[🌐CN] Internet Protocol(3) - IP Header & Forwarding

Posted Sep 22, 2025 Updated Sep 22, 2025

By xmoonanx

22 min read

🌐 Internet Protocol 전공 수업 정리

IP는 인터넷의 허리(waist of the hourglass)라 불린다. 모든 상위 레이어 프로토콜과 하위 레이어 기술들이 IP를 중심으로 연결되기 때문이다. IP의 구조, 헤더 필드, 그리고 포워딩 메커니즘을 깊이 있게 살펴보자.

IP의 역할과 위치

The Waist of the Hourglass

📚IP (Internet Protocol): Network Layer에서 동작하는 프로토콜로, 다양한 링크 계층 기술들과 상위 전송 계층 프로토콜들을 연결하는 핵심 프로토콜

모래시계 모델:

                    Application Layer
                 ┌──────────────────────┐
                 │ HTTP  SMTP  RTP ...  │  ← 다양한 상위 프로토콜
                 └──────────┬───────────┘
                 ┌──────────▼───────────┐
                 │   TCP      UDP       │
                 └──────────┬───────────┘
                      ┌─────▼─────┐
                      │    IP     │        ← 허리 (Waist)!
                      └─────┬─────┘
                 ┌──────────▼───────────┐
                 │ Ethernet  WiFi  PPP  │  ← 다양한 하위 기술
                 │ FDDI  ATM  Bluetooth │
                 └──────────────────────┘
                    Physical Layer

핵심 특징:

✅ One network layer protocol: 모든 인터넷 연결 장치에 구현되어야 함
✅ 호환성 해결: 서로 다른 링크 계층 기술들 간의 호환성 문제 해결
✅ IP Forwarding: 패킷을 목적지까지 전달하는 핵심 기능

IP가 구현되는 위치

Host A           Router 1         Router 2         Host B
┌──────────┐    ┌──────────┐    ┌──────────┐    ┌──────────┐
│   App    │    │          │    │          │    │   App    │
├──────────┤    ├──────────┤    ├──────────┤    ├──────────┤
│   TCP    │    │          │    │          │    │   TCP    │
├──────────┤    ├──────────┤    ├──────────┤    ├──────────┤
│    IP    │◄──►│    IP    │◄──►│    IP    │◄──►│    IP    │
├──────────┤    ├──┬────┬──┤    ├──┬────┬──┤    ├──────────┤
│ Data Link│    │DL│ DL │DL│    │DL│ DL │DL│    │Data Link │
└──────────┘    └──┴────┴──┘    └──┴────┴──┘    └──────────┘

중요 포인트:

IP는 라우터와 호스트 모두에서 구현되는 최상위 프로토콜
Application과 TCP는 End-to-End (호스트에서만)
IP는 hop-by-hop (모든 라우터에서 처리)

IP Service 특성

IP의 3가지 핵심 특성

1️⃣ Connectionless (비연결성)

📌 물리적인 연결이 없다는 의미가 아님 → 관리 없음
각 패킷이 독립적으로 처리됨
순차적 전달 보장 없음 (No sequential delivery)

2️⃣ Unreliable (비신뢰성)

패킷 손실 가능 (Lost packets)
중복 패킷 발생 가능
순서 뒤바뀜 가능 (Out-of-sequence delivery)

3️⃣ Best Effort (최선 노력)

Throughput 보장 없음
Delay 보장 없음
QoS 보장 없음

결과:

Consequences:
┌────────────────────────────────────────────────────┐
│ ❌ 패킷이 순서대로 도착하지 않을 수 있음             │
│ ❌ 패킷이 손실되거나 중복될 수 있음                 │
│ ✅ 상위 계층 프로토콜(TCP)이 이를 처리해야 함       │
└────────────────────────────────────────────────────┘

Why Best Effort?: 단순성과 확장성을 위해 복잡한 보장 기능은 상위 계층(TCP)에 위임

IP가 지원하는 통신 방식

📚IP Multicast: 하나의 패킷을 여러 수신자에게 전송하는 효율적인 방법 (IGMP, multicast routing 프로토콜 필요)

3가지 통신 방식:

1. Unicast (1:1)          2. Broadcast (1:all)       3. Multicast (1:some)
     ●  →  ●                    ●  →  ●●●                  ●  →  ●●
                                      ●●●                        ●

방식	설명	예시
Unicast	1:1 통신	일반 웹 브라우징
Broadcast	1:모두 통신	ARP request
Multicast	1:그룹 통신 (선택적)	IPTV, 화상회의

IP Header 구조

IP Header 전체 구조

bit # 0       7 8      15 16     23 24                            31
├──────┬───────┼─────────┼─────────┼──────────────────────────────┤
│version│header│   DS   │   ECN   │    total length (in bytes)   │
│  (4) │length│   (6)  │   (2)   │           (16 bits)          │
├──────┴───────┴────────┴──────┬──┼──┬───┬───────────────────────┤
│       Identification          │0 │DF │MF │  Fragment offset    │
│          (16 bits)            │  │ (1)│(1)│    (13 bits)        │
├───────────────┬───────────────┴──┴───┴───┴───────────────────────┤
│time-to-live   │   protocol    │    header checksum              │
│   (TTL)       │    (8 bits)   │      (16 bits)                  │
│  (8 bits)     │               │                                 │
├───────────────┴───────────────┴──────────────────────────────────┤
│                  source IP address (32 bits)                    │
├───────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                destination IP address (32 bits)                 │
├───────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                  options (0 to 40 bytes)                        │
├───────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                       payload                                   │
└───────────────────────────────────────────────────────────────────┘
                        4 bytes

크기:

최소 헤더 크기: 20 bytes (옵션 없을 때)
최대 헤더 크기: 60 bytes (옵션 40 bytes 포함)
최대 Total Length: 2^16 bytes = 65,536 bytes

IP Header 필드 상세

Version (4 bits)

역할: IP 프로토콜 버전 식별

IPv4: 값 = 4 (대부분)
IPv6: 값 = 6

Header Length (4 bits)

📚Header Length (IHL): IP 헤더의 길이를 4-byte 단위로 표현

계산 방법:

헤더 길이 = Header Length × 4 bytes

예시:
  Header Length = 5 → 5 × 4 = 20 bytes (옵션 없음)
  Header Length = 15 → 15 × 4 = 60 bytes (최대)

DS/ECN Field (1 byte = 8 bits)

과거: Type of Service (TOS) 필드 현재: DS (6 bits) + ECN (2 bits)

Differentiated Service (DS) - 6 bits:

서비스 레벨 지정 (현재 인터넷에서는 미지원)
QoS 차별화 용도

Explicit Congestion Notification (ECN) - 2 bits:

TCP의 혼잡 제어를 위한 피드백 메커니즘
라우터가 혼잡 상태를 패킷에 표시

Total Length (16 bits)

역할: 전체 패킷 크기 (헤더 + 페이로드)

Total Length = IP Header + IP Payload
최소: 20 bytes (헤더만)
최대: 65,535 bytes (2^16 - 1)

⚠️ 주의: 하위 링크 계층의 MTU가 이보다 작을 수 있음!

Fragmentation 관련 필드

MTU (Maximum Transmission Unit)

📚MTU: 데이터 링크 프로토콜이 전송할 수 있는 최대 IP 패킷 크기

주요 MTU 값:

링크 타입	MTU (bytes)
Ethernet	1,500
802.3	1,492
802.5	4,464
FDDI	4,352
ATM AAL5	9,180
PPP	negotiated

문제 상황:

Host A                 Router              Host B
  │                      │                    │
  │  4,000 byte packet   │                    │
  ├──────────────────────►                    │
         FDDI MTU=4352   │  Ethernet MTU=1500 │
                         │                    │
                    Fragmentation 필요!

Fragmentation (단편화)

Fragmentation이 발생하는 경우:

IP datagram 크기 > 링크의 MTU
라우터가 패킷을 여러 조각(fragment)으로 분할

Fragmentation 장소:

Sender (송신자)
Intermediate routers (중간 라우터)
동일한 datagram이 여러 번 fragmentation될 수 있음

Reassembly (재조립)

어디서 재조립하는가?

❌ Option 1: 중간 라우터에서 재조립?

Host A  →  R1  →  R2  →  Host B
       Fragment  Reassemble?

문제: Fragment들이 서로 다른 경로로 갈 수 있음!

✅ Option 2: 최종 목적지(End-host)에서 재조립

Host A  →  R1  ┬→  R3  ┐
              Fragment  └→  Host B (Reassemble!)
           R2  ┘

정답: 모든 fragment는 최종 수신자(Destination host)에서 재조립
Fragments가 서로 다른 경로를 거칠 수 있기 때문!

Fragmentation 관련 필드

Identification (16 bits):

동일한 datagram의 모든 fragment는 동일한 ID
송신자가 datagram 전송 시마다 증가시킴

Flags (3 bits):

비트	이름	의미
0	-	항상 0 (예약)
DF	Don’t Fragment	1이면 단편화 금지, 패킷 drop 후 ICMP 전송
MF	More Fragments	1이면 뒤에 fragment가 더 있음

Fragment Offset (13 bits):

현재 fragment의 페이로드가 원본 datagram에서 차지하는 위치
8-byte 단위로 표현 (실제 offset = 값 × 8)

Fragmentation 예시

Original Packet: 4,000 bytes

Version: 4          Header Length: 5        Type of Service: 0
Total Length: 4000
Identification: 56273                    R/D/M: 0/0/0
Fragment Offset: 0
TTL: 127            Protocol: 6 (TCP)     Checksum: 44019
Source: 1.2.3.4
Destination: 3.4.5.6
(3980 bytes payload)

MTU = 1,500 bytes일 때 Fragmentation:

원본:
┌────┬──────────────────────────────────────┐
│ 20 │           3980 bytes                 │
└────┴──────────────────────────────────────┘
     4000 bytes

분할 후:
┌────┬───────────────┐  ┌────┬──────────┐  ┌────┬──────────┐
│ 20 │  1480 bytes   │  │ 20 │ 1200     │  │ 20 │ 1300     │
└────┴───────────────┘  └────┴──────────┘  └────┴──────────┘
     1500 bytes              1220 bytes         1320 bytes

Fragment 1:

Total Length: 1500
Identification: 56273
R/D/MF: 0/0/1  ← MF=1 (더 있음!)
Fragment Offset: 0  (0 × 8 = 0)

Fragment 2:

Total Length: 1220
Identification: 56273
R/D/MF: 0/0/1  ← MF=1 (더 있음!)
Fragment Offset: 185  (185 × 8 = 1480)

Fragment 3 (마지막):

Total Length: 1320
Identification: 56273
R/D/MF: 0/0/0  ← MF=0 (마지막!)
Fragment Offset: 335  (335 × 8 = 2680)

TTL (Time-to-Live)

TTL의 역할

📚TTL (Time-to-Live): 패킷이 무한 루프를 도는 것을 방지하기 위한 홉 카운터

문제 상황: Forwarding Loop

     R1 ⇄ R2
      ↓   ↑
      R3

패킷이 무한정 순환! → 모든 대역폭 소모!

TTL 동작 방식:

Sender: TTL 값 설정 (예: 64)
각 라우터: TTL 값을 1씩 감소
TTL = 0: Datagram drop + “Time Exceeded” ICMP 메시지 송신

Ping 출력 예시:

  
C:\Users\사용자>ping www.unipi.it

114.21.42의 응답: 바이트=32 시간=308ms TTL=39
114.21.42의 응답: 바이트=32 시간=307ms TTL=39
114.21.42의 응답: 바이트=32 시간=306ms TTL=39

TTL 값의 의미:

초기값 64로 시작했다면 → 25 hops (64 - 39 = 25)
traceroute의 기반이 되는 메커니즘!

Protocol Field

Protocol (8 bits)

📚Protocol Field: 상위 계층 프로토콜을 식별하여 수신 호스트가 올바르게 역다중화(demultiplexing)할 수 있도록 함

주요 Protocol 번호:

번호	프로토콜	설명
1	ICMP	Internet Control Message
2	IGMP	Internet Group Management
4	IP-in-IP	IP encapsulation
6	TCP	Transmission Control
17	UDP	User Datagram

Demultiplexing 예시:

수신 패킷:
  Protocol = 6 (TCP)
     ↓
  IP 계층이 TCP 모듈로 전달
     ↓
  TCP 헤더 파싱 시작

Header Checksum

Checksum (16 bits)

📚Header Checksum: IP 헤더의 무결성을 검증하기 위한 체크섬 (payload는 검사 안 함!)

계산 방법: One’s Complement Sum

Step 1: 16-bit words로 분할
  1011 0000 0101 1111  +
  1110 1100 0101 1100  =
 ───────────────────────
 1 1001 1100 1011 1011  ← Carry 발생

Step 2: Carry를 다시 더함
  1001 1100 1011 1011  +
  0000 0000 0000 0001  =
 ───────────────────────
  1001 1100 1011 1100

Step 3: One's Complement (비트 반전)
  0110 0011 0100 0011  ← Checksum!

매 라우터에서 재계산:

TTL이 변경되므로 checksum도 매번 재계산 필요
Checksum 불일치 → 패킷 폐기

Checksum Offloading:

성능 향상을 위해 NIC (Network Interface Card)에서 계산
OS 부담 감소

IP Options

Options (0~40 bytes)

📚IP Options: 선택적으로 사용 가능한 확장 기능 (TLV 형식)

TLV (Type-Length-Value) 구조:

┌──────┬────────┬────────────────┐
│ Type │ Length │     Value      │
└──────┴────────┴────────────────┘
  1 byte  1 byte   Variable

주요 Option들:

Type	이름	설명	사용 빈도
0	End of List	옵션 목록 끝	If required
1	No Operation	Padding 용도	If required
7	Record Route	각 라우터가 자신의 IP를 헤더에 추가	Rare
68	Timestamp	각 라우터가 IP + 시간 추가	Rare
131	Loose Source Routing	반드시 거쳐야 할 라우터 목록 (중간에 다른 라우터 가능)	Rare, filtered
137	Strict Source Routing	오직 명시된 라우터들만 거쳐야 함	Rare, filtered
148	Router Alert	라우터가 패킷 내용을 검사해야 함	Occasional

Router Alert Option

특징:

보통 라우터는 패킷을 포워딩만 함
Router Alert: 라우터가 패킷 내용을 검사하고 특별한 처리 수행

사용 예시: IGMP (Internet Group Management Protocol)

┌─────────────────────────────────────────────────┐
│ Options: (4 bytes), Router Alert               │
│   Router Alert (4 bytes): Router shall examine  │
│     Type: 148                                   │
│     Length: 4                                   │
│     Router Alert (20)                           │
├─────────────────────────────────────────────────┤
│ Internet Group Management Protocol              │
│   [IGMP Version: 2]                             │
│   Type: Membership Query (0x11)                 │
│   Max Response Time: 10.0 sec (0x64)            │
└─────────────────────────────────────────────────┘

라우터에게 상태 정보(state)가 기록되어야 할 때 RA 옵션 사용 → 악의적으로 사용 가능 (공격 벡터)

Source Routing

Loose Source Routing (Type 131):

Wireshark 예시:
Source Route: 151.101.229.67 <- (next)
Destination: 151.101.229.67

Time to live: 1
Current Route: 163.152.1.1

패킷이 특정 라우터들을 반드시 거쳐야 함
중간에 다른 라우터도 거칠 수 있음

보안 이슈:

대부분의 라우터는 source routing 옵션을 drop함
해킹에 악용될 수 있기 때문

Padding

역할: IP 헤더가 4-byte 경계에서 끝나도록 보장

Options: 11 bytes
Padding: 1 byte 추가
Total Header: 20 + 12 = 32 bytes (4의 배수 ✅)

IP 공격 유형

Attacks Involving IP

1. IP 헤더 필드 조작:

Bad header length
Wrong version number
목표: 라우터 크래시 또는 성능 저하

2. Option 악용:

Specialized code (fragment reassembly) 버그 익스플로잇
Router Alert 남용

3. IP Spoofing:

📚IP Spoofing: 송신자가 Source IP 주소를 위조하여 공격

방어: Ingress Filtering

ISP 경계 라우터에서:
  ┌────────────────────────────┐
  │ If (source IP prefix !=    │
  │     expected prefix)       │
  │   → DROP packet!           │
  └────────────────────────────┘

라우터가 들어오는 패킷의 Source IP prefix 검증
예상되는 prefix가 아니면 폐기

Forwarding (포워딩)

Forwarding의 개념

📚Forwarding: 라우터가 수신한 패킷을 적절한 출력 인터페이스로 전달하는 과정

라우터의 주요 기능:

Routing: 경로 결정 (Routing Table 생성)
Forwarding: 실제 패킷 전달 (Forwarding Table 사용)

Routing Table 구조

IPv4 Routing Table:

활성 경로:
┌──────────────┬──────────────┬─────────────┬──────────────┬────────┐
│네트워크 대상 │네트워크마스크│ 게이트웨이  │ 인터페이스   │메트릭  │
├──────────────┼──────────────┼─────────────┼──────────────┼────────┤
│  0.0.0.0     │  0.0.0.0     │ 192.168.0.1 │ 192.168.0.33 │   50   │
│ 127.0.0.0    │ 255.0.0.0    │  연결됨     │ 127.0.0.1    │  331   │
│ 127.0.0.1    │255.255.255.255│ 연결됨     │ 127.0.0.1    │  331   │
│127.255.255.255│255.255.255.255│연결됨     │ 127.0.0.1    │  331   │
│ 192.168.0.0  │255.255.255.0 │  연결됨     │192.168.0.33  │  306   │
│192.168.0.33  │255.255.255.255│ 연결됨     │192.168.0.33  │  306   │
│192.168.0.255 │255.255.255.255│ 연결됨     │192.168.0.33  │  306   │
│ 224.0.0.0    │ 240.0.0.0    │  연결됨     │ 127.0.0.1    │  331   │
│ 224.0.0.0    │ 240.0.0.0    │  연결됨     │192.168.0.33  │  306   │
│255.255.255.255│255.255.255.255│연결됨     │ 127.0.0.1    │  331   │
│255.255.255.255│255.255.255.255│연결됨     │192.168.0.33  │  306   │
└──────────────┴──────────────┴─────────────┴──────────────┴────────┘

구성 요소:

Destination network prefix (네트워크 대상)
Network mask (네트워크 마스크)
Gateway (게이트웨이): 다음 홉 라우터의 IP 주소 (또는 “연결됨”)
Interface (인터페이스): 패킷을 내보내는 IF
Metric (메트릭): 엔트리 우선순위 (낮을수록 우선)

Default Router vs Core Router

Default Router (Edge Router):

┌────────────────────────────┐
│  Default Entry 있음        │
│  0.0.0.0/0 → Gateway       │
└────────────────────────────┘
       │
   매칭 안되면?
       │
   ┌───▼───┐
   │Internet│
   │내부로  │
   │forward │
   └───────┘

Default entry (0.0.0.0/0) 존재
알지 못하는 네트워크를 인터넷으로 전달

Core Router (Backbone Router):

┌────────────────────────────┐
│  No Default Entry!         │
│  완전한 Routing Table      │
│  (~800,000 entries)        │
└────────────────────────────┘
       │
   매칭 안되면?
       │
   ┌───▼───┐
   │ DROP! │
   └───────┘

Default entry 없음
전 세계 모든 네트워크 정보 보유 (~80만 개 엔트리)
매칭 안 되면 → 존재하지 않는 주소!

ARP Cache

ARP Cache의 역할:

IP 주소 → MAC 주소 매핑 정보 저장
Forwarding 시 Next-hop의 MAC 주소 조회

  
C:\Users\사용자>arp -a

인터페이스: 172.30.1.59 --- 0x14
  인터넷 주소       물리적 주소           유형
  172.30.1.37     44-cb-8b-e4-01-64     동적
  172.30.1.43     48-e2-44-27-c7-21     동적
  172.30.1.128    90-f8-91-89-ba-6a     동적
  172.30.1.254    00-07-89-82-0d-aa     동적
  172.30.1.255    ff-ff-ff-ff-ff-ff     정적
  224.0.0.2       01-00-5e-00-00-02     정적
  ...

Routing Table Update

라우팅 테이블 갱신 방법:

Routing Protocol (자동):
- RIP, OSPF, BGP 등
- 동적으로 경로 학습
OS (자동):
- 인터페이스 up/down 감지
- 직접 연결된 네트워크 추가/삭제
Admin (수동):
- Static route 추가
- 관리자가 직접 설정

Forwarding 예시

네트워크 구성

                   166.140.21.23/24 (Ethernet)
                        │
       166.140.21.49/28─┼─166.140.21.3/28
                        │
          ┌─────────────▼─────────────┐
          │        Router              │
          │                            │
          └─┬──────────────────────┬───┘
            │ PPP                  │ Ethernet
   166.140.21.50/28                │
            │                      │
   166.140.21.67/28        166.140.21.0/28
            │                      │
        ┌───▼──┐              ┌────┴────┐
        │Router│              │ Hosts   │
        └──────┘              └─────────┘
   166.140.21.77/28

Routing Table:

Destination	Next hop	Netmask	Interface
166.140.21.0			eth0
127.0.0.0	127.0.0.1	255.0.0.0	lo0
166.140.21.50			ppp0
			ppp1
0.0.0.0	166.140.21.1		eth1

포워딩 결정:

패킷 도착: Destination = 166.140.21.5

Step 1: Routing Table 조회
  - 166.140.21.0 매치! (eth0)

Step 2: ARP Cache 조회
  - 166.140.21.5의 MAC 주소?

Step 3: 패킷 전송
  - Ethernet frame으로 캡슐화
  - eth0 인터페이스로 송출

정리

IP의 핵심 특징 요약

특징	설명
Connectionless	패킷마다 독립적 처리
Unreliable	손실, 중복, 순서 뒤바뀜 가능
Best Effort	QoS 보장 없음
Hourglass	모든 네트워크 기술의 공통 인터페이스

IP Header의 중요 필드

필드	역할	크기
Version	IPv4 vs IPv6	4 bits
Total Length	패킷 전체 크기	16 bits
Identification	Fragment 식별	16 bits
Flags & Offset	Fragmentation 제어	16 bits
TTL	무한 루프 방지	8 bits
Protocol	상위 프로토콜 식별 (TCP/UDP)	8 bits
Checksum	헤더 무결성 검증	16 bits
Source/Dest IP	송수신자 주소	32 bits

Forwarding의 핵심: Routing Table의 Longest Prefix Matching으로 Next-hop 결정!

CS, Internet Protocol

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IP의 역할과 위치

The Waist of the Hourglass

IP가 구현되는 위치

IP Service 특성

IP의 3가지 핵심 특성

IP가 지원하는 통신 방식

IP Header 구조

IP Header 전체 구조

IP Header 필드 상세

Version (4 bits)

Header Length (4 bits)

DS/ECN Field (1 byte = 8 bits)

Total Length (16 bits)

Fragmentation 관련 필드

MTU (Maximum Transmission Unit)

Fragmentation (단편화)

Reassembly (재조립)

Fragmentation 관련 필드

Fragmentation 예시

TTL (Time-to-Live)

TTL의 역할

Protocol Field

Protocol (8 bits)

Header Checksum

Checksum (16 bits)

IP Options

Options (0~40 bytes)

Router Alert Option

Source Routing

Padding

IP 공격 유형

Attacks Involving IP

Forwarding (포워딩)

Forwarding의 개념

Routing Table 구조

Default Router vs Core Router

ARP Cache

Routing Table Update

Forwarding 예시

네트워크 구성

정리

IP의 핵심 특징 요약

IP Header의 중요 필드

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