[네트워크] OSI 7계층 - 네트워크 계층

네트워크 계층 (Network Layer)

● 네트워크란 무엇일까?

  - 두 대 이상의 연결된 컴퓨팅 장치의 그룹

  - 지금 사용하고 있는 인터넷이 대표적으로 '네트워크'가 연결되어 있기에 사용하고 있는 것이다.

  - 인터넷은 네트워크의 네트워크이며 네트워크 내에서는 컴퓨터들이 서로 연결되어 있고,
    이러한 네트워크들이 다른 네트워크에 연결한다.

 

● 어떠한 일을 하는 계층일까?

  - 데이터 패킷이 취할 경로를 설정

  - 다른 네트워크 서버가 가동 중인지 확인

  - IP 패킷에 주소를 붙이고, 다른 네트워크로부터 IP패킷 수신

   → 가장 중요한 작업, 대다수 인터넷 트래픽이 IP를 통해 보내지기 때문에

 

네트워크 단위 : 패킷(Packet)

● 패킷(Packet)이란?

  - 데이터를 작은 조각으로 나누어서 전송하는 것

  - A가 B에게 메시지를 보낸다고 했을 때, 이 메시지 내용을 여러 조각으로 나뉜 다음
    컴퓨터에서 다시 조립된다.

  - 인터넷을 통해 패킷을 보낼 때 네트워크 계층에서는 네트워킹 소프트웨어가 각 패킷에
    헤더를 추가하며, 상대방에서는 네트워킹 소프트웨어가 헤더를 이용해 패킷 처리를 함

네트워킹 소프트웨어?

(= SDN(Software-Defined Networking))

- 애플리케이션 프로그래밍 인터페이스(API)로 구동되는 소프트웨어 컨트롤러를 사용하여 하드웨어와
통신하여 네트워크 트래픽을 지시하는 네트워킹 접근 방식

  - 헤더에는 각 패킷의 내용, 출발지, 목적지에 대한 정보가 포함한다.

   → 편지 봉투에 목적지와 반송 주소를 적고 도장을 찍는 것

  - 예를 들어 IP 헤더에는 각 패킷의 IP 주소, 패킷의 전체 크기, 패킷이 전달 중 분편화 되었는지 여부,
    패킷이 통과한 네트워크 수 등이 포함.

 

패킷에 대해 알아보다가 나온 패킷 헤더

● 패킷의 내용, 원본, 대상에 대한 정보를 제공하는 일종의 "레이블"

   → 패킷의 내용을 식별하기 위한 상표!

 

● 패킷은 헤더(Header)와 페이로드(Payload)의 두 부분으로 구성

  - 헤더(Header)에는 원본 및 대상 IP 주소와 같은 패킷에 대한 정보가 포함

  - 페이로드(Payload) = 실제 데이터

 

패킷 헤더를 알아봤더니 IP라는 개념의 등장

● 인터넷 프로토콜(IP:Internet Protocol) :

   통신을 위해 인터넷 프로토콜을 사용하여 컴퓨터 내트워크 내에서 상호 연결된 각 장치에 지정된
   숫자 레이블(=상표)

 

● 주요 기능

  - 호스트와 네트워크 인터페이스를 고유하게 식별

  - 네트워크 인프라 내에서 디바이스의 위치를 지정

 

● 작동 방식

  두 가지의 유형  

  ○ IPv4 : 마침표로 구분된 4개의 숫자로 구성

    - 컴퓨터의 루프백 IP 주소 : 127.0.0.1

    - 각 값은 0-256 범위에서 생성

    - 세상에 이 경우의 수보다 더 많은 컴퓨터가 등장하면서 등장한 개념 = IPv6

 

  ○ IPv6 : 콜론으로 구분된 8개의 16bit 필드를 사용하여 컴퓨터를 식별

    - 예시 형태) 2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334 → 16진수로 작성된다

 

● IP 주소 유형

 Public vs Private

  ○ Public 주소 : 컴퓨터를 해당 인터넷 서비스 제공업체(ISP)와 나머지 인터넷에 식별

제공업체(ISP)?

- 개인이나 기업체에게 인터넷 접속 서비스, 웹사이트 구축 및 웹 호스팅 서비스 등을 제공하는 회사

 예) KT, SK브로드밴드, LG U+ 등

     - 단일 컴퓨터를 고유하게 식별하거나 비공개 네트워크의 공유 액세스 포인트 역할을 할 수 있다.

 

  ○ Private 주소 : 로컬 네트워크 내의 컴퓨터를 식별하는 데 사용

    - 특정 범위의 IP 주소 사용 (10.0.0.0 - 10.255.255.255)

    - 172.16.0.0 - 172.31.255.255, 192.168.0.0 - 192.168.255.255

      → 네트워크 외부의 컴퓨터를 식별하는 데에는 사용할 수 없다. 
     예) 공유기로 여러 컴퓨터에 연결했을 때, 공유기 설정할 때 쓰던 IP 주소 (=192.168.x.x)

 

 정적 vs 동적

  ○ 고정 (Static) : 특정 컴퓨터에 IP 주소를 반영구적으로 할당

        → 회사에서 아루터나 프린터와 같은 디바이스에 고정 IP 주소 할당

 

  ○ 동적 (Dynamic) : 동적 호스트 구성 프로토콜(DHCP)을 사용하여 라우터에 의해 컴퓨터에 임시로 할당

        → 임대 주소라고도 칭하며, 일정 기간 동안 유효하고 그 이후에는 디바이스에서 새 IP 주소를 요청해야 함.

 

라우팅(Routing)

● 라우팅이란?
네트워크에서 데이터 패킷이 목적지까지 도달하기 위해 경로를 결정하는 과정

  → IP 주소와 같은 논리적 주소를 기반으로 수행

 

● 라우팅의 종류

  ○ 정적 라우팅(Static Routing) : 관리자가 직접 수동으로 경로를 설정

    - 데이터는 미리 지정된 경로를 따라 이동 = 네트워크 환경이 고정된 경우 적합

    - 장점 : 1) 설정이 간단하며, 네트워크 자원을 절약할 수 있다.

                 2) 대역폭을 사용하지 않으며, 보안성이 높다.

 

    - 단점 : 1) 네트워크 변화에 실시간 대응이 어렵다.

                2) 대규모 네트워크에서는 관리 부담이 크다.

 

  ○ 동적 라우팅(Dynamic Routing) : 라우터가 자동으로 경로를 설정하고 갱신하는 방식

    - 라우팅 프로토콜을 사용하여 네트워크 상태를 지속적으로 모니터링하고 최적 경로를 선택

    - 네트워크 변화에 실시간 대응이 가능

    - 장점 : 1) 관리자가 경로를 설정할 필요가 없다.

                 2) 장애 발생 시 자동으로 우회 경로를 탐색한다.

 

    - 단점 : 1) 라우터 간 통신으로 인해 추가적인 트래픽이 발생한다.

                2) 대규모 네트워크에서는 관리 부담이 크다.

 

    - 라우팅 프로토콜 정리 ▼

● 거리 벡터 방식 (Distance Vector)

  - 홉 수(Hop Count)를 기준으로 최단 경로를 계산

  예) RIP(Routing Iformation Porotocol) 라우팅 정보 프로토콜,
        IGRP(Interior Gateway Routing Protocol)

  - 장점 : 구현이 간단하고 소규모 네트워크에 적합하다.

  - 단점 : 경로 수렴 속도가 느리고, 루프 문제가 발생할 수 있다.

 

● 링크 상태 방식 (Link State)

  - 전체 네트워크의 링크 상태 정보를 기반으로 최단 경로 계산

  예) OSPF(Open Shortest Path First), 
        IS-IS (Intermediate System-to-Intermediate System Protocol)

  - 장점 : 대규모 네트워크에 적합하며, 장애 복구 속도 빠르다.

  - 단점 : 경로 수렴 속도가 느리고, 루프 문제가 발생할 수 있다.

   

● 하이브리드 방식 (Hybrid)

  - 거리 벡터와 링크 상태 방식을 혼합한 형태

  예) EIGRP(Enhanced Interior Gateway Routing Protocol) 강화 내부 경로 제어 통신 규약

  ○ 디폴트 라우팅(Default Routing) : 

    - 목적지 경로가 라우팅 테이블에 없을 때 기본적으로 지정된 경로(Default Route)를 사용하는 방식

    - 모든 패킷을 특정 인터페이스나 다음 홉(next hop)으로 전달

홉(Hop)?

- 데이터 통신망에서 각 패킷이 매 노드(또는 라우터)를 건너가는 양상을 비유적으로 표현한 것

- Hop : 건너뛰는 모습을 의미한다

     - 장점 : 설정이 간다하며, 스텁 네트워크(Stub Network)와 같은 단순 환경에서 유용하다.

     - 단점 : 모든 트래픽을 단일 경로로 보내기 때문에 대규모 환경에서는 비효율적일 수 있다.

     - 예) 인터넷 연결을 위한 기본 게이트웨어 설정 or 스텁 네트워크

Stub Network?

- Stub : 토막, 끝

- 하나의 네트워크에서 외부의 네트워크로 나가고 들어오는 경로가 오직 하나뿐인 경우

   즉, 외부에서 들어와 결국은 종료되는 네트워크

 

    - 라우팅 프로토콜 비교 요약표

	설정 방식	적합한 환경	장점	단점
정적 라우팅	수동 설정	고정된 소규모 네트워크	자원 절약, 보안성 높음	변경 시 작업 부담
동적 라우팅	자동 설정	대규모 네트워크	자동 업데이트 장애 복구 가능	자원 소모 많음, 설정 복잡
디폴트 라우팅	기본 경로 지정	단순한 환경	설정 간단	대규모 환경에서 비효율적