IP Address

Reference: [책] IT 엔지니어를 위한 네트워크 입문

• OSI 7계층에서 주소를 갖는 계층은 2계층과 3계층이다

  • 2계층은 물리 주소인 MAC 주소를 사용하고,

  • 3계층은 논리 주소인 IP 주소를 사용한다

• 대부분의 Network가 TCP/IP로 동작하므로 IP 주소 체계를 이해하는 것이 중요하다

• IP 주소를 포함한 다른 protocol stack의 3계층 주소는 아래과 같은 특성을 가진다

  1. 사용자가 변경 가능한 논리 주소이다

  2. 주소에 level이 있다

     • Group을 의미하는 network 주소와 host 주소로 나뉜다

1. IP 주소 체계

• 우리가 흔히 사용하는 IP 주소는 32비트인 IPv4 주소이다

  • IP는 v4, v6 두 체계가 사용되며 IPv6 주소는 128비트이다

• IPv4 주소를 표기할 때는 4개의 **옥텟 (octet)**이라고 부르는 8비트 단위로 나뉘고, 각 octet은 "." 으로 구분한다

  • IPv4 주소: 8비트 x 4 = 32비트

• 2계층의 MAC 주소가 16진수로 표기된 것과 달리 IP 주소는 10진수로 표기하므로 8비트 옥텟은 0 ~ 255의 값을 가질 수 있다

• 2계층 주소인 MAC 주소가 제조업체 코드인 OUI와 제조업체별 일련 번호인 UAA 두 부분으로 나뉘는 것과 목적이 다르지만,

  • 3계층 주소인 IP 주소도 네트워크 주소와 호스트 주소 두 부분으로 나뉜다

    • 네트워크 주소

      • Host들을 모은 network를 지칭하는 주소

      • Network 주소가 동일한 network를 Local Network라고 한다

    • 호스트 주소

      • 하나의 network 내에 존재하는 host를 구분히기 위한 주소

• MAC 주소는 24비트씩 절반으로 나뉘지만, IP 주소의 네트워크 주소와 호스트 주소는 이둘을 구분하는 경계점이 고정되어 있지 않다

  • 이것이 다른 주소 체계와 IP 주소 체계를 구분하는 가장 큰 특징이다

  • IP 주소 체계는 필요한 호스트 IP 개수에 따라 네트워크의 크기를 다르게 할당할 수 있는 Class 개념을 도입했다

• 네트워크 주소와 호스트주소를 나누는 구분자가 고정되어 있다면 네트워크가 가질 수 있는 호스트 IP 주소 숫자가 같기 때문에 같은 크기의 네트워크가 되지만,

  • 구분자를 이동할 수 있어 네트워크 크기가 달라질 수 있다

• IP 주소가 도입한 class 개념은 다른 고정된 네트워크 주소 체계에[ 베히 주소를 절약할 수 있다는 장점이 있다

  • 네트워크의 크기가 모두 같은 경우,

    • 큰 네트워크를 필요로 하는 조직은 네트워크를 여러개 확보해야하는 어려움이 있고, 연속된 네트워크를 할당받기 어렵다

    • 작은 네트워크를 필요로 하는 조직은 너무 많은 IP를 가져가므로 IP가 낭비된다

• A, B, C Class는 맨 앞의 옥텟의 주소만 보고 구분할 수 있다

Classful Network

A Class

• 가장 큰 주소를 갖는다

• 약 1,600만개의 IP 주소를 가질 수 있다

• 첫 번째 옥텟에 네트워크와 호스트 주소를 나누는 구분자가 있다

  • 이 구분자를 서브넷 마스크라고 한다!

• 네트워크 주소를 표현하는 부분이 1개의 옥텟, 호스트 주소를 나타낼 수 있는 옥텟이 3개이기 때문에

  • **2^8 (256)**개의 네트워크와

  • 한 네트워크 당 **2^24 (16,666,216)**개의 호스트 주소를 갖는다

• A, B, C class는 맨 앞의 옥텟 주소만 보고도 구분할 수 있는데, 옥텟 주소가 0 ~ 127 의 볌위이면 이 주소는 A Class이다

  • 즉, 2진수로 첫 옥텟이 0 0000000 ~ 0 1111111인 주소가 A Class가 된다

  • 127만 예외로 자신을 의미하는 Loopback 주소로 사용되므로, 실제로 A Class로 사용할 수 있는 주소는 1.0.0.0 ~ 126.255.255.255 까지이다

B Class

• 약 6만 5천개의 IP 주소를 갖는다

• 두번째 옥텟에 구분자가 있다

• 네트워크 주소 부분이 2개의 옥텟, 호스트 주소가 2개의 옥텟이기 때문에

  • **2^16 (65,536)**개의 네트워크와

  • 1개의 네트워크에 **2^16(65,536)**개의 호스트주소를 갖는다

• 첫 옥텟을 2진수로 표기했을 때 첫번째 자리가 1이고, 두번째 자리가 0인 주소가 B class이다

  • 2진수로 첫 옥텟이 10 000000 ~ 10 111111 인 수이고,

  • 10진수로 표현하면 128부터 191까지인 주소가 B Class이다

C Class

• 세번재 옥텟에 구분자가 있다

• 네트워크 주소 부분이 3개의 옥텟, 호스트 주소가 1개의 옥텟이기 때문에

  • **2^24 (16,777,216)**개의 네트워크와

  • 1개의 네트워크 당 **2^8 (256)**개의 호스트를 가질 수 있다

• 첫 옥탯을 2진수로 표기했을 때 2진수 8자리 중 첫 번째, 두 번째 자리가 1이고, 세 번째 자리가 0인 주소가 C Classs이다

  • 첫 옥텟이 2진수로 110 00000 ~ 110 11111 이고,

  • 10진수로 192 부터 223까지 IP인 경우 C class이다

Class 기반의 네트워크 분할 기법은 과거에 사용했던 개념으로 현재는 class 기반으로 네트워크를 분할하지 않는다

보다네트워크 주소를 세밀하게 분하랗고 할당하기 위해 필요한 네트워크의 크기에 맞추어 1비트 단위로 네트워크를 상세히 분할하는 방법을 사용한다

+

네트워크에서 사용 가능한 호스트 개수 파악하기

• IP 네트워크에서는 네트워크 크기가 변경되므로 하나의 네트워크에서 사용 가능한 host의 개수와 유효 IP 범위를 파악하는 것이 중요하다

  • Class 단위로 네트워크가 분할되는 경우, 쉽게 인지할 수 있는 10진수 형태로 표현되어 이해하는데 큰 무리가 없지만 Classless Network인 경우, 유효 IP 범위 파악이 매우 중요하다

• 일반적으로 표현할 수 있는 모든 수의 개수는 진수^자릿수의 형태로 계산할 수 있다

  • ex) 우리가 사용하는 10진수 4자리가 나타낼 수 있는 총 수는 10^4개이다

    • 0000부터 9999까지 10,000개의 숫자를 표현할 수 있다

• IP는 2진수로 나타내므로 2^자릿수 형태로 표현할 수 있는 IP 숫자를 구할 수 있다

  • 한 옥텟이 2진수 8자리이므로 A Class는 2^24개, B Class는 2^16개, C Class는 2^8개의 IP를 표현할 수 있다

  • but, IP 체계에서 맨 앞의 숫자를 네트워크 주소로, 맨 뒤의 숫자를 브로드캐스트 주소로 사용하므로 실제로 사용할 수 있는 IP는 A Class 2^24 - 2개, B Class 2^16 -2 개, C Class 2^8 -2개이다

2. Classful and Classless Network

• IP 주소 체계를 처음 만들었을 때는 Class 개념을 도입한 것이 확장성 있고, 주소 낭비가 적은 쵲거의 조건을 만들 수 있었던 좋은 선택이었따

  • Classful Network 에서는 네트워크 주소와 호스트 주소를 구분짓는 구분자 (Subnet mask)가 필요 없었다

  • 맨 앞자리 숫자만 보면 자연스럽게 이 주소가 어느 class에 속해 있는지 구분할 수 있고, 주소 구분자를 적용할 수 있었다

Classless Network

• 인터넷이 상용화되면서 인터넷에 연결되는 host 숫자가 폭발적으로 증가했다

  • 기존 Classful 기반의 주소 체계는 확장성과 효율성을 모두 잡는 좋은 주소 체계였지만, 기하급수적으로 늘어나는 IP 주소 요구를 감당하기에는 너무 부족했다

    • 또한 네트워크 주소를 계층화하고 분할하기 위해 낭비되는 IP가 매우 많았다

• IP 주소 부족과 낭비 문제를 해결하기 위해 만든 3가지 보존, 전환 전략은 아래와 같다

  1. 단기 대책 - Classless, CIDR (Classless Inter-Domain Routing) 기반의 주소 체계

  2. 중기 대책 - NAT 와 사설 IP 주소

  3. 장기 대책 - 차세대 IP인 IPv6

• IPv4의 가장 큰 문제는 주소 자체의 부족도 있지만 상위 Class (A Class)를 할당받은 조직에서 이 주소들을 제대로 사용하지 못하면서 낭비되는 것이었다

  • Classful에서는 한 개의 class network가 한 조직에 할당되면 아무리 비어 있는 주소라도 IP를 분할해 다른 기관이 사용하도록 할 수 없다

    • 이 문제를 해결하기 위해 class 개념 자체를 버리는데 이를 Classless network라고 부른다

      • 현재 우리가 사용하는 주소 체계는 Class 개념을 적용하지 않은 Classless 기반의 주소 체계이다

• Classless Network에서는 별도로 network와 host 주소를 나누는 구분자를 사용해야 하는데, 이 구분자를 Subnet Mask 라고 부른다

  • Subnet Mask는 IP 주소와 Network 주소를 구분할 때 사용하는데 2진수 숫자 1은 Network 주소, 0은 Host 주소로 표시한다

    • 보통 10진수를 이용하여 255.0.0.0, 255.255.0.0, 255.255.255.0과 같이 표현한다

    • 2진수 11111111을 10진수로 표현하면 255가 되어 255는 Network 주소부분, 0은 Host 주소 부분으로 구분된다

      • ex) 103.9.32.146 주소에 255.255.255.0 subnet mask를 사용하는 IP는

        • Network 주소가 103.9.32.0 이고,

        • Host 주소는 0.0.146이 된다

  • Classless 기반의 IT Network에서는 Netowork를 표현하는 데 반드시 subnet mask가 필요하고 server나 PC에 IP 주소를 부여할 때도 사용되어야 한다

Subnet Mask 표현 방법

• Subnet mask를 표현하는 방법은 비트 단위로 표현하는 방법과 10진수로 표현하는 방법을 사용한다

  • 비트 단위로 표현하는 방법은 Subnet Mask에서 1 부분이 연속된 자릿수를 표현해주는 것이다

    • A Class를 subnet mask로 나타내면 첫 Octet이 1, 나머지 Octet이 0이므로 /8로 표현한다

    • B Class는 /16,

    • C Class는 /24 로 표기한다

  • 10진수로 표현할 때,

    • A Class는 255.0.0.0,

    • B Class는 255.255.0.0 ,

    • C Class는 255.255.255.0 으로 쓴다

3. Subnetting

• 원래 부여된 Class의 기준을 무시하고 새로운 Network-Host 기준을 사용자가 정해서 classful 단위의 network보다 더 쪼개 사용하는 것을 Subnetting이라고 한다

  • 부여된 주소를 다시 잘라 사용해 subnetting이라고 부르는데, classless network의 가장 큰 특징이다

  • Otcet 단위로 구분되는 subnetting은 이해와 운영이 쉽지만, 실제로는 octet 단위보다 더 잘게 network를 쪼개 2진수의 1bit 단위로 network를 분할한다

• 실무에서 subnetting에 대해 고민해야 하는 경우는 두 가지이며, 상황에 따라 고려해야 할 요소와 범위가 달라진다

  1. 네트워크 설계자가 네트워크를 어떻게 효율적으로 분할할 것인지 계획하는 경우

     • 네트워크 설계 시 네트워크 내에 필요한 단말을 고려한 네트워크 범위 설계

  2. 이미 분할된 네트워크에서 네트워크 사용자가 자신의 네트워크와 원격지 네트워크를 구분해야 하는 경우

     • 네트워크에서 사용할 수 있는 IP 범위 파악

     • 기본 Gateway와 Subnet Mask 설정이 제대로 되어있는지 확인

3-1. 네트워크 사용자의 Subnetting

• 네트워크 사용자는 이미 설계되어 있는 네트워크에서 사용할 수 있는 IP 주소 범위를 파약해야 한다

  • 주어진 네트워크 범위 밖의 IP를 할당하거나, Subnet mask를 잘못 입력하면

    • Local Network의 특정 범위에 속해있는 단말과 통신에 문제가 생기거나,

    • 외부 Network 전체에 통신하지 못하는 상황이 발생한다

• 대부분의 subnetting은 bit 단위로 분할되어 있고, IP 주소 체계는 컴퓨터가 처리하므로 2진수로 되어 있다

  • 2진수에 익숙하거나 subnetting이 octet 단위로 되어 있는 경우, 내가 속한 Network의 크기와 IP 범위를 알아내기 쉽겠지만, 1비트 단위로 subnetting 된 경우 유효한 Network 범위를 알아내기 어렵다

    • 일반적으로 자신이 속한 Network의 유효 범위를 파악하는 방법은 아래와 같다

      1. 내 IP를 2진수로 표현한다

      2. Subnet Mask를 2진수로 표현한다

      3. 2진수 AND 연산으로 Subnetting 된 Network 주소를 알아낸다

      4. Host 주소 부분을 2진수 1로 모두 변경해 Broadcast 주소를 알아낸다

      5. 유효 IP 범위를 파악한다

         • Subnetting 된 Network 주소 +1 은 유효 IP 중 가장 작은 IP이다

      6. Broadcast 주소 - 1은 유효 IP 중 가장 큰 IP이다

      7. 2진수로 연산되어 있는 결과값을 10진수로 변환한다

    • 항상 위의 방법으로 Local Netowork의 범위를 알아내기는 어렵다

간단한 Subnetting 방법

• ex) IP 주소: 103.9.32.146, Subnet Mask: 255.255.255.192

  1. Subnet Mask를 2진수로 변환한다

     • ex) 11111111.11111111.11111111.11000000

  2. 현재의 Subnet이 가질 수 있는 최대 IP 개수 크기를 파악한다

     • ex) 2^6 = 64

  3. 64의 배수로 나열하여 기준이 되는 Network 주소를 파악한다.

     • 첫 Block은 0부터 시작한다

     • 각 Network의 마지막 주소가 Broadcast 주소가 된다

       • 이 주소는 다음 블록 Network 주소의 -1 수이다

     • ex) 0 ~ 63 / 64 ~ 127 / 128 ~ 191 / 192 ~255

  4. 103.9.32.146에서 Host 주소 146이 속한 Network를 선택한다

     • ex) 128 ~ 191

  5. 필요한 주소를 정리한다

     • Network 주소: 103.9.32.128 (첫 번째 숫자)

     • Broadcast 주소: 103.9.32.191 (마지막 숫자)

     • 유효 IP 범위: 103.9.32.129 ~ 103.9.32.190 (Network 주소와 Braodcast 주소 사이)

위 방법의 핵심은 Subnet Mask를 중심으로 Network 크기를 파악해 Subnetting 된 Network의 크기를 알아내는 것이다!

3-2. 네트워크 설계자의 Subnetting

• Network를 새로 구축하는 경우, Network 사용자와 반대로 설계자는 Subnet Mask가 지정되어 주어지는 것이 아니라 Network의 크기를 고민해 Subnet Mask를 결정하고 설계에 반영해야 한다

  • Network 설계자가 IP를 설계할 때 고민해야 할 부분은 아래와 같다

    1. Subnet 된 하나의 Network에 IP를 몇 개나 할당해야 하는가?

    2. Subnet 된 Network가 몇개나 필요한가?

ex) 12곳의 지사가 있는 회사의 Network 설계하기

1. Subnet 된 하나의 Network에 12개의 IP를 할당해야 한다

2. Network는 2진수의 배수로 커지므로 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256 단위로 Network를 할당할 수 있다

   • 12개 IP를 수용할 수 있는 가장 작은 Network는 16개이므로 16개짜리 Network를 할당한다

     • 단, 16개짜리 Network는 Network 주소와 Broadcast 주소로 사용할 2개의 IP를 제외해야 하므로 실제로 사용할 수 있는 IP는 14개다

3. 16개짜리 Network 12개를 확보한다

   • 16의 배수를 0부터 나열해 Network 주소를 확인한다

4. 총 16개의 Network 중 12개 Network를 각 지사에 할당한다

• Network를 설계할 때 가능하면 사설 IP 대역을 사용해 충분한 IP 대역을 사용하는 것이 좋다

• 공인 IP를 사용해 여유 없이 Network를 할당하면 크기가 다른 Network가 많아진다

  • 그러면 Network 관리자 입장에서도 관리가 힘들어지고, 일반 사용자도 IP를 쉽게 구분하거나 알아볼 수 없게된다

• 최대한 같은 크기의 Network를 할당하고, 10진수로 표현해도 쉽게 이해할 수 있는 C class 단위인 24비트로 쪼개 할당하는 것이 바람직하다

4. Publilc IP and Private IP

• 인터넷에 접속하려면 IP 주소가 있어야 하고 이 IP는 전 세계에서 유일해야 하는 식별자이다

  • 이런 IP 주소를 Public IP 주소라고 한다

• 인터넷에 연결하지 않고 개인적으로 Network를 구성 한다면 공인 IP 주소를 할당받지 않고도 Network를 구축할 수 있다

  • 이 때 사용하는 IP 주소를 Private IP 주소 라고 한다

• 인터넷에 접속하려면 통신 사업자로부터 IP 주소를 할당받거나 IP 할당 기관 (한국의 경우 KISA)에서 **인터넷 독립기관 주소 (Autonomous System Number, ASN)**를 할당받은 후 독립 IP를 할당받아야 하므로 절차가 복잡하다

• 인터넷에 접속하지 않거나 NAT (Network Address Translation) 기술을 사용할 경우 (공유기나 회사 방화벽을 사용하는 경우)에는 private IP를 사용할 수 있다

  • 이 주소들은 이터넷 표준 문서인 RFC에 명시되어 있다

  • Private IP를 사용하면 인터넷에 직접 접속하지 못하지만, IP를 변환해주는 NAT 장비에서 public IP로 변경한 후에는 인터넷 접속이 가능하다

• 회사 내부에서 Private Network를 구축할 때 NAT를 이용하여 인터넷에 연결하더라도 다른 사용자에게 할당된 IP를 private IP로 사용하면 안 된다

  • 다른 기관에서 사용하는 Public IP를 회사 내부에서 사용할 경우, 해당 IP로의 접근이 불가능하다

• Private IP는 A Class 1개, B Class 16개, C Class 256개를 사용할 수 있다

  • 규모가 큰 Enterprise network에서는 대부분 A Class 크기인 10.0.0./8 network를 사용하고,

  • 규모가 작은 network를 위해서는 C Class 198.168. x.0/24를 사용한다

    • 공유기에서 가장 많이 사용되는 기본 IP가 192.168.0.1인 이유이다