컴퓨터망 2) IPv4 address

zh025700·2022년 6월 25일

컴퓨터네트워크

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컴퓨터망

2. IPv4 주소

네트워크 계층에서, 우리는 모든 장치들 간의 글로벌 통신을 허용하기 위해
인터넷에서 각 장치를 고유하게 식별해야 한다.
이 점에서, IPv4 어드레싱이라고 불리는 일반적인 IPv4 프로토콜과 관련된 어드레싱 메커니즘에 대해 논의한다.
IPv6 프로토콜이 결국 현재의 프로토콜을 대체할 것으로 믿으며,
IPv6 주소 지정도 인식해야 한다.

Introduction

IP 주소, 인터넷 주소

TCP/IP 프로토콜의 IP 계층에서 인터넷에 연결된 각 장치를 식별하는 데 사용되는 식별자

IPv4는 32bit이다

IPv4는 unique,universal하다

IPv4주소는 고유하다
각 주소가 인터넷 연결을 하나만 정의한다
- 다른 컴퓨터가 동시에 동일한 주소를 가질 수 없다

IPv4의 주소공간은 2^32개이다

주소를 정의하는 IPv4와 같은 프로토콜에는 주소 공간이 있다. 
주소 공간은 프로토콜에서 사용하는 총 주소 수이다. 프로토콜이 주소를 정의하기 위해 비트를 사용하는 경우,
각 비트는 두 개의 다른 값(0 또는 1)을 가질 수 있기 때문에 주소 공간은 2^b이다.
IPv4는 32비트 주소를 사용하며, 이는 주소 공간이 2^32 또는 4,294,967,296(40억 이상)임을 의미한다.
이론적으로 제한이 없다면 40억 개 이상의 기기를 인터넷에 연결할 수 있다.

주소를 쉽게 읽기 위해서 Dotted-decimal notation을 사용한다
- 32비트(4바이트)니 8비트씩씩 끊어서 묶는다
  - 0~255까지

Classful addressing

IP 주소는, 수십 년 전에 시작되었을 때, 클래스의 개념을 사용했다.
- classful addressing
  - 나중에 classless로 대체된다

`Classes`

IP 주소공간은 A,B,C,D,E 클래스로 나뉜다

`recognizing Classes`

2진법에서 첫 비트로 주소의 클래스를 판단 가능
10진법에서는 첫번째 바이트 값으로 주소의 클래스 판단 가능

주소의 클래스를 찾기 위해서는 아래의 알고리즘을 사용하는 것이 좋다

첫번째 비트부터 시작해서, 비트가 1이면 해당 클래스로 판단이 되는 알고리즘이다

`Netid and Hostid`

classful addressing에서 클래스 A,B,C는 두 부분으로 나뉘어 진다
- Netid
- Hostid
- 각 부분은 주소의 클래스에 따라 나뉜다
D와 E 클래스는 나뉘어지지 않는다
- 각 각 클래스의 용도가 다르기 때문
  - D: 멀티캐스트
  - E: 여분

Classes and Blocks

페이징처럼 netid마다 해당 network가 사용할 수 있는 hostid가 존재한다
그럼 내부단편화같은 문제가 생기지 않을까...? 라고 추측해본다

`Class A`

128개의 netid 블럭을 가진다
- 8비트 중 MSB가 0이기 때문에 나머지 7개의 비트로 활용 가능
해당 블럭 당 2^24개의 주소를 가질 수 있다

즉 하나의 블럭 당 정말 많은 주소를 가질 수 있다

낭비가 된다

`Class B`

2^14개의 블럭을 가진다
- 16개 비트 중 2개의 비트가 10으로 고정이기 때문에
각 블럭은 2^16개의 주소를 사용가능하다

낭비가 된다

`Class C`

2^21개의 블럭을 가진다
- 24개 비트 중 3비트가 110으로 고정이기 때문
각 블럭은 2^8개의 주소를 가진다

각 블럭 당 주소가 너무 작다

`Class D`

멀티 캐스팅을 위해 만들어진 클래스다
하나의 블럭이다
- 1110을 제외한 나머지 비트를 사용

`Class E`

여분의 주소이다

Two level Addressing

netid

네트워크를 정의한다

hostid

네트워크에 연결된 특정 호스트를 정의한다

classful 주소에서 부여할 수 있는 주소의 범위는 A,B,C 클래스이다

classful에서 각 블럭은 2개의 부분으로 나뉘어진다
- netid
- hostid
n비트가 net에 쓰인다면 32 - n 비트가 호스트에 쓰인다
- 그치만 net에 쓰이는 비트는 정해져있다
  - 왜?? 클래스 때매
    - A = 8
    - B = 16
    - C = 24

`Extracting information in a block`

클래스의 블럭 별로 시작 주소와 마지막 주소를 확인할 수 있다

주소의 블럭을 안다면, 32-N비트로 호스트 부분을 찾을 수 있다
첫 주소를 찾기 위해, host 부분의 모든 비트를 0으로 설정할 수 있다
마지막 주소를 찾기 위해, host 부분의 모든 비트를 1로 설정할 수 있다

ex

73.22.17.25 주소가 주어졌을 때, 첫 주소, 마지막 주소를 찾아라


클래스 A, A의 n은 8, 그렇다면 호스트 부분은 24

시작: 73.0.0.0
마지막: 73.255.255.255

네트워크 주소는 네트워크의 식별자다, net ID

`Network mask`

라우터는 패킷의 destination 주소에서 네트워크 주소를 추출하기 위한 알고리즘을 사용한다
- 네트워크 마스크가 필요하다
- 각 클래스별 해당되는 네트워크 부분 비트를 and연산을 활용해 추출한다

destination 주소에 마스크를 씌워 네트워크 주소를 찾아낸다
마스크를 통해 블럭의 주소 수와 마지막 주소를 찾는데도 활용할 수 있다

Three level addressing; Subnetting

IP주소는 2레벨로 설계되었다.
인터넷의 호스트에 도달하려면, 네트워크에 연결 후, 호스트로 가야한다
이 후 2개 이상의 레벨이 필요한 이유가 나타났다
1. 더 나은 보안, 관리
2. 주소 고갈
=> 서브넷팅이란 개념이 등장했다

서브넷팅

네트워크는 여러개의 작은 subnetworks로 나뉘어진다
- 각각의 서브넷은 고유한 서브넷 주소를 가지고 있다

서브넷 마스크

네트워크를 여러 서브넷으로 나눌 때, 서브넷 마스크가 필요하다
subnetid, hostid를 가진다
subnetting은 netid를 늘리고 hostid를 줄인다

supernetting

클래스 C는 호스트가 부족하기 때문에 슈퍼넷을 활용해 해결을 한다
여러 C클래스를 결합해 더 큰 범위의 주소를 만들 수 있다

여러 개의 네트워크가 결합해 supernetwork를 만든다
이를 통해 여러개의 클래스 c 블럭을 기관에 할당할 수 있다
- 1000개의 주소가 필요하면 4개의 C를 줄 수 있다

supernet mask

subnet 마스크의 반대 개념이다

Classless addressing

classful에서 supernet과 subnet을 사용했지만, 주소 고갈 문제를 해결하지 못했다
그래서 classless 방법이 나왔다

Two level addressing

classless에서 prefix는 network를 정의, suffix는 host를 정의한다

prefix와 suffix부분으로 주소를 나눈다
- prefix: netid 역할을 한다
- suffix: hostid 역할을 한다
블록의 모든 주소는 prefix가 같고 각 주소는 다른 suffix를 지닌다

prefix의 길이 n

블럭의 사이즈에 의존한다
1,2...32까지 가능

suffix의 길이

32 - prefix길이

classless에서 prefix의 길이는 1~32가 가능하다

Slash notation

엥 그럼 prefix가 netid랑 같으면 classless랑 classful이랑 같은거 아님?

아니다!!!

둘의 차이점

classful
- netid의 길이는 클래스에 내재되어있다
  - 주소의 클래스를 알면 netid의 길이를 알 수 있음
    - 8, 16, 24
classless
- prefix의 길이는 블럭 주소만 봐서 알 수가 없다
- 각 주소에 prefix의 길이를 포함해야한다
  - n은 슬래시로 구분된 주소에 추가가 된다
  - 이를 slash notation이라고 한다

이 prefix의 길이를 보고 라우팅을 한다

classless에서, 블록을 정의하기 위해 블록의 주소 중 하나와 prefix 길이를 알아야 한다.

classful에 적용해보기

classless에서 논의된 것들은 classful에 적용가능하다
- classful은 prefix가 8,16..으로 정의된 classless의 특이 케이스다
- 아래 표를 따르면 클래스 블록으로 쉽게 변경된다

Special addresses

몇몇 주소는 특별한 용도때문에 존재한다

Special blocks

몇 블럭은 특별한 용도때문에 존재한다

`All zeros address`

자신의 IPv4 주소를 모를 때, 자신의 주소를 알기위해 이 주소를 사용한다
- 0.0.0.0

`All one address: limited broadcast address`

현재 네트워크에 broadcast를 위해 존재한다
- 255.255.255.255
라우터는 broadcast를 로컬에만 연결하기 위해 같은 주소를 가진 패킷을 차단한다
- 즉 자신의 네트워크안에서만 브로드캐스팅이 되게 한다

`Loopback address`

하나의 pc 내부에서 test를 위해 사용한다
- 127.x.y.z
이 주소를 사용하면, 패킷은 해당 pc를 벗어나지 않는다

`private address`

개인적인 사용을 위해 존재한다
주소를 별도로 사용하거나, 네트워크 주소 변환 기술과 관련된다
- 공유기에 많이 사용됨

`Directed broadcast address`

라우터가 특정 네트워크의 모든 호스트에 패킷을 보내는데 사용됨
- 특정 prefix에서 suffix를 모두 1로 설정
  - ex) 221.45.71.255

NAT

ISP가 소규모 기업, 가정에 주소 범위를 분배했다고 가정하자
이 후 이들이 더 큰 범위를 요구할 때, ISP의 전 후 주소는 이미 사용되어 질 수 있기 때문에 요청을 못 받아 들일 수도 있다
이러한 경우를 돕는 기술이 NAT이다

private 주소를 public 주소로 변환하는 기술

private 네트워크는 private 주소를 사용한다
public 네트워크에 연결된 라우터는 하나의 private 주소와 하나의 public 주소를 사용한다
private 주소는 나머지 인터넷에서 transparent하다
- 즉 다른 친구들은 모른다
- 다른 인터넷에선 NAT 라우터만 볼 수 있다

Address resolution

모든 송신 패킷은 NAT 라우터를 통해, source주소를 public NAT 주소로 바꾼다
모든 수신 패킷은 NAT 라우터를 통과한다
- 이 때, destination 주소(NAT 라우터 public 주소)를 private 주소로 바꾼다

어떻게 주소를 변환하지??

NAT 라우터는 인터넷에서 들어오는 패킷의 대상 주소를 어떻게 알 수 있나??
각각 하나의 특정 호스트에 속하는 수십 개 또는 수백 개의 개인 IP 주소가 있을 수 있다

NAT라우터가 translation table을 통해 문제를 해결한다

1개의 IP 주소 사용 Translation

테이블에는 private 주소와 universal 주소(패킷의 destination 주소)만 존재
라우터는 송신 패킷의 source 주소를 변활할 때, 어디로 가는 지도 기록한다
- 패킷의 destination에서 응답이 오면 라우터는 패킷의 외부 주소를 활용해 패킷의 private 주소를 찾는다

IP 주소 Port 주소 둘다 사용

외부 프로그램과 private 네트워크 호스트 사이 다대다 관계를 위해서 더 많은 정보가 table에 필요하다
table이 source, destination의 포트주소와 전송 프로토콜을 포함함으로써 정확해진다

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