Networking Stack & APIs

John·2025년 6월 9일

system programming

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Networking

What is a Network?

네트워크란? 컴퓨터 간(ex. client-server. 컴퓨터 네트워크에서는 주로 host라고 부름)의 데이터 전송을 가능하게 하는 인프라 또는 매커니즘이다.

많은 서비스에서 네트워크는 필수적이다. 네트워크를 사용하는 이유는 크게 두가지가 있다.
1. 많은 유저들에게 서비스 제공. ex) 웹 서버
2. 큰 사이즈의 workload를 수행. ex) 온라인 비디오 스트리밍(넷플릭스, 유튜브등), 검색 엔진, 심지어 LLM 학습에도 네트워크가 사용됨.

Networking 의 기능 및 장점

파일이나 데이터를 로컬이 아니라 remote하게 저장, 사용할 수 있다.
Distributed DB사용 가능. ex) KV(key-value) store
GPU 원격 사용 가능.
ex) 구글 colab
cf) resource disaggregation - CPU, storage, memory 등 자원이 독립적으로 존재하고, 네트워크로 연결되어있는 구조

2.Computation Speedup

자원을 분산시킴으로서, 각각의 자원이 병렬적으로 수행할 수 있도록 보장 --> 속도 향상. 최근 LLM 학습을 이렇게 많이 함.
Load Balancing : 많은 client가 server로 접근하려 할 때, gateway (또는 load balancer)가 접근 제어를 통해 비교적 덜 몰려있는 서버로 처리.

3. Reliability

서버가 문제 생겼을 때(site failure), 요청을 다른 서버로 옮기기 가능. cf) migration in cloud computing

Layer-based Network Systems

시스템간 네트워크에는 layer가 존재한다. 각 layer 별로 맡는 역할이 다르고, 각각마다의 protocol(규약, 표준)이 있다. 그리고 계층마다의 operation은 middlebox는 L2, L3 정도에만 관여하고, 웬만한 operation은 엔드포인트의 커널에서 수행한다. layer별로 구분을 해야하기 때문에, 당연하겠지만 data 뿐 아니라, metadata를 가지고 있다. 즉, 이러한 metadata를 쓰는 방법이 protocol이라고 할 수 있음.

* 왜 protocol이 필요한가? endpoint마다 제원이나 모델이 다를 수 있겠지만, 같은 protocol을 따른다면 원활히 소통 가능하기 때문이다. ex) 주소 정보 등등

* 장점만 있는 것은 아니고, layer마다 protocol을 체크해야 하기 때문에, layer을 거칠 때마다 overhead 발생 가능.

계층 별 역할

컴퓨터네트워크 수업이 아니기 때문에, 계층별 역할을 간단하게 알아보겠다.

1. Physical Layer (L1)
하드웨어 단위에 적용되는 계층.
단위 : bit

2. Data Link Layer (L2)
두개의 인접한 디바이스끼리의 전송을 담당하는 계층. ex)내 PC - 라우터 간 통신
단위 : frame
프로토콜 종류 : 이더넷

3. Network Layer (L3)
로컬 단위를 넘어 호스트 간 통신을 담당하는 계층. 라우팅(포워딩) 담당. ex)내 PC - 넷플릭스 서버
단위 : packet
프로토콜 종류 : IP

4. Transport Layer (L4)
엔드포인트(application 또는 프로세스) 간의 통신을 담당하는 계층. L3과 차이점은 포트번호를 이용해 end-to-end를 담당하는 계층이라는 점이다. TCP의 경우에는 신뢰성 있는 전송을 보장한다.(3 way handshake)
단위 : segment
프로토콜 종류 : TCP(Transmission Control Protocol) , UDP(User Datagram Protocol)

5. Application Layer (L5)
transport layer을 바탕으로 추가 기능을 제공하는 layer.
프로토콜 종류 : SSL/TLS, HTTP, FTP

*그림 : https://velog.io/@euijoo3233/0223