IPv4 헤더·서브넷 계산·조각화

01주소에는 경계가 필요하다

• 주소와 프리픽스IPv4 주소는 32비트이며 네트워크 부분의 길이를 /24 같은 프리픽스로 표현한다. 주소만 보고 두 장비가 같은 네트워크라고 단정할 수 없다.

  • /24는 앞 24비트가 네트워크 부분이라는 뜻이며, 주소와 마스크를 비트 AND 하면 네트워크 주소를 얻는다.
• 클래스와 CIDR과거 A·B·C 클래스는 주소 체계를 이해하는 역사적 배경이다. 실제 경로를 해석할 때는 전달된 프리픽스를 사용한다.

  • CIDR은 클래스 경계에 묶이지 않는 주소·경로 표현이고, VLSM은 필요에 따라 서로 다른 길이의 서브넷을 사용하는 설계다.
  • 둘을 별도 주소 형식처럼 취급하지 않는다.

0232비트 주소와 마스크의 AND 연산

• AND 연산192.0.2.130을 2진수로 쓰면 11000000.00000000.00000010.10000010이다. /26의 마스크는 255.255.255.192이며 마지막 옥텟은 11000000이다.

  • 두 값을 AND하면 마지막 옥텟이 10000000, 즉 128이 되어 네트워크 주소 192.0.2.128을 얻는다.
  • 마스크의 네트워크 비트는 앞에서부터 연속해야 하므로 255.0.255.0 같은 불연속 값을 일반 CIDR 프리픽스로 해석할 수 없다.
• 온링크 판정목적지가 같은 링크인지도 주소와 프리픽스에 근거해 결정된다. .130/26 단말이 .190으로 보낼 때는 직접 상대를 이웃 해석하지만 .200은 다른 /26이므로 적절한 라우트를 사용한다.

  • 기본 게이트웨이가 설정됐다는 사실만으로 모든 목적지를 그쪽에 보내는 것이 아니라, 먼저 목적지에 일치하는 경로 중 가장 긴 프리픽스를 선택한다.
  • 주소만 같고 마스크가 다르면 양쪽의 직접 전달 판단이 어긋날 수 있다.

03/26 계산을 따라가기

• /26의 블록 크기문서용 대역 192.0.2.0/24를 /26으로 나누면 각 블록은 64개 주소를 갖는다. 경계는 마지막 옥텟의 0, 64, 128, 192이다.

  • 192.0.2.130/26은 192.0.2.128/26에 속하며 일반적인 브로드캐스트 서브넷에서 호스트 범위는 .129부터 .190, 브로드캐스트는 .191이다.
• 네트워크·호스트·방송 주소일반적인 IPv4 서브넷에서 호스트 수를 2의 호스트 비트 수 제곱에서 2를 빼서 계산하지만 예외가 있다. /31은 지원되는 점대점 링크에서 두 주소를 모두 종단 주소로 사용할 수 있고, /32는 단일 호스트 경로를 나타낸다.

  • 모든 프리픽스에 무조건 2를 빼면 잘못된 결과가 된다.

04서브넷 문제: /25를 네 개로 나누기

• /25를 /27로 분할192.0.2.0/25에는 128개 주소가 있다. 이를 같은 크기 네 개로 나누려면 네트워크 비트를 두 개 더 빌려 /27로 만든다.

  • /27의 블록 크기는 32이며 시작 주소는 .0, .32, .64, .96이다.
  • 두 번째 서브넷 192.0.2.32/27의 일반 호스트 범위는 .33~.62, 브로드캐스트는 .63이다.
  • 시작한 /25의 범위 밖인 .128 이후까지 답에 포함하면 원래 조건을 잃은 계산이다.
• 서브넷 수·호스트 수서브넷 수는 추가로 빌린 비트 수 k에 대해 2^k, 주소 수는 남은 호스트 비트 h에 대해 2^h다. 일반 브로드캐스트 LAN의 사용 가능한 주소는 여기서 네트워크와 브로드캐스트 두 개를 제외한다.

  • /31 점대점과 /32 호스트 경로의 예외를 분리해야 한다.
  • 서브넷 분할은 주소 설계이고 VLAN·라우터·필터 같은 실제 전달 경계와 함께 구현해야 격리된다.

05VLSM 계획과 잘못된 범위 찾기

• 큰 네트워크부터 배정하나의 문서용 /24를 /25와 /26 등으로 나눌 때 큰 블록부터 배치하고 경계가 정렬되는지 확인한다. 예를 들어 192.0.2.0/25는 .0~.127이며 192.0.2.128/26은 .128~.191이므로 겹치지 않는다.

  • .160을 /26의 새 네트워크 시작 주소로 고르면 실제 경계 .128과 충돌한다.
• 블록 정렬각 서브넷에는 필요한 단말 수뿐 아니라 게이트웨이·관리 주소와 확장 여유가 들어간다. 주소 개수를 셀 때 /31 점대점과 /32 단일 호스트 같은 예외를 일반 LAN의 두 주소 제외 규칙과 구분한다.

  • 통신 문제에서는 계산만 맞는지 확인하는 데 그치지 않고 실제 적용된 프리픽스, 중복 주소, 기본 경로, 귀환 경로를 확인한다.

06CIDR 요약과 과도한 집계의 위험

• 요약 프리픽스192.0.2.0/26과 192.0.2.64/26은 앞 25비트가 같고 정확히 192.0.2.0/25를 채운다. 반면 .64/26과 .128/26은 서로 붙어 보여도 같은 /25 경계에 속하지 않는다.

  • 둘을 덮는 더 짧은 프리픽스에는 사용하지 않는 영역까지 포함된다.
  • 요약은 단순히 십진수 주소가 연속하는가가 아니라 공통 선행 비트와 경계 정렬의 문제다.
• 과도한 집계집계 경로는 개별 경로 수를 줄이고 일부 내부 변화를 외부에 숨길 수 있지만, 요약 범위의 일부에 실제 경로가 없으면 트래픽을 블랙홀로 만들 수 있다. 요약 지점에서 더 구체적인 경로와 폐기 경로를 어떻게 다룰지 설계하는 이유다.

  • 클래스 A/B/C의 기본 경계는 과거 classful 방식의 배경이며 현재 CIDR의 경로 선택을 대체하지 않는다.

07기본 헤더 20바이트의 배치

• Version·IHL·LengthVersion은 4비트 값 4, IHL은 4비트의 32비트 워드 개수다. IHL=5이면 20바이트, 최대 15이면 60바이트다.

  • Total Length 16비트는 IP 헤더와 데이터를 모두 포함하며 Ethernet의 프리앰블·MAC 헤더·FCS를 포함하지 않는다.
  • 따라서 이 값에서 IHL×4를 빼면 IP 페이로드 길이가 나온다.
• 식별자·조각 필드Identification 16비트, Flags 3비트와 Fragment Offset 13비트는 조각화에 관련된다. TTL과 Protocol은 각각 8비트, Header Checksum은 16비트, 출발지·목적지는 각각 32비트다.

  • Protocol 값 1·6·17은 ICMP·TCP·UDP를 의미한다.
  • 옵션이 있다면 IHL 뒤쪽에 추가되고 패딩으로 헤더 전체가 4바이트 배수에 맞는다.
  • 헤더 전체가 ‘4바이트’라는 뜻은 아니다.

08DSCP·ECN·TTL·헤더 체크섬

• DSCP원래 ToS라고 부르던 바이트는 현재 DSCP 6비트와 ECN 2비트로 해석한다. DSCP는 서비스 분류 표시이며 BE·AF·EF 같은 코드 포인트를 정책에 연결할 수 있다.

  • EF 표시만 넣는다고 모든 경유 장비가 우선 전달을 보장하지 않는다.
  • 실제 큐·스케줄링·폴리싱과 도메인 간 재표시 정책이 동작을 결정한다.
• ECN 비트ECN의 두 비트는 Not-ECT, ECT(0), ECT(1), CE를 구분한다. ECN을 사용하는 통신에서 장비는 혼잡을 패킷 폐기 대신 CE 표시로 알릴 수 있고 종단 전송 프로토콜이 그 신호에 반응해야 한다.

  • IPv4 ECN과 TCP의 ECE·CWR는 역할이 연결되지만 같은 필드가 아니다.
• TTL·체크섬TTL은 루프가 무한히 이어지지 않게 제한하며 라우터를 통과할 때 감소한다. 전달할 수 없게 소진되면 일반적으로 ICMP Time Exceeded의 원인이 된다.

  • Header Checksum은 IPv4 헤더만 검사하므로 데이터 무결성을 대신하지 않는다.
  • 라우터가 TTL을 바꾸면 체크섬도 갱신해야 한다.
  • UDP·TCP의 체크섬은 별도 범위를 검사하며 CRC와 동일한 알고리즘도 아니다.

11DF·MF·Fragment Offset이 조각을 설명한다

• DF·MFDF는 Don't Fragment, MF는 More Fragments다. DF=1인 패킷이 더 작은 MTU 때문에 전달될 수 없으면 라우터는 이를 조각내지 않고 폐기하며 조건이 허용하면 ICMP Fragmentation Needed를 보낸다.

  • DF=0이면 IPv4 라우터가 필요에 따라 조각화할 수 있다.
  • 재조립은 일반적으로 최종 목적지에서 수행하며, 중간 라우터마다 합쳐 다시 나누는 구조가 아니다.
• Offset 단위Fragment Offset은 원래 IP 페이로드의 시작에서 해당 조각이 떨어진 위치를 8바이트 단위로 표시한다. 마지막이 아닌 조각의 데이터 길이는 8바이트 배수여야 다음 조각의 위치를 표현할 수 있다.

  • 원래 같은 데이터그램에서 나온 조각은 관련 주소·프로토콜·Identification으로 재조립 관계를 판단한다.
  • MF=0은 마지막 조각에서도, 애초에 조각나지 않은 패킷에서도 나타날 수 있으므로 Offset과 함께 읽는다.

12MTU 1500에서 4000바이트 패킷을 조각내기

• 계산 전제옵션 없는 IPv4 헤더 20바이트와 데이터 3980바이트, Total Length 4000, DF=0이다. 조각당 최대 데이터는 1500−20=1480바이트이며 8의 배수다.
• 재조립과 포트TCP·UDP 헤더는 원래 IP 페이로드 앞부분에 있어 일반적으로 첫 조각에만 들어간다. 뒤 조각의 포트를 직접 읽는 필터에는 한계가 있다.
• 유실의 영향한 조각이라도 빠지면 재조립이 완성되지 않아 상위 프로토콜이 전체 데이터를 받지 못할 수 있다.

1. 첫 조각데이터 0~1479를 넣는다. Offset=0, MF=1, 전체 길이=1500이다.
2. 두 번째 조각데이터 1480~2959를 넣는다. Offset=1480÷8=185, MF=1, 전체 길이=1500이다.
3. 마지막 조각남은 1020바이트를 넣는다. Offset=2960÷8=370, MF=0, 전체 길이=1040이다.

13특수 주소를 정상 호스트 주소와 구별하기

• 사설·루프백·링크 로컬사설 주소는 10.0.0.0/8, 172.16.0.0/12, 192.168.0.0/16이며 전역 유니캐스트 주소와 사용 범위가 다르다. 127.0.0.0/8은 루프백, 169.254.0.0/16은 IPv4 링크 로컬에 관련된다.

  • DHCP 실패 시 보이는 링크 로컬 주소를 169.254.0.0/16 범위로 구분한다.
  • 0.0.0.0은 문맥에 따라 미지정 출발지 또는 기본 경로 표기에 쓰이며 일반 호스트에 배정하는 주소와 다르다.
• 특수 목적 주소255.255.255.255는 제한 브로드캐스트이고 일반 라우터가 다른 링크로 전달하지 않는다. 특정 서브넷의 호스트 비트가 모두 1인 directed broadcast는 별도 개념이며 전달 허용 여부가 정책에 좌우된다.

  • L3의 브로드캐스트 IP와 L2의 ff:ff:ff:ff:ff:ff는 계층이 다르다.
  • 이 문서 예시의 192.0.2.0/24·198.51.100.0/24·203.0.113.0/24는 문서용 대역이므로 실제 공인 인터넷 연결을 기대하지 않는다.

14헤더와 경로표를 한 사건으로 읽기

• 주소와 다음 홉주소 설정과 다음 홉 선택은 서로 다른 단계다. 목적지에 대한 라우트를 먼저 찾고, 그 결과 선택한 온링크 주소를 ARP로 해결한다.

  • 패킷이 라우터를 지날 때 MAC 헤더는 바뀌어도 NAT가 없다면 출발지·목적지 IP는 유지되고 TTL이 감소한다.
• 길이·헤더 관찰큰 패킷만 실패하면 프리픽스 계산보다 MTU·DF·ICMP 반환 경로가 더 관련될 수 있다. 아래 필터는 특정 조각화 사건을 모아 보는 용도다.

  • 하나의 Identifier가 영원히 유일하지 않으므로 주소·Protocol·시간 범위도 함께 제한해야 한다.

Wireshark 표시 필터:
ip.flags.mf == 1 || ip.frag_offset > 0
ip.flags.df == 1
icmp.type == 3 && icmp.code == 4

조회 예:
ip -4 addr show
ip -4 route get 198.51.100.20
show ip route 198.51.100.20

로컬 주소·경로 조회와 IPv4 조각 관찰 예시. 명령은 플랫폼에 맞는 줄만 사용한다.