[Coursera Google] GCC 컴퓨터 네트워킹의 모든 것 : 네트워킹 계층(IP 주소, 서브넷팅, 라우팅)

 

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네트워크 계층

 

1. 네트워크 계층

• 근거리 통신망, 즉 LAN에서 노드는 물리적 MAC 주소를 통해 서로 통신하며, 소규모에서 잘 작동함
• 스위치가 서로 다른 포트에 연결된 MAC 주소를 빠르게 학습하여 전송을 적절하게 전달할 수 있기 때문
• MAC 주소 지정 체계는 잘 확장되는 체계가 아니며 지구상의 모든 단일 네트워크 인터페이스에 고유한 MAC 주소가 있지만 체계적인 방식으로 정렬되어 있지 않음, 특정 MAC 주소가 특정 시점에 어디에 있는지는 알 수 없기 때문에 MAC 주소는 장거리 통신에 적합하지 않은 편
• ARP(Address Resolution Protocol, 주소 확인 프로토콜)을 소개할 때 노드가 서로의 물리적 주소 지정에 대해 단일 네트워크 세그먼트 외에 어떤 것으로도 변환할 수 없음

 

2. IP 주소

• IP 주소는 옥텟 4개로 구성된 32비트 길이 숫자
• 옥텟은 일반적으로 십진수, 8비트의 데이터 또는 옥텟 하나는 0에서 255 사이의 모든 십진수를 나타낼 수 있음
• ex. 12.30.56.78은 유효한 IP 주소 / 123.456.789.100은 유효X 
• IP 주소가 하드웨어 공급업체에 의해 결정되는 것이 아니라 다양한 조직과 회사에 대량 구역으로 배포되며, 물리적 주소보다 더 계층적이며 데이터를 저장하기 쉽다는 의미
• IP 주소는 네트워크에 연결된 기기가 아니라 IP 주소 자체가 네트워크의 일부라는 점
• 많은 최신 네트워크에서는 새 기기를 연결하면 동적 호스트 구성 프로토콜(DHCP, Dynamic Host Configuration Protocol)이라는 기술을 통해 IP 주소가 자동으로 할당되며 이런 식으로 할당된 IP 주소를 동적 IP 주소(Dynamic IP address)라고 함
• 고정 IP 주소(Static IP address)라고 하며 이 주소는 노드에서 수동으로 구성
• 대부분의 경우 고정 IP 주소는 서버 및 네트워크 기기용으로 예약되어 있고 동적 IP 주소는 클라이언트용으로 예약되어 있음

 

3. IP 데이터그램 및 캡슐화 

• IP 프로토콜 패킷을 보통 IP 데이터그램(IP datagram)이라고 하며, 데이터그램은 엄격하게 정의된 고도로 구조화된 일련의 필드
• IP 데이터그램 헤더 :  이더넷 프레임 헤더보다 훨씬 더 많은 데이터가 들어 있으며, 첫 번째 필드는 4비트이고 사용 중인 인터넷 프로토콜의 버전을 나타냄, 가장 일반적인 IP 버전은 버전 4, 즉 IPv4입니다 버전 6, 즉 IPv6는 빠르게 확산되고 있음
• 헤더 길이 필드(Header Length field) : 4비트 필드이고 전체 헤더의 길이를 선언, IPv4에서 필드의 길이는 거의 항상 20바이트이며 사실 20바이트는 IP 헤더의 최소 길이임
• 서비스 유형 필드(Service Type field) : 8비트 필드로 서비스 품질, 즉 QoS 기술에 대한 세부정보를 지정하는 데 사용할 수 있음
  QoS와 관련하여 중요한 점은 라우터가 어떤 IP 데이터그램이 더 중요한지 결정할 수 있게 하는 서비스가 있다는 것
  16비트 필드는 총 길이 필드라고 하며, 이름처럼 IP 데이터그램의 총 길이를 나타내는 데 사용
  식별 필드는 메시지를 그룹화하는 데 사용되는 16비트 숫자
• 총 길이 필드(Total Length field) : IP 데이터그램은 최대 크기가로 16비트이고 개별 데이터그램의 크기를 나타내므로 데이터그램 하나의 최대 크기는 16비트로 나타낼 수 있는 가장 큰 숫자인 65,535임
• 전송해야 하는 총 데이터 양이 단일 데이터그램에 들어갈 수 있는 양보다 클 경우 IP 계층은 이 데이터를 많은 개별 패킷으로 분할하며 이때 식별 필드를 사용하여 해당 필드의 값이 동일한 모든 패킷이 동일한 전송에 포함된다는 사실을 수신 측이 이해하도록 함
• 플래그 필드(Flag field) : 데이터그램을 조각화할 수 있는지를 나타내거나 데이터그램이 이미 조각화되었는지를 나타내는데 사용
• 조각화(Fragmentation) : IP 데이터그램 하나를 여러 개의 더 작은 데이터그램으로 분할하는 프로세스
• 대부분의 네트워크는 허용되는 IP 데이터그램 크기가 비슷하게 설정되어 있지만 다르게 구성될 수도 있으며, 더 큰 데이터그램 크기를 허용하는 네트워크에서 데이터그램 크기가 더 작은 네트워크로 이동해야 하는 경우에는 더 작은 데이터그램으로 데이터그램을 조각화해야 함
• 조각화 오프셋 필드에는 수신 측이 조각화된 패킷을 전부 받아 올바른 순서로 다시 모을 때 사용하는 값이 들어 있음
• Time to Live, TTL 필드(TTL field) : 데이터그램이 제거되기 전까지 허용되는 최대 라우터 홉 수를 나타내는 8비트 필드
  데이터그램이 새 라우터에 도달할 때마다 라우터는 TTL 필드를 하나씩 줄이며 값이 0에 도달하면 라우터는 더 이상 데이터그램을 전달하지 않아도 된다는 것을 알게 됨 
  주요 용도는 라우팅의 구성 오류로 인해 무한 루프가 발생할 경우 데이터그램이 대상에 도달하기 위해 너무 많은 시간을 허비하지 않도록 하는 것
• 프로토콜 필드(Protocol field) : 사용 중인 전송 계층 프로토콜에 대한 데이터가 들어있는 8비트 필드로 가장 일반적인 전송 계층 프로토콜은 TCP와 UDP
• 헤더 체크섬 필드(Header Checksum field) : 전체 IP 데이터그램 헤더 콘텐츠의 체크섬으로 이더넷 체크섬 필드와 매우 유사하게 작동
• TTL 필드는 데이터그램이 접촉하는 모든 라우터에서 다시 계산되어야 하기 때문에 체크섬 필드도 당연히 변경
• 소스 IP 주소(Source IP Address) 및 대상 IP 주소(Destination IP Address) 필드는 IP 주소가 32비트 숫자이기 때문에 두 필드의 길이가 각각 32비트라는 것
• IP 옵션 필드(IP option field) : 선택사항으로 주로 테스트용으로 사용되는 데이터그램의 특성을 설정하는 데 사용되며, IP 옵션 필드 다음에는 보통 패딩 필드가 옴, IP 옵션 필드는 선택 사항이고 길이가 가변적이기 때문에 패딩 필드(Padding field)는 헤더 총 크기가 올바른 크기가 되도록 하기 위해 사용되는 일련의 0
• IP 데이터그램의 전체 콘텐츠가 이더넷 프레임의 페이로드로 캡슐화되는 것 

 

4. IP 주소 클래스

IP 주소는 네트워크 ID와 호스트 ID의 두 섹션으로 나눔

주소 클래스의 세 가지 기본 유형  
1. 클래스 A  : 주소에서는 첫 번째 옥텟이 네트워크 ID에 사용되고 뒤의 세 옥텟이 호스트 ID에 사용
2. 클래스 B : 주소에서는 처음 두 옥텟이 네트워크 ID에 사용되고 그 다음 두 옥텟이 호스트 ID에 사용
3. 클래스 C : 주소에서는 처음 세 옥텟이 네트워크 ID에 사용되고 마지막 옥텟만 호스트 ID에 사용

 

클래스 A 네트워크 : 총 24비트의 호스트 ID 공간을 갖기 때문에 2의 24승, 즉 16,777,216개의 개별 주소를 생성

클래스 C 네트워크 : 호스트 ID 공간이 8비트이므로 2의 8승, 즉 256개의 주소를 생성

 

IP 주소의 첫 번째 비트가 0이면 클래스 A 네트워크에 속합니다 첫 번째 비트가 10이면 클래스 B 네트워크에 속하고 첫 번째 비트가 110이면 클래스 C 네트워크에 속하는 구조

• 클래스 A 주소처럼 첫 번째 비트가 0이 되어야 하는 경우 첫 번째 옥텟에 가능한 값은 0부터 127까지로 즉, 이 값 중 하나가 첫 번째 옥텟에 사용되는 IP 주소는 클래스 A 주소라는 의미
• 클래스 B 주소는 첫 번째 옥텟 값이 128에서 191 사이의 값으로 시작하는 주소로 제한
• 클래스 C 주소는 첫 번째 옥텟 값이 192에서 223 사이의 값으로 시작
• 클래스 A, B, C 주소 클래스에 모든 IP 주소가 다 포함되지는 않으며, 다른 IP 주소 클래스가 두 개 더 있지만 크게 중요하지는 않음
• 클래스 D 주소는 항상 비트 1110으로 시작하고 멀티캐스팅에 사용
• 멀티캐스팅은 IP 데이터그램 하나를 한 번에 전체 네트워크로 전송할 수 있는 방법으로 이 주소는 224에서 239 사이의 십진수로 시작
• 클래스 E 주소가 나머지 IP 주소를 구성하는데 할당되지 않고 테스트용으로만 사용

Class	Left-most bit	Starting IP address	Last IP address
A	0xxx	0.0.0.0	127.255.255.255
B	10xx	128.0.0.0	191.255.255.255
C	110x	192.0.0.0	223.255.255.255
D	1110	224.0.0.0	239.255.255.255
E	1111	240.0.0.0	255.255.255.255

 

실제로 이 클래스 시스템은 대부분 CIDR, 즉 클래스 없는 도메인 간 라우팅이라는 시스템으로 대체되었습니다 

 

 

5. 주소 확인 프로토콜

주소 확인 프로토콜, ARP : 특정 IP 주소를 갖는 노드의 하드웨어 주소를 찾는 데 사용되는 프로토콜

IP 데이터그램이 완전히 형성되면 이더넷 프레임 내부에 캡슐화되어야 하는데 즉, 전송 기기가 이더넷 프레임 헤더를 완성하려면 대상 MAC 주소가 필요함 거의 모든 네트워크 연결 기기는 로컬 ARP 테이블을 유지

ARP 테이블(ARP table) : Mac 주소가 연결된 IP 주소의 목록

ex. IP 주소 10.20.30.40으로 일부 데이터를 전송

이 대상이 ARP 테이블에 없을 수 있는데 그러면 데이터를 전송하려는 노드가 브로드캐스트 ARP 메시지를 Mac 브로드캐스트 주소로 전송합니다 이때 주소는 모두 F
이러한 종류의 브로드캐스트 ARP 메시지는 로컬 네트워크의 모든 컴퓨터로 전송

IP 10.20.40이 할당된 네트워크 인터페이스가 이 ARP 브로드캐스트를 수신하면 ARP 응답이라는 것을 다시 전송

이 응답 메시지에는 해당 네트워크 인터페이스의 MAC 주소가 있음

전송 컴퓨터는 대상 하드웨어 주소 필드에 어떤 MAC 주소를 넣어야 하는지 알고 이더넷 프레임은 전송 준비가 되고 이 IP 주소를 로컬 ARP 테이블에 저장하여 다음에 이 IP와 통신할 때 ARP 브로드캐스트를 전송하지 않아도 됨

네트워크의 변경 사항이 처리될 수 있도록 ARP 테이블 항목은 보통 짧은 시간 후에 만료

 

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서브넷팅

 

1. 서브넷팅

서브넷팅 : 대규모 네트워크를 더 작은 개별 서브네트워크 또는 서브넷으로 분할하는 프로세스

주소 클래스는 전체 글로벌 IP 공간을 개별 네트워크로 나누는 방법

IP 주소 9.100.100.100과 통신하려는 경우 인터넷의 코어 라우터는 이 IP가 9.0.0.0 클래스 A 네트워크에 속한다는 것을 인식하며 그 다음 네트워크 ID를 확인하여 해당 네트워크를 담당하는 게이트웨이 라우터로 메시지를 라우팅

게이트웨이 라우터는 특히 특정 네트워크의 출입 경로 역할을 하며 이 라우터는 다른 코어 라우터와만 통신하는 코어 인터넷 라우터와 반대입니다

서브넷을 사용하여 대규모 네트워크를 여러 개의 더 작은 네트워크로 분할하며, 개별 서브넷은 모두 각 서브넷의 인그레스 및 이그레스 지점 역할을 하는 고유한 게이트웨이 라우터를 갖게 됨

 

 

2. 서브넷 마스크(Subnet Masks)

• 서브넷 마스크는 IP 주소의 일부를 서브넷 ID로 사용하여 네트워크를 더 작은 부분으로 나누는 데 사용
• 일반적으로 4개의 10진수 옥텟으로 쓰여지며, 각 옥텟은 8비트를 나타냄
• 서브넷 마스크에서 1로 설정된 비트는 서브넷 ID를 나타내고, 0으로 설정된 비트는 호스트 ID를 나타냄
• 서브넷 마스크를 사용하여 네트워크를 서브넷으로 나누면 네트워크 성능을 개선하고 보안을 강화

 

3. 기본 이진 연산

• 컴퓨터 네트워킹은 컴퓨터와 다른 장치가 서로 통신할 수 있도록 하는 기술
• 네트워크는 컴퓨터와 다른 장치가 연결된 시스템
• 네트워크는 다양한 목적으로 사용될 수 있으며, 이메일, 웹 서핑, 파일 공유 등이 있음
• 네트워크는 다양한 유형으로 분류될 수 있으며, 이는 크기, 토폴로지, 프로토콜 등에 따라 다름
• 네트워크를 설계하고 구축하는 데는 다양한 기술이 사용
• 네트워크 관리자는 네트워크가 올바르게 작동하도록 하는 책임이 있음

 

4. CIDR(Classless Inter-Domain Routing)

• 더욱 유연한 네트워크 크기: CIDR을 사용하면 네트워크 크기를 더욱 자유롭게 지정할 수 있으며, 이전에는 네트워크 크기가 고정되어 있었지만, CIDR을 사용하면 필요에 따라 네트워크 크기를 조정할 수 있음
• 라우팅 테이블 간소화: CIDR을 사용하면 라우팅 테이블에 필요한 항목 수를 줄일 수 있으며, 이전에는 여러 개의 작은 네트워크를 하나의 큰 네트워크로 통합하기 위해 여러 개의 라우팅 테이블 항목이 필요했지만, CIDR을 사용하면 하나의 항목으로 모든 것을 처리할 수 있음
• 주소 활용도 향상: CIDR을 사용하면 IP 주소를 더욱 효율적으로 활용할 수 있으며, 이전에는 특정 크기의 네트워크에 필요한 IP 주소 수가 고정되어 있었지만, CIDR을 사용하면 필요한 만큼의 IP 주소를 사용할 수 있음

 

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라우팅

 

1. 기본 라우팅 개념

라우터(Router) : 대상 주소에 따라 트래픽을 전달하는 네트워크 장치로 작업을 수행하기 위해 두 개의 네트워크에 연결되어야 하므로 최소 두 개의 네트워크 인터페이스가 있는 장치

1. 라우터가 인터페이스 중 하나에서 데이터 패킷을 수신합니다.
2. 라우터는 이 패킷의 대상 IP를 검사합니다.
3. 라우터는 라우팅 테이블에서 이 IP의 대상 네트워크를 조회합니다.
4. 라우터가 라우팅 테이블의 추가 정보에 따라 원격 네트워크에 가장 가까운 인터페이스를 통해 이를 전달합니다.

이러한 단계는 트래픽이 대상지에 도달할 때까지 필요에 따라 반복함

 

라우터는 일반적으로 두 개 이상의 네트워크에 연결되며, 매우 자주 트래픽은 최종 대상지에 도달하기 전에 수십 개의 라우터를 통과해야 할 수 있음

마지막으로, 끊김을 방지하기 위해 핵심 인터넷 라우터는 일반적으로 메시 형태로 연결되어 패킷이 이동할 수 있는 경로가 여러 개 있을 수 있으며, 대상 IP를 검사하고 라우팅 테이블을 보고 가장 빠른 경로를 확인한 다음 경로를 따라 패킷을 전달하는데 이것은 모든 인터넷 트래픽의 모든 비트를 구성하는 모든 단일 패킷에 대해 항상 발생함

 

 

2. 라우팅 테이블(Routing table)

1. 라우터의 구성:
   • 초기 라우터는 일반 컴퓨터에 두 개의 네트워크 인터페이스를 연결하여 만들었으며, 수동으로 업데이트되는 라우팅 테이블을 사용했습니다.
   • 오늘날 모든 주요 운영체제에도 라우팅 테이블이 있으며, 데이터 전송 전에 이를 참조합니다.
2. 라우팅 테이블의 기본 구조:
   • 대상 네트워크( Destination network ): 라우터가 알고 있는 각 네트워크에 대한 행을 포함
   • 네트워크 ID와 넷 마스크: 네트워크를 정의하고, 해당 네트워크의 IP 주소를 식별
   • 다음 홉( Next hop ): 데이터가 다음으로 전달될 라우터의 IP 주소 또는 네트워크가 직접 연결되었음을 나타냄
   • 총 홉 수( Total hops ): 대상 네트워크까지의 거리를 나타내며, 라우터는 최단 경로를 선택하려고 노력함
3. 라우팅 테이블의 작동 원리:
   • 패킷 수신 시 대상 IP 주소를 검사하고 해당 네트워크를 식별
   • 인접 라우터로부터 정보를 받아 최상의 경로를 업데이트
   • 인터넷과 같은 복잡한 네트워크에서는 경로가 자주 변경될 수 있음
4. 인터페이스:
   • 각 대상 네트워크와 일치하는 트래픽에 필요한 인터페이스(Interface)를 지정
5. 코어 인터넷 라우터:
   • 수백만 개의 행을 가진 라우팅 테이블을 유지하며, 모든 패킷은 이를 참조

 

 

3. 내부 게이트웨이 프로토콜

라우팅 프로토콜(Routing protocols)은 라우터가 네트워크 정보와 최적 경로를 학습하고 공유하는 방법을 제공합니다. IGP는 단일 자율 시스템 내에서 라우터 간 정보를 공유하는 프로토콜입니다.

 

내부 게이트웨이 프로토콜(IGP, Intrior gateway protocol)은 두 가지 주요 유형으로 나뉩니다.

 

1. 거리 벡터 프로토콜

• 작동 원리: 라우터는 자신이 알고 있는 네트워크 목록과 각 네트워크까지의 홉 수 정보를 인접 라우터와 공유합니다.
• 예시:
  • 라우터 A가 네트워크 X에 도달하려면 라우터 C를 통해 네 홉이 필요합니다.
  • 라우터 B는 네트워크 X에 두 홉만 필요함을 알고 있습니다.
  • 라우터 B가 이 정보를 라우터 A에 전달하면, 라우터 A는 라우터 B를 통해 네트워크 X에 도달하는 것이 더 빠르다는 것을 알고 라우팅 테이블을 업데이트합니다.
• 장점: 간단하고 구현이 쉽습니다.
• 단점: 인접 라우터에 대한 정보만 알고 있으며, 멀리 떨어진 네트워크 변화에 대한 반응이 느립니다.

2. 링크 상태 프로토콜

• 작동 원리: 각 라우터는 자신의 링크 상태 정보를 자율 시스템(Autonomous system) 내 모든 라우터와 공유합니다. 이를 통해 모든 라우터가 전체 네트워크의 상세 정보를 알게 됩니다.
• 장점: 라우터는 복잡한 알고리즘을 통해 최적의 경로를 계산할 수 있습니다.
• 단점: 더 많은 메모리와 처리 능력이 필요합니다.

 

거리 벡터 프로토콜은 단순하지만 정보 제한이 있고 반응 속도가 느립니다. 반면, 링크 상태 프로토콜은 더 많은 자원을 필요로 하지만 최적의 경로를 제공하며, 현대 네트워크에서 주로 사용됩니다. 다음 동영상에서는 외부 게이트웨이 프로토콜에 대해 다룰 예정입니다.

 

 

4. 외부 게이트웨이 프로토콜

외부 게이트웨이 프로토콜(EGP)은 서로 다른 자율 시스템(AS) 간에 데이터를 교환하는 데 사용됩니다. 이는 인터넷의 핵심 구성 요소로, 각 자율 시스템의 에지에 있는 라우터들이 데이터를 주고받게 해줍니다. 인터넷은 수많은 자율 시스템이 연결된 거대한 망이며, 코어 인터넷 라우터는 자율 시스템 간의 트래픽을 효율적으로 전달하는 역할을 합니다.

 

1. 외부 게이트웨이 프로토콜의 역할:
   • 서로 다른 조직의 자율 시스템 간에 정보를 공유하는 데 사용됩니다.
   • 자율 시스템의 에지 라우터로 데이터를 이동시킵니다.
2. 자율 시스템(AS):
   • 네트워크 모음으로 구성되며, 각 AS는 고유한 자율 시스템 번호(ASN)를 가집니다.
   • ASN은 IANA(Internet Assigned Numbers Authority)에서 관리합니다.
   • ASN은 32비트 숫자로, 단일 십진수로 표현됩니다.
3. IANA(Internet Assigned Numbers Authoruty)의 역할:
   • IP 주소와 ASN을 할당 및 관리합니다.
   • 단일 기관이 있어야 인터넷이 질서 있게 운영될 수 있습니다.
4. ASN(Autonomous System Number, 자율 시스템 번호 할당)의 특성:
   • IP 주소와 달리, 사람이 자주 확인하지 않기 때문에 단일 십진수로 표현됩니다.
   • 코어 인터넷 라우팅 테이블을 통해 자율 시스템 간의 경로를 관리합니다.
5. 코어 인터넷 라우터:
   • 자율 시스템에 대한 정보를 알고 있어야 트래픽을 적절히 전달할 수 있습니다.
   • 인터넷 서비스 제공업체(ISP)나 대형 네트워크에서 중요한 역할을 합니다.

외부 게이트웨이 프로토콜과 ASN의 개념을 이해하면 인터넷의 기본 구조와 데이터 전송 방식을 더 잘 파악할 수 있습니다.

 

가장 일반적인 거리 벡터 프로토콜은 RIP, 라우팅 정보 프로토콜(Routing Information Protocol)(IETF RFC2453)과 EIGRP, 강화된 내부 게이트웨이 라우팅 프로토콜(Enhanced Interior Gateway Routing Protocol)(Cisco 문서 참조)입니다.

가장 일반적인 링크 상태 프로토콜은 OSPF, 최단 경로 우선 프로토콜(Open Shortest Path First)(IETF RFC2328)입니다.

외부 게이트웨이 프로토콜에서 현재 사용 중인 프로토콜은 하나뿐입니다. 인터넷 전체가 이러한 종류의 정보를 교환하는 방법에 동의해야 하기 때문에 단일 표준이 등장했습니다.

이 표준을 BGP, 즉 경계 게이트웨이 프로토콜(Border Gateway Protocol)(IETF RFC4271)이라고 합니다.

 

 

5. 라우팅 할 수 없는 주소 공간

1. IP 주소의 제한:
   • IPv4는 32비트 숫자로 총 4,294,967,295개의 고유한 주소를 제공하지만, 이는 지구상의 모든 사람과 대규모 데이터 센터에 필요한 수를 충족하지 못합니다.
2. RFC 1918의 등장 (1996):
   • RFC (Request for Comments): 인터넷 표준 요구 사항에 대한 문서
   • RFC 1918은 라우팅할 수 없는 사설 IP 주소 공간을 정의합니다.
   • 이러한 주소는 내부 네트워크에서 사용되며, 외부로 라우팅되지 않습니다.
3. 사설 IP 주소 공간:
   • 세 가지 주요 범위:
     • 10.0.0.0/8
     • 172.16.0.0/12
     • 192.168.0.0/16
   • 누구나 내부 네트워크에서 무료로 사용할 수 있습니다.
4. 라우팅할 수 없는 주소 공간의 특징:
   • 게이트웨이 라우터는 이 주소로의 트래픽을 전달하지 않음.
   • 내부 네트워크의 노드 간에는 통신이 가능함.
   • 내부 게이트웨이 프로토콜(IGP)로 라우팅됨.
5. NAT (Network Address Translation, 네트워크 주소 변환):
   • 다음 강의에서 다룰 예정.
   • 라우팅할 수 없는 주소 공간의 컴퓨터가 인터넷의 다른 기기와 통신할 수 있도록 함.

 

 

 

 

 

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