개요
- 네트워크 통신을 구조적으로 이해하기 위해서는 OSI 7계층 모델을 알아야 하며, 이 계층 모델은 물리 계층(Physical Layer)에서부터 응용 계층(Application Layer)까지 각 계층의 역할을 정의
- 네트워크 성능을 최적화하고 트래픽 분산을 위해 로드 밸런싱이 널리 사용되며, 이때 L4와 L7 로드 밸런싱의 차이를 이해하는 것이 중요. 이번 글에서는 OSI 7계층의 역할과 로드 밸런싱 기법을 설명하며, 네트워크 트래픽 관리의 주요 개념을 다룸
1. OSI 7계층 모델의 이해
- OSI(Open Systems Interconnection) 7계층 모델은 네트워크 통신을 7개의 계층으로 나누어 설명하는 참조 모델. 이 모델은 네트워크 상에서 데이터를 어떻게 처리하고 전송하는지 단계별로 나누어 설명함으로써, 네트워크 프로토콜과 장비 간 상호작용을 체계적으로 이해할 수 있도록 도움을 줌
계층별 역할
1) 1계층 - 물리 계층 (Physical Layer):
- 물리적 매체를 통한 데이터 전송을 담당함. 실제 신호로 데이터를 전송하며, 네트워크 케이블, 전기 신호, 광신호, 무선 주파수 등의 물리적인 전송 매체가 포함
- 주요 장비: 허브, 리피터, 케이블
2) 2계층 - 데이터 링크 계층 (Data Link Layer):
- 데이터 프레임의 전송과 에러 검출, MAC 주소를 이용한 통신을 담당함. 물리적 링크를 통해 인접한 장치 간에 데이터를 전송
- 주요 장비: 스위치, 브리지
3) 3계층 - 네트워크 계층 (Network Layer):
- 패킷 전송을 담당하며, IP 주소를 이용해 여러 네트워크를 거쳐 데이터가 최종 목적지에 도달하도록 라우팅
- 주요 장비: 라우터, 레이어 3 스위치
4) 4계층 - 전송 계층 (Transport Layer):
- TCP와 UDP를 이용해 데이터를 세그먼트로 나누고, 신뢰성 있는 데이터 전송을 보장함. 흐름 제어와 오류 복구도 이 계층에서 처리됨
- 프로토콜: TCP, UDP
5) 5계층 - 세션 계층 (Session Layer):
- 두 장치 간의 세션을 설정, 유지, 종료하는 역할 함. 연결 상태를 관리하며, 통신 중 문제가 발생할 경우 세션 복구를 지원. 주로 장시간의 지속적인 연결을 필요로 하는 통신에서 중요한 역할을 함
- 예시: 원격 데스크톱 연결, 파일 전송 (FTP)
6) 6계층 - 표현 계층 (Presentation Layer):
- 데이터의 형식 변환과 암호화를 담당함. 데이터가 네트워크에서 전송될 때, 장치 간에 호환 가능한 형식으로 변환하고, 보안을 위해 암호화와 복호화를 처리
- 예시: 데이터 인코딩 및 디코딩(ex: ASCII or UTF-8), 데이터 압축(ex: gzip), 데이터 암호화 및 복호화(AES)
7) 7계층 - 응용 계층 (Application Layer):
- 사용자와 직접 상호작용하는 계층으로, 웹 브라우저, 이메일 클라이언트 등 애플리케이션이 네트워크를 통해 통신할 수 있도록 도와줌. 다양한 응용 서비스가 이 계층에서 제공
- 프로토콜: HTTP, FTP, SMTP
2. 로드 밸런싱 기법
- 로드 밸런싱은 네트워크 트래픽을 여러 서버에 고르게 분산하여 서비스 성능을 최적화하는 기법임. 이는 웹 애플리케이션의 가용성을 높이고, 서버 과부하를 방지함으로써 사용자 경험을 개선. 로드 밸런서는 네트워크 트래픽을 분석하여 요청을 처리할 서버를 결정하며, 다양한 알고리즘을 사용해 트래픽을 분산시킴
로드 밸런싱 알고리즘
1) 라운드 로빈 (Round Robin):
- 가장 간단한 로드 밸런싱 기법으로, 순차적으로 서버에 요청을 분배함. 각 서버가 차례대로 요청을 받으며, 서버의 상태나 부하를 고려하지 않음
- 장점: 구현이 간단하며, 서버 간의 트래픽이 고르게 분산
- 단점: 서버의 부하 상태를 고려하지 않으므로, 성능이 불균등할 수 있음
2) Least Connection:
- 현재 가장 적은 연결을 유지하고 있는 서버에 요청을 분배함. 이를 통해 트래픽이 적게 몰린 서버에 우선적으로 요청을 보냄으로써, 효율적인 자원 사용이 가능
- 장점: 부하를 균등하게 분배
- 단점: 서버가 동등한 성능을 제공하지 않을 경우 성능 차이가 발생할 수 있음
3) IP Hash:
- 클라이언트의 IP 주소를 해시 함수로 변환하여, 해당 해시 값을 기준으로 특정 서버에 요청을 분배함. 이 방식은 같은 IP 주소에서 오는 요청을 항상 동일한 서버로 전달할 수 있음
- 장점: 같은 사용자가 계속해서 같은 서버로 연결되므로 세션 유지에 유리
- 단점: 클라이언트의 IP 주소 분포가 고르지 않으면, 특정 서버에 트래픽이 집중될 수 있음.
3. L4와 L7 로드 밸런싱 차이
- 로드 밸런싱은 OSI 모델의 4계층(L4) 또는 7계층(L7)에서 작동할 수 있음. 두 방식은 각각 다르게 트래픽을 처리하며, 요구 사항에 따라 선택됨
1) L4 로드 밸런싱 (Layer 4)
- L4 로드 밸런싱은 전송 계층(Transport Layer)에서 작동하며, TCP/UDP 프로토콜을 기반으로 트래픽을 분산함. IP 주소와 포트 번호를 기준으로 트래픽을 분석하고, 요청을 서버에 전달
- 특징: L4 로드 밸런서는 속도가 빠르고 처리량이 높음. 패킷 레벨에서 트래픽을 분산시키기 때문에, 애플리케이션의 내부 데이터는 분석하지 않음
- 사용 예시: 웹 서버의 부하 분산, VoIP 트래픽 처리 등 대량의 단순 트래픽을 처리할 때 적합
2) L7 로드 밸런싱 (Layer 7)
- L7 로드 밸런싱은 응용 계층(Application Layer)에서 작동하며, HTTP나 HTTPS와 같은 애플리케이션 레벨의 트래픽을 분석하고 처리함. 트래픽의 헤더, URL, 쿠키 등의 세부 데이터를 기반으로 로드 밸런싱을 수행
- 특징: L7 로드 밸런서는 애플리케이션 레벨에서 세부 데이터를 분석하므로, 정교한 트래픽 분산이 가능함. 예를 들어, 특정 URL이나 쿠키 값을 기반으로 트래픽을 특정 서버에 전달
- 사용 예시: 웹 애플리케이션에서 URL에 따라 요청을 특정 서버로 분배하거나, 트래픽에 따라 다른 서버 클러스터로 요청을 전달할 때 사용됨
| 특성 | L4 로드 밸런싱 | L7 로드 밸런싱 |
|---|---|---|
| 작동 계층 | 전송 계층 (TCP/UDP) | 응용 계층 (HTTP/HTTPS) |
| 트래픽 처리 | IP 주소와 포트 번호 기반의 패킷 처리 | URL, 헤더, 쿠키 등 애플리케이션 데이터 분석 |
| 속도 | 상대적으로 빠름 | 상대적으로 느림, 세밀한 분석 가능 |
| 사용 사례 | 단순한 대량 트래픽 처리, VoIP, 스트리밍 | 웹 애플리케이션, URL 기반 트래픽 분산 |
4. 실무에서의 OSI 계층과 로드 밸런싱 적용
- 실제 네트워크 환경에서 OSI 7계층 모델은 네트워크 문제를 분석하거나 트래픽을 관리할 때 매우 유용하게 활용됨. 각 계층의 역할을 이해함으로써 트러블슈팅 시 특정 계층에서 발생한 문제를 신속히 해결할 수 있음. 또한, 로드 밸런싱은 웹 애플리케이션이나 대규모 네트워크 서비스에서 성능을 극대화하는 필수 요소로 사용됨
- 브라우저 > 프론트엔드 서버로의 부하 분산 로드밸런서는 ALB를 사용
- 프론트엔드 서버 > 백엔드 서버로의 부하 분산 로드밸런서는 NLB를 사용
- 웹 서버 트래픽 분산: 대규모 웹 애플리케이션에서는 L7 로드 밸런서를 사용해 트래픽을 분석하고, URL 경로나 세션에 따라 서버에 트래픽을 분배함.
- 대용량 트래픽 처리: 스트리밍 서비스나 VoIP 서비스에서는 L4 로드 밸런서를 통해 대량의 트래픽을 여러 서버에 효율적으로 분산시킴
정리
- OSI 7계층 모델은 네트워크의 각 기능을 구조화하여 이해할 수 있게 돕는 중요한 개념이며, 네트워크 통신의 데이터 흐름을 단계별로 명확히 파악할 수 있음. 로드 밸런싱은 네트워크와 서버의 성능을 최적화하기 위한 필수적인 기술로, L4와 L7 방식이 각각의 요구에 맞게 사용됨.
- L4 로드 밸런싱은 속도와 처리량을 중시하는 환경에 적합하고, L7 로드 밸런싱은 애플리케이션 레벨에서 정교한 트래픽 처리가 필요할 때 사용됨. 이를 통해 서버 과부하를 방지하고 트래픽 관리를 효율적으로 수행할 수 있음
