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[Network] 3. 네트워크 계층

Posted Oct 23, 2023 Updated Jul 24, 2024
By Seungri
50 min read

본문은 “그림으로 공부하는 TCP/IP 구조” 및 각종 자료를 읽고 재구성한 글임을 밝힙니다.


네트워크 계층은 이더넷이나 무선 LAN에서 만들어진 네트워크를 함께 연결해, 다른 네트워크에 있는 단말과의 연결성을 확보하는 계층이다.

  • 데이터링크 계층(L2): 같은 네트워크 안에 존재하는 단말들의 연결까지만 담당한다.
  • 네트워크 계층(L3): 데이터링크 계층에서 만들어진 네트워크들을 연결하여 큰 규모의 네트워크를 만든다.

네트워크 계층에서 사용되는 프로토콜은 대부분 IP(Internet Protocol)이며, IPv4와 IPv6의 두 가지 버전이 있다.


1. IPv4 패킷

IP에 의해 캡슐화되는 패킷이며, IP 헤더와 IP 페이로드로 구성되어 있다.

ref: https://www.gatevidyalay.com/ipv4-ipv4-header-ipv4-header-format/

ref: https://tribal1012.tistory.com/63

  1. IP 헤더 (제어 정보 설정)
    1. 버전 (4비트): IP의 버전을 나타낸다. (IPv4의 경우, 0100)

    2. 헤더 길이(IHL) (4비트): IPv4 헤더의 길이를 4바이트(32비트) 단위로 환산한 값이 들어간다.

      기본적으로는 IPv4 헤더의 길이가 20바이트이므로, 5가 들어간다.

    3. ToS(Type of Service) (8비트, 1바이트): IPv4 패킷의 우선도를 나타내는 필드이다.
      • 우선 제어, 대역 제어, 혼잡 제어 등 QoS(Quality of Service)에서 사용한다.
    4. 패킷 길이 (16비트, 2바이트): IPv4 헤더와 IPv4 페이로드를 합친 패킷 전체 길이를 나타낸다.
      • 패킷을 받아들인 단말은 어디까지 IPv4 패킷인지 알 수 있다.
      • 이더넷의 기본 MTU(Maximum Transmission Unit)까지 데이터가 들어있는 IPv4 패킷의 경우, 패킷 길이 값은 1500, 16진수로 05dc가 된다.

    5. 식별자 (16비트, 2바이트): IP 프래그멘테이션 관련 정보를 저장한다.

      IP 프래그멘테이션 (IP Fragmentation)

      • 패킷 교환 방식 통신에서는 데이터를 송신하기 쉽도록 작게 나누어 송신하는데, 이때 IP에서 데이터를 작게 나누는 처리를 IP 프래그멘테이션이라 한다.

      • L2 페이로드, 즉 IP 패킷에는 MTU까지의 데이터만 저장할 수 있기 때문에 (1) 트랜스포트 계층에서 MTU 보다 큰 데이터를 받아들이는 상황이나, (2) 라우터의 출구 인터페이스의 MTU가 입구보다 더 작은 상황에서는 MTU에 맞게 데이터를 잘라야 한다.

        ref: https://learningnetwork.cisco.com/s/question/0D53i00000Kt4fECAR/ip-fragmentation-and-tcp-sequencing

      • IP 헤더에서 식별자, 플래그, 프래그먼트 오프셋에는 관련 정보가 들어있다.
      • 패킷을 만들 때 무작위로 할당되는 패킷 ID이다.
      • IPv4 패킷 크기가 MTU 보다 커서 도중에 프래그멘테이션 되면 프래그먼트 셋은 같은 식별자를 복사해서 가진다.
      • 패킷을 받은 단말은 이 식별자를 통해 패킷을 재결합한다.
    6. 플래그 (3비트): IP 프래그멘테이션 관련 정보를 저장한다.
      • 1번째 비트는 사용하지 않으며, 2번째 비트는 DF(Don’t Fragment) 비트, 3번째 비트는 MF(More Fragments) 비트이다.
      • DF 비트: 0이면 프래그멘테이션 허가, 1이면 프래그멘테이션 불허
        • 프래그멘테이션이 발생하면 처리 지연이 발생하고 성능이 저하되므로, 이를 고려하여 프래그멘테이션을 허가하지 않음으로써 상위 계층에서 데이터 크기를 조정한다.
      • MF 비트: 1이면 프래그멘테이션 된 IPv4 패킷이 뒤에 계속됨, 0이면 계속되지 않음
    7. 프래그먼트 오프셋 (13비트): IP 프래그멘테이션 관련 정보를 저장한다.
      • 해당 패킷이 오리지널 패킷의 앞쪽부터 어느 위치에 있는지를 나타낸다.
      • 프래그멘테이션 된 첫 패킷에는 0, 그 뒤 패킷에는 위치를 나타내는 값이 들억나다.
      • 패킷을 받은 단말은 이 값을 보고 IP 패킷의 순서를 올바르게 정렬한다.
    8. TTL(Time To Live) (8비트, 1바이트): 패킷의 수명을 나타낸다.
      • IP 패킷의 수명이란, 경유하는 라우터의 수(= 홉, hop)이다.
      • TTL 값은 라우터를 경유할 때마다(= 네트워크를 경유할 때마다) 1씩 감소하며, 값이 0이 되면 패킷이 파기된다.
      • 패킷을 폐기한 라우터는 Time-to-live exceed라는 ICMPv4 패킷을 반환하고, 패킷 파기 사실을 송신지 단말에 전달한다.

    9. 프로토콜 번호 (8비트, 1바이트): IPv4 페이로드가 어떤 프로토콜로 구성되어 있는지 나타낸다.

      ex) 1 - ICMP, 2 - IGMP, 6 - TCP, 17 - UDP, 89 - OSPF 등

    10. 헤더 체크섬 (16비트, 2바이트): IPv4 헤더의 정합성을 체크하기 위해 사용되는 필드이다. (1의 보수 연산)
    11. 송신지/수신지 IPv4 주소 (32비트, 4바이트)
    12. 옵션 (가변 길이): 실무에서는 잘 사용되지 않는다.

    13. 패딩 (가변 길이): IPv4 헤더의 비트 수를 4바이트(32비트) 단위로 정렬하기 위해 사용한다.

      4바이트의 정수 배가 되지 않으면 패딩 0을 추가해 4바이트의 정수 배가 되도록 한다.

  2. IP 페이로드 (데이터 자체)


2. IPv4 주소

2-1. 개요

IPv4 네트워크에 연결되어 있는 단말을 나타내는 4바이트(32비트)의 식별 ID로, IPv4 네트워크에서의 주소이다.

  • IP 네트워크에서 통신하는 단말(PC, 서버의 NIC, 라우터, 방화벽, 관리 가능한 L2 스위치 등)은 모두 IP 주소를 가진다.
  • 단말 하나당 반드시 하나의 IP만 가질 수 있는 것은 아니며, 기기 종류나 용도에 따라 여러 IP 주소를 가질 수도 있다.

IPv4 주소는 8비트(1바이트)씩 점(.)으로 구분해서 10진수로 표기한다.

MAC 주소와 IP 주소가 모두 필요한 이유

MAC 주소는 NIC에 할당된 물리적인 주소로, ‘다음에 어떤 기기에 프레임을 전달하는가’를 지정하는 주소이다. 반면, IP 주소는 OS에 할당된 논리적인 주소로, ‘최종적으로 어디에 패킷을 전달하는지’를 지정하는 주소로 사용한다. 그리고 이 두 주소를 연결하는 것이 ARP이다.

이더넷 네트워크에서 통신하기 위해서는 MAC 주소가, IP 네트워크에서 통신하기 위해서는 IP 주소가 필요하기 때문에, 데이터링크 계층과 네트워크 계층에서 각 프로토콜을 주로 사용하는 현대 네트워크에서는 양쪽 주소가 반드시 필요하다.


2-2. 서브넷 마스크

IPv4 주소는 서브넷 마스크(subnet mask)라는 4바이트(32비트) 값과 함께 사용한다.

IPv4 주소는 네트워크 부분(network part)과 호스트 부분(host part)로 구성되어 있으며, 서브넷 마스크는 이 두 부분을 구분하는 역할을 한다.

구분의미서브넷 마스크의 비트 값
네트워크 부분어떤 IPv4 네트워크에 있는가1 비트
호스트 부분어떤 단말인가0 비트

서브넷 마스크는 두 가지 방법으로 표기할 수 있다.

  1. 10진수 표기: IPv4 주소처럼 32비트를 8비트씩 4개 그룹으로 나누어 10진수로 변환하고 점으로 구분하여 표기한다.

  2. CIDR 표기: IPv4 주소 뒤에 /와 서브넷 마스크의 1의 비트 수를 표기한다.

    ex) 192.168.100.1/24에서 네트워크 부분은 192.168.100, 호스트 부분은 1이다.


2-3. IPv4 주소의 분류

[1] 사용 용도에 따른 분류

  • 클래스 A ~ 클래스 E까지 그룹이 존재하며, 일반적으로 유니캐스트용인 클래스 A ~ C를 사용한다.

    네트워크 규모는 A → B → C 순서로 작아진다.

  • 주소 클래스 분류는 32비트의 IPv4 주소 중 앞의 1~4비트로 수행한다.

  • IPv4 주소 할당 방식

    1. 클래스풀 어드레싱: 주소 클래스에 기반해 IPv4 주소를 할당하는 방식
      • 8비트 단위로 서브넷 마스크를 준비하는 방식이다. 즉, 네트워크 부분과 호스트 부분은 8비트, 16비트, 24비트 등이 된다.
      • 알기 쉽고 관리하기 쉽다는 장점이 있으나, 낭비가 심하다.
    2. 클래스리스 어드레싱: 8비트 단위의 주소 클래스에 관계 없이 IPv4 주소를 할당하는 방식 (= 서브네팅, CIDR)
      • 서브넷 마스크를 8비트 단위가 아니라 1비트 단위로 자유롭게 적용함으로써, 유한한 IP 주소를 효율적으로 사용한다.
      • 네트워크 부분과 호스트 부분뿐만 아니라 서브넷 부분이라는 새로운 개념을 도입한다. 원래는 호스트 부분으로서 사용되는 부분이나, 필요한 IP 주소의 수 또는 필요한 네트워크의 수에 맞추어 서브넷 부분에 할당할 수 있다.

      • 예를 들어 192.168.1.0/28은, 네트워크 부분/호스트 부분이 24비트/8비트인 클래스 C에서 네트워크를 16개로 분할하기 위해 4비트를 서브넷 부분으로 할당한 것이다. 따라서 4비트를 네트워크 부분으로 추가로 사용함으로써 16개(= $2^4$)의 서브넷 네트워크를 만들 수 있고, 각 서브넷 네트워크에는 최대 14개(= $2^4-2$)의 IP 주소를 할당할 수 있다.

        네트워크 주소와 브로드캐스트 주소는 단말에 할당할 수 없기 때문에 IP 주소의 개수를 셀 때 2를 뺀다.

[2] 사용 장소에 따른 분류

  1. 글로벌 IPv4 주소 (퍼블릭 IP 주소, 공인 IP 주소): 인터넷에서의 IP 주소이다. 현재는 남은 숫자가 부족해서 최근에는 할당에 제한이 있다.
  2. 프라이빗 IPv4 주소 (로컬 IP 주소, 사설 IP 주소): 기업이나 가정 등 한정된 조직 안에서 자유롭게 할당할 수 있는 IPv4 주소이다.
    • 주소 클래스별로 정의되어 있으며, 가정에서 브로드밴드 라우터를 사용할 때는 주로 클래스 C로 정의된 192.168.x.x 주소가 설정되어 있다.
    • 조직 내에서만 유효한 IPv4 주소이므로, 인터넷에 접속할 때에는 프라이빗 IPv4 주소를 글로벌 IPv4 주소로 변환해야 한다. 이러한 기능을 NAT(Network Address Translation)이라 한다. 가정에서는 브로드밴드 라우터가 송신지 IPv4 주소를 프라이빗 IPv4 주소에서 글로벌 IPv4 주소로 변환한다.

[3] 예외 주소

클래스 A ~ C 중에서도 특별한 용도로 사용되기 때문에 단말에는 설정할 수 없는 주소가 있다. 그 중에서 대표적인 것에는 네트워크 주소, 브로드캐스트 주소, 루프백 주소가 있다.

  1. 네트워크 주소
    • 호스트 부분의 비트가 모두 0인 주소로, 네트워크 자체를 나타낸다.
    • 서브넷 마스크를 모두 0으로 설정함으로써 네트워크 주소를 최대한으로 설정한 주소인 0.0.0.0/0은 기본 경로 주소라하며, 이는 “모든 네트워크”를 의미한다.
  2. 브로드캐스트 주소
    • 호스트 부분의 비트가 모두 1인 주소로, 같은 네트워크에 존재하는 모든 단말을 나타낸다.
    • 서브넷 마스크를 모두 1로 설정함으로써 브로드캐스트 주소를 최대한으로 설정한 주소인 255.255.255.255/32는 리미티드 브로드캐스트 주소라 하며, 브로드캐스트 주소와 마찬가지로 같은 네트워크에 있는 모든 단말에 패킷이 송신된다.

    자신의 IPv4 주소나 네트워크 주소를 알 수 없을 때, DHCPv4로 주소를 얻을 때 등에 사용한다.

  3. 루프백 주소
    • 자기자신을 나타내는 주소로, 1옥텟이 127인 IPv4 주소이다.
    • 통상 127.0.0.1/8을 사용한다.


3. IPv6

3-1. IPv4와의 차이점

  1. 패킷 헤더 길이 고정

    IPv4는 가변 길이 옵션 필드가 있기 때문에 헤더의 길이가 20바이트에서 달라진다. 반면, IPv6은 IPv4에서 거의 사용 되지 않던 옵션 필드를 ‘확장 헤더’라는 다른 헤더로 분리하여 IP 페이로드 앞에 배치함으로써, 헤더 길이를 40바이트로 고정한다.

    따라서 패킷 헤더의 길이를 조사할 필요가 없으며, 그만큼 네트워크 기기의 처리 부하가 줄고 성능이 향상된다.

  2. 패킷 필드 수 감소

    성능 향상에 도움이 되지 않는 필드를 줄여 필드를 일일이 조사할 필요가 없도록 하였으며, 네트워크 기기의 처리 부하를 줄이고 성능을 향상시켰다.

  3. 주소 길이 증가

    32비트(4바이트)였던 IPv4 주소보다 4배 긴 128비트(16바이트)의 주소를 사용함으로써 IPv4의 주소 부족 문제를 해결한다.


3-2. IPv6 패킷 헤더

ref: https://en.m.wikipedia.org/wiki/File:IPv6_header_rv1.png

ref: https://physicallaw.tistory.com/100


4. IP 라우팅

네트워크 계층에서 동작하는 네트워크 기기는 라우터와 L3 스위치가 있으며, 이는 다른 네트워크를 연결하고 IP 패킷을 전송하는 역할을 한다.


4-1. 라우팅

라우터나 L3 스위치는 수신지 IP 주소, 수신지 네트워크 정보, 네트워크 홉 정보를 관리함으로써 IP 패킷의 전송 대상지를 바꾸며, 이러한 기능을 라우팅(routing)이라 한다.

네트워크 홉 정보란, IP 패킷을 전송할 근접 기기의 IP 주소를 나타낸다.

또한, 수신지 네트워크와 네트워크 홉을 관리하는 표(테이블)를 라우팅 테이블(routing table)이라 한다.


모든 기기가 근접 기기의 MAC 주소를 학습한 상태일 때, 2대의 라우터를 거쳐 PC1(192.168.1.1)과 PC2(192.168.2.1)가 IP 패킷을 교환하는 상황에서, 라우터가 IP 패킷을 라우팅하는 과정은 다음과 같다.

  1. PC1은 IP 헤더를 캡슐화한 뒤, 자신의 라우팅 테이블에서 수신지 IP 주소(= PC2의 IP 주소)와 일치하는 항목을 검색한다. 이때, PC2의 IP 주소는 192.168.1.0/24와 일치하지 않으므로, 모든 네트워크를 나타내는 기본 경로 주소 0.0.0.0/0과 일치하게 된다.

    기본 경로 주소의 넥스트 홉 192.168.1.254의 MAC 주소를 ARP 테이블에서 검색한다. 이를 통해 수신지 MAC 주소(= 넥스트 홉의 MAC 주소)를 얻고, 이더넷으로 캡슐화한 뒤 케이블로 보낸다.

    기본 경로의 넥스트 홉을 디폴트 게이트웨이라 한다. 단말은 인터넷상에 존재하는 불특정 다수의 웹사이트에 접속할 때, 우선 디폴트 게이트웨이에 IP 패킷을 전송한 뒤, 이후의 과정은 디폴트 게이트웨이 기기의 라우팅에 일임한다.

    가정의 LAN 환경에서의 디폴트 게이트웨이는 브로드밴드 라우터의 IP 주소이며, 브로드밴트 라우터의 디폴트 게이트웨이는 계약된 ISP의 IP 주소로 설정되어 있다. 따라서 IP 패킷은 이러한 과정을 통해 전송되며, ISP로부터 수많은 라우터를 거쳐 인터넷으로 나간다.

  2. R1은 PC1로부터 IP 패킷을 받은 후, IP 헤더의 수신지 IP 주소(= PC2의 IP 주소)를 보고 라우팅 테이블을 검색한다. 라우팅 테이블의 192.168.2.0/24와 일치하므로, 그것과 일치하는 넥스트 홉인 192.168.12.2의 MAC 주소를 ARP 테이블에서 검색한다. 이를 수신지 MAC 주소로 하여 이더넷으로 캡슐화한 뒤 케이블로 보낸다.

  3. R2는 R1으로부터 IP 패킷을 받은 후, IP 헤더의 수신지 IP 주소(= PC2의 IP 주소)를 보고 라우팅 테이블을 검색한다. 라우팅 테이블의 192.168.2.0/24와 일치하는데, 라우팅 테이블에서 직접 접속으로 되어있으므로 수신지 IP 주소의 MAC 주소를 ARP 테이블에서 검색한다. 이를 수신지 MAC 주소로 하여 이더넷으로 캡슐화한 뒤 케이블로 보낸다.

  4. R2로부터 IP 패킷을 받은 PC2는 데이터링크 계층에서 수신지 MAC 주소, 네트워크 계층에서 수신지 IP 주소를 보고 패킷을 받아들인다. 그리고 상위 계층으로 처리를 위임한다.


4-2. 라우팅 테이블을 만드는 방법

그렇다면 라우팅 테이블은 어떻게 만들어야 할까? 라우팅 테이블을 만드는 방법은 크게 두 가지로 나뉜다.

  • 정적 라우팅(static routing): 수동으로 라우팅 테이블을 만든다.
  • 동적 라우팅(dynamic routing): 자동으로 라우팅 테이블을 만든다.

이때, 정적 라우팅은 모든 라우터에 대해 수신지 네트워크와 넥스트 홉을 하나하나 설정해주어야 하기 때문에 대규모의 네트워크 환경에는 적합하지 않다.

반면, 동적 라우팅은 근접한 라우터끼리 자신이 가진 경로 정보를 교환해 자동으로 라우팅 테이블을 만드는 방법이다. 동적 라우팅의 장점으로는 다음과 같은 것들이 있다.

  1. 라우터에 경로를 하나하나 설정할 필요가 없으므로 규모가 큰 네트워크 환경이나 구성이 변하기 쉬운 환경에서 사용하기 편리하다.
  2. 수신지까지의 경로 중 어딘가에 장애가 발생해도 자동으로 우회 경로를 탐색하므로 장애에 대한 내성이 향상된다.

또한, 경로 정보를 교환하기 위한 프로토콜을 라우팅 프로토콜이라 하며, 네트워크상의 라우터가 모든 경로를 인식한 상태를 수렴 상태라 한다.


5. 라우팅 프로토콜: 라우팅 테이블을 어떻게 만드는가?

제어 범위에 따라 IGP(Interior Gateway Protocol)와 EGP(Exterior Gateway Protocol)로 나눌 수 있다.

이 두 가지를 나누는 개념은 AS(Autonomous System)이며, 이는 하나의 정책에 따라 관리되는 네트워크 집합이다. AS 내부를 제어하는 라우팅 프로토콜이 IGP, AS 사이를 제어하는 라우팅 프로토콜이 EGP이다.


5-1. IGP(Interior Gateway Protocol)

IGP에는 RIP, OSPF, EIGRP 등이 있으며, 다음의 두 가지가 핵심이다.

  • 라우팅 알고리즘: 라우팅 테이블을 만드는 방법에 대한 규칙
    • 디스턴스 벡터 타입(distance vector): 거리와 방향에 기반해 경로를 계산한다.
      • 거리는 수신지에 이를 때까지 경유하는 라우터의 수(= 홉 수)이며, 방향이란 출력 인터페이스를 나타낸다.
      • 수신지까지 얼마나 많은 라우터를 경유하는지가 최적 경로의 판단 기준이 된다.
      • 서로의 라우팅 테이블을 교환함으로써 라우팅 테이블을 만든다.
    • 링크 스테이트 타입(link state): 링크 상태에 기반해 최적 경로를 계산한다.
      • 각 라우터가 자신의 링크 상태, 대역폭, IP 주소 등 다양한 정보를 교환해 데이터베이스를 만들고, 그 정보를 기반으로 라우팅 테이블을 만든다.

  • 메트릭: 수신지 네트워크까지의 논리적인 거리

    라우팅 프로토콜에 따라 다르다!


주요 IGP 프로토콜을 비교하면 다음과 같다.

라우팅 프로토콜RIPOSPF
정식 명칭Routing Information ProtocolOpen Shortest Path First
라우팅 알고리즘디스턴스 벡터 타입링크 스테이트 타입
메트릭홉 수 (경유하는 네트워크 수)비용
업데이트 간격정기적구성이 변경되었을 때
적용 규모소규모중규모~대규모

[1] RIP(Routing Information Protocol)

  • 라우팅 테이블 자체를 정기적으로 교환함으로써 라우팅 테이블을 만든다.
  • 대규모의 네트워크 환경에는 어울리지 않는다.
    • 라우팅 테이블이 커질수록 교환할 때 불필요한 네트워크 대역을 소비한다.
    • 수렴하는 데에 시간이 걸린다.
  • 메트릭으로 홉 수, 즉 경유하는 네트워크 수를 사용하는데, 이는 간단하지만 대역폭이 작은 곳이 있더라도 홉 수가 적은 경로를 최적 경로로 판단해버리는 문제가 있다.
  • 현재는 거의 사용하지 않는다.

[2] OSPF(Open Shortest Path First)

ref: https://itwiki.kr/w/OSPF

  • 각 라우터가 다양한 정보(링크 상태, 대역폭, IP 주소, 서브넷 마스크 등)를 교환하면서 링크 스테이트 데이터베이스(LSDB)를 만든다. 각 라우터는 자신의 LSDB를 기반으로 최적의 경로 정보를 계산하고 라우팅 테이블을 만든다.

    이때, 최단 경로를 선택하기 위해 다익스트라의 SPF(Shortest Path First) 알고리즘을 사용한다.

  • 평소에는 작은 패킷(Hello 패킷)을 송신해 상대가 정상 동작하는지 확인하기 때문에 필요 이상으로 대역을 소비하지 않으며, 변경이 있을 때에만 라우팅 테이블을 업데이트 한다.
  • LSDB가 너무 커지지 않도록 네트워크를 에어리어(area)로 나누고, 같은 에어리어 내 라우터끼리만 LSDB를 공유하도록 한다.

  • 메트릭으로 비용을 사용하며, 기본으로 100 / 대역폭(Mbps)의 계산 결과를 정숫값으로 하여 라우터를 넘을 때마다 출력 인터페이스에서 계산되어 더해진다. 이를 ECMP(Equal Cost Multi Path)라 한다.

    대역이 작으면 비용이 커진다.


5-2. EGP(Exterior Gateway Protocol): BGP(Border Gateway Protocol)

AS와 AS를 연결하는 EGP로는 일반적으로 BGP(Border Gateway Protocol)를 사용한다. 인터넷은 BGP로 지구 전체의 AS를 그물 형태로 연결한 것이라 할 수 있다.

각 AS 안에서는 IGP가 동작한다.


BGP의 핵심에는 AS 번호, 라우팅 알고리즘, 최선 경로 선택 알고리즘이 있다.

  1. AS 번호
    • 인터넷은 전 세계에 존재하는 AS를 BGP가 동작하는 라우터로 연결함으로써 성립하며, 이때 AS를 식별하는 번호를 AS 번호라고 한다.
  2. 라우팅 알고리즘
    • BGP는 경로 벡터 타입의 라우팅 알고리즘을 사용하며, 경로와 방향에 기반해 경로를 계산한다. 수신지까지 얼마만큼의 AS를 경유하는지가 최선 경로를 판단하는 기준 중 하나가 된다.
      • 경로 = 수신지까지 경유하는 AS의 번호들
      • 방향 = BGP 피어(경로 정보를 교환하는 상대)
    • BGP 라우터는 BGP 피어와 1:1 TCP 커넥션을 만들고, 그 과정에서 경로 정보를 교환한다. 이 정보를 통해 BGP 테이블을 만들고, 최선 경로 선택 알고리즘에 기반해 최선 경로를 선택한다. 그리고 최선 경로만 라우팅 테이블에 추가하는 동시에 BGP 피어에게 전파한다.
    • OSPF와 마찬가지로 변경이 있을 때만 라우팅 테이블을 업데이트 한다.
    • 보통 때에는 KEEPALIVE 메시지로 상대가 정상 동작하는지 판단하며, 업데이트 시에는 UPDATE 메시지를 사용한다.
  3. 최선 경로 선택 알고리즘
    • 어떤 경로를 최선 경로로 판단하는가에 관한 규칙을 나타낸다.
    • BGP 경로 제어에는 어트리뷰트를 사용하며, UPDATE 메시지 안에 NEXT_HOP이나 LOCAL_PREF 등 다양한 어트리뷰트를 가지고 있어 이를 포함하여 BGP 테이블에 기록한다.
    • 정해진 순서에 따라 우열을 가리며, 선택한 최선 경로를 라우팅 테이블에 추가하고 동시에 BGP 피어에게 전파한다.


6. 라우팅 테이블 규칙: 라우팅 테이블을 어떻게 사용하는가?

6-1. 롱기스트 매치 (Longest Match)

라우터는 IP 패킷을 받으면 수신지 IP 주소를 라우팅 테이블에 등록된 경로와 대조한다. 이때 수신지 IP 주소의 조건에 맞는 경로가 여러 개 있을 때, 서브넷 마스크가 가장 긴 경로를 사용하는 규칙이다.

예를 들어 수신지 IP 주소가 192.168.1.1이고, 라우팅 테이블의 수신지 네트워크로 192.168.0.0/16, 192.168.1.0/24, 192.168.1.0/26이 있다면, 이들은 모두 조건에 일치하기 때문에 이중에서 서브넷 마스크가 가장 긴 192.168.1.0/26을 선택한다.


6-2. 경로 집약 (Route Aggregation)

여러 경로를 모으는 것으로, 라우터에서 IP 패킷을 받을 때 라우팅 테이블에 등록되어 있는 경로를 하나하나 체크할 때 부하가 늘어나는 단점을 보완하기 위한 것이다. 넥스트 홉이 같은 여러 경로를 모음으로써, 경로의 수와 라우터 부하를 줄인다.

이를 위해 넥스트 홉이 같은 경로의 네트워크 주소를 비트로 변환하여, 공통된 비트까지 서브넷 마스크를 이동시킨다. 그리고 경로 집약을 극한까지 실행하여 모든 경로를 하나로 집약한 것이 바로 기본 경로 0.0.0.0/0이다. 라우터가 IP 패킷을 받았을 때 수신지 IP 주소에 합치하는 경로가 없다면, 기본 경로의 넥스트 홉인 디폴트 게이트웨이로 패킷을 전송한다.


6-3. AD 값 (Administrative Distance)

라우팅 프로토콜별로 결정된 우선도로, 값이 작을수록 우선도가 높다.

여러 라우팅 프로토콜(동적 라우팅) 혹은 정적 라우팅으로 학습한 결과가 완전히 동일한 경우, 롱기스트 매치를 적용할 수 없다. 이럴 때, 라우팅 프로토콜의 AD 값을 비교하여 AD 값이 작은 경로만 라우팅 테이블에 등록하고, 그 경로를 우선 사용한다.

AD 값은 네트워크 기기별로 결정되어 있다.


7. IP 주소 할당 방법

IP 주소를 어떻게 단말(의 NIC)에 할당할까? 이 방법에는 크게 두 가지가 있다.

  • 정적 할당(static allocation): 각 단말별로 수동으로 IP 주소를 설정하는 방법

    사람이 사용 가능한 IP 주소를 할당해준다.

  • 동적 할당(dynamic allocation): 단말에 대해 자동으로 IP 주소를 설정하는 방법

    (ex) DHCP 서버로부터 사용 가능한 IP 주소를 할당받는다.

정적 할당의 경우, 단말과 IP 주소가 유일하게 연결되므로 IP 주소를 관리하기 쉽고 이상 현상을 파악하기 쉽지만, 단말의 수가 많아질수록 관리가 복잡해지기 때문에 소규모 환경이나 서버/네트워크 기기에 사용한다.

대규모의 LAN 환경에서는 보통 동적 할당을 사용하여 일괄적으로 IP 주소를 관리하며, 대표적으로 DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol)를 사용한다. 동적 할당은 IPv4와 IPv6에서 그 방법이 다르며, 여기에서는 DHCPv4만 알아보자.


7-1. DHCPv4 (Dynamic Host Configuration Protocol)

IPv4 주소 동적 할당에 사용하는 프로토콜이다. DHCPv4 서버에서 단말에 대해 네트워크에 연결하기 위해 필요한 설정(IPv4 주소, 디폴트 게이트웨이, DNS 서버의 IP 주소 등)을 배포한다. 또한, 브로드캐스트와 유니캐스트 양쪽을 사용하면서 UDP로 교환한다.

DHCPv4 서버에 요청을 보내는 DHCP 클라이언트는 OS라고 생각하면 된다.

  1. DHCP Discover: DHCPv4 클라이언트는 브로드캐스트로 IP 주소 할당 요청을 보낸다.
  2. DHCP Offer: DHCPv4 서버는 유니캐스트로 설정을 응답한다.
  3. DHCP Request: 클라이언트는 브로드캐스트로 요청한다.
  4. DHCP ACK: 서버는 클라이언트에게 유니캐스트로 해당 정보를 사용하라고 허가한다.

  5. 클라이언트는 받은 설정 정보를 적용하고, 서버는 DHCP 데이터베이스에 배포한 IPv4 주소를 등록한다.

    클라이언트가 설정하는 정보: IPv4 주소, 디폴트 게이트웨이, DNS 서버 등


8. NAT(Network Address Translation)

IP 주소를 변환하는 기술로, 다음과 같은 이유로 사용한다.

  1. 부족한 글로벌 IP 주소를 절약할 수 있다.
  2. 같은 네트워크 주소를 가진 시스템 사이에서 통신할 수 있다.

NAT는 변환 전후의 IP 주소나 포트 번호를 NAT 테이블이라는 테이블로 묶어서 관리한다.


8-1. 정적 NAT (Static NAT)

내부(LAN)와 외부(인터넷)의 IP 주소를 1:1로 묶어서 변환하며, 좁은 의미의 NAT이다.

미리 NAT 테이블에 내부 IP 주소와 외부 IP 주소를 1:1로 묶는 NAT 엔트리를 가지고 있다.

액세스 방향NAT으로 변환하는 IP 주소
내부 → 외부송신지 IP 주소를 변환
내부 ← 외부수신지 IP 주소를 변환


8-2. NAT 트래버설 (NAT Traversal): 포트 포워딩 (Port Forwarding)

NAT 아래의 단말은 프라이빗 IP 주소만 가지고 있으므로 인터넷을 경유해 직접 통신할 수는 없다. 따라서 NAT에는 NAT 기기를 뛰어넘어 단말끼리 직접 통신할 수 있도록 지원하는 기술로 NAT 트래버설이 있다. 그리고 NAT 트래버설에는 대표적으로 포트 포워딩이 있다.

특정 IP 주소/포트 번호에 대한 통신을 미리 설정해 둔 내부 단말로 전송하는 기능이다. 내부(LAN)에 있는 서버를 외부(인터넷)에 공개할 때 사용한다.


9. ICMP (Internet Control Message Protocol)

네트워크 계층의 프로토콜 중 하나로, 이름 그대로 인터넷을 제어하는 메시지를 교환하는 프로토콜이다.

다음과 같은 동작을 통해 IP를 돕는 역할을 한다. (엄밀히 말해, IPv4와 ICMPv4는 반드시 함께 구현되어야 한다.)

  • IP 레벨의 통신 상태를 확인한다.
  • 다양한 에러를 알린다.

ping은 ICMP 패킷을 송신할 때 사용하는 네트워크 진단 프로그램(명령어)이며, IPv4와 IPv6에 따라 ICMPv4와 ICMPv6으로 나뉜다. 여기에서는 ICMPv4만 다룬다.


9-1. ICMPv4 패킷

  • ICMPv4 패킷은 사실 IPv4 패킷이다.
    1. IP 헤더의 프로토콜 번호로 1을 입력한다.
    2. IP 페이로드 부분에 ICMP 메시지를 직접 입력한다.

    3. 메시지의 처음 부분에 타입, 코드, 체크섬을 넣는다.

      타입과 코드를 조합하여 IP 레벨에서 어떤 일이 일어나는지 간략하게 파악할 수 있다.

  • ICMP는 통신 결과나 간단한 에러 내용을 반환한다.


9-2. 대표적인 동작

  1. 에코 요청/응답
    • IP 레벨의 통신 상태를 확인할 때 사용되는 ICMPv4 패킷이다. (ping 명령어)
    • ping으로 트러블슈팅을 시작한다.
      • 에코 응답이 돌아오면 네트워크 계층 레벨의 소통이 확인된 것이므로, 트랜스포트 계층 등 상위 계층을 향해 소통을 확인한다.
      • 에코 응답이 돌아오지 않으면 네트워크 계층 레벨부터 하위 계층 방향으로 소통을 확인한다.
  2. Destination Unreachable
    • IPv4 패킷을 수신지 IPv4 주소의 단말까지 라우팅하지 못했을 때, 에러를 알리는 ICMPv4 패킷이다.
    • IPv4 패킷을 라우팅하지 못한 라우터는 다음과 같은 동작을 수행한다.
      • IP 패킷을 파기한다.
      • 송신지 IPv4 주소로 ICMPv4 패킷을 반환한다.
  3. Time-to-live Exceeded
    • IPv4 패킷의 TTL이 0이 되어 파기했을 때, 그것을 송신지 단말에게 알리는 ICMPv4 패킷이다.
    • [역할 1] 라우팅 루프 방지
      • 라우팅 설정 실수에 의해 IP 패킷이 여러 라우터를 통해 빙글빙글 도는 현상을 라우팅 루프라 한다.
      • 루프를 돌다가 TTL이 1인 패킷을 받으면 파기하면서 ICMP에서 파기했음을 알린다.
    • [역할 2] 통신 경로 확인
      • traceroute 프로그램에서는 TTL을 1에서 하나씩 증가시킨 IPv4 패킷을 보내서 어떤 경로를 통해 수신지 IP 주소까지 도달하는지 확인한다.


10. IPsec

네트워크 계층에서 IP 패킷을 캡슐화, 인증, 암호화하고 인터넷 상에 가상의 전용선(터널)을 만드는 가상화 기술이다.


References

Computer Science, Network
cs nw 네트워크 nw 총정리 network layer ip routing routing table rip ospf bgp dhcp nat icmp ipsec
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