[Network Layer] IPv4 Address

Network Programming/Network Layer

[Network Layer] IPv4 Address

dh_0e 2025. 4. 21. 00:56

Introduction

IP 주소는 인터넷 계층(네트워크 계층)에서 사용하는 식별자이다.
IPv4 주소는 32비트 (4바이트)로 구성된 고유하며 보편적인 주소로, 인터페이스 단위로 부여된다.
두 개의 장치가 한 네트워크에 연결되어 있을 때, 이 둘은 동시에 같은 주소를 가질 수 없다.
- 한 장치가 두 개의 네트워크에 연결되어 있다면 → IP 주소도 2개 할당됨.
중요한 개념: IP 주소는 “호스트”가 아닌 인터페이스의 주소임.

표기법 & 연산

Binary Notation: 2진수로 표현된 IP (예: 11000000.10101000.00000000.00000001), Base 2
Dotted-Decimal Notation: 우리가 자주 쓰는 10진수 점 표기법 (예: 192.168.0.1), Base 256

비트 연산

AND: IP와 마스크를 연산해서 네트워크 주소를 구함
OR: 브로드캐스트 주소 계산 시 사용
NOT: 마스크 반전할 때 사용

클래스(Class) addressing

IPv4는 A~E 클래스로 나뉜다.
클래스는 IP 주소의 앞쪽 비트를 통해 구분한다.

클래스 시작 비트주소 범위

A	0xxxxxxx	0 ~ 127
B	10xxxxxx	128 ~ 191
C	110xxxxx	192 ~ 223
D	1110xxxx	224 ~ 239
E	1111xxxx	240 ~ 255

비트 기준으로 클래스 판별
1. 첫 비트가 0이면 → Class A or
2. 두 번째 비트가 0이면 → Class B or
3. 세 번째 비트가 0이면 → Class C or
4. 네 번째 비트가 0이면 → Class D or
5. → Class E
  이런 식으로 이진수 패턴으로 클래스 분류 가능

Netid와 Hostid

각 클래스마다 Netid와 Hostid의 비트 비율이 다르다:

Class	Netid	Hostid
A	8비트	24비트
B	16비트	16비트
C	24비트	8비트

Netid: 네트워크 번호, Hostid: 네트워크 내 개별 호스트 식별

Class A는 Netid가 128개로 매우 한정적이므로 미국방성, MIT, IBM, Apple 등 당시 연구에 참가했던 단체들이 할당되어 있음

클래스별 블록 수와 주소 개수

Class A: 2^7 = 128 블록 (→ 일부 예약됨), 각 블록: 2^24 = 16,777,216개 주소
Class B: 2^14 = 16,384 블록, 각 블록: 2^16 = 65,536개 주소
Class C: 2^21 = 2,097,152 블록, 각 블록: 2^8 = 256개 주소

Class A/B는 대부분 낭비 심함 → 현실에선 비효율적

Class D, E

Class D: 224.0.0.0 ~ 239.255.255.255 1 블록: 2^28 = 268,435,456개 주소
- 멀티캐스트 전송 (여러 호스트에게 동시에 전송)
- regualr unicast traffic에는 사용할 수 없음
Class E: 240.0.0.0 ~ 255.255.255.255 1 블록: 2^28 = 268,435,456개 주소
- 예약 주소 (실험/미래용도, 일반 사용 불가)

Classful Addressing 예시 (그림 설명)

왼쪽 LAN: Class C (220.3.6.0)
오른쪽 LAN: Class B (134.18.0.0)
WAN이 양쪽 LAN과 외부 인터넷을 연결
각 네트워크가 다른 클래스로 구성되고, 라우터가 목적지 주소를 보고 어느 인터페이스로 보낼지 판단

Network Address 계산

라우터가 목적지 네트워크 주소를 알아내기 위해 사용하는 방식은:
- IP 주소와 네트워크 마스크를 AND 연산
이 과정을 통해 어떤 네트워크에 속하는지 식별할 수 있음

예시 설명

주소: 192.168.1.12
마스크: 255.255.255.0
연산 결과: 192.168.1.0 → 이게 바로 네트워크 주소

11000000.10101000.00000001.00001100   (192.168.1.12)
11111111.11111111.11111111.00000000   (255.255.255.0)
-----------------------------------
11000000.10101000.00000001.00000000   → 192.168.1.0

라우터는 목적지 IP를 보고 AND 연산을 통해 어느 네트워크에 속해 있는지 판단하고, 그 결과에 따라 다음 인터페이스로 포워딩함.

네트워크 마스크 (Network Mask)

클래스별 기본 마스크:

클래스마스크접두 표현

A	255.0.0.0	/8
B	255.255.0.0	/16
C	255.255.255.0	/24

IP 주소와 마스크를 AND 연산 → 네트워크 주소 추출

Subnetting (서브넷팅)

기존 Classful 구조는 2단계 주소 체계였음:
- Netid + Hostid
하지만 현실에서는 다음과 같은 문제가 있었음:
1. Class A/B는 너무 커서 낭비가 심함
2. Class C는 너무 작음
그래서 서브넷팅(subnetting)이라는 개념 도입: → Netid + Subnetid + Hostid로 세분화
큰 네트워크를 여러 개의 소규모 네트워크로 나눔
보안, 트래픽 관리 목적

서브넷을 나누기 위해서는 서브넷 마스크(Subnet Mask)가 필요함
기존 마스크보다 더 많은 비트를 Netid 측으로 이동시켜야 함
각 Subnet끼리 router만 거치고 통신 가능
network 관리를 효율적이게 만들어줌

Subnet Address 계산

서브넷 마스크로 네트워크 주소 식별
AND 연산을 통해 어떤 서브넷에 속하는지 계산

예: Class B 기본 구조

기존 마스크: /16 → 255.255.0.0
서브넷팅 후 마스크: /18로 증가
- /18이면 마스크는 255.255.192.0
- 서브넷은 2^2 = 4개 증가

이렇게 서브넷 마스크는 서브넷 ID에 해당하는 비트 수만큼 더 1을 포함하게 됨

서브넷팅할 때 필요한 마스크 길이는 다음 공식으로 계산:

마스크 길이 = 기본 마스크 + log₂(서브넷 개수)

예시:

Class B 주소 /16을 4개의 서브넷으로 나누고 싶다면?
- log₂(4) = 2
- 새로운 마스크: 16 + 2 = /18 → 255.255.192.0

계산 공식:
- 서브넷 개수 s일 때 → n_subnet = n + log₂(s)
- 예: /16에서 4개의 서브넷 필요 → /18로 마스크 늘림

Supernetting

Supernetting(수퍼넷팅)은 여러 개의 Class C 네트워크 블록을 하나의 큰 네트워크로 묶는 것
서브넷팅이 → 큰 네트워크를 쪼개는 것이라면
슈퍼넷팅은 → 작은 네트워크를 합치는 것
이때 사용되는 마스크가 Supernet Mask
HostID를 늘려줌

Class C 주소 여러 개를 묶어 하나의 큰 네트워크로 사용
→ 마스크를 짧게 만들면서 블록 확장
- ex) /24 + /24 = /23으로 묶음

예시

2개의 Class C 블록을 묶으려면 → 1비트 줄임 → /23 → 255.255.254.0
- HostID가 2배 늘어남
4개 묶으려면 → /22 → 255.255.252.0

조건: 반드시 2의 거듭제곱 개수만큼만 묶을 수 있음
(1개, 2개, 4개, 8개 등)

Classless Addressing (CIDR)

기존의 Classful Addressing (A/B/C)의 문제점이 심각해지면서 새로운 방식이 필요해짐

Classful Addressing의 두 가지 한계:

주소 낭비
- Class A는 너무 커서 실사용 거의 불가
- Class B도 대부분 낭비 (주소 수 > 실제 사용자 수)
라우팅 테이블 과부하
- 너무 많은 소규모 네트워크가 존재 → 테이블 항목 수 폭증

Long-Term Solution – IPv6 도입

목적	주소 공간 자체를 확장
방법	IPv4의 32비트 주소 → IPv6의 128비트 주소
특징	완전히 새로운 포맷과 프로토콜 설계 필요
적용 시점	미래 지향적 / 점진적 도입

Short-Term Solution – Classless Addressing (CIDR)

목적	IPv4 주소를 보다 유연하게 할당
방법	클래스를 제거하고, 접두 길이(/n)로 주소 블록 표현
표기 예	110.23.120.14/20 → 앞 20비트는 prefix (네트워크), 나머지는 host ID
특징	주소 낭비 최소화, 라우팅 테이블도 줄어듦
적용 시점	IPv4 주소 부족을 단기적으로 해결하기 위한 현실적 방법

핵심 정리

CIDR 표기법	IP / Prefix Length (예: 192.168.0.0/22)
Prefix = 네트워크 식별자	Suffix = 호스트 식별자
클래스 구분 없음	모든 주소는 “클래스리스”로 취급

CIDR은 서브넷팅과 슈퍼넷팅 모두 포함하는 범용 개념
주소 블록을 필요한 만큼만 나누고, 묶을 수도 있음 → 효율 최고

클래스 개념 없이 슬래시(/) 표기 사용 → /n
- 예: 192.168.0.0/20
CIDR 계산법:
- 총 주소 수: 2^(32 - n)
- 첫 주소(네트워크 주소): IP & 마스크
- 마지막 주소(가장 큰 주소): IP | NOT(마스크)

CIDR Aggregation

여러 개의 인접 CIDR 블록을 하나로 묶는 기술
라우팅 테이블을 줄이고 효율 향상
예시:
- 190.154.27.0/26 + 190.154.27.64/26 → 190.154.27.0/25
  - 0~63 서브넷과 64~128 서브넷을 합쳐서 0~128을 관리하는 블록(서브넷)으로 만듬
- 190.154.27.0/25 + 190.154.27.128/25 → 190.154.27.0/24

CIDR Aggregation으로 여러 개의 서브넷을 하나의 큰 주소 블록(CIDR 블록)으로 묶으면 라우팅 테이블이 더 작고 효율적이 된다!

Special Addresses

1. All-Zeros Address (전체 0 주소)

형식: 0.0.0.0 (CIDR 표기로는 0.0.0.0/32)
용도:
- 자기 자신의 IP 주소를 모르는 호스트가 임시로 사용하는 주소
- 예: 부팅 시 DHCP 요청을 보낼 때
  - DHCP 서버로 All-Zeros(0.0.0.0)을 보내 자신에게 할당 된 IP 주소, 서브넷 마스크, 게이트웨이 등을 얻어옴
  - DHCP: IP 주소를 자동으로 할당해주는 애플리케이션 계층 프로토콜 (보통 네트워크 장비(라우터 등)에서 운영됨)
이 주소를 출발지 주소로 사용해서 브로드캐스트 요청을 보냄

출발지는 0.0.0.0, 목적지는 255.255.255.255 → IP를 아직 못 받은 상황

2. All-Ones Address (Limited Broadcast Address)

형식: 255.255.255.255
CIDR 표기: /32
용도: 로컬 네트워크에 있는 모든 호스트에게 패킷 전송
제한적(limited) 브로드캐스트이기 때문에, 라우터는 이 패킷을 외부로 넘기지 않음

네트워크 전체가 아니라 현재 네트워크 안의 모든 호스트들에게만 전파됨

3. Loopback Address

범위: 127.0.0.0 ~ 127.255.255.255 (통상적으로 127.0.0.1 사용)
CIDR 표기: 127.0.0.0/8
용도:
- 자기 자신에게 패킷을 보내는 테스트용
- 로컬 TCP/IP 스택이 정상 작동하는지 확인할 때 사용
- Application layer → Transport layer → Network layer(Destination) → Transport layer → Application layer
예시 명령어: ping 127.0.0.1

이 주소로 보낸 패킷은 네트워크로 나가지 않고, 자신에게 바로 돌아온다

4. Private Addresses (사설 IP 주소)

인터넷에서 사용되지 않고, 내부 네트워크 전용(사설망 전용)
주로 회사, 집, 학교 등 로컬 네트워크에서 사용됨
NAT와 결합되어 IPv6의 중요도가 내려감

이 주소들은 라우터를 통해 외부로 직접 전달되지 않음 → NAT로 변환 필요

5. Network Address & Broadcast Address (Block 내에서)

어떤 블록이든 처음 주소와 마지막 주소는 특별한 의미를 가짐:

주소	의미
첫 주소 (suffix = 000...0)	네트워크 식별 주소 네트워크 자신을 정의함
마지막 주소 (suffix = 111...1)	브로드캐스트 주소 (해당 블록 내 전체 호스트 대상) 네트워크 내부 모든 호스트들에게 패킷을 전달하기 위해 사용됨

예시: 192.168.1.0/24

네트워크 주소: 192.168.1.0
브로드캐스트 주소: 192.168.1.255

NAT (Network Address Translation)

IPv4 주소는 32비트로 약 43억 개밖에 없음
이미 고갈 → 모든 기기에 고유한 공인 IP 주소 부여 불가
NAT 사용하여 내부에서 사설 IP 주소 사용 (무료, 반복 가능)

내부 사설 IP 주소 ↔ 외부 공인 IP 주소를 변환하는 기술
하나의 공인 IP로 여러 사설 호스트를 인터넷에 연결 가능
외부에서는 NAT 장비의 공인 IP 주소 하나만 보임
라우터(또는 게이트웨이 장비)에서 동작
NAT 테이블에 포트번호까지 함께 저장하면 다수 매핑 가능 (PAT: Port Address Translation)

NAT의 동작 원리

내부 호스트가 외부 서버로 패킷 보냄
NAT 라우터가:
- 출발지 IP를 공인 IP로 변경
- 출발지 포트번호를 변형 (PAT 사용 시)
- NAT 테이블에 매핑 정보 저장
응답이 들어오면:
- 목적지 IP/포트 보고 내부 호스트로 다시 변환해서 전달

내부 네트워크 (Private)

사설 IP를 사용하는 여러 장치들이 존재
각각 고유한 사설 IP + 포트번호 조합으로 인터넷 접근 시도

NAT 라우터

하나의 공인 IP (203.0.113.5)를 사용
각 내부 요청에 대해 공인 포트번호를 다르게 할당하여 구분
→ 이 과정을 PAT (Port Address Translation)이라고 함
NAT 테이블에 포트번호를 포함한 매핑 정보 저장

내부 (사설)	NAT 변환	외부에서 들어올 때 다시 변환
192.168.1.10:1234	203.0.113.5:5001	192.168.1.10:1234
192.168.1.11:2345	203.0.113.5:5002	192.168.1.11:2345
192.168.1.12:3456	203.0.113.5:5003	192.168.1.12:3456

핵심

하나의 공인 IP 주소만으로도 여러 사설 IP 호스트가 인터넷 사용 가능
이 구조 덕분에 NAT는 IPv4 주소 고갈 문제의 현실적인 대안이 됨
PAT 구조는 반드시 IP + Port를 함께 변환해야 정확한 매핑 가능

항목	내용
NAT 기능	내부 IP를 공인 IP로 변환 (양방향)
필요성	IPv4 주소 부족 대응
테이블	사설 IP + 포트 ↔ 공인 IP + 포트
PAT	하나의 공인 IP로 여러 내부 호스트 지원
사설 IP는 인터넷 직접 연결 ❌	NAT 장비가 변환해야 함
ISP	"Internet Service Provider"의 줄임말로, 인터넷 접속을 제공하는 서비스를 제공하는 사업자 또는 회사. 중구 지역에서 ISP는 KT, SK브로드밴드, LG U+ 등이 있음