컴퓨터 네트워크 Chapter 05 네트워크 계층과 라우팅 임효택

PART 02 프로토콜

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컴퓨터 네트워크

Chapter 05 네트워크 계층과 라우팅

임효택


2

5.1 네트워크 계층

기능

패킷을 송신측에서 수신측으로 전송 모든 컴퓨터 , 라우터에 네트워크 계층 프로토콜 존재

세가지 주요 기능

경로 설정 : 라우팅 알고리즘

스위칭 : 라우터에 도착한 패킷을 적절한 포트로 보냄

연결설정 : 어떤 네트워크 구조는 데이터 전송전에 연결 설정 을 요구

networkdata linkphysical








application

transportnetworkdata linkphysical

application

transportnetworkdata linkphysical

3

라우팅이 왜 필요한가 ?

네트워크의 가장 중요한 구성요소 네트워크 연결 출발지에서 목적지까지 가장 좋은 경로를

결정

A

R1

B

R2

R3

C

R4 R5

라우터의 내부 구성요소

1

4

3

2

Interfaces

Routing Engine

Routing table

Destination Next hop Interface . . . . . . 1 . . . . . . 2


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네트워크 계층의 기능

네트워크 계층 routingtable

Routing protocols•path selection•RIP, OSPF, BGP

IP protocol•addressing conventions•datagram format•packet handling conventions

ICMP protocol•error reporting•router “signaling”

Transport layer: TCP, UDP

Link layer

physical layer


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라우팅 알고리즘

라우팅 알고리즘

- Distance Vector 라우팅 알고리즘 - Link State 라우팅 알고리즘

Distance Vector 라우팅

각 라우터는 주기적으로 그 이웃 각각과 명확한 경로 정보를 교환하는데 , ARPANET 에서 처음 사용

각 라우터는 네트워크의 다른 라우터에 대한 엔트리를 갖는 라우팅 테이블을 유지

각 엔트리는 목적지를 위해 사용할 출력회선과 그 행선지까지의 측정시간이나 거리

RIP is a form of Distance Vector Alg.

RIP 는 원래 Arpanet 에서 사용 현재도 Internet 에서 사용 Novell has adapted it as Novell RIP.


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Distance Vector 라우팅 알고리즘

Distance Vector 라우팅 동작

매 T msec 마다 각 라우터는 각 라우터까지의 측정된 지연시간 리스트를 각 이웃 (neighbor) 에 보낸다 .

또한 라우터 (J) 는 각 이웃으로부터 비슷한 리스트를 받는다 .

이들 테이블 중 하나가 이웃 X 로 부터 방금 도착한 것이라 생각하자 .

여기서 Xi 는 라우터 X 에서 라우터 I 까지도착하는데 걸리는 시간으로 X 의 측정치 이다 .

라우터 (J) 가 X 까지 측정된 지연시간이 m msec 라고 한다면 X 를 경유하여 라우터 I 에 도착하는 지연시간이 Xi +m msec 임 .

각 이웃에 대해 이와 같은 산출을 함으로서 라우터는 그중에서 최상의 평가치를 알아내고 그 라우팅 정보와 링크를 사용한다 .


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Distance Vector 라우팅 예제

예 : [ 그림 5.2]A I H K

A 0 24 20 21 8 A

B 12 36 31 28 20 A

C 25 18 19 36 28 I

D 40 27 8 24 20 H

E 14 7 30 22 17 I

F 23 20 19 40 30 I

G 18 31 6 31 18 H

H 17 20 0 19 12 H

I 21 0 14 22 10 I

J 9 11 7 10 0 ―

K 24 22 22 0 6 K

L 29 33 9 9 15 K

JA

delay

= 8

JI

delay

= 10

JH

delay

= 12

JK

delay

= 6

J의 새로운 라우팅 테이블


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Link state 라우팅

Link state 라우팅

autonomous systems(AS) 내에서 많이 사용

Link state protocols 은 아래에서 사용

– OSPF (Open Shortest Path First) algorithm

– NFSNET backbone IS-IS protocol

– Novell’s NLSP

Dijkstra’s algorithm 을 사용 5 step 으로 구성


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Link State 라우팅 알고리즘


1. 각 라우터의 주변 (neighbor) 라우터를 인지하고 그들의 네트워크 주소를 숙지

– HELLO packet send, 주변의 라우터는 응답

2. 주변 라우터의 각각에 대한 지연시간 또는 비용을 측정

– ECHO packet send, 다른 라우터는 즉시 응답

3. Link state 를 주변 라우터에게 알려주기 위한 패킷을 생성

– [ 그림 5.3]


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4. 이 패킷을 모든 라우터에게 분배

– flooding algorithm 사용

5. 모든 라우터로의 최단 경로 (shortest path) 를 계산

E

C

Dest. Link Hop B local 0 A 1 1 C 4 1 E 3 1

B

Dest. Link Hop C local 0 B 4 1 D 5 1 F 6 1

A

Dest. Link Hop A local 0 B 1 1 E 2 1

Dest. Link Hop D local 0 C 5 1 G 7 1

D

1

2 3

45

6

7

8 Dest. Link Hop G local 0 D 7 1 F 8 1

Dest. Link Hop E local 0 A 2 1 B 3 1

EDest. Link Hop F local 0 C 6 1 G 8 1

F

G

5.2 라우팅 프로토콜 : RIP

- 첫번째 반복후 , 각 노드의 라우팅 테이블( - 노드가 시동될때 초기의 라우팅 테이블은 자신만 포함 - 노드 A 는 이웃인 B,E 로 부터 정보수신 )

RIP: 노드 A 의 Routing TableA

After four iterations

A

CB

D2 3

45

6

7

8E

F

1

Dest. Link Hop A local 0 B 1 1 C 1 2 D 1 3 E 2 1 F 1 3 G 1 4

G

Dest. Link Hop A local 0 B 1 1 C 1 2 E 2 1

After two iterations

After four iterations

Dest. Link Hop A local 0 B 1 1 C 1 2 D 1 3 E 2 1 F 1 3

After three iterations

-두번째 , 세번째 , 네번째 반복후의 노드 A 라우팅 테이블-두번째 반복에서 , 노드 A 는 B,E 의 라우팅 테이블 수신하여 C 엔트리 추가 , 따라서 노드 B 는 D, F 엔트리 추가-세번째 반복에서 , 노드 A 는 D,F 에 관한 정보를 B 로부터 수신후 엔트리 추가-네번째 반복에서 노트 A 는 G 의 엔트리 추가


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5.3 TCP/IP 주소지정

5.3.1 호스트 식별자의 세 가지 레벨

세가지 호스트 식별자

호스트 이름 - 예 : kowon.dongseo.ac.kr

인터넷 주소 - 예 : 203.241.176.13

Physical Hardware address - 48 비트 MAC address

5.3.2 식별자 변환

호스트 이름을 인터넷 주소로의 변환

DNS

/etc/hosts

인터넷 주소를 물리적인 하드웨어 주소로의 변환

ARP: Address Resolution Protocol

RARP: Reverse ARP


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5.3.3 인터넷 주소지정

IP 는 IP 데이타그램이 송신측 호스트에서 목적지 호스트로 전송되는 라우팅(routing) 기능을 수행

인터넷을 통해 전달되는 IP 데이타그램 각각의 헤더는 송신측 호스트의 인터넷 주소와 목적지 호스트의 인터넷 주소를 포함

인터넷 주소 형식

32 비트 길이이며 두 부분 즉 네트워크 식별자와 호스트 식별자로 구성

네트워크 식별자의 앞쪽 비트들은 인터넷 주소가 어느 등급 (class) 에 속해있는지를 식별


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IP address 형식

점 - 십진 (Dotted-decimal) 표기

등급 A 주소는 0.0.0.1 에서 127.255.255.254 까지의 범위

등급 B 주소는 128.0.0.1 에서 191.255.255.254 까지의 범위

등급 C 주소는 192.0.0.1 에서 223.255.255.254 까지의 범위

[ 그림 5.16] 인터넷 주소의 네 가지 등급


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5.3.4 서브네팅 (Subnetting)

원래 TCP/IP 주소지정 방식은 네트워크 식별자와 호스트 식별자로 단지 2 단계 계층만을 허용

TCP/IP 주소지정 방식이 이들 엄청나게 많은 네트워크를 수용하기 위해서 서브네팅

의 개념이 고안

서브넷 식별자

[ 그림 5.17] 서브넷을 위한 인터넷 주소의 예


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서브넷 마스크 (mask)

인터넷 주소중 몇 비트가 네트워크를 식별하기 위해 사용되는지 그리고

몇 비트가 호스트를 식별하기 위해 사용되는지 구분 예 : 등급 A : 255.0.0.0, 등급 B : 255.255.0.0

[ 그림 5.18] B 등급 인터넷 주소에 대한 서브넷 마스크


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서브넷 예

주소 구조 ( 하나의 서브넷에 여러개의 망 )

IS

DTE 1 DTE 2

128 .10 .1 .1 128 .10 .1 .2

DTE 3 DTE 4

128 .10 .2 .2128 .10 .2 . 1

128 .10 .1 .x 망

128 .10 .2 .x 망

외부 인터넷

128 .10 .x.x 의단일 망으로 보임

1 0

net-id (14 비트 ) host-id (16 비트 )외부 인터넷

128 .10 .x.x 망 내부 net-id (14 비트 ) host-id(8 비트 )서브넷 -id(8 비트 )

구성 예

주소 구조의 예

Classless InterDomain Routing (CIDR)

200.199.48.32/27 11001000 11000111 00110000 0 0100000

200.199.48.64/27 11001000 11000111 00110000 0 1000000

200.199.48.96/27 11001000 11000111 00110000 0 1100000

200.199.48.0/25 11001000 11000111 00110000 0 0000000

200.199.48.0/25

25 bits 공통사용

Classless InterDomain Routing (CIDR)

200.199.56.0/24 11001000 11000111 0011100 0 00000000200.199.57.0/24 11001000 11000111 0011100 1 00000000200.199.56.0/23 11001000 11000111 0011100 0 00000000 23 bits 공통사용

200.199.48.0/25 11001000 11000111 0011 0000 00000000

200.199.49.0/25 11001000 11000111 0011 0001 00000000

200.199.56.0/23 11001000 11000111 0011 1000 00000000

200.199.48.0/20 11001000 11000111 0011 0000 00000000

20 bits 공통사용

CIDR Table

CIDR Length Mask # Networks # Hosts

/1 128.0.0.0 128 A 2,147,483,392

/2 192.0.0.0 64 A 1,073,741,696

/3 224.0.0.0 32 A 536,870,848

/4 240.0.0.0 16 A 268,435,424

/5 248.0.0.0 8 A 134,217,712

/6 252.0.0.0 4 A 67,108,856

/7 254.0.0.0 2 A 33,554,428

/8 255.0.0.0 1 A 16,777,214

/9 255.128.0.0 128 B 8,388,352

/10 255.192.0.0 64 B 4,194,176

/11 255.224.0.0 32 B 2,097,088

/12 255.240.0.0 16 B 1,048,544

/13 255.248.0.0 8 B 524,272

/14 255.252.0.0 4 B 262,136

/15 255.254.0.0 2 B 131,068

/16 255.255.0.0 1 B 65,024

CIDR Table

/17 255.255.128.0 128 C 32,512

/18 255.255.192.0 64 C 16,256

/19 255.255.224.0 32 C 8,128

/20 255.255.240.0 16 C 4,064

/21 255.255.248.0 8 C 2,032

/22 255.255.252.0 4 C 1,016

/23 255.255.254.0 2 C 508

/24 255.255.255.0 1 C 254

/25 255.255.255.128 2 subnets 124

/26 255.255.255.192 4 subnets 62

/27 255.255.255.224 8 subnets 30

/28 255.255.255.240 16 subnets 14

/29 255.255.255.248 32 subnets 6

/30 255.255.255.252 64 subnets 2

/31 255.255.255.254 none none

/32 255.255.255.255 1/256 C 1

CIDR Table

CIDR 은 네트워크 식별자를 8, 16 or 24 bit 처럼 제한적으로 사용할 필요가 없음 .

이러한 주소 할당은 학교등의 기관의 수용에 더욱 적합한 형태

CIDR 주소는 표준 32 비트 IP 주소를 포함하며 몇 비트가 network prefix 로 사용되는지를 알려줌

예를들어 , CIDR address: 206.13.01.48/25 "/25" 는 처음 25 bits 네트워크를 식별하기 위해 사용되고 나머지

비트는 특정 호스트를 식별하기 위해 사용


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5.4.1 IP(Internet Protocol)

IP 는 TCP/IP 인터넷 계층에서 동작되며 데이터 단위를 출발지 호스트에서 목적지 호스트로 전달

IP 에서의 데이터 단위 : IP 데이타그램 또는 패킷

IP 데이타그램의 헤더부분 출발지 호스의 인터넷 주소와 목적지 호스트의 인터넷 주소를 포함

IP 는 비연결 데이터 전달 서비스를 제공

흐름제어나 오류회복을 하지 않는다 . 가능한 오류

– 손실된 IP 데이타그램– 순서화 되지 않은 (out-of-sequence) IP 데이타그램– 복제 (duplicate) IP 데이타그램

TCP : 오류들을 탐지해서 회복할 수 있는 기능을 책임


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IP 데이타그램 ( 패킷 ) 구조

1 16984 5

버젼 헤더 길이 서비스 타입

3217

전체 길이

( 메시지 또는 데이타그람 ) 구분자 ( 데이타그람 내의 ) 옵셋 (offset)MD

1918

패킷 생존 시간 ( 상위 ) 프로토콜 헤더 책섬

송신측 IP 주소

수신측 IP 주소

옵션 (option) + 패딩 (pading)

데이타

헤더

비트


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IP 라우팅 개요

[ 그림 5.22] 트랜스포트 프로토콜 프로세스와 IP 프로세스


28

IP 라우팅 예

[ 그림 5.23] 간단한 인터넷의 예


29

IP 라우팅 동작절차

호스트에서의 IP 라우팅 할때 두가지 경우

– 목적지가 같은 네트워크내에 있는 경우

» 바로 목적지 호스트에게 IP 데이타그램 전달

– 목적지가 다른 네트워크에 있는 경우

» IP 라우팅 기능을 사용하여 라우터에게 전달

각 호스트는 각각의 라우팅 테이블을 유지

라우팅 테이블은 적어도 하나의 default router 의 주소를 포함하는 엔트리를 포함


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IP 라우팅 : 같은 네트워크 상에서의 데이타그램 전달

[ 그림 5.23] 에 있는 호스트 A 에서 호스트 B 로 IP 데이타그램 전달

1) B 의 네트워크 ID 값과 A 자신의 네트워크 ID 값을 비교하기 위해 서브넷 마스크를 사용

2) A 와 B 의 네트워크 ID 값은 서로 같으므로 IP 데이타그램을 직접 전달하기 위해 B 의 물리적인 하드웨어 주소를 알아야 함

3) 호스트 A 의 IP 프로세스는 ARP 캐쉬를 조회

– 4-1) 조회하여 있으면 호스트 IP 데이타그램을 직접 호스트 B 로 전달– 4-2) 조회하여 없으면 ARP 프로토콜 동작


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[ 그림 5.23] 에 있는 호스트 A 에서 호스트 D 로 IP 데이타그램 전달

1) D 의 네트워크 ID 값과 A 자신의 네트워크 ID 값을 비교하기 위해 서브넷

마스크를 사용

2) A 와 D 의 네트워크 ID 값은 서로 다르므로 IP 데이타그램의 A 는 자신의 라우팅 테이블을 검색 ( 이경우 default router 사용 )

3) A 의 IP 프로세스는 default router 의 물리적인 하드웨어 주소를 알기 위하여

다시 ARP 캐쉬를 조회

4-1) 조회하여 있으면 호스트 IP 데이타그램을 직접 default router 로 전달

4-2) 조회하여 없으면 ARP 프로토콜 동작

5) default router 는 1) ~4) 동작을 반복

IP 라우팅 : 다른 네트워크로의 데이타그램 전달


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IP 라우팅 예

Sample Network


33

IP 라우팅 예

노드 a.ncat.edu www.acme.com 에게 하나의 IP 패킷을 보내기를 원함 .

가정 : 어떠한 노드들도 cached data 를 갖고 있지 않다 . 아래표는 주고받는 모든 패킷들을 보여준다 .

Source HW

Source IP Dest HW Dest IP Purpose

5 152.8.244.55 Broadcast 152.8.244.1 ARP requset for DNSHardware address

3 152.8.244.1 5 152.8.244. ARP reply

5 152.8.244.55 3 152.8.244.1 Ask DNS for www.acme.com IP adderss

3 152.8.244.1 5 152.8.254. DNS relies with IP

5 152.8.244.55 Broadcast 152.8.254.254 ARP request for gatewayHardware address

4 152.8.254.2 5 152.8.244. ARP reply

5 152.8.244.5 4 176.5.6.9 Send message to gateway

2 176.5.4.3 Broadcast 176.5.6.9 ARP request forwww.acme.com hardware

9 176.5.6.9 2 176.5.4.3 ARP reply

2 152.8.244.5 9 176.5.6.9 Send message to

5.4.2 IPv6

IETF 에서 1991년에 시작되어 1996년에 기본 규격 표준화 완료 라우팅의 효율성 Security QoS Guarantee 편리한 인터넷 기능 제공 인터넷 주소 고갈 문제를 임시적으로 해결하기 위한 방안

CIDR (Classless Inter-Domain Routing) NAT (Network Address Translator) DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) 주소 재할당

위의 방안들이 주소 고갈을 막는 궁극적인 해결책이 되지 못함


35

IPv4 와 IPv6 의 비교


36

IPv6 장점 및 특징

IPv6 의 장점

네트워크 속도가 전반적으로 향상됨 애니캐스트 주소의 도입 확장된 헤더 높은 품질의 서비스를 제공받을 수 있다 .

IPv6 의 특징

128 비트 주소체계 다양한 프로토콜 및 편리한 네트워크 제공 헤더의 확장으로 보안성이 확대 실시간 처리 기능 강화 헤더 형식의 간소화 확장헤더 및 옵션의 추가

40bytes

20bytes

IPv4

IPv6

0 15 16 31

vers hlen TOS total length

identification flags flag-offset

TTL protocol header checksum

source address

destination address

options and padding

vers traffic class flow-label

payload length next header hop limit

source address

destination address

Removed (6)• ID, flags, flag offset• TOS, hlen• header checksum

Changed (3)

Added (2)

Expanded

• total length => payload• protocol => next header• TTL => hop limit

• traffic class• flow label

• address 32 to 128 bits

Header Header 비교비교


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IPv6 Address 형식

128 비트 체계의 16 비트씩 8 칸으로 구성됨 각 자리는 콜론으로 구분 연속된 0 으로 이루어진 bit 는 콜론 두개로 생략 가능

Ex) 2001:230:abcd:ffff:0000:0000:ffff:1111


39

IPv4 / IPv6 전환

Not all routers can be upgraded simultaneous

– no “flag days”– How will the network operate with mixed IPv4 and IPv6

routers?

두가지 접근 방법 :

– Dual Stack: some routers with dual stack (v6, v4) can “translate” between formats

– Tunneling: IPv6 carried as payload in IPv4 datagram among IPv4 routers


40

Dual Stack Approach


41

Tunneling

IPv6 inside IPv4 where needed


42

5.4.3 ARP(Address Resolution Protocol)

계층간의 주소 구조

– IP 계층 : IP 주소– IP 하위 계층 : 물리적인 하드웨어 주소 (PHA)

동일한 망내 호스트 들간의 패킷 교환

– IP 계층에 망내 호스트 들의 “IP 주소 , PHA 주소” 테이블 (ARP

cache)– IP 계층 동작

패킷의 수신지 IP 주소에 해당하는 PHA 주소로 패킷 전송

ARP

– IP 주소에 해당하는 PHA 주소를 모르는 경우


43

ARP 의 동작 절차

1) ARP request packet 을 LAN 상에 broadcast - ARP request packet 내용 : 알고자 하는 호스트의 IP 주소 자신의 IP 주소 , PHA 주소

2) LAN 상의 모든 호스트에서 동작하는 ARP 프로세스는 ARP request packet 수신

3) B 는 자신의 PHA 주소를 포함하는 ARP response packet 을 송신측에 전송

4) A 가 ARP 응답 패킷을 받을 때 호스트 A 는 그 ARP 캐쉬 내에 호스트 B 의 물리적인 하드웨어 주소를 저장

5) A 는 ARP 캐쉬 엔트리에 있는 정보를 사용


44

ARP 패킷 형식


45

간단한 인터넷에서의 ARP


46

ARP 동작 과정 예

“telnet hostname” 으로 입력하였을 때의 ARP 동작 과정


47

5.4.4 ICMP(Internet Control Message Protocol)

used by hosts, routers, gateways to communication network-level information

- error reporting: unreachable host, network, port, protocol

- echo request/reply (used by ping)

network-layer “above” IP:-ICMP msgs carried in IP

datagrams

ICMP message: type, code plus first 8 bytes of IP datagram causing error

Type Code description 0 0 echo reply (ping) 3 0 dest. network unreachable 3 1 dest host unreachable 3 2 dest protocol unreachable 3 3 dest port unreachable 3 6 dest network unknown 3 7 dest host unknown 4 0 source quench (congestion control - not used) 8 0 echo request (ping) 9 0 route advertisement 10 0 router discovery 11 0 TTL expired 12 0 bad IP header


48

ICMP 메시지 형식


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ICMP 에코 요구와 응답 메시지 형식


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ICMP 타임스템프 요구와 응답 메시지 형식

Documents

컴퓨터 네트워크 Chapter 05 네트워크 계층과 라우팅 임효택