서브넷 마스크 (r1)

IP 주소는 네트워크 상의 장치를 식별하는 고유한 번호이다. 초기 IP 주소 체계는 클래스(A, B, C 등)로 구분되어 고정된 네트워크와 호스트 영역을 할당했다. 이 방식은 작은 네트워크에는 너무 많은 주소를, 큰 네트워크에는 주소가 부족하게 만드는 비효율성을 초래했다.

서브넷 마스크는 하나의 큰 네트워크를 여러 개의 작은 논리적 네트워크, 즉 서브넷으로 분할하는 핵심 도구이다. 32비트로 구성된 서브넷 마스크는 IP 주소와 비트 AND 연산을 수행하여 네트워크 부분과 호스트 부분을 명확히 구분한다. 마스크에서 '1'로 설정된 비트는 네트워크 ID를, '0'으로 설정된 비트는 호스트 ID를 나타낸다.

예를 들어, C 클래스 네트워크 192.168.1.0을 두 개의 서브넷으로 나누고자 한다면, 기본 마스크 255.255.255.0(또는 /24)에서 호스트 ID 비트 하나를 빌려 네트워크 ID로 사용한다. 이 경우 새로운 서브넷 마스크는 255.255.255.128(또는 /25)이 되며, 원래 네트워크는 192.168.1.0/25와 192.168.1.128/25라는 두 개의 독립적인 서브넷으로 분할된다. 각 서브넷은 자신의 네트워크 주소, 사용 가능한 호스트 주소 범위, 브로드캐스트 주소를 갖게 된다.

이러한 분할을 통해 네트워크 트래픽이 불필요하게 전체로 퍼지는 것을 방지하고, 브로드캐스트 도메인의 크기를 줄여 성능을 향상시킨다. 또한 보안 정책을 서브넷 단위로 차별화하여 적용하거나, 지리적 또는 조직적 단위에 맞춰 네트워크를 체계적으로 관리할 수 있게 한다.

IP 주소는 네트워크를 식별하는 부분과 그 네트워크 내 개별 장치(호스트)를 식별하는 부분으로 구성된다. 서브넷 마스크의 핵심 역할은 하나의 IP 주소에서 이 두 부분을 명확하게 구분하는 것이다. 서브넷 마스크는 IP 주소와 동일한 32비트 형식으로, 연속된 1의 비트열은 네트워크 ID를, 연속된 0의 비트열은 호스트 ID를 가리킨다.

예를 들어, 널리 사용되는 서브넷 마스크 255.255.255.0 (이진수로 11111111.11111111.11111111.00000000)을 IP 주소 192.168.1.10에 적용하면, 앞의 24비트(192.168.1)가 네트워크 ID이고, 마지막 8비트(10)가 호스트 ID가 된다. 이 구분은 라우터가 패킷을 전달할 때 목적지가 동일 네트워크 내부인지 외부인지를 판단하는 근거가 된다. 라우터는 목적지 IP 주소와 서브넷 마스크를 비트 AND 연산하여 네트워크 주소를 추출한 후, 자신이 알고 있는 경로 정보와 비교한다.

서브넷 마스크의 길이(1의 개수)에 따라 네트워크가 수용할 수 있는 호스트의 수가 결정된다. 호스트 ID 부분의 비트가 n개이면, 해당 네트워크에서 사용 가능한 호스트 주소는 2^n - 2개이다[1]. 따라서 더 많은 호스트를 수용하려면 호스트 ID 비트를 늘려야 하고, 반대로 네트워크를 더 작은 단위로 분할(서브넷팅)하려면 네트워크 ID 비트를 늘려서 호스트 ID 비트를 줄인다.

서브넷 마스크를 표현하는 가장 일반적인 방식은 IPv4 주소와 동일한 형태인 점으로 구분된 십진수 표기법이다. 이 방식은 32비트의 서브넷 마스크를 8비트씩 네 개의 옥텟으로 나누고, 각 옥텟을 0부터 255까지의 십진수로 변환하여 표현한다. 예를 들어, '255.255.255.0'은 이진수로 '11111111.11111111.11111111.00000000'에 해당한다.

이 표기법에서 '255'는 해당 옥텟의 8비트가 모두 네트워크 부분을 나타내는 비트(1)임을 의미한다. 반면 '0'은 해당 옥텟의 비트가 모두 호스트 부분을 나타내는 비트(0)임을 의미한다. 따라서 '255.255.255.0' 마스크는 앞의 24비트가 네트워크 ID이고, 마지막 8비트가 호스트 ID임을 명시한다.

일반적으로 사용되는 서브넷 마스크 값과 그 의미는 다음과 같다.

이 표기법은 직관적이어서 네트워크 관리자가 IP 주소와 함께 쉽게 확인하고 구성할 수 있다. 그러나 네트워크 프리픽스 길이를 한눈에 파악하기는 어려운 단점이 있어, 이를 보완하기 위해 CIDR 표기법이 함께 사용된다.

CIDR 표기법은 서브넷 마스크를 더 간결하게 표현하기 위한 방법이다. 이는 'Classless Inter-Domain Routing'의 약자로, 점으로 구분된 십진수 표기법을 대체하여 네트워크 프리픽스의 길이를 슬래시(/) 뒤에 숫자로 직접 명시한다. 예를 들어, 서브넷 마스크 255.255.255.0은 이진수로 변환했을 때 앞에서부터 24개의 비트가 1로 구성되어 있으므로, CIDR 표기법으로는 /24가 된다.

이 표기법은 네트워크 주소와 서브넷 마스크를 하나의 표기로 결합하여 표현할 수 있게 한다. IP 주소 192.168.1.0과 서브넷 마스크 255.255.255.0을 함께 표기할 때, "192.168.1.0/24"와 같이 간단히 쓸 수 있다. 여기서 '/24'는 네트워크를 식별하는 부분이 24비트라는 의미이며, 나머지 8비트는 해당 네트워크 내의 호스트 주소로 사용된다.

CIDR 표기법의 주요 장점은 간결성과 직관성에 있다. 긴 서브넷 마스크 값을 반복해서 쓰지 않아도 되며, 프리픽스 길이를 보고 해당 네트워크의 크기를 빠르게 추정할 수 있다. 일반적으로 사용되는 CIDR 표기와 해당 호스트 수는 다음과 같다.

[4]

이 표기법은 클래스리스 네트워킹의 핵심 요소로, 인터넷 서비스 제공자가 IP 주소를 효율적으로 할당하고, 라우팅 테이블의 크기를 줄이는 데 기여한다. 현대의 네트워크 구성 및 문서화에서는 점으로 구분된 십진수 표기법보다 CIDR 표기법이 더 널리 사용된다.

서브넷을 설계할 때는 먼저 네트워크 요구 사항을 분석하여 필요한 서브넷의 개수와 각 서브넷이 수용해야 할 호스트의 최대 수를 결정해야 한다. 이 두 가지 요소는 사용할 서브넷 마스크의 비트 수를 계산하는 근거가 된다.

필요한 서브넷 수는 일반적으로 물리적 또는 논리적 분할 필요성에 따라 정해진다. 예를 들어, 회사의 각 부서별, 각 층별, 또는 보안 구역별로 네트워크를 분리해야 할 경우가 이에 해당한다. 필요한 호스트 수는 각 네트워크 세그먼트에 연결될 라우터, 스위치, 서버, 사용자 PC 등 모든 장치의 수를 고려하여 결정하며, 향후 확장을 위해 일정 여유를 포함하는 것이 일반적이다.

이 요구사항을 바탕으로 다음과 같은 계산 단계를 거친다.

1. 호스트 수 결정: 필요한 호스트 수 H에 대해, 호스트 ID 부분에 할당할 비트 수 h는 2^h - 2 >= H를 만족하는 최소값으로 구한다. 여기서 2를 빼는 것은 네트워크 주소와 브로드캐스트 주소가 사용할 수 없는 주소이기 때문이다.

2. 서브넷 수 결정: 필요한 서브넷 수 S에 대해, 네트워크 ID에서 빌려올 서브넷 비트 수 s는 2^s >= S를 만족하는 최소값으로 구한다.

최종적으로, 원본 네트워크의 클래스에 따른 기본 네트워크 비트 수에 s 비트를 더하면 새로운 네트워크 프리픽스 길이가 되며, 이는 CIDR 표기법(예: /27)이나 점으로 구분된 십진수 서브넷 마스크로 변환할 수 있다.

서브넷 마스크 값을 도출하기 위해서는 먼저 필요한 서브넷 수 또는 각 서브넷 당 필요한 호스트 수를 기준으로 서브넷 비트 수를 계산해야 한다. 필요한 서브넷 수가 N개일 경우, 2^s >= N을 만족하는 최소의 정수 s가 서브넷 비트 수가 된다. 예를 들어, 10개의 서브넷이 필요하다면, 2^3=8로 부족하고 2^4=16이므로 서브넷 비트 수(s)는 4가 된다. 반대로, 각 서브넷 당 필요한 호스트 수가 H개라면, 2^h - 2 >= H를 만족하는 최소의 정수 h가 호스트 비트 수가 되며, 이를 이용해 서브넷 비트 수를 구할 수 있다[5].

서브넷 비트 수(s)가 결정되면, 이를 기반으로 새로운 서브넷 마스크 값을 계산한다. 기존 네트워크의 기본 서브넷 마스크에 서브넷 비트 수만큼 왼쪽에서부터 비트를 1로 추가한다. 예를 들어, C 클래스 네트워크(기본 마스크 255.255.255.0 또는 /24)에서 서브넷 비트를 3비트 사용한다고 가정하면, 새로운 마스크는 /24 + 3 = /27이 된다. 이 값을 점으로 구분된 십진수 형식으로 변환하면 255.255.255.224가 된다. 변환 과정은 다음과 같다.

따라서, 네 번째 옥텟의 값이 224가 되어 최종 서브넷 마스크는 255.255.255.224(/27)로 도출된다. 이 마스크를 적용하면 원본 네트워크가 여러 개의 더 작은 서브넷으로 분할되며, 각 서브넷의 유효 호스트 범위와 브로드캐스트 주소를 계산하는 데 사용할 수 있다.

초기 인터넷은 IP 주소를 크기에 따라 A, B, C 클래스로 고정적으로 구분하는 클래스풀 네트워킹 방식을 사용했다. 각 클래스는 네트워크 ID와 호스트 ID의 경계가 고정되어 있어, 할당의 유연성이 매우 부족했다. 예를 들어, 중간 규모의 조직에 B 클래스(약 6만 5천 개의 호스트 주소)를 할당하면 많은 주소가 낭비되었고, 반면 더 많은 주소가 필요한 조직은 여러 개의 C 클래스(254개 호스트)를 할당받아야 해 관리가 복잡해졌다. 이로 인해 IP 주소가 급속히 고갈되는 문제가 발생했다.

이 체계의 주요 한계는 다음과 같이 정리할 수 있다.

이러한 비효율성을 해결하기 위해 네트워크 경계를 고정하지 않고, 서브넷 마스크를 이용해 가변 길이로 정의하는 클래스리스 네트워킹과 CIDR이 도입되었다. 이는 주소 할당의 효율성을 극적으로 높이고 라우팅 정보를 집약할 수 있는 기반을 마련했다.

CIDR(Classless Inter-Domain Routing)은 1993년에 도입된 주소 할당 방식으로, 기존 클래스풀 네트워킹의 비효율성을 해결하고 IP 주소 공간의 낭비를 크게 줄였다. 클래스풀 방식은 네트워크 크기를 A, B, C 클래스로 고정적으로 분류했기 때문에, 중간 규모의 조직은 너무 큰 B 클래스 주소를 할당받아 수만 개의 호스트 주소를 낭비하거나, 너무 작은 C 클래스 주소 여러 개를 할당받아 관리가 복잡해지는 문제가 있었다. CIDR은 이러한 고정된 클래스 경계를 없애고, 네트워크 프리픽스 길이를 가변적으로 지정할 수 있게 함으로써 유연한 주소 할당을 가능하게 했다.

CIDR의 핵심 효율성은 두 가지 측면에서 나타난다. 첫째, 서브넷팅과 슈퍼넷팅을 통한 주소 공간의 효율적 활용이다. 서브넷팅은 큰 네트워크를 작은 서브넷으로 분할하는 반면, 슈퍼넷팅은 여러 개의 연속된 작은 네트워크를 하나의 큰 네트워크로 통합하여 라우팅 테이블 항목을 줄인다. 예를 들어, 200.100.10.0/24부터 200.100.15.0/24까지의 8개 C 클래스 네트워크는 200.100.8.0/21이라는 하나의 슈퍼넷으로 통합하여 라우팅 정보를 집약할 수 있다[6].

둘째, 라우팅 테이블의 크기 감소로 인한 인터넷 백본의 부하 경감이다. CIDR 이전에는 ISP가 고객에게 할당한 수많은 작은 네트워크 경로가 각각 인터넷 백본 라우터의 라우팅 테이블에 개별 항목으로 추가되어야 했다. CIDR을 통해 ISP는 자신이 관리하는 여러 네트워크 블록을 하나의 큰 프리픽스로 집약하여 상위 계층 ISP에 광고할 수 있게 되었다. 이로 인해 전 세계 라우팅 테이블의 증가 속도가 완화되고, 라우팅 업데이트 및 검색 성능이 향상되었다.

결과적으로 CIDR의 도입은 제한된 IPv4 주소 자원을 더 오래 사용할 수 있게 하는 결정적 계기가 되었으며, 현대 인터넷의 라우팅 인프라가 확장성을 유지하는 데 필수적인 기반 기술로 자리 잡았다.

기업은 서브넷팅을 활용하여 단일 IP 주소 블록을 효율적으로 분할하고, 논리적으로 구분된 여러 네트워크 세그먼트를 구성한다. 이는 부서별(예: 영업부, 개발팀, 재무팀), 기능별(예: 사용자 네트워크, 서버 네트워크, 게스트 Wi-Fi), 또는 보안 수준별로 트래픽을 격리하고 관리하기 위함이다. 예를 들어, 회사가 ISP로부터 192.168.1.0/24 주소 블록을 할당받았다면, 이를 더 작은 서브넷으로 나누어 각 부서에 할당할 수 있다.

서브넷 설계 시 고려해야 할 핵심 요소는 각 세그먼트에 필요한 호스트(컴퓨터, IP 전화기, 서버 등)의 수이다. 필요한 호스트 수에 따라 적절한 서브넷 마스크를 선택한다. 호스트 수가 많은 세그먼트는 더 넓은 주소 범위를, 호스트 수가 적은 세그먼트는 좁은 범위를 할당하여 IP 주소를 낭비하지 않도록 한다. 아래는 192.168.1.0/24 네트워크를 4개의 서브넷으로 분할하는 예시이다.

이러한 분할을 통해 각 부서 네트워크는 서로 독립적으로 동작한다. 라우터 또는 레이어 3 스위치는 서브넷 간 통신을 중재하며, 방화벽 정책을 적용하여 특정 서브넷(예: 게스트 Wi-Fi)이 다른 서브넷(예: 개발서버)에 직접 접근하지 못하도록 제한할 수 있다. 이는 보안 강화와 네트워크 브로드캐스트 트래픽의 범위를 제한하여 전체 네트워크 성능을 향상시키는 효과를 가져온다.

인터넷 서비스 제공자는 IANA 및 지역 인터넷 레지스트리로부터 대규모 IP 주소 블록을 할당받습니다. 이 주소 블록을 효율적으로 관리하고 최종 사용자(가정, 기업 등)에게 적절한 크기로 재할당하는 과정에서 서브넷팅은 핵심적인 역할을 합니다.

ISP는 할당받은 주소 공간을 여러 단계로 나누어 사용합니다. 먼저, 국가 또는 광역 지점별로 큰 서브넷으로 분할한 후, 다시 개별 고객의 요구 사항에 맞춰 더 작은 서브넷으로 나눕니다. 예를 들어, ISP가 203.0.113.0/21 블록을 보유하고 있다면, 이를 여러 개의 /24 네트워크로 나누어 중소기업에 제공하거나, /30 또는 /31 네트워크로 나누어 광역 네트워크 링크에 사용할 수 있습니다. 이 과정은 아래 표와 같이 요약할 수 있습니다.

이러한 계층적 할당 방식은 라우팅 테이블의 크기를 최소화하는 데 기여합니다. ISP의 업스트림 라우터는 개별 고객의 작은 네트워크 경로를 모두 알 필요 없이, ISP가 보유한 큰 주소 블록(/21)을 향한 하나의 경로만을 유지하면 됩니다. 이 원칙을 경로 요약 또는 라우팅 집계라고 합니다.

또한, ISP는 동적 호스트 설정 프로토콜 서버를 통해 가정용 고객에게 주소를 동적으로 할당할 때 특정 서브넷 마스크(예: /24)를 사용합니다. 이는 하나의 네트워크 세그먼트 내에서 허용되는 호스트 수를 제한하고, 브로드캐스트 도메인의 범위를 관리하는 데 필수적입니다. 효율적인 서브넷팅을 통해 ISP는 제한된 IPv4 주소 자원을 최대한 활용하고, 네트워크 성능과 관리 효율성을 동시에 확보합니다.

기본 게이트웨이는 한 서브넷이 다른 네트워크, 특히 인터넷과 통신하기 위해 사용하는 출입구 역할을 하는 장치의 IP 주소를 가리킨다. 일반적으로 라우터의 인터페이스가 이 역할을 담당한다. 서브넷 내의 모든 장비는 외부 네트워크로 패킷을 전송해야 할 때, 해당 패킷의 목적지 IP 주소가 자신의 서브넷 범위 내에 있지 않으면 기본 게이트웨이로 패킷을 전송한다[9].

기본 게이트웨이의 주소는 해당 서브넷에서 사용 가능한 호스트 주소 범위 내에서, 일반적으로 첫 번째 또는 마지막 사용 가능 주소로 할당되는 것이 관례이다. 예를 들어, 네트워크 주소가 192.168.1.0이고 서브넷 마스크가 255.255.255.0(/24)인 서브넷에서는 192.168.1.1이 가장 흔한 기본 게이트웨이 주소가 된다. 이 주소는 네트워크 설정 시 각 호스트(컴퓨터, 서버 등)에 수동으로 또는 DHCP를 통해 자동으로 구성된다.

기본 게이트웨이가 정상적으로 동작하지 않으면, 해당 서브넷의 장비들은 서브넷 내부 통신은 가능하지만 인터넷이나 다른 부서의 네트워크 등 외부와의 모든 연결이 끊기게 된다. 따라서 이는 네트워크 설계와 장애 조치에서 매우 중요한 요소이다.

브로드캐스트 주소는 특정 서브넷 내의 모든 호스트에게 데이터 패킷을 동시에 전송하기 위해 사용되는 예약된 IP 주소이다. 이 주소로 전송된 패킷은 해당 네트워크 세그먼트에 연결된 모든 장치가 수신한다. 브로드캐스트 주소는 호스트 ID 부분의 모든 비트가 '1'인 주소로 계산된다[10].

브로드캐스트는 ARP와 같은 프로토콜을 통해 특정 호스트의 MAC 주소를 찾거나, 네트워크 서비스의 존재를 알리는 데 사용된다. 그러나 하나의 네트워크 세그먼트 내에서만 동작하는 로컬 브로드캐스트와 달리, 라우터를 통해 다른 네트워크로 전파될 수 있는 디렉티드 브로드캐스트도 존재한다. 디렉티드 브로드캐스트는 보안상의 이유로 현대 라우터에서 기본적으로 차단되는 경우가 많다.

서브넷 마스크는 브로드캐스트 주소를 결정하는 핵심 요소이다. 주어진 IP 주소와 서브넷 마스크를 통해 네트워크 주소를 계산한 후, 호스트 ID 필드를 모두 1로 설정하면 브로드캐스트 주소가 된다. 이 계산은 네트워크 설계와 문제 해결에서 필수적이다.

과도한 브로드캐스트 트래픽은 네트워크 성능을 저하시키는 '브로드캐스트 스톰'을 유발할 수 있다. 따라서 네트워크를 적절한 크기의 서브넷으로 분할하는 서브넷팅은 브로드캐스트 도메인의 범위를 제한하여 이러한 문제를 완화하는 중요한 방법이다.