네트워크 계층 모델 - 3계층, IP 주소

3계층

3계층의 기능

LAN과 LAN을 연결하는 것과 같이 서로 다른 네트워크 대역을 연결하여 WAN을 만든다.

3계층에서 사용하는 주소

WAN에서는 IP 주소를 사용하여 통신한다.

• IPv4 : 각 디바이스(PC)에 할당된 IP 주소
• 서브넷 마스크 : IP 주소에 대한 네트워크 대역을 규정
• 게이트웨이 주소 : 외부와 통신할 때 사용하는 네트워크 출입구 역할

3계층 프로토콜

대표적으로 IPv4, ARP, ICMP 프로토콜 등이 있다.

IP 주소

일반적인 IP 주소(Classful IP 주소)

초창기에는 Classful한 IP 주소, 즉 클래스별로 구분된 IP 주소를 사용했다.

192.168.0.189

IP 주소는 위와 같이 2진수 4바이트로 이루어져있다. 각 필드는 점으로 구분되며 한 필드 당 1바이트를 표현할 수 있다. 1바이트는 8비트이므로 2진수 00000000부터 11111111까지 표현할 수 있으며 이를 10진수로 변환하면 0부터 255까지 표현할 수 있는 것이다.

// A 클래스
1.        / 11111111.11111111.11111111

// B 클래스
11111111.11111111. / 11111111.11111111

// C 클래스
11111111.11111111.11111111. / 11111111

A 클래스의 경우 첫번째 필드(A.B.C.D 라면 A에 해당하는 필드)까지는 네트워크 대역을 구분하는데 사용하며 이후 3개의 필드를 하나의 네트워크 대역에 포함된 디바이스를 구분하는데 사용한다. 따라서 네트워크 대역은 128개(0~127)까지만 표현할 수 있으므로 네트워크 대역을 표현하기에 적절하지 않은 반면 여러 디바이스를 표현하기에 적합하다.

B 클래스는 앞에서 두번째 필드까지 네트워크 대역을 구분하는데 사용하고 뒤의 2개의 필드는 디바이스를 구분하는데 사용한다.

C 클래스는 앞에서 세번째 필드까지 네트워크 대역을 구분하는데 사용하고 뒤의 1개의 필드만 디바이스를 구분하는데 사용하므로, 네트워크 대역을 매우 다양하게 구분할 수 있다. 일반적으로는 디바이스 수가 많이 필요하지 않으므로 C 클래스를 많이 사용한다.

하지만 위와 같이 클래스로 구분된 IP 주소를 사용한다면 IP 주소의 낭비가 발생할 수 있다. 만약 디바이스를 오직 3개만 사용하는 LAN 에서 A 클래스의 IP 주소를 사용한다면 전체 가능한 디바이스 (2^(8*3))대 - 사용하고 있는 디바이스 3대 만큼의 IP 주소는 사용되지 않는다. 그렇다고 해서 다른 네트워크 대역에서 현재 네트워크 대역의 남는 IP 주소를 사용할 수도 없다(네트워크 대역의 구분자가 다르므로).

특수한 IP 주소(Classless IP 주소)

클래스로 구분하는 네트워크의 한계를 해결하기위해 등장한 방법으로 하나의 큰 네트워크를 여러개의 작은 네트워크로 쪼개어 쓰기위한 방법이다.

// IPv4
11111111.11111 / 111.11111111.11111111
// 서브넷 마스크
11111111.11111 / 000.00000000.00000000

Classless한 IP 주소는 위와 같이 각 필드가 기준이되는 것이 아니라 필드 내부의 비트를 기준으로 네트워크 대역과 디바이스를 구분할 수 있다. Classful한 방법보다 IP 주소 할당을 유연하게 할 수 있으며 필요한 만큼만 디바이스로 할당할 수 있으므로 낭비가 적다.

Classless한 IP 주소를 사용하기 위해서는 어떤 비트까지 네트워크 대역으로 사용할 것인지 지정해줘야하는데 이 역할을 하는 것이 서브넷 마스크이다. 서브넷 마스크는 네트워크 대역으로 사용할 비트까지를 1로, 디바이스를 표현하기 위한 비트를 0으로 표현함으로써 네트워크 대역을 어디서부터 구분할 것인지 지정한다.

따라서 Classless한 IP 주소는 IPv4와 서브넷 마스크를 무조건 함께 사용되어야 한다.

사설 IP와 공인 IP

기술이 발전하며 사용하는 디바이스 수가 무수히 많이 증가하며 Classless한 IP 주소 체계 마저 IP 주소 부족 현상이 발생하게 된다. Classless한 IP 주소와 함께 사설 IP, 공인 IP 체계가 사용되고 있다.

WAN에서 통신할 때는 LAN을 대표하는 공인 IP 주소를 사용하고 LAN 내부에서는 사설 IP 주소를 사용하여 구분하게 된다. 하나의 공인 IP 주소를 다시 2^(8*4) 개의 사설 IP 주소로 나누어 사용할 수 있으므로 IP 주소 부족 현상을 해소하는 방법이다. (이후 이마저도 부족해 IPv6가 등장하여 점점 IPv6로 바뀌어가는 추세…)

• 공인 IP : 외부 인터넷 망과 통신하기 위해 사용되는 IP 주소 (LAN 외부, WAN)
• 사설 IP : 같은 네트워크 대역에서 사용하는 IP 주소 (LAN 내부)

주로 홈 네트워크 환경에서라면 공유기가 공인 IP 주소를 사용하고 이 공유기를 통해 네트워크를 사용하는 컴퓨터, 모바일 기기 등은 사설 IP 주소를 사용하게 된다.

NAT(Network Address Translation)

사설 IP는 외부 인터넷(다른 네트워크 대역)과 통신하기 위해 반드시 공인 IP로 바꾸어 통신해야 한다. 외부에서는 각 LAN 별 공인 IP 주소만을 알고 있고 사설 IP는 가려져 절대 알 수 없기 때문이다.

LAN 내부에서 사설 IP 주소를 공인 IP 주소로 변경하는 역할을 하는 것이 NAT 이다. (IP를 변경하는 역할)

만약 당신의 아이폰으로 네이버에 접속하려 한다면 아이폰에 할당된 사설 IP 주소는 당신 집 공유기의 공인 IP 주소로 변경된 뒤 네이버 서버에 요청을 보낸다. 네이버 서버에서는 해당 집의 어떤 디바이스가 요청을 보냈는지 알 수 없고 오로지 자신이 유일하게 알고 있는 공인 IP 주소를 가진 공유기에게만 요청에 대한 응답을 보내게 된다. 이후 공유기가 NAT 기술을 통해 응답을 적절한 사설 IP(당신 아이폰)으로 보내준다.

LAN 내부 디바이스가 외부 네트워크 대역으로 요청을 보낼 때 NAT 테이블에 기록하고, 외부 네트워크 대역에서 응답이 돌아오면 이 NAT 테이블에 저장된 기록을 바탕으로 응답을 적절한 디바이스에 할당해주는 원리이다.

따라서 LAN 내부에서 공유기를 통해(공인 IP를 통해) 요청을 보내지 않거나 보낸 적이 없으면 NAT 테이블에도 기록이 없으므로 외부에서 일방적으로 요청에 대한 응답을 보내더라도 받을 수 없다.

이를 풀어서 생각해보면 네이버 서버가 사설 IP 주소를 사용할 경우 외부 네트워크 대역에서 우리의 아이폰을 통해 네이버에 요청을 보내더라도 네이버 측에서는 우리의 아이폰에 먼저 요청을 보낸 적이 없기때문에(네이버 서버 측 공인 IP 주소에 NAT 테이블 기록이 없음) 우리의 요청은 네이버 서버 측 공유기에서 차단될 뿐 사설 IP를 쓰는 네이버 서버까지 도달하지 못하게 된다. 우리는 결국 네이버에게 아무리 요청을 보내도 응답을 받지 못하게 된다. 이것이 서버가 공인 IP 주소를 사용하는 이유다!

만약 공인 IP를 쓰는 공유기에 추가적인 설정을 할 경우 사설 IP를 쓸 수도 있다. 이를 포트 포워딩이라고 한다.

Reference

[따라學IT] 04. 실제로 컴퓨터끼리는 IP주소를 사용해 데이터를 주고받는다