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(Network - 3) 네트워크 계층 소개

데이터 링크 계층의 한계, IP(인터넷 프로토콜) 소개

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물리 계층과 데이터 링크 계층을 통해 LAN을 넘어선 네트워크로 통신하는 것은 어렵다. 데이터 링크 계층 내에서 송수신지를 특정할 수 있는 MAC 주소라는 개념이 있기 때문에, 해당 정보(MAC 주소)를 바탕으로 LAN을 넘어선 통신을 할 수 있을것 같지만, 결론적으로 불가능하다.

먼저 물리 계층의 한계를 살펴보자.

  • 직접 연결을 요구
    • 물리 계층은 전기적, 광학적 또는 무선 신호를 통해 데이터를 전송한다. 이 계층에서 통신하려면 두 장치가 물리적으로 연결되어 있어야 한다. 예를 들어, 이더넷 케이블로 연결된 두 컴퓨터 사이의 데이터 전송은 물리 계층에서 처리된다.
  • 네트워크 범위 제한
    • 물리 계층의 통신 범위는 케이블의 길이나 무선 신호의 범위에 의해 제한됩니다. 따라서 장거리 통신이 어려우며, 물리적 연결이 없는 장치와는 직접 통신할 수 없다.
  • 신호 변형 및 간섭
    • 신호가 전송되는 동안 물리적 매체에서 신호가 변형되어 데이터 무결성에 영향을 끼칠 수 있다


네트워크 세그먼트(Segment)

물리적 또는 논리적으로 구분된 네트워크의 일부분을 의미한다. 네트워크 세그먼트는 여러 장치들이 동일한 네트워크 환경 내에서 데이터를 주고받을 수 있도록 구성된 영역을 의미한다.


이번에는 데이터 링크 계층의 한계를 살펴보자.

일단 데이터 링크 계층에서는 네트워크 세그먼트(Segment)내의 통신만 가능하다. 데이터 링크 계층은 주로 동일한 네트워크 세그먼트 내에서 직접 연결된 장치들 간의 통신을 담당한다. MAC 주소를 사용하여 세그먼트 내의 장치를 식별하며, 네트워크 내의 로컬 통신을 처리한다고 보면 된다.

여기서 MAC 주소를 사용하여 다른 네트워크의 호스트를 특정하는 것은 불가능하다. MAC 주소는 NIC에 할당되어 디바이스 식별하기 위한 정보로 사용된다. 택배에 비유하자면 MAC 주소는 받는 사람의 개인 정보 같은 것이다.

그러면 받는 사람의 주소에 해당하는 것은 무엇일까? 그건 바로 네트워크 계층의 IP(Internet Protocol) 주소이다


물리 계층과 데이터 링크 계층만으로 가른 네트워크 까지의 경로를 파악하기 어렵다. 다른 LAN에 속한 호스트와 데이터를 주고 받기 위해서는 수많은 네트워크 장비를 거치며 다양한 경로를 통해 이동할 수 있다.

이때 패킷의 이동이 가능한 경로 중에서 최적의 경로를 선택하는 것을 라우팅(Routing)이라고 한다. 라우팅을 수행하는 장비는 라우터(Router)이다.


정리하자면 다음과 같다.

  • 데이터 링크 계층만으로는 서로 다른 네트워크 세그먼트 간의 통신이 어렵다
  • 다른 네트워크와의 통신을 위해서는 네트워크 계층이 필요하다
  • 네트워크 계층의 IP 주소를 통해 다른 네트워크의 호스트를 식별할 수 있다
  • 다른 호스트로 가는 최적의 경로를 결정하는 라우팅을 통해 패킷이 이동한다


2. IP(Internet Protocol) 소개

다음 포스트에서 IP에 대해 더 자세히 다룬다.


인터넷 프로토콜(Internet Protocol, IP)은 네트워크 계층에서 사용되는 주요 프로토콜이다. IP의 역할은 다음과 같다.

  • 주소 지정(Addressing)
    • IP는 각 네트워크 장치에 고유한 IP 주소를 할당하여 인터넷이나 로컬 네트워크에서 장치들을 식별하고 통신할 수 있도록 한다
  • 패킷 전달
    • IP 주소를 기반으로 패킷을 최종 목적지로 전달하기 위해 최적의 경로를 결정한다다. 이 과정은 라우팅이라고 불리며, 라우터가 이를 담당한다.
  • 프래그멘테이션(Fragmentation, 단편화) 및 재조립
    • 네트워크의 MTU(Maximum Transmission Unit) 크기보다 큰 패킷을 더 작은 조각들로 나누는 작업을 프래그멘테이션(fragmentation)이라고 한다
      • 전송하고자 하는 패킷의 크기가 MTU보다 큰 경우, 이를 MTU 크기 이하의 복수의 패킷으로 나눈다
    • 목적지에서 다시 원래의 큰 패킷으로 재조립(reassembly)한다


MTU(Maximum Transmission Unit)

한번에 전송 가능한 IP 패킷의 최대 크기. IP 패킷의 헤더도 MTU 크기에 포함된다.

MTU는 일반적으로 1500바이트이다.


IP는 IPv4와 IPv6라는 2 가지 버전으로 나눌 수 있는데, 현재 포스트와 이후의 모든 포스트는 IPv4를 기준으로 설명하고 있다.


3. IP 패킷(IP Packet)

IP 패킷 소개

IP 패킷에 대해 알아보자.

먼저 이전에 다룬 이더넷 프레임을 살펴보자.


ipheader1Ethernet Frame


이더넷 프레임의 데이터(Data) 필드는 상위 계층에서 전달받거나 상위 계층으로 전달할 내용이고, 보통 네트워크 계층의 데이터와 헤더를 합친것이라고 설명한적이 있다. 더 자세히 설명하자면, IP 패킷으로 이루어져 있고, IP 패킷의 안에는 상위 계층인 전송 계층(Transport Layer)의 TCP/UDP 새그먼트가 들어있다. TCP/UDP 새그먼트가 페이로드를 캡슐화한 형태이다.

현재 포스트는 네트워크 계층을 다루고 있기 때문에 TCP/UDP 새그먼트는 다루지 않고 IP 패킷의 IP 헤더만 다룰 예정이다.


ipheader2IP Packet


IP 헤더(IP Header)

IP 헤더는 이루는 필드를 살펴보자.


ipv4headerhttps://ko.wikipedia.org/wiki/IPv4

  • 식별자(Identification)
    • 패킷에 할당된 번호
    • 패킷을 식별하기 위한 고유 식별자
    • 단편화된 패킷을 다시 조립할 때 사용한다
  • 플래그(Flags)
    • 3비트로 이루어진 단편화 관련 제어 비트
    • 첫 번째 비트 : 사용되지 않는다(항상 0)
    • 두 번째 비트 : DF(Don’t Fragment) 비트, 설정되면 패킷이 단편화되지 않도록 한다
      • 1 : IP 단편화 수행하지 않는다
      • 0 : IP 단편화 가능
    • 세 번째 비트 : MF(More Fragments) 비트, 설정되면 뒤에 더 많은 단편이 있음을 알린다
  • 단편화 오프셋(Fragment Offset)
    • 단편화된 패킷이 원래 데이터그램(새그먼트)에서 차지하는 위치를 나타낸다
    • 단편화되어 전송되는 패킷들은 수신지에 순서대로 도착하지 않을 수 있음. 수신지가 패킷들을 순서대로 재조립하려면 단편화된 패킷이 초기 데이터에서 몇 번째 데이터에 해당하는 패킷인지 알아야 한다.
    • 8바이트 단위로 계산된다
  • TTL(Time-To-Live)
    • 패킷의 생존 시간을 나타내며, 최대 홉(Hop) 수를 지정한다
    • 각 라우터를 지날 때마다 1씩 감소하며, 0이 되면 패킷이 폐기된다
  • 프로토콜(Protocol)
    • 상위 계층 프로토콜을 나타낸다
    • 예를 들어, TCP는 6, UDP는 17이다
  • 송신지 IP 주소, 수신지 IP 주소(Source Address, Destination Address)
    • 송신지 IP 주소(Source Address) : 패킷을 보낸 출발지의 IP 주소
    • 수진지 IP 주소(Destination Address) : 패킷이 도착할 목적지의 IP 주소


여기까지가 주요 IP 헤더 필드이다.

다음은 기타 헤더 필드들이다.

  • Version
    • IP의 버전을 나타낸다
    • IPv4의 경우 값은 4
  • Header Checksum
    • IP 헤더의 오류 검출을 위한 체크섬 값
    • 수신 측에서 계산된 체크섬과 비교하여 데이터 무결성을 확인한다
  • Type of Service(TOS)
    • 패킷의 우선순위와 QoS(Quality of Service)를 지정한다
    • 반적으로 0으로 설정되지만, 특정 트래픽의 우선순위를 지정할 때 사용된다
  • IHL(Internet Header Length, 인터넷 헤더 길이)
    • IP 헤더의 길이를 32비트(4바이트) 단위로 나타낸다
  • Options
    • 0~40바이트의 가변 길이
    • 선택적으로 사용되는 필드로, 보안, 라우팅, 시간 스탬프 등을 포함할 수 있다
    • 이 필드는 IHL 필드의 값에 따라 길이가 결정


홉(Hop)

패킷이 호스트 또는 다른 라우터로 한 번 전달되는 것을 홉(Hop)이라고 한다.


ARP(Address Resolution Protocol)

IP 주소는 네트워크 계층에서 디바이스를 식별하고 라우팅하는 데 사용되지만, 실제 데이터 전송은 데이터 링크 계층에서 이루어진다. 데이터 링크 계층에서는 MAC 주소를 사용하여 네트워크 내의 특정 디바이스에 데이터를 전달한다. 따라서, 네트워크 계층의 IP 주소를 데이터 링크 계층의 MAC 주소로 변환하는 과정이 필요하다.

쉽게 말해서 상대 호스트의 IP주소는 알고, MAC 주소를 모를 때, IP 주소를 통해 MAC 주소를 알아내야 한다. ARP는 IP주소를 통해 MAC 주소를 알아내는 프로토콜이다.


다음 포스트는 IP 주소에 대해 더 자세히 살펴보고, 서브넷팅(Subnetting)을 포함한 여러 개념을 다룰 예정이다.


Reference

  1. 강민철: 혼자 공부하는 네트워크
  2. James F. Kurose : 컴퓨터 네트워킹 하향식 접근
  3. 널널한 개발자 : 네트워크 기초 이론
1. 컴퓨터 공학(CS), 네트워크
network network-layer ip ip-header ip-packet arp
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