[Computer Network] IP Protocol
The Internet Protocol(IP) : IPv4, Addressing, IPv6…
- 오늘날 인터넷의 네트워크 계층에서 가장 중요한 요소이며, 가장 유명한 Internet Protocol(IP)에 대해 알아보자.
- 오늘날, IP는
IPv4와IPv62가지의 버전으로 작동한다. - 이에 대해 공부해보고, 인터넷의 네트워크 계층을 이해하는데에 가장 중요한 요소인
Addressing에 대해서도 공부해볼 것이다.
4.3.1 IPv4 Datagram Format
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- 네트워크 계층의 패킷은
Datagram으로 불린다. IPv4에서 datagram이 어떻게 이루어져있는지 먼저 알아보자.
Version number- 4bit, IP 프로토콜의 버전을 나타낸다. Version number에 따라서 남은 bit를 어떻게 해석할것인지 결정한다.
Header length- 4bit, IPv4가 다양한 option을 가질수도 있기에, 실제 Data(payload)가 어디서부터 시작하는지 나타낸다.
- 대부분의 datagram들이 option을 가지지 않아서,
일반적으로 헤더는 20-byte를 가진다.(그림에서 option층과 data층 빼면 32bit * 5 = 20byte)
Type of service- TOS비트는 IPv4헤더에 포함되어있고, 실시간 datagram(ex, IP telephony application)과 비실시간 트래픽(ex, FTP)을 구분하기위해서 사용된다.
- 전송계층에 대해서 공부하면 TOS비트의 2개가 명시적 혼잡도 알림에 사용된다.
Datagram length- 헤더와 데이터를 포함한 datagram의 전체 길이를 byte단위로 나타낸다.
- 16bit이므로 IP datagram의 최대 길이는 65535이다.
- 일반적으로 datagram은 1500byte보다 작기에, 오버플로우 등은 크게 고려할 사항은 아니다.
Identifier, Flags, Fragmentation Offset- 이 3개는
IP fragmentation과 관련이 있다. - IPv6에서는 이를 허용하지 않는다.
- 이 3개는
Time-to-live- TTL 필드는 네트워크에서 datagram이 계속 순환하지 못하게한다.
- 이 필드의 값은 datagram이 라우터에 의해 처리될때마다 감소하고, 0이되면 이 datagram을 받은 라우터는 이 패킷을 drop해야한다.
Protocol- IP datagram이 destination에 도착했을때만 사용된다.
- 이 필드의 값은 IP datagram의 Data(payload)가 전달되어야하는 특정 전송계층 프로토콜을 나타낸다.
- 이 필드가 6이라면 TCP에, 17은 UDP에 전달된다.
- 프로토콜 숫자는 네트워크 계층와 전송계층을 연결해준다.
- 비슷하게, 포트번호는 전송계층와 응용계층을 연결해준다.
- 링크계층의 프레임에도 네트워크계층와 링크계층을 연결해주는 특수필드가 존재한다.
Header checksum- datagram을 전달받은 라우터가 bit-error를 발견하게하는 필드이다.
- 헤더의 각
2byte를 숫자로 취급하고, 이 숫자들을 모두 더한 후,one's complement arithmetic을 통해 0을 1로, 1을 0으로 바꾼다. - 이렇게 더해진 숫자는 checksum 필드에 저장된다.
- 라우터는 IP datagram을 받을때마다 header checksum을 연산하는데, datagram header의 checksum이 연산된 checksum과 다를 경우 오류를 감지한다. 라우터는 오류가 감지된 datagram을 삭제한다.
TTL필드 및 Option필드가 바뀔 수 있으므로 checksum은 각 라우터마다 다시 연산되고 저장되어야한다.- 가장 빠른 Internet checksum 알고리즘은 [RFC 1071]이다.
- 전송계층과 네트워크 계층에서 모두 checksum을 연산하는데, 그렇게 하는 이유는
- IP header는 IP 계층에서만, TCP/UDP checksum은 TCP/UDP segment에 걸쳐서 연산된다는 차이
- TCP/UDP 와 IP가 동일한 프로토콜 스택에 있을 필요가 없다.
source, destination IP address- source와 destination의 IP 주소를 필드에 작성한다.
- source host는 destination IP주소를 찾을때
DNS를 사용하기도한다.
Options- IP 헤더의 확장을 허용한다.
- 거의 사용되지 않는데, 그 이유는 이 옵션처리를 하는데에 오버헤드가 발생하기때문이다.
- Option필드로 인해 datagram필드가 가변적으로 변하기 때문에, datagram별로 라우터에서 처리되는 시간이 달라진다.
- 고성능 라우터와 host에서 IP 프로세싱에서 중요한 요소이므로, IPv6에서는 사용되지 않는다.
Data(paylaod)- 전송할 data를 작성하는 필드.
- 네트워크 계층이 전송계층 segment를 datagram화 시키므로, 이 영역은 전송계층 segment를 의미한다.
- 위의 경우는 TCP/UDP 프로토콜일때인데, data field는 ICMP 메시지같은 형태의 데이터도 옮길 수 있다.
- IP datagram 헤더의 길이가 옵션이 없는 일반적인 경우에 20byte임을 공부했는데,
만약 datagram이 TCP segment를 옮긴다면, datagram은 20byte의 IP header에 더해 20byte의 TCP헤더를 포함해 총 40바이트의 헤더를 응용계층 메시지와 함께 옮기게된다.
4.3.2 IPv4 Datagram Fragmentation
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- 모든 링크계층 프로토콜이 동일한 크기의 네트워크 계층 패킷을 옮기는 것은 아니다.
- 몇몇 프로토콜은 큰 datagram을 옮길 수 있고, 몇몇은 작은 datagram을 옮긴다.
- 예를들어, 이더넷 frame은 1500byte의 데이터를 옮기는데 반해, wide-area links는 576byte를 옮긴다.
- 링크계층 frame이 옮길 수 있는 데이터의 최대 크기를
maximum transmission unit(MTU)라고 한다.- 각 IP datagram이 캡슐화되어 링크계층 frame이 되는데,
링크계층 프로토콜의 MTU가 IP datagram의 길이에 대한 제한을 건다. - 문제는 송신자와 수신자 사이의 링크들은 다른 링크계층 프로토콜을 사용할 것이고, 다른 크기의 MTU를 가질 것이라는 것이다.
- 각 IP datagram이 캡슐화되어 링크계층 frame이 되는데,
- 라우터입장에서, IP datagram을 link로부터 전달받아 이를 포워딩해야한다.
- 포워딩테이블에서 outgoing link를 찾을 건데,
outgoing link의 MTU가 전송해야하는 IP datagram의 크기보다 작다고 생각해보자. - 이를 전송하기 위해서,
IP datagram을 작은 크기로 나누어서 전송한다. - 나누어진 IP datagram들은 각각 링크 계층 frame으로 캡슐화되어 보내진다.
- 이렇게 잘게 나누어진 datagram들을
fragment라고한다.
- 이 fragment들은 목적지에서 전송계층에 도착하기 전에 재조합되어야하는데,
TCP UDP는 네트워크 계층으로부터 완전한 datagram을 받도록 고안되어 있기때문에, IPv4에서는 datagram 재조합을 라우터에서 하는게 아닌, end system에서 하게된다.
- host가 같은 source host로부터 일련의 datagram을 받으면, 재조합을 하기위해 이 datagram이 어떤 datagram의 일부분일지, 아니면 그 자체일지를 판단해야하는데,
- 이런 판단을 할 수 있게하는 필드가
flags, identification, fragmentation offset필드이다. - datagram을 만들면 송신측 호스트는 source, destination 주소뿐만아니라
identification number를 작성한다. - 일반적으로 송신측 호스트는 datagram을 보낼때마다
identification number를 증가시키는데, router가 datagram을 나눠야한다면,fragment들은 원본 datagram의 source, destination 주소뿐만아니라 identification number정보가 붙여진다. - 특히, IP는 비신뢰성을 가지므로, 모든 fragment가 목적지에 도달하지 못할수도 있는데,
- destination host에서는 마지막 fragment의
flag를 0으로, 나머지를 1로 설정하는 방법으로 마지막 fragment를 인식하며, - 중간에 소실된 fragment를 확인하기위해
offset field를 사용해 fragment를 재조합한다.
- destination host에서는 마지막 fragment의
- 이런 판단을 할 수 있게하는 필드가
4.3.3 IPv4 Addressing
interface- host는 일반적으로 네트워크에
단일 link를 가진다.- host가 datagram을 보낼때 이 link를 통해 보내게된다.
호스트와 물리적 link사이의 경계를 interface라고 한다.
- 라우터의 역할은 datagram을 link로부터 받아서 다른 link로 포워딩하는 것이다.
- 라우터는 2개 이상의 link를 가지고 있을 수 있는데,
router와 link 사이 경계도 interface라고 부른다. - 모든 호스트와 라우터가 IP datagram을 주고받을 수 있으므로,
IP는 각각의 호스트와 라우터 자신만의 IP주소를 가진 interface를 필요로한다.
- host는 일반적으로 네트워크에
dotted-decimal-notation- IPv4에서 32bit의 길이를 가지므로, 42억개 가량의 IP주소를 가질 수 있다.
- 이 주소들은
dotted-decimal-notation으로 작성되는데, 각 1byte를 10진법으로 표현하는 방식이다. - global internet에서 모든 interface들은
NATs의 interface를 제외하곤모두unique해야한다. - interface 주소의 일부분은 interface가 연결된
subnet에 의해 결정된다.
- 위 그림은 1개의 라우터가 7개의 호스트를 연결하는 그림이다.
- host와 router의 주소를 잘 보면, 왼쪽3개의 host는
223.1.1.xxx, 하단은223.1.3.xxx, 오른쪽은223.1.2.xxx로 시작하는 것을 볼 수 있다. - IP 주소상에서 각 구역의 host들은 모두 같은
left most 24bit를 가지고 있다. - 라우터가 없는 네트워크에 서로 연결되어있다.(그림에서 라우터와 호스트 사이의 빈 공간이 네트워크임)
- 이 네트워크는 이더넷 LAN, 혹은 WIFI등으로 연결된다.
subnet mask-
- 왼쪽의 3개의 호스트의 interface와 router의 interface는
subnet이라는 것을 구성하게된다. - IP addressing은 이 subnet에
223.1.1.0/24라는 주소를 부여하게된다. - 여기서
슬래시(/24)를 subnet mask라고 부른다. - 32bit중 24bit가 subnet address를 정의한다는 것을 나타낸다.
- 따라서,
223.1.1.0/24라는 subnet은 세개의 호스트 Interface(223.1.1.1, 223.1.1.2, 223.1.1.3)와 라우터 interface(223.1.1.4)로 구성된다. - 이 서브넷에 호스트를 추가하고 싶다면,
223.1.1.xxx형태의 주소로 추가해야한다.
-
- 라우터간 연결
- 라우터 사이이에서도
subnet이 구성될 수 있다. - 위 그림에서 host와 라우터의 interface가 구성하는 3개의 subnet에 더해
- 라우터와 라우터를 연결하는 네트워크들 모두 subnet을 구성하게된다.
Classless Interdomain Routing(CIDR)- CIDR은 subnet addressing을 일반화하는데, 32bit IP address는 subnet mask에 의해 두 부분으로 분리된다.
- 서브넷 마스크는 IP address의 부분 네트워크를 구성하며, 그리고 이는 종종
prefix라고도 불린다. - 같은 prefix를 공유하는 네트워크를 organiztion이라 칭할때,
organization 밖의 라우터가 destination address가 특정 organization 안으로 포워딩한다면, 서브넷 마스크만을 필요로한다.서브넷 마스크bit의 갯수를 뺀 나머지 bit는 organization 내부에서 디바이스를 구분하는데에 사용된다.- 혹은 또 다른 서브넷을 구성하는데에 사용될 수 있다.
Classful addressing
- CIDR이전에는 IP addressing에서 Classful addressing을 사용했다.
- 클래스별로 분류해서 네트워크를 구분하는 방식이다.
- Class D와 E는 특별한 용도로 사용된다.
- 또한 각 클래스별 주소의
Start address(== NET ID bit)는 각 디바이스가 자신이 어디에 연결되어있는지 인식하는 용도로 사용되고,End address(== 다음 클래스의 NET ID bit - 1)은 broadcast 주소로 사용되어 해당 네트워크에 연결된 기기가 broadcast주소로 패킷을 보내게되면, 네트워크에 연결된 모든 기기가 그 패킷을 받게된다. - Classful addressing은 8, 16, 24bit(class A, B C)의 네트워크 part가 고정된 탓에, 불필요한 주소를 너무 많이 허용한다던가, 너무 적에 허용하는 문제가 있다.
-
Address aggregation(route aggregation, route summarization)
- 8개의 조직이
CIDR을 통해 인터넷에 연결되는 방법에 대해 묘사한다. Fly-By-Night-ISP는200.23.16.0/20과 첫 20bit가 일치하는 datagram을 전송하라고 외부에 표현한다.- 인터넷의 입장에서는 ISP가 던져주는 datagram의 첫 20bit에만 관심이 있을 뿐, 실제로 8개의 조직과 ISP가 구성하는 subnet들을 알 필요는 없다.
- 이런 방법을
Address aggregation이라고 한다.
- 8개의 조직이
- 하지만, 주소가 계층적구조로 되어있지 않다면 어떻게될까?
Fly-By-Night-ISP가ISPs-R-Us기업을 인수하고, 조직1이ISPs-R-Us로 연결되어야한다면?- 조직1의 주소블록은 ISPs-R-Us의 주소블록 바깥에 있으므로,
ISPs-R-Us의 주소블록(199.31.0.0/16)으로 조직1의 모든 라우터와 호스트의 주소를 이에 속하게 수정해줘야하지만, 이는 비용이 매우 크다.
- 이에대한 해결책으로,
조직1의 주소를 유지하고, ISPs-R-Us가 조직 1의 주소블록을 제공하면된다. 
- 조직1의 주소블록은 ISPs-R-Us의 주소블록 바깥에 있으므로,
주소블록을 얻는 방법-
어떻게 조직이 각 장치에 주소블록을 얻고, 어떻게 장치들이 조직의 주소블록으로부터 주소가 할당되는지 알아보자.
- 네트워크 관리자가 조직의 서브넷에서 사용될 IP주소 블록을 얻기위해서 ISP에 이미 할당된 더 큰 주소블록을 제공하는 ISP에 접근해야한다.
- 예를들어, ISP에는 이미 주소블록
200.23.16.20/20이 할당되어있고, 이 주소블록이 8개의 조직을 위한 동일한 크기의 주소블록으로 나뉠 수 있다. 
-
DHCP
- Dynamic Host Configuration Protocol
- 위에서 말한 조직이 주소블록을 얻었다면, 이를 통해 각각의 호스트와 라우터 인터페이스에 아이피를 할당할 수 있다.
수작업으로 모든 아이피를 할당할수도 있지만, 일반적으로DHCP를 이용한다.- 응용계층에 속한 프로토콜로써, 4절차(연결 했던적이 있다면 선행 2개 절차는 생략가능, RFC2131)로 DHCP server로부터 주소를 할당받는다.
- DHCP는 호스트가 주소를 자동으로 얻을 수 있게한다.
- DHCP는 호스트의 아이피를 주는 것 뿐만아니라, 서브넷 마스크, default gateway, local DNS server에 대한 정보를 호스트에게 제공한다.
- DHCP는 이렇게 자동화된 측면이 있어서
plug-and-play혹은zeroconf프로토콜이라고도 불린다.
NAT
-
network address translation
- 오늘날 인터넷 공유기에는 NAT 기능이 탑재되어있다.
- 패킷의 소스와 목적지의 IP주소를 NAT translation table을 통해 재기록해준다.
- 로컬 네트웨크 내에 있는 모든 호스트들은 private ip(사설 IP)를 가진다.
- (10/8, 172.16/12, 192.168/16)
- 장점
- 호스트에 IP를 주기위해서는 router에 1개의 IP주소만 주면된다.
- 로컬 네트워크 내의 호스트의 주소를 라우터 밖의 네트워크에 상관없이 변경이 가능하다.
- 로컬 네트워크 내의 주소와 상관없이, ISP의 주소를 바꿀 수 있다.
- 로컬 네트워크의 IP주소가 직접적으로 표현되지 않는다.
- 작동
outgoing datagram replace- source의 IP주소와 포트를 NAT IP adderss와 새로운 port로 변환한다
remember- 위 두개가 어떻게 변환되는지 기억하고 있어야한다.
incoming datagram replace- NAT table에서 destination의 IP주소와 포트를 source의 IP주소와 포트로 변환한다.
- 논쟁
- 주소의 부족은 IPv6로 해소되었다.
- 라우터는 layer 3까지만 처리해야하는데, 포트번호(응용계층)까지 수정해버린다.
- 클라이언트가 NAT건너의 서버에 접속하고싶을때는 어떡하는가?
IPv6
- 인터넷의 유래는 원래 국방부에서만들어진 ARPANET이다.
- 1970년대에는 인터넷이 이렇게 발달할 줄 몰랐기에, IP주소를 43억개 가량(4byte)로하면 충분할 줄 알았으나, 오늘날에는 이로는 부족하게 되었다.
형식
-
고정된 헤더크기 : IPv4에서는 optional 포맷이 존재해서 가변크기의 헤더를 가지지만, IPv6는 40byte의 고정된 헤더크기를 가진다.
- 버전 : 데이터그램이 IPv4인지 IPv6인지
- 트래픽 클래스 : 특정 데이터그램들에게 흐름 내에서 우선순위를 줄 수도 있다.
- 확장된 주소 : IPv4에서는 주소가 32bit였으나, IPv6에서는 IP 주소의 크기를 128bit까지 확장한다.
- Flow label : IP가 비연결성이나, 흐름 라벨을 통해 연결지향성을 가질 수 있게 할 수 있다.
- 라우터가 흐름 라벨 테이블을 유지하는데, 각 흐름별 요구사항을 만족시켜 특정한 처리가 가능하다.
- Payload length : 데이터그램 헤더를 포함해 데이터그램의 총 길이를 바이트단위로 표현한다.
- Next header : 이 데이터그램이 어느 프로토콜에 전달될지를 나타낸다, 전송계층에 전달된다면 TCP나 UDP가 될 것.
- Hop limit : 패킷이 이동할 수 있는 최대 횟수를 나타낸다. 0이되면 패킷이 삭제된다.
IPv4 -> IPv6(터널링)
- IPv4 기반 시스템과 IPv6기반 시스템간 통신이 불가능할까?
- 이는 일반적으로
터널링을 통해 IPv4패킷을 IPv6로 변환해서 해결한다. - 터널링은 IPv6의 데이터그램을 IPv4의 payload로 옮기는 것을 의미한다.
- IPv4 라우터를 모두 IPv6로 대체하는 것은 시간이 오래걸리기에, IPv6 라우터 사이에 IPv4라우터 네트워크가 존재할 수 있다.
- 이 경우, 일반적으로 B와 E 라우터는 IPv6, IPv4를 모두 사용할 수 있는 듀얼 스택 라우터이다.
- IPv4 네트워크 망으로 들어가는 라우터인 B에서 C라우터에 IPv6 데이터그램을 캡슐화해 IPv4 데이터그램화시키고, 이 데이터그램이 IPv4 네트워크 망을 빠져나올 시점인 E에서는 F에 캡슐화를 해제해서 IPv6 데이터그램화 시켜 F에 전달한다.
Ref : 컴퓨터 네트워크 - 하향식 접근
StackOverFlow:Why can’t I use the first or last address in a subnet?
geeks for geeks Classfull IP addressing
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