[Network] 네트워크 계층

박세건·2024년 5월 17일
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CS 학습

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데이터링크 계층으로는 같은 네트워크 안에서의 데이터 전송밖에 할 수 없다.
즉, LAN범위 이내에서만 교환이 가능한 것이다.
때문에 다른 네트워크의 목적지로 데이터를 전송하기위해 네트워크 계층이 필요하다.

네트워크 계층

다른 네트워크와 어떻게 데이터를 교환할까?

다른 네트워크로 데이터를 전송하기 위해 라우터 라는 네트워크 장비가 필요합니다.
라우터 : 목적지까지 어떤 경로로 가는 것이 좋은지 알려줌

상대의 목적지가 어딘지 알고 라우터로 경로를 설정할까?

이 때 네트워크를 식별할 수 있는 주소를 IP 주소 라고합니다.

  • 어떤 목적지로 데이터를 보낼 것이냐 : IP 주소
  • 어떤 경로를 통해서 데이터를 보낼 것이냐 : 라우팅

    라우팅 테이블 : 경로 정보를 등록하고 관리

IP

네트워크 계층에서 사용하는 프로토콜
네트워크 계층에서 캡슐화를 진행하며 데이터 링크 계층에서 데이터에 이더넷 헤더와 트레일러가 추가된것을 프레임이라고 했다

  • IP 헤더 : 데이터를 정확하게 전달하기 위한 정보들을 포함
  • IP 패킷 : 데이터에 IP 헤더를 추가한 것

IP 헤더에 출발지 IP 주소와 도착지 IP 주소가 있게된다.

IP 주소의 구조

IP 주소는 우편물을 보낼때의 주소와 같은 개념이다.

  • ISP(인터넷 서비스 제공자) 로 부터 할당 받는다

IP 주소의 종류

  • IPv4 : 8비트 * 4
  • IPv6 : 16비트 * 8

    IPv4의 주소 고갈 문제를 해결하기위해 IPv6가 등장했다.

공인 IP 주소와 사설 IP 주소

  • IPv4는 사실 이미 고갈되었고 이 문제를 해결하기위해 IPv6가 등장했지만 상용화 시키는 것은 큰 비용이 따른다.
  • 때문에 이런 문제를 해결하기위한 방법으로 공인, 사설 IP 주소가 등장했다.
  • 인터넷과 직접 연결된 컴퓨터나 라우터는 공인 IP 주소를 할당
  • 회사, 가정 LAN에 있는 컴퓨터는 사설 IP 주소를 할당

    즉, 공인 IP주소는 라우터에만 할당하고 랜 안에있는 컴퓨터에는 사설 IP 주소를 할당하거나 라우터의 DHCP 기능을 사용해서 주소를 자동으로 할당한다.
    _각각의 LAN안에서 사설 IP 주소는 중복이 가능해진다_0

    DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol) : IP 주소를 동적으로 할당해주는 프로토콜

MAC주소와 IP주소 차이

우리는 IP 주소, MAC 주소 둘다 컴퓨터의 주소라고합니다.
IP 주소는 MAC 주소로 바꿔서 사용하게 됩니다.
예를들어서, 선생님이 각 학생들에게 숙제를 받는 것보다는 반장에게 각 반 학생들의 숙제를 걷어서 최종적으로 선생님에게 도달하는 것이 효율적일 것입니다.
이때, 선생님 입장에서 반장의 위치는 IP 주소가되는 것이고 학생들의 위치가 MAC 주소가 되는 것입니다.
또한, 반장들은 학생들의 위치를 알기 때문에 IP주소는 MAC주소를 포함한다고 말할 수 있습니다.
때문에, IP 주소는 외부 네트워크와 통신하기 위한 주소라고 말할 수 있고, MAC 주소는 내부 네트워크에서 통신하기 위한 주소입니다.

  • MAC 주소
    • 데이터 링크에서 사용하는 주소
    • 물리적 주소
    • 한 네트워크 안에서 통신
  • IP 주소
    • 네트워크 링크에서 사용하는 주소
    • 논리적 주소
    • 외부 네트워크와 통신

추가적으로 IP 주소는 네트워크 ID와 호스트 ID로 나눠져 있다.

  • 네트워크 ID : 어떤 네트워크인지
  • 호스트 ID : 해당 네트워크의 어느 컴퓨터인지

IP 주소의 클래스 구조

IP 주소는 규모에 따라서 A~E 클래스로 나눠져있습니다.

  • A 클래스 : 1.0.0.0 ~ 127.255.255.255 : 대규모 : 네트워크 ID 8비트, 호스트 ID 24비트
  • B 클래스 : 128.0.0.0 ~ 191.255.255.255 : 중형 : 네트워크 ID 16비트, 호스트 ID 16비트
  • C 클래스 : 192.0.0.0 ~ 223.255.255.255 : 소규모 : 네트워크 ID 24비트, 호스트 ID 8비트

호스트 ID의 용량이 많아질 수록 해당 네트워크에 배정할 수 있는 IP 주소가 많아지기때문에 규모가 큰 것이다

D와 E 클래스도 존재하지만 특수한 용도로 사용됩니다.

네트워크와 브로드캐스트 주소

네트워크 주소와 브로드캐스트 주소는 특별히 이 둘을 위해서 지정된 주소로 다른 장치에서 사용하면 안되는 주소이다.

  • 네트워크 주소 : 네트워크를 식별하기 위한 주소
    • 호스트 ID가 0인 주소를 의미합니다.
    • 그 네트워크의 대표 주소를 의미
  • 브로드캐스트 주소
    • 네트워크 내에 모든 장비에게 한 번에 데이터를 전송하기 위해 사용되는 주소
      브로드캐스트 : 한 네트워크 내에서 모든 장비에게 동시에 데이터를 전달하는 기술

서브넷

만약 A 클래스를 사용한다면 호스트 ID는 24비트로 총 약 1500만 개의 IP 주소를 사용할 수 있게됩니다. 그렇다면 브로드캐스트 패킷을 전송하게된다면 너무 많은 IP 주소로 네트워크가 혼잡하게 되는데, 이런 상황을 해결하기 위해서 네트워크를 분할하는 방법이 등장했고 이를 서브넷팅 이라고 하고 분할된 네트워크를 서브넷 이라고합니다.

기존에 많은 부분을 차지 했던 호스트 ID 부분을 빌려서 서브넷 ID로 바꿔서 서브넷을 만듭니다

이렇게 네트워크를 분할하고 서브넷 ID를 할당해주었지만 IP 주소중에서 어느 부분이 서브넷 ID 부분인지를 파악하기가 쉽지않습니다.
이때, 서브넷 마스크 라는 값을 사용해서 편리하게합니다

서브넷 마스크 : 네트워크 ID 와 호스트 ID를 식별하기 위한 값
0과 1로 어디까지가 네트워크 ID이고 어디부터 호스트 ID인지를 식별할 수 있게 합니다.
1은 네트워크 ID를 의미하고, 0은 호스트 ID를 의미합니다.
ex) 서브넷 마스크 : 11111111.11111111.1111110.00000000

예를들어서, 11000011.00111100.0101010.101010 라는 IP 주소가 있을때,
만약 서브넷 마스크를 11111110.00000000.00000000.00000000 로 설정하게 된다면 7비트 의 크기에 네트워크를 할당하고 나머지 25의 비트에 호스트를 할당받게됩니다. 하지만 서브넷 마스크를 11111111.11111110.00000000.00000000 로 설정하게된다면 15비트의 네트워크 ID를 갖게되고 17비트의 호스트 ID를 갖게되서 이전보다는 좀더 경량화된 서브넷을 갖게되는 것입니다.

라우터

라우터란, 직접적으로 네트워크를 분리시켜주는 장치입니다.

만약 스위치만 있는 네트워크를 사용하게된다면 연결된 스위치들과 컴퓨터, 그밖에 장치들 모두 같은 네트워크에 속하게되고 분리할 수 없게됩니다.

라우터를 통해서 네트워크가 나눠졌다면 1번 네트워크에 있는 A 컴퓨터는 2번 네트워크에 있는 B 컴퓨터에게 어떻게 데이터를 전송할까?

다른 네트워크 장치에게 데이터를 전송하기 위해서는 라우터의 IP주소를 설정 해야합니다.
즉 라우터에 의해 분할된 네트워크 안에서 데이터를 전송하기 위해서는 라우터를 통해서 나가야하고 그렇다면 라우터의 IP 주소가 설정되어야합니다.
우리는 라우터의 출압구를 설정하는 것은 라고합니다

** 보통 게이트웨이 주소는 해당 네트워크 주소에 첫번째 주소를 설정합니다.
ex) 192.168.1.0/24 네트워크라면 게이트웨이 주소는 192.168.1.1 로 설정합니다.

게이트 웨이 주소를 설정했다면 게이트웨이 주소를 통해서 목적지까지 보내져야하는데 이때 최적의 경로를 통해서 데이터를 전송해주는 것을 라우팅 이라고합니다.

라우팅

목적지 까지 최적의 경로를 통해서 데이터를 전달합니다.

이때 경로의 정보가 저장되어있는 저장소를 라우팅 테이블 이라고합니다.

라우팅 테이블 등록 방법

  • 수동
    • 일일이 하나씩 라우터에 등록
    • 소규모에 적합
  • 자동
    • 라우터끼리 서로 교환해서 라우팅 테이블을 자동으로 수정
    • 대규모에 적합

용어 설명

  • 이더넷이란?
    • 같은 지역의 네트워크인 LAN을 유선으로 구현하는 기술 방식
    • 네트워크 만들기 키트와 같은 개념
  • 스위치란?
    • 컴퓨터, 프린터, 공유기 등의 장비들을 연결하여 네트워크를 구성하는 장비
    • 연결된 장치간의 데이터 전송을 관리
  • 스위치 종류?
    • 사용하는 계층에따라서 L2스위치(2계층 사용), L3 스위치(3계층 사용), L4스위치, L7 스위치
  • 트레일러?
    • 각각의 계층을 거치면서 앞에 헤더가 추가된다면 뒤에 트레일러가 추가된다.
    • 데이터의 끝에서 데이터의 무결성을 보장
  • LAN?

    집, 사무실, 회사와 같은 네트워크에서 동일한 IP 대역과 동일한 Subnet Mask를 사용하고 ARP(Address Resolution Protocol)이 닿는 모든 범위

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