[CS] Computer Networking - Network layer(1)

📚컴퓨터 네트워크 전공 수업 정리

Network Layer

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📚NewworkLayer: 데이터의 경로 설정과 전달을 담당

• 핵심기능:
  1. sending host에서 receiving host로 trasport segment 전달
  2. sending 측에서 segment를 datagram으로 캡슐화
  3. receiving 측에서 segment를 transport layer로 전달
  4. 모든 호스트와 router에서 network layer protocol 실행
  5. router가 모든 IP datagram의 헤더 필드 검사

Netwrok의 two key functions

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1. Routing

📚**Routing: 출발지에서 목적지까지의 **경로를 결정하는 과정

• 여행을 계획할 때 출발지에서 목적지까지의 전체 경로를 계획하는 것과 같음

2. Forwarding

📚Forwarding: 라우터가 입력 포트에서 적절한 출력 포트로 패킷을 이동시키는 과정

• 여행 중 각 교차로에서 어느 방향으로 갈지 결정하는 것과 같음

• Routing algorithm을 통해 최적의 경로로 forwarding table을 만듦
• forwarding table을 통해 output link로 패킷 전송
  • 하지만 유실 가능성은 존재!

실제 인터넷에는 약 40억 개의 IP 주소가 존재 → 만약 각각의 목적지 주소마다 개별 엔트리를 만든다면 포워딩 테이블이 너무 커져서 비효율적!

• 그래서 각 엔트리에 전체 주소가 아닌 Address range를 사용한다

Address Range Aggregation

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• 개별 주소 대신 주소 범위를 사용
• 여러 목적지를 하나의 entry로 통합 → table size를 대폭 감소

위의 table 예시에서 여러 엔트리에 목적지 주소가 매칭될 경우가 존재함

✅가장 길게 매칭되는 엔트리를 찾아서 선택!

• Longest Prefix Matching
  • 목적지 주소와 각 테이블 엔트리의 prefix를 비교
  • 여러 매칭이 발견되면 longest prefix matching을 선택
  • 해당하는 출력 인터페이스로 패킷 전송
• 예시:
• DA: 11001000 00010111 00010110 10100001
• 매칭 가능한 entrys:
  • 11001000 00010111 00010*** ******** (21bits 매칭)
  • 11001000 00010111 00011*** ******** (20bits 매칭)
• 21bits가 더 길므로 첫 번째 엔트리 선택 → interface 0

⭐IP(Internet Protocol)

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IP datagram format

IP datagram format

1. 기본 정보 필드
   • ver: IP protocol version (IPv4 = 4 / IPv6 = 6)
   • header length: 헤더의 길이(4bytes)
     • 데이터 한 줄이 32bits(4bytes)이므로 5줄 * 4bytes = 20bytes가 기본 IP header 길이
   • type of service: IP data type을 표시.
   • length: 전체 데이터의 길이(bytes) = header + data
2. 분할/재조립 필드
   • 16-bit identifier: 분할된 패킷들의 원본 식별자
   • flags : 분할 제어
   • fragment offset: 분할된 데이터의 원본 위치
3. 네트워크 제어 필드
   • time to live(TTL): 패킷 생존 시간(hop 수). data가 라우터에서 무한히 존재하는 것을 방지
     • hop: 라우터를 하나 건너가는 행위
     • ex: 처음에 200개의 hop을 할당 → 데이터가 라우터를 건널때 마다 TTL필드 값이 줄어듦 → TTL=0이 되면 데이터의 수명이 다한 것으로 간주 → 라우터에서 해당 데이터를 제거 → 해당 데이터가 출발한 곳에 어떤 라우터에서 제거되었다고 알려줌
   • upper layer: upper layer(=Transport layer) protocol(TCP/UDP) 식별
   • header checksum: transport layer에서 받은 데이터의 header 오류 검출
4. 주소 필드
   • 가장 중요한 필드
   • 32 bit source IP address: 출발지 IP 주소
   • 32 bit destination IP address: 목적지 IP 주소

• option: 추가적인 정보 저장(없을 수도 있음)

각 필드별 자세한건 차차 알아보자

IP data에는 TCP or UDP로 부터 받은 segment가 있고 거기에 네트워크 layer header가 덧붙여진다 그 때문에 네트워크 패킷에는 오버헤드가 존재

• Total overhead: 40bytes(IP 20bytes + TCP 20bytes) + app msg

위에서 본 IP datagram format에서 가장 중요한 source/destination IP address에 대해 알아보자

IPv4 addressing

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📚IP address: 32-bit unique number로, 호스트나 라우터의 interface를 식별

• dotted-quad notation으로 표현됨

  12.34.158.5

그럼 어떤 방식으로 IP 주소를 배정할까??

Grouping Related Hosts

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인터넷은 개별 호스트가 아닌 네트워크들이 연결되어 있는 모습이다

❌호스트마다 임의의 주소를 할당한 경우

• 라우터가 모든 개별 호스트 정보 저장 필요
• forwarding table의 크기가 엄청나게 커짐!(전 세계 호스트의 수)

주소를 계층구조로 만들자!!

• IP address를 네트워크 부분 + 호스트 부분으로 분할
• 같은 subnet의 호스트들을 그룹화
• 라우터는 네트워크 단위로만 경로를 관리

Subnet Mask

📚Subnet mask: IP 주소에서 네트워크 부분과 호스트 부분을 구분하기 위한 32bit 값

• IP 주소와 Subnet mask를 준비하고 AND 연산을 수행해서 네트워크 주소를 얻어냄

Scalability Improved

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이제 개별 호스트마다 IP주소를 주고 관리할 필요 없이 네트워크 단위로 관리가 가능해졌다!

만약 5.6.7.213 호스트 추가 시 기존 5.6.7.0/24 경로를 활용하면 됨
즉, forwading table 엔트리 추가(라우터 업데이트) 불필요