[네트워크 스터디] 5 네트워크 계층 : 목적지에 데이터 전달하기 (IP, 라우터, IP 주소, 서브넷, 라우팅)

 

네트워크 계층의 역할

수많은 네트워크는 네트워크 끼리의 연결로 거대한 하나의 인터넷이 되었다. 다른 네트워크에 있는 목적지로 데이터를 전송하고자 할 때는(네트워크 간 연결), OSI 계층 중 네트워크 계층에서 관여한다.

앞에서 살펴본 데이터 링크 계층에서는 이더넷 규칙을 기반으로 데이터 전송을 책임졌다. 그러나 데이터 링크 계층의 기술만으로는 수많은 네트워크가 연결된 환경에서 인터넷이나 다른 네트워크로는 데이터를 전송할 수 없다.

OSI 7 계층

이때 다른 네트워크로 데이터를 전송하기 위해서 라우터(router)라는 네트워크 장비를 이용한다. 라우터는

• 데이터의 목적지가 정해지면,
• 해당 목적지까지 어떤 경로로 가는 것이 좋은지 알려주는 기능을 한다.
• 그러나 데이터를 전송하려는 목적지가 어디에 있는지 모른다면, 라우터도 당연히 경로를 알려줄 수 없다.
• 데이터 링크 계층에서는 MAC 주소만으로 랜 내에서 통신이 가능했으나, 네트워크 계층에서는 MAC 주소가 아닌 네트워크를 식별할 수 있는 IP 주소를 쓴다.

IP 주소는 쉽게 말해 어떤 네트워크의 어떤 컴퓨터인지를 구분할 수 있게 해주는 주소이다. 위에서 라우터는 목적지가 정해지면 해당 목적지로 가는 경로를 알려주는 기능을 한다고 했다. IP 주소로 목적지를 지정하고 난 후에는, 해당 목적지까지 어떤경로로 데이터를 보낼지 결정해야 한다. 이를 라우팅(routing)이라고 한다.

 

🔍 레이어 3 스위치 : 이 장비도 라우팅을 할 수 있다고 한다. '레이어 2 스위치' 또는 '스위칭 허브'라 불리는 스위치와 구분할 것. 레이어 3 스위치는 네트워크를 분할하여 라우팅하는 네트워크 장비이다.

 

 

라우터의 예

 

라우터는 위 그림처럼 생겼는데, 거리와 무관하게 다른 네트워크의 기기로 데이터를 보낼 수 있게 해준다. 라우터는 또한 라우팅 테이블(routing table)로 경로 정보를 등록하고, 관리한다.

IP란?

네트워크 계층에 존재하는 Internet Protocol. 이 IP로 인해 다른 네트워크의 목적지까지 데이터 전송이 가능했다. TCP/IP 용어에서의 IP이다.

네트워크 계층에서 캡슐화할 때는, 아래 같은 IP 헤더를 붙인다.

 

🔍 캡슐화 : 각 계층에서는 데이터 앞 부분에 필요한 정보를 헤더에 담아 전달하는데, 헤더에는 데이터를 전달받을 상대에 대한 정보가 포함된다. 이렇게 헤더를 붙여나가는 것을 캡슐화라고 한다. (↔역캡슐화)

Version	Header Length	Service Type	total length(전체 패킷 길이)
ID (Identification, 일련변호)			flags(조각 상태)	fragment offset(조각의 위치)
TTL	Protocol	Header checksum
출발지 IP 주소 (source IP address, 32 비트)
목적지 IP 주소 (destination IP address, 32 비트)

캡슐화 시 데이터 앞에 붙이는 IP 헤더의 구성은 위 표와 같다.

이렇게 데이터에 IP 헤더 가 추가된 형태를 IP 패킷이라고 한다. 데이터 링크 계층에서는 프레이밍의 결과로 프레임을 만들었는데, 이번 네트워크 계층에서는 IP 패킷이라는 이름을 사용한다. 각 계층에서의 용어가 달라진다.

IP 주소의 구조

IP 주소는 ISP(인터넷 서비스 제공자)에게 제공받을 수 있다. IP 주소는 또한 두 가지 버전이 존재한다.

• IPv4(Internet Protocol version 4) : 32비트로 이루어져 있어 약 43억 개의 IP 주소를 만들 수 있었다. 하지만, 인터넷의 보급으로 IP 주소가 부족해지자 IPv6 주소를 사용하게 됐다.
• IPv6(Internet Protocol version 6) : 128 비트로 되어 있어 약 340 간(癎) 개를 만들 수 있다. 사실상 무한대만큼 만들 수 있다! IP 주소가 기하급수적으로 증가하자, 가정의 TV, 에어컨 같은 가전 기기에도 인터넷을 연결해 통신할 수 있게 됐다.

 

당분간은 IPv4와 IPv6가 공존하며 사용된다. 아래의 설명은 IPv4를 기준으로 삼는다.

IP 주소는 또한 공인 IP 주소와 사설 IP 주소로 나뉜다. 여기서 공인 IP 주소가 ISP로부터 제공받는 IP이다. 이전에는 IP 주소의 수가 부족한 현상 때문에 인터넷에 직접적으로 연결되는 컴퓨터나 라우터에는 '공인 IP 주소'를 제공받고, 회사, 집, 가정의 랜에는 '사설 IP 주소'를 할당하는 방식으로 주소 부족 문제를 해결했다.

공인 IP 주소와 사설 IP 주소

공인 IP 주소와 사설 IP 주소

이처럼 LAN 내 컴퓨터가 여러 대 있다면, 각 컴퓨터에 공인 IP 주소를 할당하기 어려우니, 공인 IP 주소는 라우터에게 할당하고, 랜 내 컴퓨터들에게는 랜의 네트워크 관리자가 자유롭게 사설 IP 주소를 할당하거나 라우터의 DHCP 기능을 사용해 주소를 자동으로 할당해준다.

 

🔍 DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol) : IP 주소를 자동으로 할당하는 프로토콜

 

이때 공인 IP 주소와 사설 IP 주소는 모두 동일하게 2진수의 32 비트를 사용한다. IP 주소는 구분을 쉽게 하기 위해 10진수로 표기한다.

 

🔍 MAC 주소는 총 48비트로, 구분하기 쉽게 16진수로 표현됐다.

 

IP 주소의 범위

이 32비트의 IP 주소는 사람이 읽기 쉽도록 8비트(옥텟; octec)씩 끊어 표시한다. 8비트는 각각 10진수로 변환되어 사람이 읽기 쉽게 표기된다. 따라서 10진수로 표기된 IP 주소는 실제로 2진수로 이루어졌다.

각 옥텟은 숫자의 범위가 또 정해져 있는데, 아래와 같다.

 

• 8비트의 범위 : 00000000 ~ 11111111
• 10진수의 범위 : 0 ~ 255

네트워크 ID와 호스트 ID

IP 주소는 아래 두 ID로 이루어져 있다.

• 네트워크 ID : 어떤 네트워크인지 식별해준다.
• 호스트 ID : 해당 네트워크의 어떤 컴퓨터인지 식별해준다.

네트워크 ID는 네트워크 주소라고도 부르는데, 다른 의미로도 사용되어 여기에서는 ID라는 용어를 씀.

마찬가지로 호스트 주소라고도 번역되지만, 호스트 ID라는 용어를 씀.

 

 

IP 주소의 클래스 구조

IP 주소는 또한, 네트워크의 규모에 따라 A부터 E까지 클래스를 나눌 수 있다. 위에서 살펴본 것처럼 IPv4의 주소는 32비트이다. 이때 IP 주소는 네트워크 ID, 호스트 ID로도 나눠 생각해볼 수 있다고 했는데, 바로 이 ID들을 크게 만들거나 작게 만들며 네트워크의 크기를 조정하는 것이다. 네트워크의 크기가 바로 클래스 개념이다.

 

클래스 이름	내용	공인 IP 주소의 범위	사설 IP 주소의 범위	구분
A 클래스 (8비트 네트워크 ID + 24비트 호스트 ID)	대규모 네트워크 주소	1.0.0.0 ~ 9.255.255.255 11.0.0.0 ~ 126.255.255.255	10.0.0.0 ~ 10.255.255.255	일반 네트워크에서 사용 가능한 범위
B 클래스 (16비트 네트워크 ID + 16비트 호스트 ID)	중형 네트워크 주소	128.0.0.0 ~ 172.15.255.255 172.32.0.0 ~ 191.255.255.255	172.16.0.0 ~ 172.31.255.255
C 클래스 (24비트 네트워크 ID + 8비트 호스트 ID)	소규모 네트워크 주소	192.0.0.0 ~ 192.167.255.255 192.169.0.0 ~ 223.255.255.255	192.168.0.0 ~ 192.168.255.255
D 클래스	멀티캐스트(Multicast) 주소
E 클래스	연구 및 특수용도 주소

사설 IP 주소는 절대 공인 IP 주소로 사용할 수 없다.

가정에서의 랜은 주로 C 클래스의 사설 IP 주소인 192.168. x.x가 사용된다. cmd 창에서

ipconfig

명령어로 자신의 IP 주소를 확인할 수 있다.

 

네트워크 주소와 브로드캐스트 주소의 구조

컴퓨터나 라우터가 자신의 IP로 사용하면 안 되는 두 가지 주소가 있다.

• 네트워크 주소 : 호스트 ID가 10진수로 0, 즉 2진수로 00000000인 주소.
• 브로드캐스트 주소 : 호스트 ID가 10진수로 255, 즉 2진수로 11111111인 주소.

이 두 주소가 특별해서 IP로 사용할 수 없는 데에는 이유가 있을 것이다. 네트워크 주소는 전체 네트워크에서 작은 네트워크를 식별하기 위해 사용된다. 그래서 호스트 ID가 0이면 그 네트워크 전체를 대표하는 네트워크 주소가 되는 것이다. 가령 192.168.1.1 ~ 192.168.1.6이라는 IP를 가진 컴퓨터들의 네트워크 주소는 192.168.1.0이다.

 

네트워크의 범위

브로드캐스트 주소는 네트워크에 있는 컴퓨터나 장비 모두에게 한 번에 데이터를 전송할 때 사용되는 전용 IP이다.

서브넷의 구조

서브넷(subnet)이란?

IP 주소는 위에서 살펴본 것처럼 A~E까지의 클래스로 나뉜다. 그런데 만약, 대규모 네트워크인 A 클래스의 네트워크에서 브로드캐스트 패킷을 전송한다면 어떨까? 분명히 네트워크가 혼잡해지고, 내부의 모든 컴퓨터에 패킷이 전송되어 네트워크가 지연될 것이다. 그래서 A 클래스 같은 대규모 네트워크는 작은 네트워크로 쪼개져 브로드캐스트로 전송되는 패킷의 범위를 줄일 필요가 있다.

또는, 중소기업 규모의 회사에 클래스 B를 할당하는 상황을 가정해보자. 이 업체는 클래스 B가 가지는 아이피를 다 활용하지 않아 쓰이지 않고 남는 IP가 존재할 수 있다. 하나의 클래스로 전체 IP 관리하기 비효율적이다. 그렇다고 더 작은 규모의 클래스 C를 할당 받자니 자원이 부족한 현상이 있다.이런 때에 실질적으로 사용하는 네트워크의 장치 수에 따라서 더 소규모 단위의 네트워크를 많이 만들 수 있는 서브넷이 등장했다. 덕분에 IP 주소를 훨씬 잘 활용할 수 있는 것이다.

 

A 클래스 네트워크를 서브넷팅(네트워크 분할)을 해 B 클래스 네트워크처럼 작은 단위로 나눈다. 그러면 이렇게 분할된 네트워크가 서브넷(subnet)으로 불린다. 한국어로는 '부분망'으로 부를 수 있겠다.

 

A 클래스는 8 비트의 네트워크 ID 와 24 비트의 호스트 ID를 갖는데, 이를 서브넷팅하면 기존에 네트워크 ID, 호스트 ID로 이루어지던 IP 주소가 네트워크 ID, 서브넷 ID, 호스트 ID로 나뉘게 된다. 즉, 원래 호스트 ID로 사용되던 비트의 일부를 빌려 서브넷 ID로 만드는 것이다.

서브넷 마스크란?

그런데 이렇게 IP 주소를 서브넷팅하면 어디까지가 네트워크 ID이고, 어디까지가 호스트 ID인지 판단하기 어렵지 않을까? 그럴 때 서브넷 마스크값을 쓰면 유용하다. 서브넷 마스크값은 서브넷 ID를 제외한 네트워크 ID, 호스트 ID를 식별하기 위한 값이다. 서브넷 마스크도 기본적으로는 iP 주소처럼 32 비트의 이진수 값이다.

 

클래스의 범위	서브넷 마스크	Prefix 표기법으로 나타낸 서브넷 마스크
A 클래스	255.0.0.0	/8
B 클래스	255.255.0.0	/16
C 클래스	255.255.255.0	/24

 

프리픽스 표기법은 단순히 서브넷 마스크를 슬래시를 이용해 /비트 수로 나타낸 것을 의미한다.

 

만일 A 클래스의 IP를 두 개의 서브넷으로 쪼개고 싶다고 한다면, 서브넷마스크에서 비트의 수가 /8에서 /9로 변하고, 이 말은 서브넷 마스크가 255.0.0.0이 255.128.0.0으로 변한다는 뜻이다. A 클래스가 두 개의 부분망으로 나뉜다. 즉, 한 비트씩 서브넷 마스크에 추가할 때마다 네트워크의 크기는 두 개로 증가하고, 할당 가능한 호스트의 수는 2로 나누어 진다. 그리고 이를 가능하게 해주는 네트워크 장비가 바로 라우터다.

 

 

라우터의 구조

라우터는 네트워크를 분리한다. 스위치만 있는 네트워크는 모두 동일 네트워크에 속한다.

라우터와 달리 스위치(레이어 2 스위치)는 스위치만 있을 경우 모두 같은 네트워크에 묶이게 된다. 허브 역시 스위치처럼 네트워크를 분리하는 기능은 없다.

그렇다면, 네트워크가 분할된 상태에서 한 쪽 네트워크에서 다른 쪽 네트워크로 접속하고자 하면 라우터에서는 무슨 일이 일어날까? 우선 네트워크에 접속하고자 하는 기기가 다른 네트워크에 데이터를 전송하기 위해서는 라우터의 IP 주소를 설정해야 한다. 즉, 네트워크의 출입구를 설정하는 것으로 기본 게이트웨이(default gateway)라고 부르는 것이다.

 

 

라우터의 IP 주소를 설정하고 데이터르르 전송한다.

만일 윈도우10에서 '자동으로 IP 주소 받기'에 체크가 되어 있다면, 네트워크 외부에 접속할 떄 사용되는 기본 게이트웨이가 자동으로 설정된다.

 

이렇게 기본게이트웨이가 설정되었다면, 추가로 라우터의 라우팅(routing) 기능을 사용해 외부 네트워크로 데이터를 보낼 수 있다.

 

라우팅이란?

라우팅은 경로 정보를 기반으로 현재의 네트워크에서 다른 네트워크로 최적의 경로를 통해 데이터를 전송하는데, 이 경로 정보가 등록되어 있는 테이블이 라우팅 테이블이다.

라우팅 테이블은 네트워크 관리자가 수동으로 등록해도 되고, 자동으로 등록해도 된다.

• 수동으로 등록하는 방법 : 소규모 네트워크에 적합
• 자동으로 등록하는 방법 : 대규모 네트워크에 적합하다. 라우터 간에 경로 정보를 서로 교환하여 라우팅 테이블 정보를 자동으로 수정해주기도 한다.
  • 이처럼 라우터 간에 라우팅 정보를 교환하기 위한 프로토콜을 라우팅 프로토콜이라고 한다. 대표적 라우팅 프로토콜은 RIP, OSPF, BGP 등이 있다.

레퍼런스

모두의 네트워크(한빛)

서브넷, 서브넷 마스크