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IPv6 : 네트워크-14

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Overview

IPv4는 32 bits 주소 체계를 사용하여 총 주소 공간의 개수가 약 42억개 정도로 제한됩니다.

스마트폰이 보급되고 IoT가 활성화되며 인터넷이 필요하지 않은 곳이 없어지면서
이를 국제적으로 관리하는 IANA의 주소풀이 2011년에 고갈되었는데요.

이제 새로운 주소의 할당은 존재하지 않으며 RIR(Regional Internet Registries)에 남아있는 주소들만이 존재합니다.

이에 따라 NAT(Network Address Translation)의 사용률이 증가하고 주소 공간 거래나 임대 비용이 증가했습니다. 일부 기관은 주소들을 반환하도록 권장받기호 했습니다.

이에 새롭게 넉넉한 주소공간을 가진 IP를 개발할 필요성이 생겼고 이에 따라 등장한 것이 IPv6입니다.

IPv6 특징

  • 128-bit 주소 공간을 통해 총 21282^{128}= 약 3.4×10383.4 \times 10^{38}개의 주소공간을 확보하여 적어도 당분간은 주소가 부족할 걱정은 하지 않아도 됩니다.
  • DHCP 서버의 경우 남아있는 IP 공간을 고려해야 했으나, IPv6는 모든 기기가 자동으로 주소를 생성할 수 있도록 할 수 있습니다.
  • 향상된 QoS(Quality of Service)
  • 향상된 보안

IPv4와 비교

  • 위에서도 말했듯 4 bytes에서 16 bytes로 주소 길이가 늘어나 주소 공간의 크기도 어마어마하게 커졌습니다.
  • 헤더 간편화 : IPv4에서 필요 없어진 헤더를 삭제하였습니다.
  • 이제 헤더 체크섬을 삭제하여 Error detection 및 체크섬 계산을 위한 오버헤드를 줄였습니다.
  • Hop-by-Hop Segmentation을 수행하지 않고 Path MTU discovery를 통해 처음부터 MTU를 고려한 Segment를 수행합니다.
  • Broadcast 삭제.
  • 인증과 보안 기능

IPv6 format

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IPv6 데이터그램은 이제 64비트 aligned로 구성됩니다.
헤더 기본 길이는 40 bytes이며,
IPv4와 비교하면 정말 많은 헤더 필드가 삭제되었습니다.

  • 바뀌지 않은 필드는 Version, Source/Destination Address 뿐입니다.
  • Traffic Class와 Hop Limit은 이름이 수정되었습니다.
  • Payload length와 Next Header는 의미와 이름이 조금씩 수정되었습니다.
  • 이전에 없던 필드로 Flow Label이 추가되었습니다.
  • 불필요한 헤더 길이와 동작을 위해 다섯 개의 필드가 삭제됐습니다.
  • Options 헤더는 이제 기본 헤더와 완전히 분리되었습니다.
  • Fragmentation은 이제 네트워크 환경이 변하며 IPv4에 비해서 덜 사용되는 필드가 되었습니다. 따라서 파편화가 필요할 때만 extension header로 추가됩니다.
  • checksum은 상/하위 계층에서 이미 Error check와 correction을 수행하기 때문에 IP에서는 더 이상 수행하지 않습니다.
  • 이제 헤더 길이가 fixed 40 bytes가 되어 length 필드는 데이터(payload)의 길이만 표현하게 됩니다.
struct IPv6Header {
    // constant 6
    version : 4 bits
    // 상위 6비트는 differentiated service 필드이고,
    // 하위 2비트는 Explicit Congestion Notification(ECN) 필드이다.
    traffic_class : 8bits

    //TCP session이나 media stream에서 데이터의 흐름을 식별하기 위한 식별자.
    // flow : group of packet
    flow_label : 20 bits

    // 데이터의 길이를 octets 단위로 표기합니다.
    payload_length : 16 bits

    // 다음 헤더의 type을 명시합니다.
    // 보통 Transport Layer의 프로토콜을 명시하며 extension 헤더를 사용할 경우 
    // 어떤 extension 헤더가 오는지 명시합니다.
    next_header : 8 bits

    // TTL입니다.
    // 기존 IPv4의 TTL이 시간 단위를 사용했으나, 기술적 문제로 hop 의 개수로 바뀌어
    // 이를 이름에 반영했습니다.
    hop_limit : 8 bits
}

IPv6 Extension Headers

IPv6에선 IPv4의 옵셔널 헤더를 대신해 확장헤더가 생겼습니다.
확장헤더는 IPv6헤더와 상위계층 헤더 사이에 위치하게 됩니다.

이를 통해 라우터는 IPv6 패킷을 처리할 때 Hop-by-Hop 옵션을 제외하면
기본 헤더만을 처리해도 충분해졌고, router의 forwarding에 대한 부정적 영향을 제거하는 결과가 됐습니다.

이에 따라 약간의 규칙이 생겼는데요.

  • Hop-by-Hop 확장 헤더는 반드시 패킷의 전송 경로의 모든 노드에서 반드시 처리되어야 합니다.
  • 또한 Hop-by-Hop 확장 헤더는 반드시 IPv6 헤더의 바로 뒤에 위치해야 합니다.
  • 확장헤더는 패킷에 위치한 순서를 엄격히 준수하여 처리됩니다.
이에 따라 RFC2460은 다음의 순서를 추천하였습니다.
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따라서 확장 헤더는 크게 다음과 같이 분류할 수 있는데요.

  • 매 Hop마다 처리되어야 할 헤더

Router alert option과 Jumbo payload option이 있습니다.

  • 오직 목적지에서만 처리되는 헤더

목적지 노드에서 검증되어야 할 정보를 전송할 용도로 사용됩니다.

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Hop-by-Hop 헤더는 반드시 IPv6 바로 뒤에 나타나야 하기 때문에 CPU에 의해 처리됩니다.

만약 Hop-by-Hop이 없을 경우 HW engine에서 빠르게 패킷을 처리하고 다음 경로로 패킷을 보낼 수 있게 됩니다.

확장 헤더를 명시하는 것은 아래 그림을 보면 좀 더 이해가 쉽습니다.

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Next Header에 UL(Upper Layer)의 프로토콜을 명시하거나 Extension Header의 타입을 명시해주는 식으로 확장성 있는 옵션 추가를 할 수 있습니다.

Address

IPv6가 등장한 가장 큰 이유는 바로 넉넉한 주소공간의 확보입니다.
IPv6의 주소공간 크기는 약 3.4×10383.4 \times 10^{38}는 약 5×10285 \times 10^{28}개의 주소를 전 세계의 한 사람 당 쓸 수 있도록 만들어주니 어마어마한 크기이죠.

Address Representation

IPv6 주소는 128비트로 16비트씩 8개의 필드로 나누어 표기합니다.
각 필드는 case insensitive hexadecimal로 표기하며 구분점으로 colon(:)을 사용합니다.

ex) 2031:0000:130F:0000:0000:09c0:875A:130B

따라서 모든 주소를 표기하면 글자수가 상당한데요.

이를 줄이기 위해 몇 가지 룰이 있습니다.

  1. Omitting leading 0s

첫 번째룰은 하나의 필드에서 앞에 나오는 0을 모두 제거하는 것 입니다.
이를 통해 01AB = 1AB로 00AB = AB로 표기할 수 있습니다.

  1. Omitting All 0 segments

double colon(::)을 통해 연속적인 0이 나오는 필드순열을 대체할 수 있는데요.

예를 들면 위에서 나왔던 2031:0000:130F:0000:0000:09c0:875A:130B를
2031:0:130F::9c0:875A:130B로 표기할 수 있는 것 입니다.

여기서 주의할 점은 double colon이 두 번 연속 나올 수 없다는 점인데요.

double colon은 두 개 이상의 필드를 함축할 수 있기 때문에 두 번 이상 나타나면
각 double colon이 몇 개의 0 필드를 뜻하는지 알 수 없기 때문입니다.

이를 다른 말로 compressed format이라고 부릅니다.

따라서 이러한 규칙을 적용해 0:0:0:0:0:0:0:1 => ::1, 0:0:0:0:0:0:0:0 => ::
등으로도 표현할 수 있습니다.

Prefix

IPv4와 마찬가지로 IPv6도 variable한 prefix 길이를 가질 수 있는데요.
CIDR에서의 표기와 똑같이 ::1/128 등으로 서브넷 마스크의 길이를 함축할 수 있습니다.

IPv4-Compatible

기존의 IPv4와 호환도 가능합니다.

0:0:0:0:0:0:192.168.30.1 = ::192.168.30.1 = ::C0A8:1E01
등으로 표기 가능합니다.

Address Type

IPv4 주소 타입은 크게

  • Unicast: One to One (Global, Unique Local, Link Local)
  • Anycast: One to Nearest (Allocated from Unicast)
  • Multicast: One to Many
    를 지원하며 broadcast 주소는 지원되지 않습니다.
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  1. Global Unicast

공용 IPv4 유사한 역할입니다.
인터넷에서 유일함이 보장되며 라우팅이 가능합니다.
IPv4와 마찬가지로 static, dynamic한 설정이 모두 가능합니다.

  1. Link Local

Local Link 내부에서 다른 장치와 통신하기 위해 사용됩니다.
단일 링크 내부로 제한되며 링크를 넘어 라우팅은 불가능합니다.

  1. Loopback

Host 그 자신에게 패킷을 보내기 위해 사용하며 실제 물리적 인터페이스에 할당할 수 없습니다.
TCP/IP 설정을 테스트하기 위해 IPv6 loopback으로 핑을 보냅니다.
::1/128 혹은 ::1로 표기합니다.

  1. Unspecified Address

::/128 혹은 ::를 의미하며
오직 source 주소로만 설정될 수 있습니다.
아직 영구적인 IPv6 주소를 할당받지 못한 장치가 이 주소를 사용하는 경우가 있습니다.

  1. Unique Local

IPv4의 사설 주소와 유사합니다.
FC00::/7에서 FDFF::/7의 범위를 가집니다.

  1. Embedded

IPv4 compatible 주소를 의미합니다.

Address Allocation

IANA는 2000::/3을 IPv6 unicast를 위한 초기 주소로 할당했습니다.
이제 각 지역의 registry는 /12 prefix를 IANA로부터 할당받고
이를 다시 /32 prefix로 나누어 ISP에게 제공합니다.
end customer(site)에게는 /48 prefix, LAN에는 /64 prefix를 할당합니다.

SLAAC(Stateless Address AutoConfiguration)

호스트는 Router Solicitation 메세지를 발송합니다.
라우터는 이에 응답하여 Router Advertisement 메세지를 발송하는데요.

여기에는 prefix(/64)인 OUI(Organizationally Unique Identifier)와 기본 라우터 주소를 포함합니다.

이제 장치는 EUI-64(Extended Unique Identifire - 64bit)라 하여 자신의 48 bits 길이 MAC 주소에 reserved 값 FFFE을 상위에 삽입하여 고유한 Global Unicast 주소를 확보하게 됩니다.

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