2.1 TCP/IP의 기본
2.1.1 TCP/IP
TCP/IP는 인터넷 프로토콜 스위트라고도 하며, 다른 컴퓨터 벤더나 운영 체제, 서로 다른 회선끼리 통신할 수 있게 하는 통신 프로토콜 세트 입니다. TCP(Transmission Control Protocol) 와 IP(Internet Protocol)을 따서 TCP/IP라고 합니다.
TCP/IP는 TCP와 IP만 가리키는 것이 아니라, 수많은 인터넷 통신 프로토콜 세트를 의미합니다.(UDP, ICMP 등등)
TCP/IP에서 다루는 범위는 역할에 따라 4개의 계층으로 나뉘며 이를 TCP/IP 4계층 모델 이라고 합니다. 데이터 송수신에 필요한 작업을 각 계층별로 분담해서 처리하는걸 의미합니다.
1~4 계층중 1층에 가까울 수록 기기에 가까운 역할을 하며 4층에 가까울 수록 사용자에 가까운 역할을 합니다.
2.1.2 OSI 참조 모델
또 하나 알아 둘 프로토콜 계층 모델은 OSI 참조 모델(Open System Interconnection reference model) 입니다. TCP/IP 4계층 모델처럼 컴퓨터가 가져야만 하는 통신 기능을 계층 구조로 나눈 모델이자 벤더 간에 상호 통신할 수 있는 네트워크 모델로 통일 규격 입니다.
TCP/IP 4계층 모델과 OSI참조 모델은 별개로 구성되어 있으며 완전하게 대칭이 되지 않습니다. 다만 비슷하게 정의된 프로토콜 영역이 있어서 각각 대응이 되는 범위는 존재합니다.
2.1.3 주소
통신에서 주소란 '통신 상대를 특정하는 식별 정보' 입니다.
IP 주소
IP 주소는 TCP/IP에서 컴퓨터를 식별하려고 할당되는 번호입니다. 컴퓨터나 휴대 전화, 태블릿 등은 물론이고 서버, 라우터, 스위치 등 네트워크 장비에도 각각 IP 주소가 할당됩니다.
IP 주소에는 프라이빗 IP 주소와 글로벌 IP 주소가 있습니다. 랜 내부에서 사용되는 것이 프라이빗 IP 주소, 인터넷에서 사용되는 것이 글로벌 IP 주소입니다.
MAC 주소
IP 주소만 가지고 컴퓨터끼리 통신할 수 없습니다. 컴퓨터나 라우터 등 네트워크 기기에 처음부터 할당된 번호인 MAC주소를 IP주소와 조합해야 비로소 컴퓨터끼리 통신할 수 있습니다.
주소를 이용한 통신 흐름과 ARP
같은 네트워크에 속한 컴퓨터끼리 통신할 때는 우선 IP 패킷을 보내려는 상대의 MAC 주소를 알아야 합니다. 이 때 사용되는 것이 ARP(Address Resolution Protocol)입니다.
ARP는 IP주소에 대응하는 MAC주소를 알아내려고 네트워크 전체에 패킷을 보내고(ARP request), 자신을 찾는 것을 알게된 컴퓨터가 응답(ARP reply)함으로써 MAC주소와 IP주소를 연결할 수 있게하는 일련의 시스템을 말합니다.
여기서 전체 네트워크에 패킷을 보내는 것을 '브로드캐스트'라고 합니다.
다른 네트워크의 컴퓨터와 통신할 땐 네트워크 사이에 라우터 또는 L3 스위치가 사용됩니다.
자신과 다른 네트워크의 IP 주소와 통신할 때 컴퓨터는 미리 지정된 기본 게이트웨이 IP주소로 통신을 보냅니다. 기본 게이트웨이는 다른 네트워크로 데이터를 전송하는 방법을 알고 있으며 일반적으로 라우터가 그 역할을 수행합니다.
다른 네트워크와 통신할 땐 ARP 요청으로 확인하는 것은 기본 게이트웨이에 해당하는 MAC주소 입니다.
2.1.4 패킷
통신할 때 데이터를 교환하는 방법에는 회선 교환과 패킷 교환 두 종류가 있습니다.
회선 교환은 전화에 가까운 이미지로 데이터를 교환하는 동안 계속해서 회선을 점유하는 방식을 의미합니다. 회선을 점유하는 동안 다른 상대와 통신할 수 없습니다.
패킷 교환 방식은 주고받는 데이터를 '패킷'이라고 하는 작은 덩어리로 나누고, 회선은 공용회선으로 사용해서 복수의 통신을 내보내는 방식입니다.
패킷을 전송하는 회선은 공용이라 패킷 자체에 데이터가 도착해야할 정보가 같이 담겨 있습니다. 여기서 패킷 구조중에 도달해야 할 정보를 담은곳이 헤더이며, 잘게 나눈 데이터를 페이로드라고 합니다.
2.2 IP 주소 구조
2.2.1 IP 주소 분석
새로 컴퓨터를 구입하게 되면 컴퓨터에는 MAC주소만 있고 IP 주소는 없습니다. 컴퓨터를 라우터에 연결하게 되면 라우터에서 IP주소를 할당하게 됩니다.
라우터에서 IP주소를 자동으로 할당받는 기술을 DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol)라고 합니다.
DHCP는 네 단계 흐름에 따라 통신하여 네트워크 설정을 가져옵니다.
서브넷 마스크
IPv4 주소는 네트워크부와 호스트부로 나뉩니다. 네트워크부는 어떤 네트워크를 나타내는 정보이며, 호스트부는 그 네트워크 안의 컴퓨터를 특정하는 정보입니다.
IPv4 주소에서 네트워크부가 어디부터 어디까지인지 나타내는 것이 넷마스크(서브넷 마스크)입니다. 넷마스크와 서브넷 마스크는 엄밀하게 조금 의미가 다르지만, 현장에서는 거의 구별 없이 동일하게 사용합니다.
이 장에서 지금부터 등장하는 주소는 다음 네 가지 입니다.
서브넷 마스크의 255.255.255.0을 이진수로 나타내면 11111111.11111111.11111111.00000000 이 됩니다. 여기서 1 부분은 네트워크부, 0부분은 호스트부가 됩니다.
8자리의 2진수 덩어리를 옥텟이라고 하는데 IPv4 주소는 옥텟 4개로 되어 있습니다.
이 경우에는 1옥텟에서 3옥텟까지 네트워크부, 4옥텟은 호스트부 라고 할 수 있습니다.
2.2.2 IP 주소의 할당과 관리
기기는 IP주소를 할당받게 됩니다. 앞에서 네트워크부와 호스트부 중에서 호스트부를 이용해서 각각의 기기에 IP주소를 할당하게 됩니다.
위에서 호스트부는 마지막 4옥텟이고 0~255까지 사용할 수 있습니다. 하지만 호스트부에서 고정적으로 사용되는 IP주소가 존재하기 때문에 255개를 모두 사용할 순 없습니다.
호스트부가 모두 0으로 된 것을 네트워크 주소라고 하며, 그 네트워크 자체를 나타냅니다.
한편 호스트부가 모두 1로 된 것은 브로드캐스트 주소라고 하며, 로컬 네트워크 전체에 통신을 보낼 때 사용합니다.
이렇게 네트워크 주소와 브로드캐스트 주소는 기기에 할당할 수 없습니다. 그리고 실제로 라우터 등 네트워크 기기를 구성할 경우에도 IP주소가 필요하므로 실질적으론 기기에 할당할 수 있는 IP주소는 255개보다 적게 됩니다.
클래스 및 가변 길이 서브넷 마스크
IP주소는 네트워크부 길이에 따라 클래스가 나뉩니다. 주요 클래스는 A, B, C 세가지 유형입니다.
서브넷 마스크가 반드시 클래스를 따라야 하는 것은 아닙니다. 클래스의 서브넷 마스크 길이를 변경하여 네트워크 크기를 바꾼 것을 가변 길이 서브넷 마스크라고 합니다.
네트워크부 주소를 호스트부로 사용함으로써 할당할 수 있는 IP주소를 늘릴 수 있습니다.
처음부터 IP주소를 넉넉하게 잡을수도 있지만 브로드캐스트 통신량이 증가하게 되므로 적절한 호스트부 영역을 잡는것이 좋습니다.
2.2.3 데이터가 바르게 전송되는 메커니즘
다른 네트워크와 통신할 때 어떤일이 일어나는지 알아보겠습니다.
네트워크 A, B, C 에는 각각 AA, BB, CC 라는 컴퓨터가 있다고 하겠습니다.
AA에서 BB로 데이터를 보내고 싶지만 네트워크가 분리되어 있어 직접 데이터를 보낼 수 없습니다. 이 때 라우터가 사용됩니다.
데이터를 보낼 때 어느 라우터로 보내야 할 지 모르는 경우, 컴퓨터는 기본 게이트웨이라고 하는 라우터로 데이터를 보냅니다.
라우터에는 네트워크 A와 네트워크 B에 모두 소속되어 있으므로 컴퓨터 A로부터 통신을 컴퓨터 B로 전송할 수 있습니다. 라우터가 수행하는 작업을 라우팅이라고 합니다.
AA에서 CC로 데이터를 보낸다고 가정하고 AA컴퓨터에 CC컴퓨터로 통신을 보낼 땐 어떤 라우터로 보낼지 알고 있다고 해봅시다. 이 때 AA는 CC로 데이터를 보내기 위해 이미 알고있는 라우터로 통신을 보내게 됩니다.
이렇게 네트워크로 통신을 보낼때 어떤 라우터로 보내야 하는지에 대한 기록이 있는 곳을 라우팅 테이블이라 합니다.
라우터에서 라우터로 전송
인터넷이나 기업 네트워크에는 라우터가 여러대 연결되어 있고, 라우터들을 통해 통신합니다.
라우터 역시 자신이 모르는 네트워크와 통신해야 할 상황이 있습니다. 이 때 라우터에도 기본 게이트웨이(라우터의 경우는 기본 라우트)가 있습니다.
기본 라우터로 통신을 전송하면 기본 라우터가 다시 전송처를 찾는 식으로 버킷 릴레이를 반복하여 네트워크가 성립됩니다.
2.3 네트워크 프로토콜
2.3.1 네트워크 계층
지금까지 다양한 종류의 네트워크 장비가 등장했습니다. 조금 정리하면서 자세히 설명하겠습니다.
L2 스위치
MAC주소에 따라 데이터를 전송하는 것이 L2 스위치입니다. L2 스위치가 등장하기 전에는 리피터 라는 장치를 사용했으나, 쓸데없는 데이터 전송이 많습니다. L2 스위치는 목적지 MAC주소를 기억하므로 해당 포트에만 데이터를 보낼 수 있어 더욱 효율적으로 통신할 수 있습니다.
L3 스위치(와 라우터)
L3 스위치는 L2 스위치에 다른 네트워크를 연결하는 기능이 추가되었습니다. 라우터에도 다른 네트워크를 연결하는 기능이 있어 그 점에서는 L3 스위치와 라우터를 같다고 할 수 있지만, 세세한 부분에서 차이가 있습니다. 다른 네트워크와 연결하는 기능으로 보면 역사적으로는 라우터가 앞서며, 나중에 L3 스위치가 등장했습니다.
L3 스위치는 포트가 많다는 특징이 있습니다. L2 스위치에서 발전한 L3 스위치는 기기와 기기를 접속하는 역할도 담당하기에 일반적으로 라우터보다 많은 포트를 탑재하고 있습니다.
라우터의 특징은 다양한 회선을 수용할 수 있다는 점 입니다. L3 스위치는 이더넷을 지원하는 웬 회선만 수용가능하지만, 라우터는 전화 회선이나 이더넷이 아닌 광 회선 등도 수용할 수 있습니다.
라우터의 다른 특징은 L3 스위치보다 보안적으로 강하다는 점입니다. L3 스위치도 허용할 통신과 차단할 통신을 설정하는 패킷 필터 기능이 있지만, 송수신의 일관성 검사나 위조 방지 같은 패킷 체크 기능은 라우터가 뛰어납니다. 여기에 보안 기능을 더욱 강화한 방화벽이나 UTM이라는 것도 있습니다.
L4 스위치, L7 스위치
L4, L7 스위치는 로드 밸런서라고도 합니다. 로드 밸런싱은 시스템에 대한 요청을 여러 서버에 분산해서 통신량의 균형을 조절하는 기술입니다.
L4 스위치는 TCP 헤더 등 프로토콜 헤더의 내용을 해석하고 지정된 알고리즘에 근거하여 데이터를 분산해서 전송합니다. 주요 배분 방식으로는 라운드 로빈과 최소 연결이 있습니다.
L7 스위치는 거기에 더해 응용 계층의 내용까지 분석하여 데이터를 분산해서 전송합니다. 특정 사용자와 서버의 연결(세션)을 유지하는 기능은 L7 스위치가 실현합니다. 시스템에 따라서는 복수의 서버가 준비되어 있는데, 특정 사용자와 통신을 일정 기간 계속 유지할 필요가 있을 때가 있습니다. 이 경우 다른 서버에 연결되어 불일치가 발생하지 않도록 하는 것이 L7 스위치의 역할 중 하나입니다.
2.3.2 TCP와 UDP
TCP(Transmission Control Protocol)와 UDP(User Datagram Protocol)는 IP의 상위인 OSI 참조 모델 4계층에서 동작하는 프로토콜로, 3계층에서 동작하는 IP와 5~7계층에서 동작하는 애플리케이션(HTTP등)을 중개합니다.
TCP와 UDP는 중개하는 역할은 같지만, 각각 다른 특성이 있습니다. TCP에는 신뢰할 수 있는 통신을 실현하는 기능이 구현되어 있고, UDP에는 신뢰성 확보를 위한 기능이 없는 대신 TCP보다 처리가 빠릅니다. 그 때문에 데이터 일관성이 중요한 애플리케이션은 TCP로, 고속성이나 실시간성을 요구하는 애플리케이션은 UDP로 구분해서 사용합니다.
포트 번호
TCP/UDP 모두 포트 번호가 있습니다. 포트 번호는 통신하는 대상 컴퓨터의 애플리케이션을 특정하는 번호입니다.
IP주소는 컴퓨터에 할당되기 때문에 해당 컴퓨터에서 서비스중인 서버가 여러대가 있다면 어느 서버로 데이터를 전송해야 할지 알 수 없습니다.
컴퓨터에서 실행되는 애플리케이션에는 포트번호가 할당되어 있어서 IP주소와 포트번호를 안다면 해당 프로그램으로 데이터를 송신할 수 있습니다.
2.3.3 ICMP
ICMP(Internet Control Message Protocol)는 TCP/IP가 구현된 컴퓨터 및 네트워크 기기 사이에서 통신 상태를 확인할 때 이용하는 프로토콜입니다. OSI 참조 모델 3계층에서 동작하는 프로토콜이며, 계층은 IP와 동일하지만 IP 위에서 동작하는 프로토콜 입니다. 연결 확인 등에 이용되는 ping이나 tracert 명령어 등이 ICMP 프로토콜을 사용하는 프로그램 입니다.
3계층의 상위인 4계층에서 동작하는 프로토콜에는 앞서 소개한 TCP와 UDP가 있습니다. ICMP는 사실상 이들과 동등한 위치에 있는 프로토콜이라고 할 수 있습니다. ICMP는 TCP나 UDP를 사용하지 않고 단독으로 움직이기 때문입니다. TCP나 UDP를 거치지 않고 동작하므로 포트번호는 없습니다.
2.3.4 NAT
NAT(Network Address Translation)는 IP주소를 변환하는 기술입니다.
IP주소에는 프라이빗 IP주소와 글로벌 IP주소가 있습니다. 그 중 랜 내에서 사용되는 것이 프라이빗 IP주소이고, 인터넷에서 사용되는 것이 글로벌 IP주소입니다.
프라이빗 IP주소를 가진 컴퓨터로 인터넷상의 글로벌 IP주소를 가진 서버에 접속한다고 하면 프라이빗 상태의 IP주소로는 인터넷에 라우팅할 수 없습니다. 라우터가 프라이빗 IP 주소를 글로벌 IP주소로 변환해 주어야 하는데 이 기술이 NAT입니다.
2.3.5 프라이빗 IP주소에 사용할 수 있는 IP 주소
프라이빗 IP 주소로 사용할 수 있는 IP 주소는 세가지 클래스로 정해져 있습니다. 이런 주소는 글로벌 IP주소로 사용되지 않으며, 랜 내에서만 사용됩니다.
클래스 B 프라이빗 IP 주소와 클래스 C 프라이빗 IP 주소는 각 클래스의 서브넷 마스크의 비트 길이보다 짧고 더 큰 네트워크로 할당되어 있지만, 이용할 때는 이 범위에서 다시 /16이나 /24로 분할합니다. 물론 가변 길이 서브넷 마스크로 /23이나 /28처럼 변칙적으로 분할해서 이용할 수도 있습니다.
2.3.6 CIDR
CIDR(Classless Inter-Domain Routing)은 목적지를 여러 개를 모은 것입니다.
2.3.7 정적 라우팅과 동적 라우팅
라우터에는 라우팅 테이블이 있습니다. 라우팅 테이블에는 네트워크로의 통신을 어떤 라우터로 전달하면 좋은지 기록됩니다. 라우팅 테이블 정보를 관리하는 방법에는 정적 라우팅과 동적 라우팅 두 가지가 있습니다.
정적 라우팅
라우팅 테이블을 수동으로 관리하는 기술은 정적 라우팅입니다.
정적 라우팅에서는 네트워크를 구축할 때는 물론, 네트워크 구성을 변경할 때 사람이 직접 모든 라우팅 테이블을 설정합니다.
동적 라우팅
정적 라우팅에 대해 라우터끼리 정기적 또는 필요에 따라 네트워크 접속 경로에 관한 정보를 교환하고, 이를 바탕으로 라우팅 테이블을 자동으로 설정하는 방법을 동적 라우팅이라고 합니다.
동적 라우팅으로 정보를 교환하는 방식을 라우팅 프로토콜이라고 하며, 이것도 몇 가지 종류가 있습니다. 라우팅 프로토콜마다 특성이 다르기 때문에 적절한 설정이 필요합니다. 또 자동이라고 해도 설정만 하면 끝나는 것은 아니고, 도입이나 운용할 때는 어느정도 손이 갑니다.
비교 및 선정 방침
동적 라우팅을 이용할 때도 운용에 품이 든다면 정적 라우팅만으로 충분하지 않을까 하는 생각이 듭니다.
이 때 고려되는 것이 네트워크 규모입니다. 라우터 수십 대로 구성되지만, 구성 변경이 없는 네트워크라면 정적 라우팅으로 운용하는 것이 효율적입니다. 하지만 대규모 네트워크를 운용하고 관리하는 경우 동적 라우팅이 필요하며 이를 지원하는 기술자가 필요하게 됩니다.
