[Network] Internet Protocol (IP)

'컴퓨터 네트워크' 시리즈

1. [Network] Data and Signals
2. [Network] Digital Transmission
3. [Network] Analog Transmission
4. [Network] Error Detection and Correction
5. [Network] Framing / Error Control
6. [Network] Medium Access Control
7. [Network] Case Study: Wi-Fi
8. [Network] Internet Addressing
9. [Network] Internet Protocol (IP)
10. [Network] Routing
11. [Network] Other Network-Layer Related Protocols
12. [Network] Scheduling and Traffic Shaping
13. [Network] Transport Layer

✦ Internet Protocol (IP)

◆ IP : A Network Layer Protocol

• Protocol : 규약. 절차. 메세지 규정
• Layer 1 & 2 : 직접적으로 연결 (유선 / 무선)

• Layer 3 : 여러 개 거쳐야하는 목적지까지 데이터 전송해야할 때

• H → Host
  • 데이터 송신 / 수신 주체
• R → Router
  • 직접적 기능 X
  • Packet 전달 역할만
• 802.11 (Wi-Fi) / Ethernet (유선) / PPP → layer 1 & 2
  • 통신 위해선 양쪽에 모두 Protocol 있어야 함
• IP → layer 3
  • 다음 번 목적지로 가게 함
  • Multi hop 을 가능하게 함
  • Hourglass Model
    • layer 3 의 IP 는 만국 공통 → layer 1, 2, 4 의 여러 protocol 공통으로 모으는 역할

◆ IP : Service Model

• IP 가 어떤 기능을 해줌? (layer 4 입장)
• Packet delivery
  • Connectionless : 연결 설정 안하고 보냄 (like 우편) → 받았는지 안받았는지 모름
    • cf) Connection-oriented : 연결 설정하고 보냄 (like 전화) → layer 4 TCP
  • Best-effort (unreliable)
    • Packet 이 없어질수도, 순서 안맞을수도, copy 될 수도, 오래 걸릴수도 있지만 일단 최선을 다해서 보냄
    • 그 이상의 서비스는 layer 4 에서
• Global Addressing Scheme : 세계 만국 공통

✦ Packet

◆ Frame

• Header
  • 목적지 주소 (MAC / 물리적 주소)
    • layer 2 : 내 주소인지 판단 → 일단 받고 목적지 주소가 내가 아니면 버리
    • layer 3 : AP → 목적지 주소로 forwarding 해줌
• Address
  • MAC 주소 (물리적 주소)
    • 기기에 할당된 주소
    • 한 기기에 여러 개 가능 → 5G, Wi-Fi MAC 주소 다름
    • 48 bit 주소
    • 기기를 이동해도 고정인 주소
  • IP 주소 (논리적 주소)
    • IPv4 : 32 bit 주소33
    • 기기를 이동할 때마다 달라짐
  • packet : 데이터 조각 (general)
  • frame : layer 1,2 에 사용하는 데이터 조각
  • datagram : layer 3, 4 (UDP)
  • segment : layer (TCP)

◆ Packet format

• Layer 내려올 수록 점점 앞 뒤로 붙음

Header (L2)

Header (L3)

Payload

Trailer (L3)

Trailer (L2)

• Header 에 어떤 내용이 들어있는가?
  1. 첫 번째 줄
  • 20 byte (+ option 40 byte, 거의 사용 X) → 총 80 bit
  • VER (4 bit) : IP version
    • IPv4 0100 / IPv6 0110
  • HLEN (4 bit) : Header 의 길이 (단위 4 byte)
    • ex) 0101 → 5 * 4 byte = 20 byte
  • Service (8 bit)

    • 과거 : 우선순위 + 서비스 정의

      • Precedence 3 bit → priority 0 ~ 7
      • TOS (Type of Service) 4 bit
        • D : delay 최소화
        • T : throughput 최대화
        • R : reliability 최대화
        • C : cost 최소화 → Precedence & TOS 따라 어떻게 처리할 지 router 정책 정함 ex) 버리는 우선순위 정하기 / 보낼 순서 정하기

    • 현재

      • DSCP 6 bit → Precedence 와 유사
        • 4가지로 class 나눠 중요 순서 정함 (source 바탕) EF → AF → CS → Default
      • ECN 2 bit → Congestion Notification
        • 막힌다 라는 신호
        • 중간 router 가 바꿔서 보내는 값
        • 알림만. 해결은 TCP 가
  • Total length (16 bit) : header + data 전체 길이
    • 최대 65535 byte 까지
      1. 세 번째 줄
  • Time to live (TTL) (8 bit) : 0 ~ 255
    • router 간 이동마다 -1
    • 0 되면 forwarding 멈추고 drop
      • 빙빙 도는 경우 막기 위해 router 이동 범위 제한
    • 전세계 어디도 보통 20 hop 안넘음
  • Protocol (8 bit) : layer 4 의 protocol 이 무엇인가?

1. 나머지

• 보내는 사람 / 받는 사람 IP 주소

• 최대 40 byte 까지 추가로 붙을 수 있음 (거의 사용 X)

◆ Example

• 패킷 길이가 2 (8 byte) → 5 이상이어야 함

• 총 8 * 4 = 32 byte

• 기본 20 byte. option 12 byte

• Header 20 byte. 총 길이 32 + 8 = 40

• Data 20 byte

• TTL = 01

✦ Fragmentation

◆ MTU (Maximum Transfer Unit)

• Protocol 마다 MTU 다름

• 보낼 때 maximum packet size
• payload 에 들어갈 수 있는 최대량
  • 위 layer 가 맞춰서 보냄
  • 이 이상으로 보냈을 시 → fragmentation
  • packet : 데이터 조각 (general)
  • frame : layer 1,2 에 사용하는 데이터 조각
  • datagram : layer 3, 4 (UDP)
  • segment : layer (TCP)

◆ Fragmentation

• IP Header 를 각 나눠진 frame 마다 붙임
• Fragment 조립 → 최종 destination 에서
  • MTU 작아져서 중간에 fragmentation 되고 다시 MTU 커져도 조립 X
  • 합치려면 모든 fragmentation 다 도착해야함. → 하나라도 도착 X 면 버림

◆ Exercise

• fragment O & 마지막 fragment

• fragment X

• fragment O & 다음 fragment 존재

• fragment O & fragment offset 0

• Total length = header size 20 + payload 80 byte
• start 800 byte ~ end 879 byte

◆ Path MTU Discovery

• 요즘은 fragmentation 하지 않도록 미리 나누어서 전송
• 중간 MTU 가 어떤지 알아보기 위해 D = 1 로 설정하고 전송
  • 문제 생길 시 ICMP 가 “Fragmentation Needed” 보냄
  • fragment size 줄여서 check → 모두 통과하는 size 로 잘라서 보냄
• 요즘 가장 많이 사용하는 protocol → Ethernet → Source 에서 1480 씩 보내는 경우 多