IP와 ARP — 주소와 경로의 언어

인터넷의 기본 언어인 IPv4의 헤더 구조와 라우팅 원리, 그리고 IP 주소를 MAC 주소로 변환하는 ARP 프로토콜의 동작 방식을 설명한다.

Seobway · · 13분

주소가 필요한 이유

패킷 교환 네트워크에서 패킷이 올바른 목적지에 도달하려면 주소 체계가 필요하다.
편지에 수신자 주소를 써야 우편 시스템이 배달할 수 있는 것과 같은 원리다.

인터넷에서 이 역할을 하는 것이 IP(Internet Protocol)다.[1]

IP는 두 가지 핵심 기능을 담당한다.

  1. 주소 지정(Addressing): 모든 호스트에 고유한 논리 주소(IP 주소)를 부여
  2. 단편화(Fragmentation): 큰 데이터그램을 작은 MTU에 맞게 분할하고 재조립

IP의 역사 — RFC 791

IP는 Vinton Cerf와 Robert Kahn이 1974년 논문 *"A Protocol for Packet Network Intercommunication"*에서 처음 제안했다.[2]
초기에는 TCP와 IP가 하나의 프로토콜이었다.

1978년 Jon Postel 등이 이를 TCP(신뢰성·순서)와 IP(주소·라우팅)로 분리했고,
1981년 9월 RFC 791로 IPv4가 공식 표준이 됐다.[3]

1983년 1월 1일, ARPANET의 모든 노드가 동시에 TCP/IP로 전환했다 — "플래그 데이".
이날을 현대 인터넷의 실질적 출발점으로 본다.

IPv4 헤더 구조

IPv4 헤더의 최소 크기는 20바이트이며, 옵션 포함 시 최대 60바이트다.

%% desc: IPv4 헤더의 32비트 단어별 필드 구성
flowchart TD
  subgraph 헤더["IPv4 헤더 (20바이트 기본)"]
    direction TB
    W1["버전(4b) | IHL(4b) | TOS(8b) | 전체길이(16b)"]
    W2["식별자(16b) | 플래그(3b) | 단편 오프셋(13b)"]
    W3["TTL(8b) | 프로토콜(8b) | 헤더 체크섬(16b)"]
    W4["출발지 IP 주소 (32b)"]
    W5["목적지 IP 주소 (32b)"]
    W6["옵션 (가변) | 패딩"]
  end
필드 크기 설명
Version 4비트 IP 버전 번호 (IPv4 = 4, 이진수 0100)
IHL 4비트 헤더 길이 (32비트 단어 단위, 최소 5 = 20바이트)
TOS 8비트 서비스 품질 (현재 DSCP + ECN으로 재정의)
Total Length 16비트 헤더+페이로드 전체 길이 (최대 65,535바이트)
Identification 16비트 단편화된 패킷 재조립용 식별자
Flags 3비트 DF(단편화 금지), MF(추가 단편 있음)
Fragment Offset 13비트 원본 데이터그램 내 이 단편의 위치 (8바이트 단위)
TTL 8비트 남은 홉 수. 0이 되면 패킷 폐기 → 라우팅 루프 방지
Protocol 8비트 페이로드 프로토콜 (TCP=6, UDP=17, ICMP=1)
Header Checksum 16비트 헤더 오류 검출 (매 홉마다 TTL 변경으로 재계산)
Source Address 32비트 송신자 IPv4 주소
Destination Address 32비트 수신자 IPv4 주소

TTL의 역할

TTL(Time to Live)은 패킷이 라우팅 루프에 빠졌을 때 무한히 떠돌지 않도록 막는다.
라우터를 거칠 때마다 1씩 감소하며, 0이 되면 패킷을 폐기하고 ICMP "Time Exceeded" 메시지를 보낸다.
traceroute 명령은 이 원리를 이용해 경로상의 각 라우터를 식별한다.

IP 주소 체계

IPv4는 32비트 주소를 사용해 최대 약 42억(2³²)개의 주소를 표현한다.
일반적으로 점으로 구분된 8비트 4개로 표기한다: 192.168.1.1

공인 vs 사설 주소 (RFC 1918)

범위 설명
10.0.0.0/8 사설 주소 (Class A 규모)
172.16.0.0/12 사설 주소 (Class B 규모)
192.168.0.0/16 사설 주소 (가정/소규모 네트워크)

사설 주소는 인터넷에서 라우팅되지 않으며, NAT를 통해 공인 주소로 변환된다.

CIDR 표기

1993년 CIDR(Classless Inter-Domain Routing, RFC 1517)이 등장하면서
192.168.1.0/24처럼 슬래시 뒤 숫자로 서브넷 마스크를 표기한다.
/24는 앞 24비트가 네트워크 부분이고, 남은 8비트(256개)가 호스트 주소임을 의미한다.

IP 라우팅의 흐름

%% desc: 패킷이 라우터를 거치며 TTL이 감소하고 경로가 선택되는 과정
sequenceDiagram
  participant SRC as 호스트 A (192.168.1.10)
  participant R1 as 라우터 1 (TTL: 64→63)
  participant R2 as 라우터 2 (TTL: 63→62)
  participant DST as 호스트 B (203.0.113.5)

  SRC->>R1: IP 패킷 (TTL=64, dst=203.0.113.5)
  Note over R1: 라우팅 테이블 조회 → 다음 홉 결정
  R1->>R2: IP 패킷 (TTL=63)
  Note over R2: 라우팅 테이블 조회 → 목적지 서브넷 도달
  R2->>DST: IP 패킷 (TTL=62)

ARP — IP 주소를 MAC 주소로 변환

IP는 논리적 주소(Layer 3)이고, Ethernet은 물리적 MAC 주소(Layer 2)를 사용한다.
같은 LAN 안에서 패킷을 전달하려면 목적지의 MAC 주소를 알아야 한다.

ARP(Address Resolution Protocol)는 IP 주소를 MAC 주소로 변환하는 프로토콜이다.[4]
David C. Plummer가 설계하고 1982년 11월 RFC 826으로 표준화됐다.

ARP가 필요한 이유

%% desc: IP 계층과 Ethernet 계층 사이에서 ARP가 주소 변환을 담당하는 위치
flowchart LR
  APP[응용 프로그램<br/>목적지: 192.168.1.20]
  IP[IP 계층<br/>dst IP: 192.168.1.20 알고 있음]
  ARP[ARP<br/>IP → MAC 변환]
  ETH[Ethernet 계층<br/>dst MAC: AA:BB:CC:DD:EE:FF]

  APP --> IP --> ARP --> ETH

ARP 동작 순서

%% desc: ARP 요청(브로드캐스트)과 응답(유니캐스트) 과정
sequenceDiagram
  participant A as 호스트 A (192.168.1.10 / AA:11)
  participant BC as 브로드캐스트 (FF:FF:FF:FF:FF:FF)
  participant B as 호스트 B (192.168.1.20 / BB:22)
  participant C as 호스트 C (192.168.1.30 / CC:33)

  Note over A: ARP 캐시에 192.168.1.20 없음
  A->>BC: ARP Request: "192.168.1.20 누구야? 나는 AA:11"
  BC->>B: (수신)
  BC->>C: (수신, 무시)
  B-->>A: ARP Reply: "나야! MAC은 BB:22"
  Note over A: ARP 캐시 저장: 192.168.1.20 → BB:22
  A->>B: 이제 Ethernet 프레임으로 직접 전송
  1. 캐시 조회: 먼저 ARP 테이블에서 IP→MAC 매핑을 확인
  2. ARP Request: 없으면 브로드캐스트(FF:FF:FF:FF:FF:FF)로 요청 전송
  3. ARP Reply: 해당 IP의 호스트가 자신의 MAC 주소로 유니캐스트 응답
  4. 캐시 저장: 결과를 ARP 캐시에 저장 (일반적으로 2~20분 유효)

ARP 패킷 구조

필드 크기 설명
Hardware Type 16비트 네트워크 인터페이스 유형 (1 = Ethernet)
Protocol Type 16비트 해석할 프로토콜 (0x0800 = IPv4)
Hardware Address Length 8비트 MAC 주소 길이 (Ethernet = 6)
Protocol Address Length 8비트 IP 주소 길이 (IPv4 = 4)
Opcode 16비트 1 = Request, 2 = Reply
Sender MAC 48비트 송신자 MAC 주소
Sender IP 32비트 송신자 IP 주소
Target MAC 48비트 대상 MAC (Request에서는 00:00:00:00:00:00)
Target IP 32비트 대상 IP 주소

ARP 변형

유형 설명
Gratuitous ARP 자신의 IP→MAC 매핑을 브로드캐스트로 능동 공지. IP 충돌 감지, 장애 조치(Failover)에 사용
Proxy ARP 라우터가 다른 서브넷의 호스트를 대신해 ARP에 응답
ARP Spoofing 악의적으로 잘못된 IP→MAC 매핑을 주입 → 중간자(MitM) 공격

ARP는 인증 기능이 없어 보안에 취약하다.
관리형 스위치의 DAI(Dynamic ARP Inspection)가 대표적 방어 수단이다.
IPv6에서는 ARP가 NDP(Neighbor Discovery Protocol, RFC 4861)로 대체됐다.

IP와 ARP의 관계 요약

%% desc: IP 패킷이 같은 서브넷 내에서 ARP를 통해 Ethernet 프레임으로 변환되는 전체 흐름
flowchart TD
  subgraph Layer3["Layer 3 — 네트워크"]
    PKT["IP 패킷<br/>src: 192.168.1.10<br/>dst: 192.168.1.20"]
  end

  subgraph ARP_PROC["ARP 처리"]
    Q{ARP 캐시에<br/>192.168.1.20 있는가?}
    REQ[ARP Request 브로드캐스트]
    REP[ARP Reply 수신]
    CACHE[캐시에 저장]
  end

  subgraph Layer2["Layer 2 — 데이터링크"]
    FRM["Ethernet 프레임<br/>dst MAC: BB:22:CC:DD:EE:FF"]
  end

  PKT --> Q
  Q -- "없음" --> REQ --> REP --> CACHE
  Q -- "있음" --> FRM
  CACHE --> FRM

참고

  1. Internet Protocol version 4, Wikipedia ↩
  2. V. Cerf, R. Kahn, "A Protocol for Packet Network Intercommunication", *IEEE Transactions on Communications*, May 1974 — Wikipedia ↩
  3. J. Postel, "Internet Protocol", RFC 791, September 1981, IETF ↩
  4. Address Resolution Protocol, Wikipedia ↩

관련 글