Network Layer (in TCP/IP 4 Layers)

2023.04.13 - [Network/Network 스터디] - Application Layer (in TCP/IP 4 Layers)

2023.04.29 - [Network/Network 스터디] - Transport Layer (in TCP/IP 4 Layers)

Application Layer (in TCP/IP 4 Layers)

Transport Layer (in TCP/IP 4 Layers)

이전 포스팅에서 TCP/IP 4계층의 응용 계층과 전송 계층을 다루었다.

이번에는 Top-Down 방식에서 그다음 계층인 네트워크 계층에 대해 알아보자.

 

 

네트워크 계층(Network Layer)

네트워크 계층은 엔드포인트에만 존재하는 전송 계층과는 달리, 네트워크 전반에 걸쳐 존재하는 라우터들에 모두 존재하는 계층이다. 

따라서 네트워크 계층은 엔드포인트 간 통신 시, 엔드포인트들의 각 전송 계층 사이에 위치하여 올바른 엔드포인트에 전달하는 역할을 수행한다.

전송 계층의 TCP가 신뢰할 수 있는 통신을 보장하는 것과 달리, 네트워크 계층은 이를 위해 최선의 방식을 택하기는 하지만 '보장'은 해주지 않는다. 이를 일반적으로 네트워크 계층이 '최선형 연결 서비스'를 제공한다고 표현한다.

네트워크 계층에서 사용하는 데이터 형식은 데이터그램으로, 전송 계층의 세그먼트를 페이로드로 가지며 데이터그램 헤더를 포함한다.

 

IP 주소 체계

xxx.xxx.xxx.xxx

IP 주소는 보통 위와 같은 형식으로 표현된다.

위 형식의 각 세자리 수는 0 ~ 255의 범위를 가지는데, 이는 0 ~ 2^8를 의미하며 따라서 각 세자리는 8비트에 대응된다. 이러한 구성이 4개 존재하니 IP 주소는 결국 32비트, 4바이트의 크기를 갖게 되는 것이다. 이를 통해 식별해낼 수 있는 IP 주소의 수는 4,294,967,296개에 달하지만 이조차도 현재는 부족한 상황이다.

이 세상에 인터넷을 사용하는 모든 기기에 약 43억개의 IP를 하나씩 대응시킨다면 어떨까? 만약 IP 주소가 이와 같이 관리된다면 IP 주소는 턱없이 부족하여 금방 고갈되고 말 것이다. (이렇게 관리되는 IP를 공인 IP라고 한다. 물론 지금도 부족하여 고갈된 상황이긴 하다.) 이런 상황에서 IP 주소를 더 효율적으로 관리하기 위해 서브넷이라는 개념을 도입할 수 있다.

서브넷

서브넷이란 IP 주소의 부분 집합을 참조하는 개념이다.

이게 무슨 말이냐면 IP 주소를 네트워크 파트와 호스트 파트로 나누고 특정 호스트를 찾아가는 과정을 '특정 네트워크의 특정 호스트' 방식으로 수행한다는 의미이다. 

이를 위해 서브넷 마스크라는 것이 존재한다. 서브넷 마스크는 IP 주소 내 어디까지가 네트워크 파트인지 알리는 역할을 한다.

예시를 들자면,

만약 IP 주소가 123.456.789.123/24 로 표현될 때 / 뒤의 24는 서브넷 마스크가 되고 해당 주소의 네트워크 파트는 123.456.789 까지 임을 의미한다. IP 주소는 기본적으로 32비트이기 때문에 24가 의미하는 바는 32비트 중 앞에서부터 24비트는 네트워크 파트 임을 의미하는 것이다. 

이를 통하면 특정 라우터 이하에 사설 IP를 사용할 수 있게 된다. 만약 위와 같이 서브넷 마스크가 24인 경우, 해당 IP의 라우터 이하의 사설 IP를 2^8=256개를 사용할 수 있게 된다. (물론 256개를 모두 사용할 수 있는 것은 아니고, 첫번째 주소는 네트워크 자체(서브넷)의 주소로 사용되고 마지막 주소는 브로드캐스팅 주소로 사용된다.)

서브넷은 꼭 8의 배수로 끊어야 하는 것은 아니며, 범위 내 어떤 수라도 이용될 수 있다.

서브넷을 사용하면 위처럼 IP 주소를 더 효율적으로 관리할 수 있어진다. 또한 서브넷 외부에서는 서브넷 내의 특정 호스트를 특정할 IP 주소를 얻을 수 없기 때문에 보안상의 이점도 생긴다. 

그런데 한가지 의문이 들 수 있는 것은, 그렇다면 서브넷 이하의 호스트와 공인 IP를 사용하는 서버 간에는 어떻게 통신을 수행하느냐이다. 이 역할을 NAT라고 하는데, Network Address Translation의 약자이다. 이 역할은 라우터나 방화벽 같은 네트워크 장비에서 수행된다. NAT가 작동하는 방식은 다음과 같다. NAT 장비에서 서브넷 사설 IP 주소와 NAT 장비의 포트와 매칭을 시킨 뒤, 서브넷 내부의 호스트의 요청을 NAT 장비의 특정 포트에서 나가는 통신 요청으로 둔갑시켜 이를 수행한다.

IPv6

IPv4의 주소 고갈 문제를 해결하기 위해 IPv6의 도입이 꾸준히 논의되고 있다.

IPv4가 32비트 주소라면, IPv6는 128비트 주소이기 때문에 거의 무한한 수의 주소를 식별할 수 있다. IPv6를 사용하면 행성의 모든 모래 알갱이를 식별할 수 있다는 우스갯소리도 존재한다.

다만 IPv6의 도입은 아직까지 많이 수행되지는 않았다.

 

라우팅 알고리즘

네트워크 전역에 존재하는 네트워크 계층들은 통신 시 네트워크 패킷이 최적의 경로를 따라 이동하도록 하는 역할을 수행한다. 특정 호스트에서 목표 호스트로 이동하는 패킷의 경로를 설정하는 것을 라우팅이라고 하는데, 경로를 설정하는 다양한 라우팅 알고리즘이 존재한다.

링크 상태(LS) 라우팅 알고리즘

해당 알고리즘은 네트워크 상의 모든 이동 비용 관련 정보를 모든 노드가 알고 있다는 가정 속에서 출발한다. 이를 위해 네트워크 상의 노드는 브로드캐스트 기능을 통해 자신의 정보를 모든 노드들과 공유한다. 

이 말은 즉, 네트워크 그래프에 대한 모든 정보를 알고 있는 것이기 때문에 이 경우에 사용할 수 있는 경로 탐색 알고리즘인 다익스트라 알고리즘을 통해 경로를 계산한다.

거리 벡터(DV) 라우팅 알고리즘

앞서 설명한 링크 상태 라우팅 알고리즘이 각 노드 네트워크 전체 그래프 정보를 알고 있어야 했다면, 거리 벡터 라우팅 알고리즘은 각 노드에서 자신의 이웃 노드에 대한 정보만 활용한다.

해당 알고리즘은 벨만-포드 알고리즘을 사용하는데, 해당 알고리즘이 작동하는 방식은 다음과 같다.

1. 특정 노드의 인접 노드에 자신의 초기 노드 테이블을 전송한다. 이 때 각자의 노드 테이블에는 출발 노드에서 이웃 노드로의 이동 비용이 명시되어 있고, 이웃하지 않은 노드는 비용이 무한대라고 가정한다.
2. 이웃한 노드들로부터 노드 테이블을 전송 받을 경우, 해당 노드 테이블을 갖고 자신의 노드 테이블을 갱신한다. 
3. 갱신한 노드 테이블을 통해 각 출발 노드에서 도착 노드로의 이동 비용을 재계산한다.
4. 특정 이웃으로의 이동 비용의 갱신이 이루어졌을 경우, 이를 이웃 노드에 전송한다.

이러한 과정을 반복하면 특정 노드에서 다른 노드로의 계산된 비용은 실제 최소 비용에 근사하게 된다.

또한 모든 노드의 테이블 갱신이 끝날 경우 더는 노드 테이블의 전송이 발생하지 않기 때문에 네트워크 상 변화가 발생할 때까지 알고리즘이 정지 상태에 들어간다.

LS 라우팅 알고리즘 vs DV 라우팅 알고리즘

두 알고리즘을 간단히 비교하면 다음과 같다.

	LS 라우팅 알고리즘	DV 라우팅 알고리즘
요구 네트워크 정보	전체 네트워크의 모든 노드, 엣지에 대한 정보	이웃 노드와 그 사이의 엣지 정보
네트워크 변화 시 최적 경로 수렴 시간	전체 구조를 알기 때문에 빠르게 수렴	이웃 간 통신만 수행하기 때문에 느리게 수렴
리소스 사용량	전체 네트워크 구조에 대한 저장, 처리를 위해 많은 리소스 필요	이웃 간 계산만 수행하기 때문에 비교적 적은 리소스 필요
안전성	네트워크 변화에 더 빠르게 대처하고 음의 순환을 피할 수 있기 때문에 안정적임	음의 순환, 카운트 투 인피티니 문제에 상대적으로 취약
네트워크 규모	큰 규모의 네트워크에서는 사용이 제한적일 수 있음	이웃 노드 간 통신 만을 수행하기 때문에 큰 규모의 네트워크에서도 잘 작동
사용 프로토콜	OSPF 프로토콜	BGP 프로토콜
사용 예시	특정 AS 내에서의 라우팅	ISP 간의 라우팅

즉, 어느 하나의 알고리즘이 더 낫다고 말할 수 없기 때문에 실제로는 네트워크의 특성, 규모에 따라 다른 알고리즘이 사용된다.