IP 네트워크

1. IP 네트워크 순천향대학교 정보기술공학부 이 상 정 순천향대학교 정보기술공학부 이상정 IP 네트워크1

2. 개요 • 인터넷 • 단일의 가상 네트워크를 형성 • TCP/IP 프로토콜을 사용하여 자율적으로 관리 • 패킷 스위치 네트워크(packet-switched networks)의 집합 순천향대학교 정보기술공학부 이상정 IP 네트워크2

3. 프로토콜(protocol) • 프로토콜 • 실체(entities)들 간에 상호작용을 기술하는 알고리듬과 자료구조 • 네트워크 요소들 간에 주고받는 메시지의 형식과 메시지의 수신 시 취할 동작 및 에러를 어떻게 다룰 것인가를 기술 • 패킷(packet) • 송수신되는 데이터의 블록 • 링크계층에서는 프레임(frame)이라고도 함 • ISO(International Standards Organization)에서는 PDU(Protocol Data Unit)이라고도 함 • 상위의 응용계층에서는 메시지(message)라 함. 순천향대학교 정보기술공학부 이상정 IP 네트워크3

4. 프로토콜 계층 • 프로토콜 계층(protocol layer) • 패킷 네트워크에서는 전체 네트워크를 기능적인 프로토콜 계층으로 분리 => 복잡도가 줄고 이해가 용이 • 송신 측에서 계층 N은 계층 N+1로부터 패킷을 받고 헤더(header)를 추가하여 계층 N-1로 보냄 • 수신 측에서는 반대로 계층 N은 계층 N-1로부터 패킷을 받아들여 계층 N의 헤더들을 분리하여 처리하고 나머지를 계층 N+1에 보냄 • 어느 계층에서나 해당 계층의 동작을 제어하는 헤더를 가지고 있고 이를 제거하여 처리하고 다음 계층에 나머지 패킷(이를 payload, data라 한다.)을 보낸다. 순천향대학교 정보기술공학부 이상정 IP 네트워크4

5. 인터넷 구조의 프로토콜 계층 • 인터넷 구조의 프로토콜 계층 • 응용계층(application layer) • ISO(International Standards Organization)에서 OSI(Open System Interconnection)에서는 세션, 표현, 응용 계층으로 분리 • 트랜스포트계층(transport layer) • 네트워크계층(network layer) • 링크계층(link layer) • 물리계층(physical layer) 순천향대학교 정보기술공학부 이상정 IP 네트워크5

6. 인터넷 구조의 프로토콜 계층 순천향대학교 정보기술공학부 이상정 IP 네트워크6

7. 물리계층과 링크계층 • 물리계층 • 비트를 전송매체를 통하여 전송하는 기능 • 전기적 특성,광 특성, 커넥터 등을 기술 • 링크계층 • 다수의 비트로 구성된 프레임을 노드 사이에 신뢰성있게 전송하는 기능을 정의 • 링크의 개설과 해제,프레임의 동기화, 오류제어, 흐름제어 등 수행 • 이더넷(Ethernet), 토큰 링(Token Ring) • ATM(asynchronous transfer mode) • 모뎀(PPP(point-to-point protocol) 사용) 순천향대학교 정보기술공학부 이상정 IP 네트워크7

8. 네트워크 계층 • 링크계층에 의해 프레임에 실려온 패킷을 중간 라우터를 거쳐 목적지 호스트까지 전달하는 교환 기능을 제공 • 주소의 분석, 호스트 사이의 논리적 연결 설정과 해제, 패킷단위 흐름제어, 라우팅(routing,경로배정) • 데이터를 직접 운반하지 않으며 링크계층이 운반해 온 패킷의 교환기능만 처리 • 패킷들의 경로는 라우팅 프로토콜에 의해 결정 • 인터넷 구조에서는 오직 한 개의 네트워크계층 프로토콜인 IP(Internet Protocol)이 사용 • 현재 IPv4 또는 단순히 IP라 알려진 IP의 버전 4가 사용 • IPv6라 알려진 버전 6이 개발 순천향대학교 정보기술공학부 이상정 IP 네트워크8

9. 트랜스포트 계층 • 단말 호스트 사이의 데이터 전송을 기술 • 단말 간의 연결관리, 오류제어와 흐름제어 담당 • 서브넷이나 중간 라우터가 아닌 최종 목적지 호스트에서 수행되는 프로토콜 • 인터넷 구조에서는 두 개의 트랜스포트 프로토콜 • 신뢰성이 없는(재전송,흐름제어가 없는) 비연결형 서비스를 위한 UDP(User Datagram Protocol) • 신뢰성이 있는(재전송에 의한 오류제어,흐름제어가 있는) 순서화된 스트림 형태의 연결형 서비스를 제공하는 TCP(Transmission Control Protocol) 순천향대학교 정보기술공학부 이상정 IP 네트워크9

10. 응용계층 • 응용 서비스 제공 • 전자우편을 위한 SMTP 프로토콜 • 웹에서의 정보 추출을 위한 HTTP 프로토콜 • 파일 전송을 위한 ftp 프로토콜 • telnet 프로토콜 • 멀티미디어 전송을 위한 응용계층 프로토콜 • 시그널링(signaling) 프로토콜 순천향대학교 정보기술공학부 이상정 IP 네트워크10

11. 인터넷 개체 식별 • 인터넷의 네트워크 개체 식별 • 링크계층 MAC(Media Access Control) 주소 • IP 주소 • 호스트 이름 순천향대학교 정보기술공학부 이상정 IP 네트워크11

12. 이더넷(Ethernet) 주소 • Preamble : 수신측에서 동기를 맞추기 위한 준비신호 • DA, SA : 수신, 송신지의 MAC 주소 • Type : 상위 계층의 프로토콜을 구분 • (0x0800 : IP 프로토콜, 0x0806 : ARP 프로토콜) 순천향대학교 정보기술공학부 이상정 IP 네트워크12

13. MAC(Media Access Control) 주소 • MAC 주소 • 네트워크 인터페이스 제조자에 의해 영구히 할당 • 8:0:20:72::93:18와 같이 기술 순천향대학교 정보기술공학부 이상정 IP 네트워크13

14. IP 주소 • IP 주소 • 32비트나 128비트 길이 • 라우팅을 위해 사용되고 계층적으로 할당 • 4개의 10진수로 표현되어 132.151.1.35와 같이 기술 • DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol) • 고정 인터넷 주소를 갖지 않고 네트워크에 연결될 때마다 주소 할당 순천향대학교 정보기술공학부 이상정 IP 네트워크14

15. 주소, 이름 • 호스트 이름, 도메인 이름(domain name) • 해당 노드를 소유하는 조직에 따라 노드에 붙여진 이름 • 매핑하는 프로토콜 • DNS(Domain Name System) • IP 주소와 도메인 이름을 서로 매핑 • ARP(Address Resolution Protocol) • 로컬 네트워크에서 IP 주소에 해당하는 MAC 주소를 제공 • RARP(Reverse Address Resolution Protocol) • MAC 주소에서 IP 주소로 매핑 순천향대학교 정보기술공학부 이상정 IP 네트워크15

16. 인터넷 도메인 이름 시스템 • host.suborganization.organization.tld • tld(top-level domain) • 국가를 나타내는 2개의 문자 • us(United States), fr(France) kr(Korea) • 기관의 형태를 나타내는 3개의 문자 .com 지역에 관계없이 상업적인 기관 .int ITU 등과 같은 구제 기관 .org 비영리 기관 (주로 미국) .net 네트워크 관련 서비스 제공업자 (약 46,000) .edu 미국의 4년제 대학 .mil 미국 군대 .gov 미국 연방정부 순천향대학교 정보기술공학부 이상정 IP 네트워크16

17. 인터넷(IP) 주소 • 인터넷 주소(IP 또는 IPv4 주소)는 현재 32비트 • IPv6로 알려진 프로토콜에서는 128비트 • IP 주소 종류 순천향대학교 정보기술공학부 이상정 IP 네트워크17

18. IP 주소 • Class A: < 128 • Class B: 128 ~ 191 • Class C: 192 ~ 223 • Class D: 224 ~ 239 • Class E: 240 ~ 255, reserved 순천향대학교 정보기술공학부 이상정 IP 네트워크18

19. 서브네팅(subnetting) • 하나의 네트워크 주소를 여러 개의 작은 네트워크로 나누어 사용하는 것 • subnet mask: IP 주소 중에 netid 부분을 구분하기 위한 mask 순천향대학교 정보기술공학부 이상정 IP 네트워크19

20. 서브네팅(subnetting) • 클래스 C IP 주소에서 2비트 또는 3비트를 이용하여 서브네팅을 하였을 때의 결과 비교 • 모두 0, 1 주소 제외 • 모두 0: 자기자신 주소, 모두 1: 브로드캐스트 순천향대학교 정보기술공학부 이상정 IP 네트워크20

21. IP 전송(Forwarding) • 모든 라우터와 호스트는 패킷을 전송 시 다음 과정을 수행 • 자신의 네트워크 주소와 패킷의 수신자 주소와 비교하여 같은 로컬 네트워크나 링크인지를 체크 • 같으면 링크계층 프로토콜에 따라 다른 프로토콜- 예를들면 ARP 등 - 를 사용하여 목적지 주소를 링크계층 주소로 변환하고, 해당 링크계층 패킷에 IP 패킷을 덧붙여서 목적지 주소로 전송 • 같지 않으면 목적지 경로를 따라 있는 라우터를 찾고, 다음의 홉(hop)이 되는 주소의 라우터로 링크계층에 IP 패킷을 덧붙인 패킷을 전송 순천향대학교 정보기술공학부 이상정 IP 네트워크21

22. IP 서비스 모델 • 인터넷 네트워크 계층 서비스 모델 • 패킷은 논리적 서로 독립적 • 데이터를 다른 네트워크 노드에 전송하기 전에 어떠한 연결 설정도 필요하지 않음 • 데이터그램(datagram), 무연결 전송(connectionless delivery) • 패킷은 최선의 노력방식(best-effort basis)로 전송 • 네트워크는 패킷이 목적지에 도달할 것인가 여부와 언제 도착할지를 보장하지 않음 • 패킷은 생성된 순서를 벗어나서 도착하거나 중복될 수 있음 순천향대학교 정보기술공학부 이상정 IP 네트워크22

23. IPv4 패킷 헤더 • IP 패킷은 패킷 헤더와 페이로드, 상위계층 프로토콜 데이터로 구성 • 패킷 헤더는 최소한 20 바이트 • 완전한 패킷은 IP 헤더를 포함하여 최대 65,535 바이트의 크기 • 대부분 링크계층 프로토콜은 최대 패킷을 1,500과 8,192 바이트 사이의 크기로 제한되고, 주로 1,500 바이트가 상한 • 긴 IP 패킷은 링크계층이 다룰 수 있도록 MTU(maximum transmission unit) 단편으로 분할 순천향대학교 정보기술공학부 이상정 IP 네트워크23

24. IPv4 패킷 헤더 순천향대학교 정보기술공학부 이상정 IP 네트워크24

25. IPv4 패킷 헤더 • “type-of-services”는 서비스 클래스를 표시하며 보통 사용되지 않음 • 각 패킷은 단편들로부터 패킷을 조립하는데 필요한 식별자(identifier)와 단편들 간의 오프셋을 갖는다. • “TTL(Time-To-Live)”필드는 패킷이 버려지기 전에 홉의 수를 제한 • 프로토콜 필드는 패킷을 다루는데 필요한 트랜스포트 프로토콜을 표시 순천향대학교 정보기술공학부 이상정 IP 네트워크25

26. 순천향대학교 정보기술공학부 이상정 IP 네트워크26

27. 제어 프로토콜 • ICMP(Internet Control Message Protocol) • 호스트 또는 라우터 사이에 오류 정보나 제어 정보를 전달하는 프로토콜 • IGMP (Internet Group Message Protocol) • 멀티캐스팅을 처리하는 프로토콜 • ARP(Address Resolution Protocol) • IP 주소를 가지고 그 호스트의 MAC 주소를 알아내는 프로토콜 • RARP(Reverse ARP) • 48비트 MAC 주소로부터 그 장비의 IP 주소를 알아내는 프로토콜 순천향대학교 정보기술공학부 이상정 IP 네트워크27

28. ARP의 동작예 순천향대학교 정보기술공학부 이상정 IP 네트워크28

29. 트랜스포트 계층, TCP • 연결형 서비스를 제공하는 TCP와 비연결형 서비스를 제공하는 UDP가 있다 • TCP • 종점간의 연결 개설, 오류 발생시 패킷 재전송, 패킷 전달순서 확인, 중복 패킷 제거, 흐름제어, 네트워크 오동작시 보고 등을 제공한다. • 연속된 흐름(stream)의 데이터 송수신이 가능하며 큰 파일 전송시에도 데이터가 중간에 끊어지지 않는다. 순천향대학교 정보기술공학부 이상정 IP 네트워크29

30. UDP • 단순히 패킷을 하나씩 목적지 주소로 전송만 한다. • 패킷의 분실 확인이나 전달 순서를 보장해주지 않는다. • 프로토콜 헤더의 크기가 작고 연결 지연이 없으므로 간단한 패킷을 주고받는 경우에 유리하다(실시간 서비스 등). • 패킷을 방송(broadcast) 또는 멀티캐스트해야 하는 경우에 사용된다. 순천향대학교 정보기술공학부 이상정 IP 네트워크30

31. TCP 헤더 순천향대학교 정보기술공학부 이상정 IP 네트워크31

32. 순천향대학교 정보기술공학부 이상정 IP 네트워크32

33. TCP 연결설정 • 2-way handshake: 연결 요청에 대하여 상대방이 확인을 하면(즉, 제어정보가 두 방향으로 갔다 오면) 연결이 이루어진다(예: X.25의 연결설정) • 3-way handshake: 연결 요청에 대하여 상대방도 이를 확인하면서 다시 새로운 연결 요청을 하고 이에 대해 처음의 연결 요구측에서 확인을 보내야 연결이 된다 (TCP의 연결 설정) • 연결을 요구하는 측에서 SYN비트를 세트하고 순서번호를 x로 연결요청 : SYN(X) • 상대방은 ACK 비트를 세트하고 Ack number에 (X+1)을 기록, SYN 비트도 세트한 다음 자신이 사용할 순서 번호 Y를 지정하여 보낸다 : ACK(X+1)과 SYN(Y) • 최초의 연결 요구자가 ACK(Y+1)로 응답 순천향대학교 정보기술공학부 이상정 IP 네트워크33

34. TCP 데이터 전송 • 두 호스트 사이에 한번의 명령으로 임의의 크기의 데이터를 순서를 유지하며 전송 • TCP가 한번에 전송하는 메시지 크기(MSS : Maximum Segment Size) • 초기에 MSS를 상대방 TCP에 알려줌 • 전송할 데이터가 크면 MSS 단위로 분할하여 전송 순천향대학교 정보기술공학부 이상정 IP 네트워크34

35. UDP 전송 • 안정적 송수신을 보장하지 않으므로 파일전송, 메일서비스등에는 부적합 • 도메인 네임 서비스나 daytime 서비스와 같이 한 패킷의 송수신으로 서비스가 이루어지는 경우에 편리 • 576 바이트 이하의 패킷은 전송이 보장 • 음성, 동화상 등 실시간 인터넷 서비스에 사용 순천향대학교 정보기술공학부 이상정 IP 네트워크35

36. UDP 헤더 순천향대학교 정보기술공학부 이상정 IP 네트워크36

37. 서비스 파일 • IP 주소는 호스트까지의 패킷 전달에 사용되고 그 호스트 내에서 이 패킷이 최종적으로 전달될 응용 프로세스를 구분하기 위하여 포트 번호가 사용 • telnet이나 ftp 같은 널리 사용되는 응용 프로그램에는 포트 번호가 미리 지정되어 있으며 이런 것을 well-known 포트라고 한다. • well-known 포트 번호는 1023번 이하가 배정되며 사용자가 응용 프로그램에서 임의로 정하여 사용하는 포트 번호는 1024번 이상의 번호를 사용하여야 한다. 순천향대학교 정보기술공학부 이상정 IP 네트워크37

38. 서비스 파일(/etc/services) 예 # # Network services, Internet style # # 서비스명 포트 번호/프로토콜 별명 # echo 7/tcp echo 7/udp ftp 21/tcp telnet 23/tcp smtp 25/tcp mail …….. 순천향대학교 정보기술공학부 이상정 IP 네트워크38

39. 멀티캐스트(multicast) • IP 멀티캐스트 • 단일 IP 패킷을 다수의 수신자에게로 전송을 허용 • 패킷은 두 목적지나 목적지의 그룹들에로의 경로가 갈라질 때마다 네트워크 내부에서 복사 • 라디오 주파수 대신 224.0.0.0부터 239.255.255.255까지 범위의 클래스 D 주소인 IP 주소를 사용 • 데이터를 멀티캐스트하기를 원하는 호스트는 한 주소를 선택 • IP 멀티캐스트는 트랜스포트 프로토콜에 종속되지 않지만 TCP는 사용될 수 없음 순천향대학교 정보기술공학부 이상정 IP 네트워크39

40. 멀티캐스트(multicast) 순천향대학교 정보기술공학부 이상정 IP 네트워크40

41. 멀티캐스트(multicast) • 멀티캐스트 서비스 고려 사항 • 고유의 그룹주소 할당(allocation) • Masc, AAP, MADCAP 프로토콜 • 멀티캐스트 그룹 광고(advertisement) • SIP, H.323 프로토콜 • 그룹에 가입(subscription) • IGMP 프로토콜 • 라우팅 • Steiner Tree, Shortes Path tree • 관리영역(scope) • ttl(time-to-live) 설정, 범위내의 멀티캐스트 주소(scoped multicast address) 사용 순천향대학교 정보기술공학부 이상정 IP 네트워크41

42. 인터넷 서비스 품질(QoS, Quality of Service) • 인터넷 서비스 품질 요소 • 지연(delay) • 패킷 손실(packet loss) • 패킷 재순서(packet reordering) • 패킷중복(packet duplication) 순천향대학교 정보기술공학부 이상정 IP 네트워크42

43. 지연 • 엔드-투-엔드 지연 • 한 패킷이나 특정 바이트를 보내고 받는데 소요되는 지연 • 전파지연(propagation delay)은 통신경로의 물리적 거리에 의해서만 좌우 • 전송지연(transmission delay)은 각 네트워크 인터페이스들이 패킷을 전송하는데 걸리는 시간의 합 • 리소스 충돌(resource contention)이나 링크계층 재전송(link-layer retransmission)에 기인한 지연 순천향대학교 정보기술공학부 이상정 IP 네트워크43

44. 패킷손실(Packet Loss) • 연속형 미디어 응용에서 패킷손실은 두가지 유형 • 패킷이 도착하지 않은 경우 • 너무 늦게 도착하여 응용에서 사용할 수 없는 경우 • "ping" 측정으로 손실을 샘플링 • 연속형 미디어 응용은 패킷손실 확률뿐만 아니라 손실된 패킷들의 상관관계에 민감 • 보다 큰 크기의 데이터를 갖는 오디오, 비디오 프레임들에서는 이 같은 손실이 덜 영향 미침 순천향대학교 정보기술공학부 이상정 IP 네트워크44

45. 패킷 재순서(Packet Reordering) • 특정 조건에서는 패킷이 순서에 어긋나서 도착 • 경로가 자주 바뀌어서("route flutter") 패킷들이 공통 목적지까지의 여러 링크들 상에서 역 멀티플렉스될 때, • 라우터가 라우팅을 변경하는 동안 패킷 전송을 잠시 중단하고 후에 라우팅 변경 동안 도착한 패킷들을 해제할 때 발생 순천향대학교 정보기술공학부 이상정 IP 네트워크45

46. 패킷복사(Packet Duplication) • 패킷복사 원인 • 잘못된 하드웨어나 드라이버, 스패닝 트리에서의 전이 등에 의해 기인 • 링크계층 재전송 알고리듬이 승인신호를 잃어 버린 경우에도 발생 • 패킷 오디오에서 중복된 패킷이 샘플 가산에 의해 혼합되면 볼륨을 상승 시킴 • 패킷 비디오에서는 디코더가 같은 정보를 두 번 디코딩하여 시간을 낭비 순천향대학교 정보기술공학부 이상정 IP 네트워크46