[Network] 네트워크 계층 : IP

[Network] 네트워크 계층 : IP

2022. 2. 18. 17:57ㆍMajor`/컴퓨터 네트워크

네트워크 계층 프로토콜

IP 프로토콜

- Addressing 방식 지정

- IP 데이터그램의 형식

- 패킷 Handling 방식

>> Data의 전송 관련 제어 프로토콜

>> Data Plane

라우팅 프로토콜

- Packet의 경로를 결정

RIP / OSPF / BGP / ....

>> Control Plane

ICMP 프로토콜

- Packet의 에러 보고

- 라우터의 신호 제어

>> 에러/신호 관련 제어 프로토콜

IP 데이터그램 형식 (IPv4)

고정 헤더 : Version / Header Length / TOS(Type of Service) / Total Length / Identification / Flags / Fragment offset / TTL(Time to live) / Protocol / Header Checksum / Dest IP Addr / Source IP Addr
가변 헤더 : Options
페이로드 : 데이터
- IP 데이터그램의 최소 크기 = 고정헤더 크기 = 4byte × 5 = 20byte

Version

- IP 데이터그램의 버전

IPv4 : 0x8000
IPv6 : 0x86DD

Header Length

- 고정헤더 + 가변헤더의 총 길이

어디까지가 헤더이고, 어디서부터 데이터인지 파악 가능
- Data길이 = Total Length - Header Length

TOS (Type Of Service)

- 페이로드의 Data가 필요로하는 서비스가 뭔지 알려주는 형식

필요로하는 서비스를 통해서 해당 데이터그램의 경로 선택에 반영된다
실제로 데이터그램의 목적지가 동일해도 TOS에 따라 서로 다른 경로를 통해서 목적지에 도달한다

- 실제로 사용은 거의 하지 않는다

Total Length

IP 데이터그램의 총 길이

헤더길이 + Data길이

TTL (Time To Live)

- 이 데이터그램이 건너갈 수 있는 홉의 최대 크기

홉을 거쳐갈때마다 TTL은 1씩 감소된다
목적지 도착전에 TTL이 0이 된다면 해당 홉(라우터)가 이 데이터그램에 대한 포워딩을 멈추고 Drop시킨다

Protocol

- 상위 계층(Transport Layer)의 프로토콜이 뭔지 기입

TCP = 6
UDP = 17

IP 데이터그램 단편화 & 재조립 (Fragmentation & Assembly)

이 단계에서 데이터그램의 Identification / Flags / Fragment Offset 필드가 사용된다

- 네트워크의 Link에는 링크가 전달할 수 있는 패킷의 최대크기(MTU)가 존재한다

if 데이터그램의 크기 > MTU
- 데이터그램을 분할시켜야 한다 :: 단편화 (Fragmentation)
분할된 데이터그램은 반드시 목적지에서 재조립된다
- 중간에 재조립 X
  - Internet에서 "복잡한 일"은 Edge로 넘기려하기 때문이다

Example)

- 데이터그램의 길이(총 길이 :: 헤더 + Data) : 4000

- MTU : 1500

데이터그램 길이 > MTU이므로, 해당 데이터그램을 분할시켜야 한다

- 여기서 데이터그램의 헤더 길이는 20byte라고 가정 (Options X)

- 분할된 데이터그램 각각에 대해서 당연히 각각 길이도 달라지기 떄문에

Length / ID / Flags / Offset 총 4개의 필드가 변한다
분할된 데이터그램 각각에 대해서도 헤더 길이는 20byte (Options X)

Length

1) 원본 데이터그램

- 총 길이 4000 = 헤더 길이 20 + 데이터 길이 3980

2) 분할 데이터그램 1

- 총 길이 1500 = 헤더 길이 20 + 데이터 길이 1480

3) 분할 데이터그램 2

- 총 길이 1500 = 헤더 길이 20 + 데이터 길이 1480

4) 분할 데이터그램 3

- 분할 데이터그램3의 데이터 길이 = 원본 데이터그램의 데이터 길이 - (분할 데이터그램 1, 2의 데이터 길이)

X = 3980 - (1480 + 1480) = 3980 - 2960 = 1020

- 총 길이 1040 = 헤더 길이 20 + 데이터 길이 1020

ID :: Identification

- 분할된 데이터그램의 ID는 원본 데이터그램의 ID와 동일해야 한다

그래야 목적지에서 ID별로 구분할 수 있다

Fragflag :: Flags

- 분할된 데이터그램 각각에 대해서 "내 뒤에 분할된 데이터그램이 또 있다/없다"를 알려주는 Flag

Flag = 1

- "내 뒤에 분할된 데이터그램 또 있어"

Flag = 0

- "내 뒤에 더 이상 분할된 데이터그램이 존재하지 않아"

offset :: Fragment Offset

- 전체 Data중, 분할된 각각의 데이터그램의 Data는 전체의 몇번째 Data인가를 나타내는 필드

8byte를 1로 간주하고 설정

분할 데이터그램 1 Offset : 0
분할 데이터그램 2 Offset : 1480/8 = 185
분할 데이터그램 3 Offset : 2960/8 = 370

IP주소

- Host/Router 인터페이스를 위한 32bit 식별자 (IPv4)

▶ 인터페이스

- Host/Router ~ 물리 링크(유선/무선)사이의 연결

Router는 여러 개의 인터페이스 보유
Host는 1개 or 2개의 인터페이스 보유 (유선/무선)

서브넷 (Subnet)

- IP주소는 서브넷 부분 / 호스트 부분으로 나눠진다

서브넷 부분 : 전체 네트워크에서 각각의 서브넷을 구분
호스트 부분 : 서브넷 내에서 각 Host를 구분

- 서브넷에 존재하는 Host들은 라우터 없이 서로 물리적으로 연결된다

서브넷 마스크

- IP 주소에서 어디까지가 서브넷 주소인지를 표현해준다

'/24' : IP 주소중 상위 24비트가 서브넷 주소
'/30' : IP 주소중 상위 30비트가 서브넷 주소

CIDR (Classless Interdomain Routing)

- 원래 서브넷 주소의 비트수는 클래스마다 정해져있다

A 클래스의 서브넷 비트 : 호스트 비트 = 8 : 24
B 클래스의 서브넷 비트 : 호스트 비트 = 16 : 16
C 클래스의 서브넷 비트 : 호스트 비트 = 24 : 8

- CIDR은 클래스구분없이 서브넷 비트가 임의의 개수를 가지는 것을 의미

200.23.16.0/23 = 200.23.16.0에서 상위 23bit가 서브넷 주소이다

IP주소 할당 방법

1. 개별 IP 주소를 Host에 할당

2. 시스템 관리자에 의해 파일에 IP주소 저장

거의 고정 IP이다

3. DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) 방식

DHCP로부터 Client가 동적으로 IP 주소를 할당받는다
Client는 인터넷에 연결할 때마다 IP주소를 DHCP 서버로부터 할당받는다

DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol)

- Host가 네트워크에 접속할 때 서버로부터 IP주소를 동적으로 획득

- 네트워크에 연결되었을 때만 주소를 가지므로 주소의 재사용 가능

- 짧은 시간 동안에 네트워크에 연결되는 모바일 사용자 지원

>> DHCP 서버는 Client의 새로운 주소뿐만 아니라, 첫번째 홉 라우터의 주소 / 로컬 DNS 서버 이름 + IP 주소 / 네트워크 마스크까지 추가로 준다

Example)

- 223.1.2 서브넷에 새로운 기기가 들어왔다

해당 기기가 서브넷에 들어와서 시스템을 키게 되면 → DHCP 클라이언트 프로그램이 자동 실행된다 → 해당 서브넷을 담당하는 DHCP 서버를 contact

DHCP 서버

- 일정 범위의 IP주소를 다른 클라이언트에게 할당해준다

클라이언트로부터 IP 할당 요청이 들어오면 IP를 부여해주고, 할당 가능한 IP들을 관리한다

DHCP 클라이언트

1. 시스템이 시작하면 DHCP서버에 자신의 시스템을 위한 IP주소 요청

2. DHCP 서버로부터 IP주소를 부여받으면 TCP/IP 설정이 초기화 → 다른 Host와 TCP/IP를 통해서 통신 가능

서버로부터 IP를 할당받으면 TCP/IP 통신 가능

>> DHCP discover (Client) / DHCP offer (Server) / DHCP request (Client) / DHCP ACK (Server) 총 4개의 과정으로 이루어져있다

Client, Server간의 상호작용은 전부 Broadcast 주소를 통해서 이루어진다

255.255.255.255
브로드캐스팅 : 네트워크에 존재하는 모든 Host에게 신호 전달

DHCP discover (Client)

▶ src

- Client는 아직 서버로부터 IP주소를 할당받지 않았기 때문에

자신의 IP주소를 0.0.0.0으로 설정하고 discover 메시지를 보낸다
메시지는 무조건 브로드캐스트 주소 :: 255.255.255.255로 보내야 한다

▶ dest

- 브로드캐스트의 주소로 보낸다 :: 255.255.255.255

▶ transaction ID

- 이 메시지를 구별할 수 있는 ID

같은 transaction ID를 보유한 메시지는 서로 연관있는 메시지이다

DHCP offer (Server)

▶ src

- DHCP 서버 자신의 주소인 223.1.2.5를 기입

▶ dest

- 브로드캐스트의 주소로 보낸다 :: 255.255.255.255

▶ yiaddr

- Client가 사용할 주소로 "223.1.2.4"를 보내준다

▶ transaction ID

- 이 메시지를 구별할 수 있는 ID

같은 transaction ID를 보유한 메시지는 서로 연관있는 메시지이다

▶ DHCP Server ID

- DHCP 서버의 주소 223.1.2.5를 기입

▶ Lifetime

- 할당한 주소를 Lifetime만큼 사용할 수 있도록 Client에게 부여한다

DHCP request (Client)

DHCP offer를 통해서 "서버가 제공한 IP"를 request 메시지를 통해서 "Client가 사용하고 싶어요"라고 요청하는 메시지

▶ src

- offer를 통해서 자신의 쓸 IP주소를 받았지만, 아직 해당 IP주소를 쓸 수 있는지 확인응답 메시지(ACK)를 받지 않았기 때문에 아직 클라이언트에게는 IP주소가 없다

▶ dest

- 브로드캐스트의 주소로 보낸다 :: 255.255.255.255

▶ yiaddr

- 정말 offer에서온 주소를 써도되는지 확인 용도 :: "223.1.2.4"

▶ transaction ID

- 이 메시지를 구별할 수 있는 ID

같은 transaction ID를 보유한 메시지는 서로 연관있는 메시지이다

▶ DHCP Server ID

- DHCP 서버의 주소 223.1.2.5를 기입

▶ Lifetime

- 할당한 주소를 Lifetime만큼 사용할 수 있도록 Client에게 부여한다

DHCP ACK (Server)

▶ src

- DHCP 서버 자신의 주소인 223.1.2.5를 기입

▶ dest

- 브로드캐스트의 주소로 보낸다 :: 255.255.255.255

▶ yiaddr

- DHCP ACK을 통해서 클라이언트에게 "223.1.2.4를 써라"라고 응답해준다

▶ transaction ID

- 이 메시지를 구별할 수 있는 ID

같은 transaction ID를 보유한 메시지는 서로 연관있는 메시지이다

▶ DHCP Server ID

- DHCP 서버의 주소 223.1.2.5를 기입

▶ Lifetime

- 할당한 주소를 Lifetime만큼 사용할 수 있도록 Client에게 부여한다

DHCP request 과정

- 일단 노트북을 인터넷에 연결하기 위해서는 본인의 IP 주소 / 첫 홉 라우터의 주소 / DNS 서버 주소가 필요하다

DNS 서버 주소 : 통신하려는 상대의 IP 주소를 알아내기 위해서 필요

- DHCP를 사용한다

DHCP request가 UDP/IP/802.1 이더넷 패킷으로 순차적으로 캡슐화된다
LAN상에서 이더넷 프레임이 브로드캐스트되고 DHCP 서버의 라우터가 해당 프레임을 수신한다
서버에서 역캡슐화를 통해서 DHCP request를 해석한다

DHCP ACK 과정

1. DHCP 서버가 클라이언트 IP주소 / 첫 홉 라우터의 주소 / DNS 서버 이름 + IP 주소가 포함된 DHCP ACK 메시지를 작성한다

2. DHCP ACK 메시지를 패킷으로 캡슐화해서 클라이언트에게 전송하고, 이 패킷을 클라이언트가 수신한다

3. 결과적으로 클라이언트는 원하는 결과인 클라이언트 IP주소 / 첫 홉 라우터의 주소 / DNS 서버 이름 + IP 주소를 알게된다

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Coding

네트워크 계층 프로토콜

IP 프로토콜

>> Data의 전송 관련 제어 프로토콜

>> Data Plane

라우팅 프로토콜

>> Control Plane

ICMP 프로토콜

>> 에러/신호 관련 제어 프로토콜

IP 데이터그램 형식 (IPv4)

Version

Header Length

TOS (Type Of Service)

Total Length

TTL (Time To Live)

Protocol

IP 데이터그램 단편화 & 재조립 (Fragmentation & Assembly)

이 단계에서 데이터그램의 Identification / Flags / Fragment Offset 필드가 사용된다

Example)

Length

1) 원본 데이터그램

2) 분할 데이터그램 1

3) 분할 데이터그램 2

4) 분할 데이터그램 3

ID :: Identification

Fragflag :: Flags

Flag = 1

Flag = 0

offset :: Fragment Offset

IP주소

▶ 인터페이스

서브넷 (Subnet)

서브넷 마스크

CIDR (Classless Interdomain Routing)

- CIDR은 클래스구분없이 서브넷 비트가 임의의 개수를 가지는 것을 의미

IP주소 할당 방법

1. 개별 IP 주소를 Host에 할당

2. 시스템 관리자에 의해 파일에 IP주소 저장

3. DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) 방식

DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol)

>> DHCP 서버는 Client의 새로운 주소뿐만 아니라, 첫번째 홉 라우터의 주소 / 로컬 DNS 서버 이름 + IP 주소 / 네트워크 마스크까지 추가로 준다

Example)

DHCP 서버

DHCP 클라이언트

>> DHCP discover (Client) / DHCP offer (Server) / DHCP request (Client) / DHCP ACK (Server) 총 4개의 과정으로 이루어져있다

DHCP discover (Client)

▶ src

▶ dest

▶ transaction ID

DHCP offer (Server)

▶ src

▶ dest

▶ yiaddr

▶ transaction ID

▶ DHCP Server ID

▶ Lifetime

DHCP request (Client)

DHCP offer를 통해서 "서버가 제공한 IP"를 request 메시지를 통해서 "Client가 사용하고 싶어요"라고 요청하는 메시지

▶ src

▶ dest

▶ yiaddr

▶ transaction ID

▶ DHCP Server ID

▶ Lifetime

DHCP ACK (Server)

▶ src

▶ dest

▶ yiaddr

▶ transaction ID

▶ DHCP Server ID

▶ Lifetime

DHCP request 과정

DHCP ACK 과정

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