네트워크 계층 - 제어용 프로토콜(ARP, RARP, ICMP, IGMP)

ARP (Address Resolution Protocol) 프로토콜

임의의 호스트가 다른 호스트에 데이터를 전송하려면 수신 호스트의 IP 주소와 MAC 주소를 알아야 함.

수신 호스트의 IP 주소는 일반적으로 응용 프로그램 사용자가 프로그램을 실행하는 과정에서 직접 입력하므로,

IP 주소로부터 수신 호스트의 MAC 주소를 얻는 작업이 추가로 필요하다.

MAC 주소

위 그림은 송신 호스트가 물리 계층을 통해 데이터를 전송하는 과정에서 필요한 주소를 설명한다.

IP 프로토콜 헤더에서 필요한 송수신 호스트의 IP 주소와 함께 MAC 계층에서도 송수신 호스트의 MAC 주소가 필요하다.

송신 호스트의 IP 주소: 송신 호스트의 파일시스템에서 얻을 수 있음

수신 호스트의 IP 주소: 사용자가 직접 제공(일반 사용자가 접속하고자 하는 호스트의 IP 주소를 지정),

                                   사용자는 일반적으로 도메인 이름을 입력하고 도메인 이름은 DNS 서비스를 통해 IP 주소로 쉽게 변환 가능

송신 호스트의 MAC 주소: 송신 호스트의 LAN 카드에서 얻을 수 있음

수신 호스트의 MAC 주소: ARP 프로토콜이 제공

                                           수신 호스트의 IP 주소를 매개변수로 하여 ARP(address resolution protocol) 기능을 통해 수신 호스트의                                             MAC 주소를 얻을 수 있음

 

 

1. 송신 호스트가 ARP request라는 특수 패킷을 브로드캐스팅

2. IP 주소에 해당하는 수신 호스트만 ARP reply 패킷으로 자신의 MAC 주소를 회신

 

데이터를 전송할 때마다 ARP를 사용하여 패킷을 브로드캐스팅하면 네트워크 트래픽이 증가하기 때문에,

ARP를 사용하는 호스트는 가장 최근에 얻은 IP 주소와 MAC 주소 매핑 값을 보관하는 캐시 정보를 이용

(arp 프래픽에 의한 네트워크 부하 최소화)

 

ARP 프로토콜을 사용하기 위해서는 MAC 프레임의 데이터 페이로드를 디코딩하여 ARP 요청이나 응답을 확인

 

 

 

RARP (Reverse Address Resolution Protocol) 프로토콜

RARP 프로토콜은 ARP 프로토콜과 반대로 MAC 주소를 이용해 IP 주소를 제공하는 역할을 함

디스크가 없는 시스템은 LAN 카드 정보를 읽어 MAC 주소를 얻을 수 있지만, 파일 시스템이 없어 IP 주소는 보관할 방법이 없음.

이 경우 자신의 MAC 주소와 IP 주소의 매핑 값을 보관하는 서버 호스트로부터 IP 주소를 얻어야 함.

LAN 카드에 내장된 MAC 주소를 매개변수로하여 RARP 기능을 수행함으로써 자신의 IP 주소를 얻어야 함.

IP 주소를 얻고자 하는 호스트는 MAC 주소를 매개변수로 하여 패킷을 브로드캐스팅한다. 보통 네트워크에는 RARP 기능을 전담으로 하는 서버가 하나 이상 존재(모든 호스트가 RARP 변환 요청을 받아도 해당 정보를 보관하고 있는 RARP 서버만 응답을 수행함)

 

파일시스템이 존재하지 않는 시스템에서는 이와 같은 기능으로 자신의 IP 주소를 얻은 다음, 자신의 부트 이미지(예 : 시스템 운영체제)를 다운로드함.

이러한 시스템에서는 ROM 등의 비활성 메모리에 다른 호스트와 통신하여 부트 이미지를 수신할 수 있는 TFTP 등의 프로토콜이 존재함 

 

ICMP (Internet Control Message Protocol) 프로토콜

인터넷 환경에서 오류에 관한 처리를 지원

IP 프로토콜 : 사용자 데이터 전송, ICMP 프로토콜 : 제어 메시지 전송

 

ICMP 메시지

ICMP 메시지 종류는 Type 필드 값에 따라 구분되며, 크게 오류 보고 메시지와 질의 메시지로 나뉨.

 

오류 보고 메시지(error-reporting message) : IP 패킷을 전송하는 과정에서 발생하는 문제를 보고하는 것이 목적

                                                                             IP 패킷을 전송한 송신 호스트에 전달

DESTINATION UNREACHABLE: 수신 호스트에 접근이 불가능 (수신 호스트가 존재하지 않거나, 필요한 프로토콜이나 포트 번호 등이                                                          없어 수신 호스트에 접근이 불가능한 경우)

SOURCE QUENCH: 네트워크에 필요한 자원 부족으로 패킷 폐기

TIME EXCEEDED: 시간 초과 현상으로 패킷 폐기 (TTL 필드값이 0이 되어 패킷이 버려진 경우)

 

질의 메시지(Query Message) : 라우터 혹은 다른 호스트들의 정보를 획득할 목적으로 사용

ECHO REQUEST, ECHO REPLY: UNIX의 ping 프로그램에서 네트워크의 신뢰성을 검증하기 위해 전송하고,

                                                       이를 수신한 호스트는 ECHO REPLY를 전송해 응답함.

                                                       특정 호스트가 인터넷에서 활성화되어 동작하는지 확인.

TIMESTAMP REQUEST, TIMESTAMP REPLY: 두 호스트 간의 네트워크 지연 측정

 

ICMP 헤더 형식

처음 8바이트는 모든 메시지에 반드시 포함됨

Type: 메시지를 구분

Code: 메시지 내용에 대한 자세한 정보, Type 필드에 따라 메시지의 세부 내용을 설명

            각 Type에 대해 여러 개의 Code 값이 존재하며, 이 값은 특정한 오류 상황이나 메시지의 추가 정보를 제공

Checksum: ICMP 전체 메시지에 대한 체크섬 기능 지원

ICMP 메시지 내용 1: 메시지 종류에 따라 값이 결정됨

 

 

ICMP 메시지 내용 2

오류 원인을 제공한 IP 패킷의 헤더와 이어지는 8바이트의 ICMP 메시지를 기초로 IP 패킷을 송신한 호스트는 ICMP 오류를 파악하고 정정

 

ICMP 메시지의 전송

ICMP는 기능적으로 IP 프로토콜과 같은 네트워크 계층의 역할을 수행지만, 

ICMP 메시지는 데이터 링크 계층에 바로 전달되지 않고, IP 패킷에 캡슐화된 후에 전달됨.

위 그림처럼 ICMP 메시지는 IP 프로토콜의 데이터로 처리되므로 IP 패킷의 데이터 부분에 실려서 계층 2 프로토콜로 전달된다.

 

IGMP (Internet Group Management Protocol) 프로토콜

멀티캐스팅: 특정 그룹에 속한 모든 호스트에게 메시지를 전송하는 방식

그룹 관리

멀티캐스트 라우팅에서는 다수의 호스트를 논리적인 하나의 단위로 관리하기 위해 그룹관리 기능이 필요

그룹의 생성/제거, 그룹 참가/탈퇴

 

그룹관리에서 멀티캐스팅이 제공하는 기능 

1. 다중 호스트를 표시하는 멀티캐스트 그룹 주소 표기 방법의 통일

1) IPv4에서 멀티캐스트 주소는 224.0.0.0부터 239.255.255.255까지의 범위 내에 있음

2) 주소 예약: 특정 멀티캐스트 주소는 특정 용도로 예약. 예를 들어, 224.0.0.1은 모든 호스트에 대한 멀티캐스트 주소

3) 주소 할당: 멀티캐스트 그룹 주소는 IANA (Internet Assigned Numbers Authority)에 의해 관리되며, 특정 애플리케이션이나 서비스에 대해 주소를 할당 받을 수 있음

4) 일관성 유지: 멀티캐스트 주소 표기 방법의 통일은 네트워크에서 멀티캐스트 트래픽을 보다 쉽게 관리하고, 호스트가 해당 주소를 통해 그룹에 참여할 수 있도록 함

 

2. 라우터가 멀티캐스트 주소와 이 그룹에 속하는 호스트 사이의 연관성 처리

1) 라우터는 IGMP를 사용하여 네트워크 내 호스트의 멀티캐스트 그룹 가입 및 탈퇴 정보를 수집.

    이를 통해 라우터는 어떤 호스트가 어떤 멀티캐스트 그룹에 속하는지 파악

2) 멀티캐스트 피어링: 라우터는 멀티캐스트 트래픽을 전송할 때, 해당 멀티캐스트 그룹에 가입

                                  한 호스트가 있는 네트워크 세그먼트로만 트래픽을 전송.

                                  이를 통해 네트워크 자원을 절약하고, 불필요한 트래픽을 줄일 수 있음

3) 테이블 관리: 멀티캐스트 라우터는 호스트와 멀티캐스트 그룹 간의 관계를 저장하는 테이블을 유지하여, 트래픽을 효율적으로 전달할 수 있도록 함

 

3. 효율적인 멀티캐스트 라우팅 알고리즘

1) DVMRP (Distance Vector Multicast Routing Protocol):

                                            거리 벡터 알고리즘을 기반으로 하며, 멀티 캐스트 그룹에 대한 트래픽을 전송하기 위한 경로를 동적으로 구성

2) DVMRP는 IGMP와 함께 작동하여 멀티캐스트 그룹 정보를 수집

3) PIM (Protocol Independent Multicast): PIM은 두 가지 모드인 Sparse Mode와 Dense Mode를 지원

     - Sparse Mode는 멀티캐스트 그룹이 넓게 분포되어 있을 때 사용되며, Dense Mode는 호스트가 밀집해 있는 경우에 적합

4) MOSPF (Multicast Open Shortest Path First): OSPF 프로토콜을 기반으로 하며, 멀티캐스트 트래픽을 위해 최적의 경로를 계산.                                                                                MOSPF는 링크 상태 정보를 사용하여 멀티캐스트 그룹에 대한 패킷 전송 경로를 설정

 

IGMP 헤더 형식

IGMP는 임의의 호스트가 멀티캐스트 주소로 정의된 멀티 캐스트 그룹에 가입하거나 탈퇴할 때 사용하는 프로토콜이다.

또한 멀티캐스트 그룹에 가입한 호스트와 라우터 사이에 맴버 정보를 교환하는 목적으로도 사용한다.

질의 메시지: 멀티 캐스트 라우터가 그룹에 대한 정보를 얻기 위해 호스트로 전달

보고 메시지: 질의 메시지에 대한 응답으로 호스트가 회신

IGMP 버전 2 헤더의 구조

Type(유형)

0x11: 질의 메시지

0x16: 보고 메시지

0x17: 그룹 탈퇴에 관한 메시지

Max Response Time

질의 메시지에서 사용하며 보고 메시지가 전송되어야 하는 최대 응답 시간

Checksum : IP 프로토콜에서 사용하는 알고리즘과 동일, 오류 검출용으로 이용

Group Address : 질의 메시지: 0으로 채움, 보고 메시지: 호스트가 가입을 원하는 그룹 주소를 표기

                              특정 그룹 관련 질의 메시지에는 해당 그룹의 주소를 표기

 

IGMP 동작 과정

자신이 IGMP 메시지에 표시된 멀티캐스트 주소의 맴버임을 다른 호스트와 라우터에 알리기 위한 목적으로 IGMP를 사용

(a) 그룹 가입 : 그룹에 가입하려면 해당 멀티 캐스트 주소를 표기한 IGMP 보고 메시지(0x16)를 전송,

                        IGMP 헤더의 Group Address 필드에 가입을 원하는 멀티캐스트 주소를 기록

 

(b) 주기적 확인 : 멀티캐스트 라우터가 그룹에 속한 맴버멤버 목록을 유효하게 관리하려면 IGMP 질의 메시지(0x11)를 사용해 주기적으로                             확인하는 과정이 필요함. 개별 호스트가 자신의 그룹 멤버를 유지하려면 IGMP 보고 메시지(0x16)를 사용해 IGMP 질의                             에 응답해야 함.

(c) 그룹 탈퇴 : 라우터의 질의 메시지(0x11)에 대해 호스트의 보고 메시지 응답이 이루어지지 않으면 그룹에서 탈퇴한 것으로 간주

 

 

IGMP 메시지의 전송

IGMP는 IP 프로토콜과 동등한 계층의 기능을 수행하지만 ICMP처럼 IP 패킷에 캡슐화되어 보내진다.

즉, 위 그림처럼 IGMP 메시지는 IP 프로토콜의 데이터로 처리되기 때문에 IP 패킷의 데이터 부분에 실려서 계층 2 프로토콜로 전달된다.

 

 

참고 자료 :

쉽게 배우는 데이터 통신과 컴퓨터 네트워크 3판 - 박기현 지음