[컴네] 4. Network Layer

목차

 

큰 네트워크 단위를 다룸 WAN

sender 송신자 : 세그먼트를 Header 데이터그램(패킷 생성)으로 캡슐화 하고, Data link 계층으로 전달

receiver 수신자 : 세그먼트를 transport 계층으로 전달

라우터 대 라우터 통신 → LAN(프레임 화 된 상태)

forwarding, routing 구분

• forwarding 포워딩 : 패킷을 라우터 데입력 링크에서 적절한 라우터 출력 링크로 이동
  • 1대의 라우터로 input, output 제어.
  • 패킷이 라우터 내에서 어떻게 이동할지 결정
• routing 라우팅 : 소스에서 목적지까지 패킷이 따르는 경로 결정
  • 여러대 라우터.
  • 전체 네트워크 상에서 패킷의 이동경

Data plane VS Control plane

네트워크 장치가 패킷을 처리하는 두가지 주요 방식

1. Data plane 전송부 : 라우터에 들어온 데이터를 여러 output 중에서 어디로 데이터그램을 보내야 하는지 결정
   • 라우터 마다 스위치로 포워딩 개념 사용
   • 패킷의 헤더에 Ip address 확인

1. Control plane 제어부 : 네트워크의 전체적인 동작을 제어하고 관리하는 역할. 장비를 제어하는 뇌
   • 소스 호스트에서 목적지 호스트까지 경로를 따라 데이터그램이 어떻게 라우팅되는지를 결정
   • WAN, 라우팅, 라우터끼리 output 통신
   • Per-router control plane : 개별 라우터(1개)가 독립적으로 컨트롤 프레인 기능 수행
     • 분산 라우팅 알고리즘
     • 변화에 유연, 최적의 경로찾기에는 복잡
   • Software Defined Networking (SDN) control plane : 
     • Control, Data plane 제어부와 전송부 분리
     • 중앙집중화 된 원격 컨트롤러에서 라우터에 포워딩 테이블을 계산하고 설치
     • remote controller : 수많은 라우터를 전체 관리하는 역할
     • control agent : 각 라우팅 내부 장비. remote controller에 패킷 및 상태 정보 보고

Router architecture overview

switching fabric

input, output 매칭, 연결, 매핑. 물리적 중간역할. 빠른속도로 forwarding을 결정함

• star topology 구조 중간자
• 속도 NR = R (bps) X N (input port)
• NR은 라인속도(R)의 N배가 바람직
• 종류 : memory, bus, interconnection network

input port

패킷을 비트 프레임으로 받아와 데이터그램화 하여 받아옴. 헤더필드 ouput port 조회

• input 데이터 받아오는(들어오는) 속도 a
• switch fabric을 통해 output 포트로 전달하는 속도 b
• input port queuing(버퍼)
  • 처리속도b가 들어오는속도a보다 빠르면 ok
  • 처리속도가 느리면, 임시 패킷 저장소 Queue 큐에 저장하고 FIFO로 전달
  • 한개의 output port에 2개의 input이 들어온다면 동시에 처리가 불가능하기 때문에 input Queue에 delay 시킴
    • output에도 Queue가 있을수도, 없을수도
• 패킷처리방법
  • generalized forwarding(현재) : 패킷 헤더의 여러 필드 정보를 보고 종합적으로 고려하여 전달을 결정한다
  • source IP address, destination IP address, Port number, protocol type 등
  • destination-based forwarding(과거) : 패킷의 헤더의 많은 정보 중에 dest 목적지 주소만 보고 전달
    • forwarding table
    • 1번칸 : 200.23.16.0 through 200.23.23.255 범위의 dest address 패킷을 0번 포트로 보낸다

 

output port

패킷 처리하고 외부전송하는 포트

• output port queuing
  • R보다 느리면 버퍼(Queue)가 있어야 delay 발생시 큐에 저장하고, 다음 time stack 때 큐에 저장한 값 가져와서 처리 FIFO
  • 망 중립성
    • 패킷간의 우선순위 Priority 큐 구조를 따를경우? 우선순의가 높은 패킷을 사용하는 유저는 빠르게, 낮은 패킷은 속도에 제한을 가짐
    • 불공평하기 때문에 일반사용자 안에서는 패킷의 우선순위를 사용하면 안된다
    • 통신사 ISP 들이 라우터를 구축할때 고성능의 데이터 처리 속도를 보장해야한다
    • 법적규제

IP Datagram format

32bit = 4byte

TCP →  세그먼트 헤더 20byte + IP 헤더 20byte = 40byte의 헤더필드가 보장되어야 한다

1. ver : IP protocol version number
   • 0100 → IPv4 : 사용중 dotted decimal(192.168.1.1)
   • 0110 → IPv6 바뀌면 전체 헤더 구조가 바뀌어야한다
2. header length : 4bype
3. type of service
4. length : 전체 패킷(데이터그램) 길이 16bit 구성 → 0~2^16-1개 → 1500byte로 제한
5. 16-bit identifier, flags, fargment offset : IP fragment 단편화. 쪼개서 전송하고 다시 재조합하는 정보
6. time to live : TTL 패킷의 수명. 라우팅 될때마다 TTL을 1싹 감소, 0이되면 버려짐. 잘못된 라우팅으로 생기는 무한루프를 방지 → 버퍼, 트래킹 문제점 발생
7. upper layer : dest에 도착하면 사용됨. dest의 전송계층의 특정 프로토콜 명시(ex. TCP or UDP)
8. header checksum : 헤더 필드 에러 감지 → 재조합, source, dest를 위해
9. source IP address(IPv4:32bits, IPv6:128bits)
10. destination IP address
11. options
12. payload data(variable length, typically a TCP or  UDP segment)

IPv4 : 32 bit 구성됨. 점으로 구성된 주소체계

0~255 = 2^8-1 = 11111111 = 255

• 인터페이스 : 호스트와 물리계층 사이의 경계 → 파란색 영역
• 라우터 : 여러개의 인터페이스
• 호스트 : 하나 또는 2개의 인터페이스(ex. 유선인터넷, 무선802.11)
• pc → LAN → router → WAN

서브넷 Subnet : 앞부분 같은 패턴, 라우터 통신 전에 존재

• 233.1.1.*인 세 호스트들의 인터페이스 + 하나의 라우터 인터페이스 : 서브넷 구성
• 233.1.1.0/24 주소 할당 → /24(서브넷 마스크) → 32비트 주소의 왼쪽 24비트가 서브넷 주소 → 나머지 비트는 호스트 부분

IP address	network(subnet)	host
A class	8 bit	24 bit
B class	16 bit	16 bit
C class	24 bit	8 bit

C class의 00000000 서브넷시작, 11111111 broadcast에 사용되고, 일반사용자는 사용하지 않는다.

(ev. 서브넷이 192.168.1.0/24인 경우 브로드캐스트 주소는 192.168.1.255가 됩니다. 이 주소로 보내진 패킷은 해당 서브넷에 있는 모든 기기에 전달)

 

CIDR : Classless InterDomain Routing 서브넷파트 가변길이.

• 주소 뒤에 /를 붙여서 사용함. 8로 나누어떨어지지 않아도됨

서브넷 파트와 호스트 파트 구분하는 이유 -> 40억개의 유니크한 주소 제공할 수 있음 -> 무한제공 불가능

A class의 ip값과 C class의 ip 값이 만약에 같을때, 클래스(서브넷)을 통해 구분 함

DHCP : Dynamic Host Configuration Protocol 동적 호스트 설정 프로토콜

• 장치가 네트워크에 유무선으로 연결될때(MAC) 자동으로 IP주소를 할당
• 사용 가능한 IP 주소 풀(pool)에서 IP 주소를 선택하여 해당 장치에게 할당
• 연결 중이거나 켜져 있는 동안에만 주소를 보유하고 끊길 시 주소 재사용 가능 : 리스

DHCP 방식으로 서브넷에 브로드캐스트하면 서버 관리자가 받으면 response로 새로운 IP주소를 넘김

1. 클라이언트가 연결되면 DHCP 메시지를 브로드캐스트 한다
2. DHCP메시지는 IP주소가 필요하다고 알리는 신호
3. 서버는 메시지를 받아서 사용 가능한 IP 주소를 선택하고 클라이언트에 전송(서브넷, 게이트웨이, DNS 서버주소 정보 포함)
4. 클라이언트는 해당 IP주소를 쓰겠다고 브로드캐스트한다
5. 서버는 사용을 확정짓고 주소를 할당한다

ISP, 국가 단위로 DHCP 방식으로 서브넷 할당받아서 IP주소 제공함. 사용자는 사용료를 제공하여 공간을 할당받음

특정 구분 패턴에 맞게 라우터를 나눠가짐

 

NAT Network Address Translation : 네트워크 주소 변환 기술 공유기가 사용하는 기술.

• WAN 공인IP를 내부용 LAN 사설 IP주소로 변환하는 과정
• NAT router : WAN과 LAN을 연결하고 control. 1차적 방화벽을 생성한다. 한개의 IP로 여러대의 호스트에 IP를 부여할 수 있다.
• 컴퓨터가 데이터를 보낼때 과정
  1. sender 컴퓨터 사설 IP가 라우터에 도착하고, NAT에서 dest(Internet)로 나가는 과정에서 사설 source IP 주소를 라우터 공인 IP주소로 변경, 사설 IP와 포트번호 등 테이블로 기록함
  2. 인터넷 상의 다른 컴퓨터는 이 패킷을 사설 네트워크의 컴퓨터가 아니라 NAT 라우터가 보낸 것으로 인식
  3. 회신하면, 이 패킷은 NAT 라우터의 공인 IP 주소가 dest 주소. NAT 라우터는 이 패킷을 받고 통과하는 순간 NAT 테이블을 참조 하여 패킷의 목적지 주소를 원래의 사설 IP 주소로 변경합니다.
• switch 같은 역할을 하는 투명성

• 문제점
  • NAT 라우터(네트워크 계층)가 port 넘버를 제어하는것 -> transport 전송 계층 관리 ⇒ 레이어간의 독립성 침해
  • 공유기에 연결된 사설IP를 사용하는 서버? 외부에서 접근안됨, 사설 IP 주소 식별 어려움 → 포트포워딩
  • 포트포워딩 : 수동으로 NAT 변환 테이블 설정해줌 

IPv6

32bit(40억개) IPc4 주소공간 다 할당함

40byte 고정길이 (lock of space)

datagram format

1. ver : 0110 = IPv6
2. priority : 데이터그램 우선순위
3. flow label : 전달 세그먼트의 연속성을 판단 (ex. 동영상)
4. payload len : 세그먼트 payload 길이
5. nexthdr, hop limit : 패킷 수명 1씩 감소  ⇒ 1홉 TTL(Time To Leave)

IPv4	IPv6
checksum 에러검출	NO checksum
fragmentation / reassemble	Sender fragmentation / Recever reassemble
options	No options

• 에러검출 Data-link, transport 레이어에서 하기 때문에 v6에서는 할 필요가 없다고 판단 → 불필요한 연산 생략
• MTU Maximm Transfer Unit : 데이터를 쪼개는 fragment 최대 단위. v4 라우터에서 쪼개고 모으는거 둘다 처리했지만, v6에서는 sender가 쪼개고, recever가 재조합하는 역할을 나눠하 하나만 함

IPv4 → IPv6 ?

v4에서 v6로 넘어가기 어려움. v4로 모두 설정되어있는 네트워크를 한순간에 v6로 변경하기 어려움

99 : 1

tunneling : mixed IPv4 + IPv6

• v6 데이터그램을 v4 데이터그램에 encapsulate함. v4 헤더에 v6 정보 있음. packet within a packet

Routing 알고리즘

최적 경로 전송 → Dijkstra 다익스트라