Day 6: ARP, MAC, Ethernet 프레임 구조

1) 학습 요약표

학습내용	설명
ARP 동작 방식	ARP 요청/응답, Gratuitous ARP, Proxy ARP의 차이와 목적
MAC 주소 구조	48비트 구조, OUI/개별 식별자, 통신 대상 지정 방식
Ethernet 프레임	Preamble, SFD, MAC 주소, Type, Data, CRC 필드 역할

 

2) 이론 설명

1. ARP 프레임 구성 요소 해설

Ethernet 헤더 (14바이트 구성)

• Destination MAC: 목적지 MAC 주소 (요청의 경우 브로드캐스트 FF:FF:FF:FF:FF:FF)
• Source MAC: 송신 장치의 MAC 주소
• EtherType: 0x0806으로 ARP 프레임임을 식별

ARP 페이로드 (일반적으로 28바이트)

• Hardware Type (2바이트): 이더넷은 0x0001
• Protocol Type (2바이트): IPv4는 0x0800
• Hardware Length (1바이트): MAC 주소 길이 (6바이트)
• Protocol Length (1바이트): IP 주소 길이 (4바이트)
• Opcode (2바이트): 1 = 요청(Request), 2 = 응답(Reply)
• Sender Hardware Address (6바이트): 요청자 MAC (Ethernet)
• Sender Protocol Address (4바이트): 요청자 IP 주소 (IPv4)
• Target Hardware Address (6바이트): 대상 MAC (요청 시 0으로 설정)
• Target Protocol Address (4바이트): 대상 IP 주소 (IPv4)

2. ARP (Address Resolution Protocol)

기능 설명: IP 주소(논리 주소)를 실제 데이터 전송이 가능한 MAC 주소(물리 주소)로 변환하는 프로토콜. L2와 L3 사이에서 동작함.

동작 원리:

1. 송신자가 목적지 IP 주소를 알고 있지만 MAC 주소를 모를 경우 ARP Request를 브로드캐스트로 전송함.
2. 해당 IP를 가진 장비는 자신의 MAC 주소를 포함하여 ARP Reply를 유니캐스트로 응답함.
3. 수신한 MAC은 ARP 테이블에 저장되어 이후 같은 IP로의 통신 시 재사용됨.

Gratuitous ARP (무상 ARP):

• 자신의 IP 정보를 네트워크 전체에 브로드캐스트하는 ARP 요청.
• Source IP와 Destination IP가 동일하며, 목적은 충돌 탐지 또는 ARP 테이블 갱신.
• 예시: 한 서버가 IP 변경 없이 재부팅 되었을 때, 기존에 이 서버 IP와 MAC을 기억하고 있는 장비들의 ARP 테이블을 갱신하기 위함.

Proxy ARP (대리 ARP):

• 라우터가 직접 연결되지 않은 네트워크의 IP에 대해 MAC 주소를 대신 응답하는 방식.
• 예시: PC1이 192.168.20.10에 ping을 보낼 때 해당 네트워크는 라우터 뒤에 있지만, PC1은 라우터가 해당 IP의 MAC인 것처럼 알고 응답을 받음. 같은 브로드캐스트 도메인에 있는 것처럼 보이게 만듦.

관련 개념:

• 브로드캐스트: MAC 주소 ff:ff:ff:ff:ff:ff, 네트워크 내 모든 장비에게 전달
• 유니캐스트: 특정 장비에게만 전송 (MAC 주소 정확히 지정)

명령어 예시:

Router# show arp
Router# debug arp

 

3. MAC 주소 (Media Access Control Address)

기능 설명: 네트워크 카드(NIC)에 고유하게 부여된 48비트 주소. L2 계층에서 장비를 식별할 때 사용함.

구조 설명:

• 앞 24비트: OUI (제조사 식별자) / 뒤 24비트: 장비 고유 일련번호
• 예시: 00:1A:2B:3C:4D:5E

동작 원리:

• 스위치는 수신된 프레임의 Source MAC 주소를 보고 MAC 테이블에 해당 포트를 자동 등록함.
• 목적지 MAC이 등록돼 있으면 해당 포트로만 전송(유니캐스트), 없으면 모든 포트로 전송(브로드캐스트)

MAC Table 유형:

동적(DYNAMIC): 실제 통신이 발생하면 자동으로 학습되어 등록됨.

• 예시: PC가 처음 통신하면 스위치는 해당 프레임의 MAC과 포트를 기억함.

정적(STATIC): 관리자가 직접 특정 MAC을 특정 포트에 고정 등록함.

• 예시: 중요한 서버가 항상 같은 포트에서만 통신하도록 보안상 수동 지정할 때 사용함.

명령어 예시:

Switch# show mac address-table

 

4. Ethernet 프레임 구조

필드	설명
Preamble (7바이트)	수신 동기화를 위한 비트 패턴 (101010...)
SFD (1바이트)	Start Frame Delimiter, 프레임 시작 알림 (10101011)
Destination MAC	목적지 장비의 MAC 주소
Source MAC	송신 장비의 MAC 주소
Type (2바이트)	상위 계층 프로토콜 식별자 (예: 0x0800 = IPv4, 0x0806 = ARP)
Data	상위 계층에서 전달된 실제 데이터 (최소 46 ~ 최대 1500바이트)
CRC (4바이트)	Frame Check Sequence, 오류 검출용 검사 값