Network Layer - TCP/IP Layer 2

2024. 3. 7. - Last update: 2025. 12. 6.

TCP/IP 모델의 2계층으로 OSI 7계층의 네트워크 계층(Network Layer)으로, 물리적 연결을 넘어 최종 목적지까지 데이터를 안전하고 빠르게 전달하는 것이 주 목적이다.

계층	목적
1계층	인접한 장치 간의 통신 (Hop-by-Hop)
2계층	최종 목적지까지의 경로를 찾고 패킷을 전달하는 종단 간 통신 (End-to-End)

핵심 역할: 논리적 주소(IP) 지정, 라우팅(Routing), 패킷 전달(Forwarding)
전송 단위: 패킷(Packet) 또는 데이터그램(Datagram)
주요 프로토콜: IP(IPv4/IPv6), ARP, ICMP, IGMP, 라우팅 프로토콜(OSPF, BGP 등)

IP(Internet Protocol) 개요

인터넷상에서 데이터를 주고받기 위한 핵심 규약으로, 패킷 교환 방식을 사용하여 데이터를 전송하며, 비연결형(Connectionless)이자 비신뢰성(Unreliable) 특징을 가진다.

MAC 주소와 IP 주소의 공존 이유

모든 네트워크 장비는 고유한 MAC 주소를 가지지만, 물리적 주소만으로는 거대한 네트워크에서 특정 장비의 위치를 파악하기 어렵다.

구분	MAC 주소	IP 주소
정의	네트워크 장비에 할당된 고유한 물리적 주소	네트워크에 연결된 컴퓨터를 식별하는 논리적 주소
할당 주체	제조사가 하드웨어에 직접 할당 (Burn-in)	네트워크 관리자 또는 ISP가 할당
변경 가능 여부	일반적으로 변경 불가능	변경 가능 (유동 IP 등)
길이	48비트 (6바이트)	일반적으로 32비트 (4바이트)

IP의 한계와 보완

IP는 신속한 전송을 목적으로 하기에 목적지 도달, 순서, 에러 복구를 보장하지 않는다. 이를 상위 계층과 보조 프로토콜로 해결한다.

비신뢰성 보완: 상위 계층인 TCP가 패킷의 순서 재조립, 재전송 요청 등을 수행하여 신뢰성 보장
에러 통지 보완: ICMP 프로토콜을 사용하여 전송 실패 원인(목적지 도달 불가, 시간 초과 등)을 송신측에 통보

IP 주소 체계(IPv4 vs IPv6)

IPv4 주소 고갈 문제로 IPv6가 등장했으나, 현재는 NAT 기술 등으로 인해 두 버전이 공존하는 상태다.

구분	IPv4	IPv6
주소 길이	32비트 (4바이트)	128비트 (16바이트)
표기 방식	10진수 (192.168.0.1)	16진수 (2001:0db8::ff00…)
주소 개수	약 43억 개	약 3.4 x 10^38 개 (사실상 무한)
헤더 구조	가변 길이 (옵션 필드 존재)	고정 길이 (확장 헤더 사용)
보안 기능	IPSec 별도 설치 필요	IPSec 프로토콜 자체 내장

IPv4 헤더 구조

단편화 관련 정보
- 식별자: 단편화된 패킷 재조립 시 사용하는 고유값
- 플래그: 단편화 여부 및 추가 조각 유무 표시
- 단편화 오프셋: 원본 데이터 내에서의 위치 정보
제어 및 주소 정보
- TTL(Time To Live): 라우터 통과 시마다 1씩 감소, 0 도달 시 패킷 폐기 및 ICMP 전송
- 프로토콜: 상위 계층 프로토콜 명시 (TCP: 6, UDP: 17 등)
- 헤더 체크섬: 헤더 오류 검출
- 송신지/목적지 IP 주소

IPv6 헤더 구조

페이로드 길이: 헤더를 제외한 데이터 길이
다음 헤더: 확장 헤더를 가리키며, 단편화/인증/암호화 등 필요 기능 추가 시 사용
홉 제한: IPv4의 TTL과 동일한 역할
송신지/목적지 IP 주소

단편화(Fragmentation)

네트워크 인터페이스마다 전송 가능한 최대 크기(MTU, 보통 1500byte)가 다른데, 라우터가 자신의 MTU보다 큰 패킷을 처리해야 할 때 이를 분할하여 전송하는 것을 단편화라 한다.

문제점: 분할된 패킷 중 하나만 손실되어도 전체 패킷을 재전송해야 하므로 성능 저하 유발
해결책: TCP 계층에서 MSS(Maximum Segment Size) 조정 또는 Path MTU Discovery 기술을 사용하여 단편화 방지

ARP(Address Resolution Protocol)

논리적 주소(IP)를 통해 해당 장비의 물리적 주소(MAC)를 알아내는 프로토콜이다.

sequenceDiagram
    participant Sender as 송신자 (192.168.0.10)
    participant Network as 네트워크 (Broadcast)
    participant Receiver as 수신자 (192.168.0.20)
    Sender ->> Network: 1. ARP Request (Who has 192.168.0.20?)
    Note right of Sender: Broadcast (FF:FF:FF:FF:FF:FF)로 전송
    Network ->> Receiver: ARP Request 전달
    Receiver ->> Sender: 2. ARP Reply (192.168.0.20 is at AA:BB...)
    Note left of Receiver: Unicast로 응답
    Sender ->> Sender: 3. ARP Cache Table 갱신

ARP 요청: IP 주소를 담아 브로드캐스트로 네트워크 전체에 질의
ARP 응답: 해당 IP를 가진 호스트가 자신의 MAC 주소를 유니캐스트로 응답
ARP 캐시 갱신: IP-MAC 매핑 정보를 테이블에 저장하여 재사용 (일정 시간 후 만료)

동일 네트워크 내의 호스트의 MAC 주소를 알아내기 위한 프로토콜이기 때문에, 다른 네트워크에 있는 호스트의 MAC 주소를 알아내기 위해서는 다른 프로토콜도 사용하여 통신하게 된다.

IP 주소의 구조와 서브넷팅

IP 주소는 네트워크를 식별하는 네트워크 주소와 특정 기기를 식별하는 호스트 주소로 구성된다.

클래스풀(Classful) 주소 체계

과거에 사용되던 방식으로, 네트워크 크기에 따라 A, B, C 클래스로 나누어 고정된 길이를 사용했다.

A Class: 대규모 네트워크 (네트워크 8비트 / 호스트 24비트)
B Class: 중규모 네트워크 (네트워크 16비트 / 호스트 16비트)
C Class: 소규모 네트워크 (네트워크 24비트 / 호스트 8비트)
단점: 주소 낭비가 심함

클래스리스(Classless) 주소 체계와 서브넷 마스크

주소 낭비를 줄이기 위해 등장한 현대적 방식이다. 서브넷 마스크를 이용해 네트워크 ID와 호스트 ID의 경계를 유동적으로 구분한다.

서브넷 마스크: IP 주소와 AND 연산을 수행하여 네트워크 주소를 추출하는 비트열
CIDR 표기법: 192.168.100.103/30과 같이 프리픽스 길이로 표기
계산 예시 (서브넷 마스크가 1인 비트가 네트워크 부분)
- IP: 11000000.10101000.00001100.00101101
- Mask: 11111111.11111111.11111111.00000000
- Network: 192.168.12.0 / Host: 45

IP 주소 운용 및 할당

공인 IP와 사설 IP

공인 IP (Public IP): 인터넷 상에서 유일하게 식별되는 주소
사설 IP (Private IP): 내부망에서만 사용되는 주소. 인터넷 직접 접속 불가
- 대역: 10.0.0.0/8, 172.16.0.0/12, 192.168.0.0/16

NAT (Network Address Translation)

사설 IP를 공인 IP로 변환하여 인터넷 통신을 가능하게 하는 기술이다. 주로 라우터(공유기)가 수행한다.

기능: IP 부족 문제 해결 및 내부망 보안 강화
포트 포워딩: 하나의 공인 IP를 여러 사설 IP가 공유할 때, 포트 번호로 통신을 구분

DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol)

네트워크 접속 시 호스트에게 IP 주소, 서브넷 마스크, 게이트웨이 등의 정보를 자동으로 할당해주는 프로토콜이다.

동작 과정 (DORA)
1. Discover: 호스트가 DHCP 서버 탐색 (Broadcast)
2. Offer: 서버가 할당 가능한 IP 제안
3. Request: 호스트가 해당 IP 사용 요청
4. Ack: 서버가 최종 승인 및 임대 확정

라우팅 (Routing)

패킷을 목적지까지 보낼 최적의 경로를 결정하고 전송하는 과정이다.

홉(Hop): 라우터와 라우터 사이의 구간
라우팅 테이블: 경로 판단의 기준이 되는 정보 저장소
- 목적지 주소 및 서브넷 마스크
- 게이트웨이: 다음으로 거쳐야 할 라우터 IP
- 인터페이스: 패킷을 내보낼 포트
- 메트릭: 경로 비용 (낮을수록 우선순위 높음)

루프백 (Loopback)

127.0.0.1로 예약된 IP 주소로, 자기 자신(Localhost)을 가리킨다. 외부 네트워크를 거치지 않고 운영체제 내부에서 통신이 이루어지며, 주로 서버 상태 점검이나 내부 프로세스 간 통신에 사용된다.

flowchart TD
    subgraph AL["Application Layer"]
        PA["Process A<br/>(Client)"]
        PB["Process B<br/>(Server)"]
    end
    subgraph TL["Transport Layer"]
        T[Transport Layer]
    end
    subgraph IL["Internet Layer"]
        I["Internet Layer<br/>127.0.0.1 요청이므로<br/>하위 레이어로 패킷이 가지 않음"]
    end
    subgraph NL["Network Interface Layer"]
        N[Network Interface Layer]
    end

    PA -->|" 1. 127.0.0.1:B 에 요청 "| T
    T --> I
    T -->|" 3. 해당 프로세스를 찾아 요청 "| PB

참고자료

Network