공유기에 도착했습니다.
(192.168.20.1)

라우터에 도착한 패킷은 이제 20번째 가리봉동(192.168.20.0)의 대역폭을 가진 네트워크에 진입을 했다는 것이죠!

이젠 라우팅 테이블은 보지 않아도 됩니다. 목적지 B가 있는 곳까지 라우팅을 통해 도착했기 때문이죠.

• 목적지 IP가 위치한 대역
  

• 목적지 IP
  

남은 것은 해당 네트워크 대역에서 이동만 해주면 됩니다.

이제 이더넷 프레임을 또 수정해줘야겠죠?

IPv4에 써져있는 목적지 주소에 해당하는 MAC 주소를 넣어주면 됩니다.

목적지 주소 B에 해당하는 MAC 주소는 무엇일까요?
같은 네트워크 대역이니 쉽게 찾을 수 있죠.
B의 MAC 주소는 bb:bb:bb:bb:bb:bb 라고하네요!

다음과 같이 프레임 리 라이트를 해줍시다.

전송하게되면?

그렇죠! 중간에 스위치가 있네요!

스위치가 있어야 스위칭 테이블을 보고 정확하게 몇번 포트로 가면 해당 목적지IP로 갈 수 있는지 알려줍니다.

여기선 컴퓨터가 한대니까 상관없겠지만, 여러대의 컴퓨터가 있다면 스위칭 테이블이 당연히 있어야 MAC 주소를 보고 어디 포트로 가면 될지 알겠죠.

이를 통해 스위치에서는 스위칭 테이블을 보고 목적지 MAC 주소에 해당하는 포트가 어딘지 알려줍니다(스위칭 해줍니다).

🙄스위치가 꼭 필요한가요?
네. 스위치가 없다면 스위칭 테이블이 없고, 결국 목적지 컴퓨터의 MAC 주소는 알지만 이 유일무의한 MAC주소를 가진 컴퓨터는 어떤 포트로 들어가야 있을지 모르는거죠..!
🎈예를 들어,
친구집(목적지 PC)을 가는데 친구 아파트(목적지 네트워크 대역)까지와서 주민등록번호(MAC 주소)는 아는데 친구 집은 몇 호(포트 번호)인지를 모르는 겁니다.
따라서 스위치와 스위칭테이블은 반드시 있어야합니다!

이를 통해서 MAC 주소를 보고 스위칭 테이블에서 정확한 포트까지 찾아, 목적지 B까지 도착할 수 있게 되었습니다!

이를 그대로~ 반대로 가면 ICMP 응답을 보내게 됩니다.

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스위치 테이블에 없으면?

스위치 테이블은 꼭 필요하다는 것을 강조했다.
그러나, 스위치 테이블에 각 MAC 주소에 해당하는 포트번호가 잘 써져있을 것이라는 보장이 있는가?

그걸 항상 누가 대신 써주는 것도 아니고..

그렇다. 모르는 경우 스위치는 모든 포트에게 전부 전달(Flooding)하게 된다.

친구 아파트(목적지 네트워크 대역)에는 왔지만 친구 집(컴퓨터 A의 포트)을 못 찾는 경우에 아파트 내 모든 집(연결된 모든 포트)에 방문하는 것이다.

이후 친구 집을 찾게되면 해당 MAC 주소와 포트를 매핑한다.

이는 실제로 Ping을 보내보면 MAC(스위치) 테이블이 작성되는 것을 볼 수 있다.

한번의 전송과정을 통해서 스위치에 연결된 모든 포트가 누구와 연결된 것인지를 알려주는 테이블이 작성된다.

실제 예시 Ping

• CISCO 스위치 맥 테이블 작성과정
  출처

아래는 CISCO packet tracer 를 통해 살펴본 스위치의 콘솔이다.

• 초기 스위치의 mac테이블
  

스위치는 현재 네트워크의 MAC 정보를 가지고 있지 않다.
한번 pc끼리 ping 을 보내보자

• ping통신후 스위치의 mac테이블
  

Ping 통신을 한 후, 스위치의 맥 테이블을 살펴보니 PC 들의 MAC 정보가 작성되어 있다.

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ARP

근데 한가지 의문점이 있습니다.
우리는 한 네트워크에서 다음 네트워크로의 이동을 하기위해서 다음과 같은 과정을 거쳤습니다.

0. 패킷을 까서 목적지 IP를 확인한다. (192.168.20.20)
1. A 컴퓨터에서 라우팅 테이블을 확인한다.
2. A 컴퓨터의 라우팅 테이블에 목적지 IP의 대역이 존재한다. (192.168.20.0/24)
3. A 컴퓨터의 라우팅 테이블의 다음 홉의 IP주소를 확인한다. (192.168.10.1)
4. 다음 홉의 IP 주소를 가진 MAC 주소를 알아낸다.
5. MAC 주소를 새로운 프레임에 작성한다.(프레임 리라이트)

😮 엥??

4번. 다음홉의 IP주소를 통해 MAC 주소를 알아낸다...?

다짜고짜 IP 주소를 통해서 MAC 주소를 알아내왔다. 이게 어떻게 가능한 걸까?

다음 홉의 IP 주소는 라우팅 테이블에 써져있으니까 알아낼 수 있는 거고.. A 컴퓨터에서 다음 홉의 IP 주소만을 가지고 어떻게 MAC주소를 알아내지?

한 네트워크에 속한 모든 장비들의 IP를 다 검사해서 MAC 주소를 알아내야 하는건가?

✨ ARP(Address Resolution Protocol)

그렇다 ARP를 사용해서 알아내고 있었던 것이다!

ARP란 IP주소와 MAC주소간에 매핑을 해주는 프로토콜이다.

우리가 해왔던 장비의 IP 주소를 통해 MAC주소를 알아냈던 것이 사실 ARP를 통해서 수행했던 것이다.

ARP 프로토콜 사용과정

3번부터 시작해서 다시 살펴보자.

3. A 컴퓨터의 라우팅 테이블의 다음 홉의 IP주소를 확인한다. (192.168.10.1)

4. 다음 홉의 IP 주소를 가진 MAC 주소를 알아낸다.

   ARP 프로토콜 진행과정
   4.1 네트워크 내 로컬 ARP 테이블을 확인하여 목적지 IP 주소에 대응되는 MAC 주소가 있는지 확인한다.
   (있는 경우)
   4.2.a 라우터는 MAC 주소를 알아냈다!
   (없는 경우)
   4.2.b 라우터는 ARP 요청을 현재 라우터가 속한 네트워크 내 모든 장비에게 ARP 요청을 브로드캐스트 한다.
   4.3 장비들은 ARP 요청을 받고, 내 IP가 요청한 IP에 해당하는지 스스로 검사한다.
   4.4 내 IP가 요청된 IP가 맞다면 자신의 MAC 주소를 ARP 응답으로 라우터에게 보낸다.
   4.5 라우터는 MAC 주소를 알아냈다!

5. MAC 주소를 새로운 프레임에 작성한다.(프레임 리라이트)

그렇다..!이러한 과정이 숨어있었던 것이다.

라우팅 테이블에 목적지IP 주소가 없으면 어떻게될까?

스위치처럼 플러딩을 통해서 스위치 테이블을 만들까?
아니다. 버려진다. 즉, 폐기한다.

왜 폐기할까?

라우터의 동작 원리에 대해서 생각하면 바로 답이 나온다.

라우터는 라우팅 테이블에서 목적지 IP 주소(192.168.20.20)가 있는 네트워크 대역(192.168.20.0)을 찾고, 이에 해당하는 다음 홉 의 IP를 알아낸다.

하지만, 해당하는 목적지 네트워크 대역이 테이블에 없다면?

패킷을 목적지까지 보내야 하나,
전달 할 수 있는 방법이 전혀 없다.
이건 그냥 잘못된 목적지 주소이기 때문이다.
이걸 그냥 뒀다간 잘못된 경로나, 루프를 생성할 수 있으므로 폐기한다.

🙄그럼 스위칭 테이블처럼 플러딩을 해서 찾을 수도 있지 않은가?
👉 라우터가 플러딩을 수행하는 경우, 네트워크 내 모든 장치에 데이터를 브로드캐스트하므로 대역폭 소모가 높아지고 네트워크 지연이 증가한다.
따라서, 라우터의 경우 OSPF, EIGRP, BGP와 같은 동적 라우팅 프로토콜을 사용하거나, 다른 라우터와의 주기적인 통신을 통해 정기적으로 라우팅 테이블을 업데이트 시키는 방법을 사용한다.

이러한 라우팅 테이블은 기본적으로 라우팅 테이블은 전원이 켜지면 자동으로 어디가 어디로 가면 되는지 그 길이 생성된다. (라우팅 프로토콜에 대한 세팅을 해뒀다는 가정하에)

라우팅 프로토콜에 대해서는 간략하게 말해서 모든 네트워크끼리의 연결을 말한다.