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(Network - 4) IP의 분류, IPv4, 서브넷팅(Subnetting)

IP의 종류, IPv4 주소체계, 서브넷팅 방법에 대하여

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1. 공인 IP(Public IP)

공인 IP란?

  • ISP에 의해 부여받는 IP 주소
  • 인터넷 통신 목적으로 사용된다
  • 공인 IP는 다른 IP 주소와 중복되지 않는다
  • ISP는 공인 IP 주소를 통해 사용자를 모니터링 하고 추적할 수 있다
  • 공인 IP는 유동 IP(Dynamic IP)와 고정 IP(Static IP)로 나눌 수 있다


유동 IP(Dynamic IP)

  • ISP에 의해 디바이스에 부여하는 변하는 IP이다
    • 조금 더 자세히 들어가자면, ISP가 DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol) 서버를 통해 디바이스에 부여하는 IP이다
  • 보통 일정 주기 또는 접속을 할때 마다 사용하지 않는 IP 주소를 임시로 발급해주는 IP이다
  • 대다수의 일반 사용자가 유동 IP를 사용한다고 보면 된다


고정 IP(Static IP)

  • ISP 또는 네트워크 관리자에 의해 할당 받는 변하지 않는 IP이다
  • 한번 부여된 IP는 다른 디바이스에 부여할 수 없다
  • 유동 IP에 비해 보안이 뛰어나다
  • 보통 지속적인 네트워크 접속이 있거나, 방화벽 화이트 리스트에 IP 주소를 추가해야하는 서버나 디바이스에 사용한다
  • 비용을 지불해서 사용해야 한다
  • 예시) 웹 호스팅, 이메일 서버


전용 IP(Dedicated IP)

단일 호스팅을 위해 할당된 고정 IP 주소이다. 일반적으로 고정 IP는 환경에 따라 여러 디바이스에 걸쳐 공유될 수 있지만, 전용 IP는 오로지 하나의 사용자 또는 디바이스에 할당되어서 사용된다.


2. 사설 IP(Private IP)

사설 IP 소개

뒤의 IP 주소 체계에서 다루겠지만, 우리는 현재 IP 주소로 IPv4 프로토콜을 사용하고 있다.


dnatIPv4


IPv4의 최대 IP 개수는 대략 43억($\approx 2^{32}$)개이다. 43억개는 언뜻 보면 많아 보이지만, 네트워크와 연결된 모든 디바이스에 아이피 주소를 할당하기는 부족하다.

사설 IP(Private IP)는 이런 한정된 IPv4 주소를 활용하기 위해서 IP주소를 분할해서 사용하는 개념이다.

사설IP는 사설망(Private Network)과 함께 사용된다.


사설망(Private Network)

  • 사설망의 내부는 외부 인터넷 망으로 통신이 불가능한 Private IP로 구성된다
  • 외부로 통신할 때 통신이 가능한 Public IP를 이용(통신을 위해서 NAT을 사용)
  • 하나의 사설망은 보통 Private IP를 부여받은 다수의 기기와 NAT 기능을 갖춘 Gateway로 구성된다


쉽게 설명하자면, 공유기(사설망의 입구로 생각하면 편하다)까지는 공인 IP를 할당하고. 공유기 내부의 네트워크(사설망) 안의 기기들은 사설 IP(Private IP)를 부여 받는다.

이런 사설 IP는 해당 사설망 내에서만 유일한 주소이다. 사설 IP가 외부와 통신하기 위해서는 NAT 기능을 가진 게이트웨이가 필요하다.


IPv6

IPv4의 한계를 해결하기 위한 IPv6도 존재한다. IPv6는 가능한 IP주소가 굉장히 많기 때문에 Private IP의 개념이 필요없다.

IPv6를 사용하는 경우는 많지 않다.


private vs public iphttps://www.geeksforgeeks.org/difference-between-private-and-public-ip-addresses


NAT(Network Address Translation)

사설망 안의 사설 IP를 받은 디바이스는 외부와 어떻게 통신을 할 수 있을까?

위에서 “사설망은 보통 Private IP를 부여받은 다수의 기기와 NAT 기능을 갖춘 Gateway로 구성된다.”라고 설명을 했는데. NAT은 사설 IP가 공인 IP를 통해 통신할 수 있도록 주소를 변환해 주는 방법이라고 생각하면 된다.


NAT은 다음의 3가지 방법으로 나눈다.

  • Dynamic NAT
  • Static NAT
  • PAT(Port Address Translation)


Dynamic NAT

  • 1개의 Private IP를 가용 가능한 Public IP로 연결
  • Public IP 그룹(NAT Pool)에서 현재 사용 가능한 IP를 가져와서 연결하는 방식


dnathttps://cybermeteoroid.com/network-address-translation-a-complete-overview/


Static Nat

하나의 Private IP를 고정된 하나의 Public IP로 연결

  • AWS Internet Gateway가 사용하는 방식


snathttps://cybermeteoroid.com/network-address-translation-a-complete-overview/


PAT(Port Address Translation)

  • 다수의 Private IP를 하나의 Public IP로 연결
  • NAT Gateway/NAT Instance가 사용하는 방식
  • 대부분 가정이나 회사에서 이 방식을 사용
  • Private IP에 붙은 포트와 Public IP에 붙은 포트는 다르다


pathttps://cybermeteoroid.com/network-address-translation-a-complete-overview/


3. IP 주소 체계

IPv4

IP 주소 체계에 대해 알아보자.

IP 주소는 IPv4 프로토콜을 사용한다.


private vs public ipIP 주소

  • IP 주소는 8bit씩 끊어서 표현한다
  • 총 32bit이다


IP 주소는 기본적으로 네트워크 ID + 호스트 ID로 이루어진다. 그래서 만약 네트워크 ID의 길이가 24bit이면, 호스트 ID의 길이는 8bit가 된다.

($32 - 24 = 8$)

여기서 중요한 것은 같은 네트워크 안에서는 네트워크 ID는 고정이 되고, 호스트 ID만 변한다.


그러면 네트워크 ID의 길이는 어떻게 정할까? 여기서 등장하는 개념이 서브넷 마스크(Subnet Mask)이다. 줄여서 넷 마스크라고 부르기도 한다.


서브넷 마스크(Subnet Mask)

서브넷 마스크에 대해 알아보자.

IP 주소에서 네트워크 ID의 길이를 나타낸것이 서브넷 마스크이다.


터미널에서 다음 명령어를 입력해서 IPv4 주소와 서브넷 마스크를 직접 확인해보자. (맥os 환경)

1

ipconfig getsummary en0 | grep ip


private vs public ip서브넷 마스크 확인

  • IPv4 : 192.268.35.1
  • 서브넷 마스크(subnet mask) : 255.255.255.0


그러면 이 서브넷 마스크를 가지고 어떻게 네트워크 ID를 구한다는 것일까? 결론부터 말하자면, IPv4에 서브넷 마스크를 AND 비트 연산을 하면 네트워크 ID가 나온다. 다음 그림을 통해 살펴보면 이해가 쉬울 것이다.


network네트워크 ID 구하기

  • 결과로 네트워크 ID가 192.168.35.0이기 때문에 호스트 ID는 0.0.0.1이 된다


IP Class

IP 클래스는 기존 IPv4와 함께 사용된 IP 할당 방식이다. 이제는 사용되지 않는다. 현재는 클래스 방식이 아닌 CIDR 방식으로 IP를 할당한다.

클래스 방식을 간략히 설명하자면 서브넷 마스크에 따라 클래스 A ~ E 별로 아이피의 범위를 분류하는 방식이다.


networkhttps://community.spiceworks.com/t/ip-address-classes-explained-a-subnetting-analogy/970214

  • Private IP Range가 사설망 내에 쓰이는 사설 IP의 범위이다
    • 해당 범위의 IP들은 공용 인터넷에서 라우팅이 불가능하다


우리가 주로 사용하는 IP는 클래스 A, B, C이다.

  • Class D : 멀티캐스팅(multi-cast)에 사용
  • Class E : 추후에 사용할 가능성을 위해 예약

뒤의 CIDR에서 자세히 다루겠지만, 클래스 할당 방식은 쉽게 말해서 서브넷 마스크가 /8, /16, /24인지에 따라 아이피 범위를 분류하는 것이다


A, B, C 클래스로 나누는 방식은 굉장히 비효율적이다.

예를 들어서 클래스 C의 IP 수는 256개이고 B 클래스의 IP 수는 65536개이다. 만약 하나의 회사에 사용하는 디바이스의 수가 대략 20000개 정도 된다고 가정해보자. 이 경우 C 클래스를 할당하기에는 IP가 부족하고, B 클래스를 할당하자니 낭비되는 IP의 수가 너무 많다.

이를 개선하고자 CIDR, 서브넷팅(Subnetting)의 개념이 등장했다.


CIDR(Classless Inter Domain Routing)

CIDR은 클래스 없는 도메인 간 라우팅 기법이다. 기존의 클래스 방식의 IP 주소 할당 방식을 대체하기 위해서 등장했다.

기존 IP 할당 방식과 마찬가지로 CIDR은 IP 주소의 영역을 여러 네트워크 영역으로 나누기 위해 IP를 묶는 방식이다.

다수의 사설망을 구축하기 위해 망을 나누는 방법으로 생각하면 편하다.

이때 네트워크(망)를 나누기 위한 행위를 서브넷팅(Subnetting)이라고 하고, 나누는 작업으로 인해 만들어진 네트워크를 서브넷(Subnet)이라고 한다.


  • CIDR Block
    • IP 주소의 집합
    • 호스트 주소의 비트(bit) 만큼 IP 주소 보유 가능
  • CIDR Notation
    • CIDR Block을 표현하는 방법
    • [네트워크 ID] + [호스트 ID]/[네트워크 ID 길이] 형식으로 구성된다
    • 네트워크 ID 길이는 네트워크 주소가 몇 비트(bit) 인지 표시한다
    • 네트워크 ID 길이는 서브넷 마스크의 비트수


IP 주소 체계와 서브넷 마스크에 관한 내용을 읽었으면 바로 감이 올 것이다. 그렇다, 저 네트워크 ID 길이가 결국에는 서브넷 마스크의 비트수인 것이다.

이전의 서브넷 마스크에서 사용한 예시를 다시 보자.

  • IP 주소 : 192.268.35.1
  • 서브넷 마스크 : 255.255.255.0
    • 이를 다시 2진수로 표현하면 1111 1111 . 1111 1111 . 1111 1111 . 0000 0000


서브넷 마스크의 길이는 총 24 비트인 것을 알 수 있다. 이를 CIDR로 표현하면 다음과 같다.

192.268.35.1/24


사실 CIDR은 결국에 지금까지 우리가 봐왔던 IP주소 표현에서 255.255.255.0과 같은 서브넷 마스크의 비트수를 사용해 뒤에 /[네트워크 ID 길이]를 붙인 것으로 보면 된다.


다음 그림으로 복습해보자.


cidr notation 1https://service.snom.com/display/wiki/CIDR-Notation

  • 서브넷 마스크에 의해 네트워크 ID의 길이를 알 수 있음
  • 서브넷 마스크의 비트수가 결국에는 CIDR 표현에서 뒤에 붙은 /[네트워크 ID 길이]
  • (00001010 11011001 0111)1011 00000111 에서 괄호친 부분은 고정
    • 고정 되지 않는 부분이 변하는 호스트 ID


4. 서브넷(Subnet)

서브넷 소개

서브넷은 네트워크 안의 네트워크이다. 큰 네트워크를 여러 네트워크로 쪼개면서 생긴 작은 네트워크로 생각하면 편하다.

이때 이 서브넷을 만들기 위해서 네트워크를 쪼개는 작업을 서브넷팅(Subnetting)이라고 한다.


큰 네트워크에 부여된 IP 범위를 작은 단위로 나눈 후 서브넷에 할당한다. 이를 통해 더 효율적으로 IP 범위를 부여할 수 있다.


subnetting-mask-example3https://ipcisco.com/lesson/subnetting-examples/


서브넷팅(Subnetting)

고정 길이 서브넷 마스크(FLSM)

그러면 네트워크를 쪼개서 더 작은 네트워크로 만드는 서브넷팅의 과정을 살펴보자.

72.14.15.0/24이라는 네트워크가 있고, 이를 4개의 서브넷으로 분할한다고 가정해보자.


먼저 72.14.15.0/24를 살펴보자.

  • 네트워크 주소는 72.14.15.0
  • 서브넷 마스크가 /24이기 때문에 가능한 호스트 주소의 수가 256개


서브넷팅을 진행하기 위해서는 호스트 주소에서 비트를 빌린다는 개념을 사용한다. 다음 그림으로 살펴보자.


subnetting-mask-example3호스트에서 비트 빌리기

그림을 보면 2개의 비트를 빌린 것을 확인할 수 있다. 2개의 비트를 빌린 이유는 해당 2개의 비트로 4개의 네트워크를 만들 수 있기 때문이다. ($2^2=4$)

쉽게 말해서 해당 빌린 비트 부분이 우리가 나눌 4개의 서브넷을 구분해주는 비트가 된다.

나머지 6비트의 호스트 주소로 64개의 주소를 가질 수 있다. ($2^6=64$)

만들어진 서브넷을 그림을 확인하면 다음과 같은 모습이다. 2비트를 빌렸기 때문에 각 서브넷 미스크의 길이는 24+2 = 26이 된다.


subnetting-mask-example3https://ipcisco.com/lesson/subnetting-examples/


참고로

  • 가장 첫 주소는 Network Address로 서브넷 자체를 식별해주는 주소라서 사용할 수 없다.
  • 가장 마지막 주소는 Broadcast Address로 서브넷 안의 모든 호스트에게 데이터를 전송할 수 있도록 사용하기 때문에 사용할 수 없다.

만약 하나의 서브넷이 64의 호스트가 있다면, 사용할 수 있는 유저는 앞뒤 주소를 빼서 62개가 된다.

또한 보통 사용가능한 가장 첫 번째 주소를 라우터나 게이트웨이에 할당한다.


지금까지 살펴본 서브넷팅은 고정된 길이의 서브넷 마스크(subnet mask)를 사용했다고 해서 FLSM(Fixed Length Subnet Mask)라고 부른다.

고정 길이의 개념이 있다는 것은 당연히 가변 길이(VLSM)도 존재한다는 뜻이다.


가변 길이 서브넷 마스크(VLSM)

그러면 이번에는 가변 길이 서브넷 마스크(VLSM)를 이용해서 서브넷팅하는 경우를 살펴보자.


200.200.10.0/25이라는 네트워크를 다음의 네트워크로 분할한다고 가정해보자. 각 네트워크의 크기는 이전과 다르게 서로 동일하지 않다.

  • network 1 : 6
  • network 2 : 4
  • network 3 : 14
  • network 4 : 10
  • network 5 : 9


일단 기존의 FLSM 방식에서 했던 것 처럼 네트워크를 동일 크기로 분할하자. 우리의 경우 5개의 서브넷이 필요하기 때문에 3 비트를 빌려야한다.

3 비트를 빌리면 총 8개의 서브넷을 만들 수 있다. 각 서브넷은 16개의 호스트를 가진다.

여기서 일단 사용자가 14, 10, 9인 네트워크에 현재 분할된 서브넷을 하나씩 할당할 것이다. 그러나 사용자가 6, 4인 네트워크에 호스트 수가 16인 서브넷을 할당하는 것은 비효율적이다. 그래서 호스트 수가 16인 서브넷을 다시 반으로 분할해서 각 네트워크에 할당할 것이다.

글로만 보면 이해가 어려울 수 있기 때문에 다음 그림으로 살펴보자.


subnetting-mask-example3VLSM

  • 네트워크 3, 4, 5는 처음에 서브넷팅해서 나온 서브넷을 할당 해준다
  • 네트워크 1, 2는 처음에 서브넷팅해서 나온 서브넷을 다시 서브넷팅 해서 반으로 나눠서 할당 해준다
  • 가변 길이 서브넷 마스크(VLSM)이라고 불리는 이유는 각 서브넷의 서브넷 마스크가 28로 동일하지 않고 28, 29로 가변적이기 때문이다


슈퍼넷팅(Supernetting)

서브넷팅이 네트워크를 분할해서 서브넷을 만드는 개념이라면, 슈퍼넷팅은 반대로 서브넷을 합쳐서 하나의 더 큰 네트워크를 만드는 것을 말한다.


5. 예약 주소(Reserved IP Addresses)

IP 주소에는 특별한 용도로 예약된 여러 범위가 있다. 이러한 예약 주소는 특정 기능을 위해 사용되며, 일반적인 인터넷 트래픽에 사용되지 않는다.


reserveiphttps://theinternetprotocolblog.wordpress.com/2019/10/06/some-notes-on-ipv4-address-space/


0.0.0.0/0

모든 임의의 IP 주소를 뜻하는 경우가 많다.


Reference

  1. https://www.youtube.com/watch?v=9nBq6PxDvp4&list=PLfth0bK2MgIan-SzGpHIbfnCnjj583K2m&index=5
  2. https://www.youtube.com/watch?v=px0HDON5Wa4&t=639s
  3. https://www.geeksforgeeks.org/difference-between-private-and-public-ip-addresses/
  4. https://cybermeteoroid.com/network-address-translation-a-complete-overview/
  5. https://service.snom.com/display/wiki/CIDR-Notation
  6. https://ipcisco.com/lesson/subnetting-examples/
  7. https://en.wikipedia.org/wiki/Subnet
  8. https://cidr.xyz/ : CIDR block을 직접 설정하면서 시각적으로 확인 가능
1. 컴퓨터 공학(CS), 네트워크
network ipv4 subnetting vlsm
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