IPv4

3. 주소 체계

IPv4는 32비트 주소 체계를 사용하며, 이는 약 43억 개(43억달러)의 고유한 주소를 생성할 수 있게 한다. 이 주소는 8비트씩 4개의 옥텟(Octet)으로 나누어 표기하며, 각 옥텟은 0부터 255 사이의 값을 갖는다. 예를 들어, `192.168.0.1`과 같이 표현한다.^[6]

3. 1. 주소 클래스

• A 클래스는 가장 큰 네트워크를 위한 클래스로, 1~126 범위(0과 127은 예약됨)의 IP 주소를 가진다. A 클래스는 네트워크 주소를 제외한 나머지 주소(두 번째, 세 번째, 네 번째 옥텟)를 자유롭게 호스트에 부여할 수 있다.
• B 클래스는 중간 크기의 네트워크를 위한 클래스로, 첫 번째 옥텟이 128~191 범위이다. B 클래스는 두 번째 옥텟을 통해 접속할 네트워크를 지정한다.
• C 클래스는 가장 작은 네트워크를 위한 클래스로, 첫 번째 옥텟이 192~223 범위이다. C 클래스는 두 번째와 세 번째 옥텟을 통해 접속할 네트워크를 지정하며, 마지막 옥텟의 254개 주소(2개는 예약됨)를 호스트에 부여할 수 있다.

그러나 이 방식은 A 클래스에서 16,777,215개, B 클래스에서 65,535개의 호스트 주소를 할당할 수 있어 주소 낭비를 초래했다. 이를 해결하기 위해 950에서 '''서브넷''' 개념이 도입되었다. 서브넷은 호스트 주소의 일부를 '''주소 마스크'''를 사용하여 분할하여, 특정 네트워크 주소를 부여받은 조직 내에서 네트워크를 추가로 분할하는 데 사용된다.

3. 2. 서브넷 마스크

`/24`보다 작은 네트워크에서는 브로드캐스트 주소가 255로 끝나지 않을 수 있다. 예를 들어, `203.0.113.16/28` 서브넷의 브로드캐스트 주소는 `203.0.113.31`이다.

`/31` 네트워크는 점대점 연결에 사용되며, 두 개의 호스트만 가질 수 있고, 네트워크 식별자와 브로드캐스트 주소가 없다.

과거에는 네트워크 주소와 브로드캐스트 주소 간 충돌이 발생하기도 했다.

IP 주소는 네트워크 주소와 호스트 주소로 나뉘며, 초기에는 클래스 기반으로 분류되었다.

하지만 클래스 기반 방식은 주소 낭비를 초래하여, 서브넷 개념이 도입되었다. 서브넷은 호스트 주소의 일부를 주소 마스크를 사용하여 분할하여 네트워크를 더 세분화한다.

3. 3. 특수 주소

4. 패킷 구조

IPv4 패킷은 헤더와 데이터 부분으로 구성된다.

• '''버전''': IPv4의 경우 4이다.
• '''헤더 길이'''(IHL): 4옥텟 단위로 표시되며, 보통 5이다.
• '''서비스 종류'''(ToS): QoS를 나타낸다.
• '''전체 길이''': 최대 65,535옥텟이다.
• '''식별자''': 단편화된 패킷 복원에 사용된다.
• '''플래그''': 단편화 제어에 사용된다.
• '''단편화 위치''': 단편화된 패킷 복원에 사용된다.
• '''생존 시간'''(TTL): 패킷의 유효 시간으로, 네트워크에서 무한 순환을 방지한다.
• '''프로토콜''': 프로토콜 번호가 설정된다.
• '''체크섬''': 헤더 오류 검사에 사용된다.
• '''송신지 주소''': 송신 IPv4 주소이다.
• '''목적지 주소''': 목적지 IPv4 주소이다.
• '''확장 정보''': 32비트 단위의 확장 정보이다.
• '''데이터''': 페이로드이다.

4. 1. 헤더

• '''버전''' (4 비트): IP 패킷의 첫 번째 헤더 필드이다. IPv4의 경우 항상 4이다.
• '''헤더 길이''' (IHL, 4 비트): IPv4 헤더는 선택적 필드(옵션)로 인해 크기가 가변적이다. IHL 필드에는 IPv4 헤더의 크기가 포함되어 있으며, 헤더의 32비트 워드 수를 지정한다. 이 필드의 최소값은 5^[15]이며, 이는 20옥텟의 길이를 나타낸다. 4비트 필드이므로 최대값은 15이다. 즉, IPv4 헤더의 최대 크기는 60옥텟이다.
• '''서비스 종류''' (DSCP, 6 비트): 원래 서비스 유형 (ToS)으로 정의되었으며, 이 필드는 차등 서비스 (DiffServ)를 지정한다.^[16] 실시간 데이터 스트리밍은 DSCP 필드를 사용한다. 예를 들어 대화형 음성 서비스에 사용되는 VoIP (VoIP)가 있다.
• '''서비스 종류''' (ECN, 2 비트): 이 필드를 사용하면 패킷 손실 없이 네트워크 혼잡에 대한 종단 간 알림을 받을 수 있다.^[17] ECN은 두 종단점이 모두 지원하고 기본 네트워크에서도 지원할 때 사용할 수 있는 선택적 기능이다.
• '''전체 길이''' (16 비트): 이 필드는 헤더와 데이터를 포함하여 전체 패킷 크기를 바이트 단위로 정의한다. 최소 크기는 20바이트(데이터 없는 헤더)이고 최대 크기는 65,535바이트이다.
• '''식별자''' (16 비트): 이 필드는 단일 IP 데이터그램의 조각 그룹을 고유하게 식별하는 데 주로 사용된다.
• '''플래그''' (3 비트): 단편화를 제어하는 데 사용된다.
• 비트 0: 예약됨. 항상 0이다.
• 비트 1: 1인 경우 단편화를 금지함을 의미한다.
• 비트 2: 1인 경우 단편화된 후속 패킷이 존재하는 패킷임을 의미하고, 0인 경우는 후속 패킷이 존재하지 않음을 의미한다.
• '''단편화 위치''' (13 비트): 라우터 등이 패킷을 단편화할 때, 해당 위치를 8옥텟 단위로 저장한다. 단편화된 패킷의 복원에 사용된다.
• '''생존 시간''' (TTL, 8 비트): 패킷의 유효 시간을 나타내는 값이다. 송신측은 패킷이 경유할 수 있는 라우터 수의 상한을 설정하고, 라우터는 패킷을 전송할 때마다 값을 하나씩 줄이며, 값이 0이 되면 패킷은 폐기된다.
• '''프로토콜''' (8 비트): 전송 계층 프로토콜을 나타내는 프로토콜 번호가 설정된다. 패킷의 목적지인 장치가 패킷을 수신하면, 이 값을 사용하여 상위 프로토콜을 식별하고 해당 구현에 페이로드를 전달한다.
• '''체크섬''' (16 비트): IP 헤더의 오류 검사에 사용된다. 전송마다 생존 시간의 값이 바뀌므로, 라우터는 체크섬도 전송마다 재계산해야 한다.
• '''송신지 주소''' (32 비트): 패킷의 송신 IPv4 주소가 설정된다.
• '''목적지 주소''' (32 비트): 패킷의 전송 IPv4 주소가 설정된다.
• '''확장 정보''' (옵션, 0 - 320 비트): 가변 길이의 확장 정보가 32비트 단위로 설정된다. 자주 사용되지는 않지만, 보안, 느슨한 소스 라우팅/엄격한 소스 라우팅, 레코드 경로, 인터넷 타임스탬프 등의 정보가 포함된다.

4. 2. 데이터

5. 단편화 및 재조합

인터넷 프로토콜은 네트워크 간 트래픽을 가능하게 하는 설계로, 다양한 물리적 특성을 가진 네트워크를 수용하며 링크 계층에서 사용되는 기본 전송 기술에 독립적이다. 서로 다른 하드웨어를 가진 네트워크는 일반적으로 전송 속도뿐만 아니라 최대 전송 단위(MTU)도 다르다. 하나의 네트워크가 더 작은 MTU를 가진 네트워크로 데이터그램을 전송하려는 경우, 데이터그램을 단편화할 수 있다. IPv4에서 이 기능은 인터넷 계층에 위치하며 IPv4 라우터에서 수행되어 호스트가 이러한 문제에 노출되는 것을 제한한다.

라우터가 패킷을 수신하면, 목적지 주소를 검사하여 사용할 송신 인터페이스와 해당 인터페이스의 MTU를 결정한다. 패킷 크기가 MTU보다 크고, 패킷 헤더의 조각 금지(DF) 비트가 0으로 설정된 경우, 라우터는 패킷을 조각화할 수 있다.

라우터는 패킷을 조각으로 나눈다. 각 조각의 최대 크기는 송신 MTU에서 IP 헤더 크기(최소 20바이트, 최대 60바이트)를 뺀 값이다. 라우터는 각 조각을 자체 패킷에 넣으며, 각 조각 패킷은 다음과 같은 변경 사항을 가진다.

• ''전체 길이'' 필드는 조각 크기이다.
• ''더 많은 조각'' (MF) 플래그는 마지막 조각을 제외한 모든 조각에 대해 설정되며, 마지막 조각은 0으로 설정된다.
• ''조각 오프셋'' 필드는 원래 데이터 페이로드에서 조각의 오프셋을 기반으로 설정된다. 이는 8바이트 블록 단위로 측정된다.
• ''헤더 체크섬'' 필드는 다시 계산된다.

총 데이터 크기는 보존된다: 2480바이트 + 2020바이트 = 4500바이트. 오프셋은 $0$ 및 $\backslash frac\{0+2480\}\{8\}=310$이다.

MTU가 1500바이트인 링크로 전달되면, 각 조각은 두 개의 조각으로 조각화된다.

다시 말하지만, 데이터 크기는 보존된다: 1480바이트 + 1000바이트 = 2480바이트, 그리고 1480바이트 + 540바이트 = 2020바이트.

또한 이 경우, ''더 많은 조각'' 비트는 1을 가진 모든 조각과 도착하는 마지막 조각에 대해 1로 유지되며, MF 비트는 마지막 조각에서만 0으로 설정된다. 그리고 물론, 식별 필드는 다시 조각화된 모든 조각에서 동일한 값을 계속 유지한다. 이런 식으로, 조각이 다시 조각화되더라도 수신자는 처음에 모두 동일한 패킷에서 시작되었음을 알 수 있다.

마지막 오프셋과 마지막 데이터 크기를 사용하여 총 데이터 크기를 계산한다: $495\; \backslash times\; 8+540=3960+540=4500$.

수신자는 다음 조건 중 하나 이상이 참일 경우 해당 패킷이 조각임을 인지한다.

• ''더 많은 조각'' 플래그가 설정되어 있으며, 이는 마지막 조각을 제외한 모든 조각에 해당한다.
• ''조각 오프셋'' 필드가 0이 아닌 경우, 이는 첫 번째 조각을 제외한 모든 조각에 해당한다.

6. 라우팅

'''라우팅'''(routing)은 IP 패킷을 목적지까지 전달하는 경로를 결정하는 과정이다. 이 기능은 라우터에 집약되어 있으며, 많은 호스트는 기본 경로로 라우터의 주소를 기술하는 스타일을 취하는 경우가 많다.

라우터는 패킷을 수신하면 경로 테이블을 검색하여 목적지에 따라 패킷을 전달할 다음 대상을 결정한다. 예를 들어, 192.168.1.2로 가는 패킷은 ether0 인터페이스를 통해 전달하고, 10.1.1.2로 가는 패킷은 ether1 인터페이스를 통해 전달한다. 172.16.1.1로 가는 패킷은 ether1 인터페이스를 통해 10.1.1.2로 보내지는데, 이는 10.1.1.2가 해당 목적지로 가는 경로에 있기 때문이다.

10.255.255.255는 브로드캐스트 주소로, 10/8 네트워크에 연결된 모든 장치에 패킷을 보낼 때 사용된다. 경로 테이블에 없는 주소(예: 7.7.7.7)로 가는 패킷은 기본 게이트웨이 또는 기본 경로로 지정된 곳으로 보내진다.

경로 테이블은 관리자가 직접 설정(정적 경로)하거나, 라우팅 프로토콜(RIP, OSPF 등)을 통해 자동으로 설정(동적 경로)할 수 있다.

6. 1. 라우팅 테이블

위 표는 네트워크 구성도에서 중심에 위치한 라우터의 경로 테이블을 나타낸 것이다.

• destination(목적지): 패킷이 최종적으로 도달해야 할 네트워크 주소.
• nexthop(다음 홉): 목적지로 가기 위해 거쳐야 할 다음 라우터의 주소.
• interface(인터페이스): 패킷을 송출할 라우터의 송신 포트.

• 192.168.1.1로의 패킷: 라우터는 경로 테이블에서 목적지가 192.168.1.1/32인 행을 찾고, 전송 대상이 127.0.0.1(라우터 자신)이므로 자신에게 전송된 패킷임을 판별한다.
• 192.168.1.2로의 패킷: 경로 테이블에서 목적지가 192.168.1.2/32인 행을 찾고, 인터페이스가 ether0, 다음 홉이 192.168.1.2이므로 ether0에서 192.168.1.2로 패킷을 송출한다.
• 10.1.1.2로의 패킷: 경로 테이블에서 목적지가 10.1.1.2/32인 행을 찾고, 인터페이스가 ether1, 다음 홉이 10.1.1.2이므로 ether1에서 10.1.1.2로 패킷을 송출한다.
• 172.16.1.1로의 패킷: 경로 테이블에서 목적지가 172.16/16인 행을 찾고, 인터페이스가 ether1, 다음 홉이 10.1.1.2이므로 10.1.1.2가 172.16.1.1로 가는 경로라고 판단하여 ether1에서 10.1.1.2로 패킷을 송출한다.
• 10.255.255.255로의 패킷: 경로 테이블에서 목적지가 10.255.255.255/32인 행을 찾는다. 이 주소는 브로드캐스트 주소로, 10/8 네트워크에 연결된 모든 장치로 패킷을 송출한다.
• 7.7.7.7로의 패킷: 경로 테이블에 해당 목적지가 존재하지 않으므로, default 행과 최장 일치한다. 따라서 다음 홉인 192.168.1.2(기본 게이트웨이 또는 기본 경로)로 패킷을 송출한다.

7. IPv4 주소 고갈 문제

7. 1. 대한민국 현황

8. IPv6로의 전환

1980년대에, 사용 가능한 IPv4 주소 풀이 네트워크의 원래 설계에서 예상했던 것보다 빠른 속도로 고갈되고 있다는 것이 분명해졌다.^[9] 주소 고갈을 가속화한 주요 시장 요인으로는 빠르게 증가하는 인터넷 사용자 수가 있었으며, 이들은 노트북 컴퓨터, 개인 정보 단말기(PDA), IP 데이터 서비스를 사용하는 스마트폰과 같은 모바일 컴퓨팅 장치를 점점 더 많이 사용했다. 또한, 고속 인터넷 액세스는 상시 접속 장치를 기반으로 했다. 고갈의 위협은 다음과 같은 여러 가지 구제 기술의 도입을 유발했다.

• 클래스 없는 도메인 간 라우팅(CIDR), 소규모 ISP 할당용
• 번호 없는 인터페이스는 전송 링크에 대한 주소의 필요성을 제거했다.
• 네트워크 주소 변환(NAT)은 엔드 투 엔드 원칙의 필요성을 제거했다.

9. WHOIS 검색 서비스

IP 주소 및 도메인은 다음의 검색 기관의 WHOIS 검색 서비스를 통해 쉽게 검색할 수 있다.

참조

_[1] 웹사이트 BGP Analysis Reports http://bgp.potaroo.n[...] 2013-01-09
_[2] 웹사이트 IPv6 – Google https://www.google.c[...] 2022-01-28
_[3] 웹사이트 IANA IPv4 Special-Purpose Address Registry https://www.iana.org[...] 2022-01-28
_[4] 웹사이트 Vint Cerf - We Still Have 80 Per Cent of the World to Connect https://archive.nyti[...] 2024-05-10
_[5] 웹사이트 A Brief History of IPv4 https://ipv4marketgr[...] 2020-08-19
_[6] 웹사이트 Understanding IP Addressing: Everything You Ever Wanted To Know https://web.archive.[...] 3Com
_[7] 간행물 Towards Requirements for IP Routers https://datatracker.[...] 1993-12
_[8] 웹사이트 Understanding and Configuring the ip unnumbered Command https://www.cisco.co[...] 2021-11-25
_[9] 웹사이트 World 'running out of Internet addresses' https://web.archive.[...] 2011-01-23
_[10] 웹사이트 Free Pool of IPv4 Address Space Depleted http://www.nro.net/n[...] Number Resource Organization 2011-02-03
_[11] 웹사이트 Five /8s allocated to RIRs – no unallocated IPv4 unicast /8s remain http://mailman.nanog[...]
_[12] 웹사이트 APNIC IPv4 Address Pool Reaches Final /8 https://web.archive.[...] 2011-04-15
_[13] 서적 2016 IEEE International Conference on Emerging Technologies and Innovative Business Practices for the Transformation of Societies (EmergiTech) University of Technology, Mauritius, Institute of Electrical and Electronics Engineers 2016-08
_[14] 논문 Practical network support for IP traceback
_[15] 웹사이트 Fragment Offset - IP With Ease https://ipwithease.c[...] 2022-11-21
_[16] 웹사이트 Cisco unofficial FAQ http://www.faqs.org/[...] 2012-05-10
_[17] 표준 Special-Purpose IP Address Registries Internet Engineering Task Force 2013-04
_[18] 표준 Address Allocation for Private Internets Network Working Group 1996-02
_[19] 표준 IANA-Reserved IPv4 Prefix for Shared Address Space Internet Engineering Task Force (IETF) 2012-04
_[20] 표준 Dynamic Configuration of IPv4 Link-Local Addresses Network Working Group 2005-05
_[21] 표준 IPv4 Address Blocks Reserved for Documentation Internet Engineering Task Force 2010-01
_[22] 표준 Deprecating the Anycast Prefix for 6to4 Relay Routers Internet Engineering Task Force 2015-05
_[23] 표준 An Anycast Prefix for 6to4 Relay Routers Network Working Group 2001-06
_[24] 표준 Benchmarking Methodology for Network Interconnect Devices Network Working Group 1999-03
_[25] 표준 IANA Guidelines for IPv4 Multicast Address Assignments Internet Engineering Task Force 2010-03
_[26] 표준 Assigned Numbers: RFC 1700 is Replaced by an On-line Database Network Working Group 2002-01
_[27] 표준 Broadcasting Internet Datagrams Network Working Group 1984-10
_[28] 표준
_[29] 웹사이트 Windows および Sun のシステムでの IP MTU、TCP MSS、および PMTUD の調整 https://web.archive.[...] Cisco 2010-06-20
_[30] 웹사이트 TCP/IPに係る既知の脆弱性に関する調査報告書 改訂第4版 https://www.ipa.go.j[...] 2010-06-20
_[31] 웹사이트 @IT連載 基礎から学ぶWindowsネットワーク IPフラグメンテーション https://atmarkit.itm[...] 2010-06-20