네트워크 - 네트워크 계층
물리 & 데이터 링크 계층의 한계
데이터 링크 계층에는 송수신지를 특정할 수 있는 정보인 MAC 주소라는 개념이 있지만, LAN을 넘어서 통신하기는 어렵다. 그 이유에 대해 알아보자.
1. 물리 계층과 데이터 링크 계층만으로는 다른 네트워크까지의 도달 경로를 파악하기 어렵다.
물리 계층과 데이터 링크 계층은 기본적으로 LAN을 다루는 계층이다. 하지만 우리는 대부분 LAN에 속한 호스트끼리만 통신하지 않는다.
패킷은 서로에게 도달하기까지 수많은 네트워크 장비를 거치며 다양한 경로를 통해 이동한다.
통신을 빠르게 주고받으려면 이 중에 최적의 경로로 패킷이 이동해야 한다. 패킷이 이동할 최적의 경로를 결정하는 것을 라우팅(routing) 이라고 한다.
물리 계층과 데이터 링크 계층의 장비로는 라우팅을 수행할 수 없지만, 네트워크 계층의 장비로는 가능하다. 라우팅을 수행하는 대표적인 장비로는 라우터(router) 가 있다.
2. MAC 주소만으로는 모든 네트워크에 속한 호스트의 위치를 특정하기 어렵다.
현실적으로 모든 호스트가 모든 네트워크에 속한 모든 호스트의 MAC 주소를 알고 있기란 어렵다.
택배의 수신인 역할을 하는 정보가 MAC 주소라면, 수신지 역할을 하는 정보는 네트워크 계층의 IP 주소이다.
MAC 주소와 IP 주소는 함께 사용되고, 기본적으로 IP 주소를 우선으로 활용한다.
MAC 주소를 물리 주소라고도 부르듯이 IP 주소는 논리 주소라고도 부른다. MAC 주소는 일반적으로 NIC마다 할당되는 고정된 주소이지만, IP 주소는 호스트에 직접 할당이 가능하다. DHCP 라는 프로토콜을 통해 자동으로 할당받거나 사용자가 직접 할당할 수도 있고, 한 호스트가 복수의 IP 주소를 가질 수도 있다.
인터넷 프로토콜 (IP : Internet Protocol)
네트워크 계층의 가장 핵심적인 프로토콜이다.
(IPv4 기준) IP 주소는 4바이트(32비트)로 주소를 표현할 수 있고, 숫자당 8비트로 표현되어
0~255범위 안에 있는 4개의 10진수로 표기된다.각 10진수는 점(
.)으로 구분되며, 점으로 구분된 8비트를 옥텟(octet) 이라고 한다.
IP의 대표적인 기능은 크게 두 가지가 있는데, IP 주소 지정과 IP 단편화이다.
IP 주소 지정은 IP 주소를 바탕으로 송수신 대상을 지정하는 것을 의미한다.
IP 단편화는 전송하고자 하는 패킷의 크기가 MTU라는 최대 전송 단위보다 클 경우, 이를 MTU 크기 이하의 복수의 패킷으로 나누는 것을 의미한다.
MTU (Maximum Transmission Unit)
한 번에 전송 가능한 IP 패킷의 최대 크기를 의미한다. IP 패킷의 헤더도 MTU 크기에 포함된다. 일반적으로 MTU 크기는 1500바이트이며, MTU 크기 이하로 나누어진 패킷은 수신지에 도착하면 다시 재조합된다.
IPv4
IPv4 패킷은 프레임의 페이로드로 데이터 필드에 명시된다.
여기서 중요한 필드는 식별자, 플래그, 단편화 오프셋, TTL, 프로토콜, 송신지 & 수신지 IP 주소이다. 이중 식별자, 플래그, 단편화 오프셋 필드는 IP 단편화 기능에 관여하고, 송신지 & 수신지 IP 주소는 IP 주소 지정 기능에 관여한다.
1. 식별자
패킷에 할당된 번호
메시지 전송 과정에서 IPv4 패킷이 여러 조각으로 쪼개져서 전송되었다면, 수신지에서는 이들을 재조합해야 한다.
이때 잘게 쪼개져서 수신지에 도착한 IPv4 패킷들이 어떤 메시지에서부터 쪼개졌는지를 알기 위해 식별자를 사용한다.
2. 플래그
총 세 개의 비트로 구성된 필드
이 중 첫번째 비트는 항상 0으로 예약된 비트로 현재 사용되지 않는다.
DF 비트 (Don't Fragment) : IP 단편화를 수행하지 말라는 표시
1이라면 : IP 단편화 수행하지 않는다.
0이라면 : IP 단편화 가능
MF 비트 (More Fragment) : 단편화된 패킷이 더 있는지를 나타낸다.
1이라면 : 쪼개진 패킷이 아직 더 있다를 의미
0이라면 : 이 패킷이 마지막 패킷임을 의미
3. 단편화 오프셋
패킷이 단편화되기 전에 패킷의 초기 데이터에서 몇 번째로 떨어진 패킷인지를 나타낸다.
단편화되어 전송되는 패킷들은 수신지에 순서대로 도착하지 않을 수 있기 때문에 수신지가 패킷들을 순서대로 재조합하려면 단편화된 패킷이 초기 데이터에서 몇 번째 데이터에 해당하는 패킷인지 알아야 한다. 이를 판단하기 위해 단편화 오프셋이 활용된다.
4. TTL (Time To Live)
패킷의 수명을 의미한다.
호스트끼리 통신할 때 패킷은 여러 라우터를 거쳐 이동할 수 있다. 패킷이 하나의 라우터를 거칠 때마다 TTL이 1씩 감소 하며, TTL 값이 0으로 떨어진 패킷은 폐기된다.
패킷이 호스트 또는 라우터에 한 번 전달되는 것을 홉(hop) 이라고 한다. 즉, TTL 필드의 값은 홉마다 1씩 감소한다.
TTL 필드는 무의미한 패킷이 네트워크상에서 지속적으로 남아있는 것을 방지하기 위해 존재한다.
5. 프로토콜
IP 패킷의 프로토콜은 상위 계층의 프로토콜이 무엇인지를 나타내는 필드다.
예를 들어 TCP는 6번, UDP는 17번이다.
6. 송신지 & 수신지 IP 주소
이름 그대로 송수신지의 IPv4 주소를 알 수 있다.
IPv6
이론적으로 할당 가능한 IPv4의 주소는
2^32으로 약 43억 개이다. 이는 쉽게 고갈될 수 있기 때문에 IPv6가 등장했다.IPv6 주소는 16바이트(128비트)로 주소를 표현할 수 있다. 이론적으로 할당 가능한 IPv6 주소는
2^128개이다.(사실상 무한)
IPv6 패킷의 헤더는 IPv4에 비해 간소화되어 있다.
1. 다음 헤더
상위 계층의 프로토콜을 가리키거나 확장 헤더를 가리키는 필드
IPv6는 기본 헤더와 더불어 확장 헤더라는 추가 헤더를 가질 수 있다.
확장 헤더는 기본 헤더와 페이로드 데이터 사이에 위치하며, 또 다른 확장 헤더를 가질 수도 있다.
확장 헤더의 종류는 다양해 상황에 맞는 다양한 정보를 운반할 수 있다.
<IPv6의 단편화>
IPv6는 IPv4와 달리 기본 헤더에 단편화 관련 필드가 없고, 단편화 확장 헤더를 통해 단편화가 이루어진다. 단편화 확장 헤더는 다음과 같은 구조로 이루어져 있다.
단편화 확장 헤더에도 다음 헤더 필드가 있다. (기본 헤더처럼 확장 헤더에도 다음 헤더 필드가 있는 것은 또 다른 확장 헤더 또는 상위 프로토콜을 가리키기 위함이다.)
예약됨과 예약 필드는 0으로 설정되어 사용되지 않는다.
단편화 오프셋 : 전체 메시지에서 현재 단편화된 패킷의 위치를 나타낸다.(IPv4의 단편화 오프셋 필드)
M 플래그 : 1일 경우 더 많은 단편화된 패킷이 있음을, 0일 경우 마지막 패킷임을 나타낸다.(IPv4의 MF 플래그 필드)
식별자 : 동일한 메시지에서부터 단편화된 패킷임을 식별하기 위해 사용된다.(IPv4의 식별자 필드)
2. 홉 제한
IPv4 패킷의 TTL 필드와 비슷하게 패킷의 수명을 나타내는 필드
3. 송신지 & 수신지 IP 주소
송수신지 주소를 통해 IPv6 주소 지정이 가능하다.
ARP (Address Resolution Protocol)
MAC 주소와 IP 주소는 함께 사용하지만, 기본적으로는 IP 주소를 사용한다.
이 과정에서 상대 호스트의 IP 주소는 알지만, MAC 주소는 알지 못하는 상황이 있을 수 있는데, 이럴 때 ARP라는 프로토콜을 사용한다.
ARP는 IP 주소를 통해 MAC 주소를 알아내는 프로토콜이다. 동일 네트워크 내에 있는 송수신 대상의 IP 주소를 통해 MAC 주소를 알아낼 수 있다.
호스트 A와 B가 동일한 네트워크에 속한 상태에서 A가 B에게 패킷을 보낸다고 해보자.
1. ARP 요청 (ARP Request)
우선 호스트 A는 네트워크 내의 모든 호스트에게 브로드캐스트 메시지를 보낸다.
이 메시지는 ARP 요청이라는 ARP 패킷이다.
브로드캐스트 : 자신을 제외한 네트워크상의 모든 호스트에게 전송하는 방식
2. ARP 응답 (ARP Reply)
네트워크 내의 모든 호스트가 ARP 요청 메시지를 수신하지만, B를 제외한 나머지 호스트는 자신의 IP 주소가 아니므로 이를 무시한다.
B는 자신의 MAC 주소를 담은 메시지를 A에게 전송한다. 이 유니캐스트 메시지는 ARP 응답이라는 ARP 패킷이다.
B의 MAC 주소가 포함된 메시지를 수신한 A는 B의 MAC 주소를 알게 된다.
유니캐스트 : 하나의 수신지에 메시지를 전송하는 방식
3. ARP 테이블 갱신
ARP를 활용할 수 있는 모든 호스트는 IP 주소와 그에 맞는 MAC 주소의 연관 관계 정보를 유지하는 ARP 테이블이 있다.
ARP 테이블 항목은 일정 시간이 지나면 삭제되고, 임의로 삭제할 수도 있다.
ARP 테이블에 등록된 호스트에 대해선 굳이 브로드캐스트로 ARP 요청을 보낼 필요가 없어진다.
두 호스트가 다른 네트워크에 속해 있을 경우
ARP는 "동일 네트워크" 내에 있는 호스트의 IP 주소를 통해 MAC 주소를 알아내는 프로토콜이다.
그렇다면 통신하고자 하는 두 호스트가 서로 다른 네트워크에 속한다면 어떻게 될까?
우선 (호스트 A가 라우터 A의 MAC 주소를 모른다면) ARP 요청 - ARP 응답 과정을 통해 라우터 A의 MAC 주소를 알아낸 뒤, 이를 향해 패킷을 전송한다.
라우터 A에서도 라우터 B의 MAC 주소를 모른다면 한번 더 ARP 요청 - ARP 응답 과정을 거쳐 라우터 B의 MAC 주소를 얻어오게 된다.
라우터 B에서도 호스트 B의 MAC 주소를 모른다면 똑같이 ARP 요청 - ARP 응답 과정을 거쳐 호스트 B의 MAC 주소를 얻어와야 호스트 B에게 패킷을 전달할 수 있다.
IP 단편화를 피하는 방법
데이터가 여러 패킷으로 쪼개지면 전송해야 할 패킷의 헤더들도 많아지고, 이는 불필요한 트래픽 증가와 대역폭 낭비로 이어질 수 있기 때문에 IP 단편화는 되도록 하지 않는 것이 좋다.
쪼개진 IP 패킷들을 하나로 합치는 과정에서 발생하는 부하도 성능 저하를 야기할 수 있다.
IP 단편화를 피하려면 IP 패킷을 주고받는 모든 노드가 IP 단편화 없이 주고받을 수 있는 최대 크기 만큼만 전송해야 한다.
이 크기를 경로 MTU라고 한다. 즉, IP 단편화를 피하는 방법은 경로 MTU 만큼의 데이터를 전송하는 것이다.
경로 MTU를 구하고 해당 크기만큼만 송수신하여 IP 단편화를 회피하는 기술을 경로 MTU 발견이라고 한다.
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