네트워크 심화

jung_ho9 개발일지·2023년 1월 4일

HTTP/네트워크/서버

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네크워크의 시작

인터넷이 대중화되면서 네트워크는 컴퓨터 기술에서 빼놓을 수 없는 분야가 되었고 언제 어디서나 인터넷에 접속하여 필요한 정보를 찾고 사람들과 연락을 주고받을 수 있다.

지금 우리가 사용하는 인터넷 프로토콜, 즉 IP기반의 네티워크는 미 국방성에서 1969년 진행했던 아르파넷 프로젝트에서 시작되었다. 이 프로젝트는 당시 냉전시대에서 핵전쟁을 대비하기 위한 통신망 구축을 위해 추진되었다. 이때 기존에 사용되었던 회선교환 방식이 아닌 패킷교환 방식으로 네트워크를 구축하게 되는데 이을 토대로 현재의 인터넷 통신 방식의 기반이 세워졌다.

회선교환 방식

패킷교환 방식은 기존에 전화에서 사용했던 회선교환 방식의 단점을 보완한 방식이다. 회선교환 방식은 발신자와 수신자 사이에 데이터를 전송할 전용선을 미리 할당하고 둘을 연결한다. 그래서 내가 연결하고 싶은 상대가 다른 상대와 연결중이라면, 상대방은 이미 다른 상대와의 전용선과 연결되어 있기 때문에 그 연결이 끊어지고 나서야 상대방과 연결할 수 있다. 또한 특정 회선이 끊어지는 경우에는 처음부터 다시 연결해야 한다.

회선교환 방식에서 즉시성이 떨어져 비효율적이다.

패킷교환 방식

아르파넷은 회선교환의 즉시성이 떨어지는 문제를 해결하기 위해 패킷교환 방식의 네트워크를 고안했다. 패킷교환 방식은 패킷이라는 단위로 데이터를 잘게 나누어 전송하는 방식이다. 각 패킷에는 출발지와 목적지 정보가 있고 이에 따라 패킷이 목적지를 향해 가장 효율적인 방식으로 이동할 수 있다. 이를 이용하면 특정 회선이 전용선으로 할당되지 않기 때문에 빠르고 효율적으로 데이터를 전송할 수 있다.

그래서 인터넷 프로토콜, 줄여서 IP는 출발지와 목적지의 정보를 IP 주소라는 특정한 숫자값으로 표기하고 패킷단위로 데이터를 전송하게 되었다.

IP와 IP Packet

복잡한 인터넷 망 속 수많은 노드(하나의 서버 컴퓨터)를 지나 클라이언트와 서버가 통신하기 위해서는 출발지에서 목적지까지 데이터가 무사히 전달되기 위한 규칙이 필요하다.

그래서 흔히 말하는 IP(인터넷 프로토콜) 주소를 컴퓨터에 부여하여 이를 이용하여 통신하며 IP 주소(IP Address)에 패킷(Packet)이라는 통신 단위로 데이터를 전달한다.

IP패킷에서 패킷은 pack과 bucket이 합쳐진 단어로 소포로 비유할 수 있다. IP 패킷은 이를 데이터 통신에 적용한 것으로 우체국 송장처럼 전송 데이터를 무사히 전송하기 위해 출발지 IP, 목적지 IP와 같은 정보가 포함되어 있다.

패킷 단위로 전송을 하면 노드들은 목적지 IP에 도달하기 위해 서로 데이터를 전달한다. 이를 통해 복잡한 인터넷 망 사이에서도 정확한 목적지로 패킷을 전송할 수 있게 된다.

서버에서 무사히 데이터를 전송받는다면 서버도 이에 대한 응답을 돌려줘야 한다. 서버 역시 IP패킷을 이용해 클라이언트에 응답을 전달한다.

IP와 IP Packet - IP 한계

정확한 출발지와 목적지를 파악할 수 있다는 점에서 인터넷 프로토콜은 적절한 통신 방법으로 보이지만, IP에도 한계가 존재한다.

비연결성
- 패킷을 받을 대상이 없거나 서비스 불능 상태여도 클라이언트는 서버의 상태를 파악할 방법이 없기 때문에 패킷을 그대로 전송한다.
비신뢰성
- 중간에 서버가 데이터를 전달하던 중 장애가 생겨 패킷이 중간에 소실되더라도 클라이언트는 이를 파악할 방법이 없다.
- 전달 데이터의 용량이 클 경우 이를 패킷 단위로 나눠 데이터를 전달하게 되는데 패킷들은 중간에 서로 다른 노드를 통해 전달될 수 있다. 이렇게 되면 클라이언트가 의도한 순서를 보장할 수 없게 된다.

위에서 다룬 IP 패킷에 한계를 네트워크 계층 구조를 통해 보완할 수 있다.

OSI 7계층과 TCP/IP 4계층

네트워크 프로토콜 계층은 다음과 같이 OSI7계층과 TCP/IP 4 계층으로 나눌 수 있다. IP 프로토콜 보다 더 높은 계층에 TCP 프로토콜이 존재하기 때문에 앞서 다룬 IP 프로토콜의 한계를 보완할 수 있다.

TCP/IP 4 계층은 OSI 7 계층보다 먼저 개발되었으며 TCP/IP 프로토콜의 계층은 OSI 모델의 계층과 정확하게 일치하지 않는다. 실제 네트워크 표준은 업계표준을 따르는 TCP/IP 4 계층에 가깝다.

채팅 프로그램으로 보는 예

HTTP 메시지가 생성되면 Socket을 통해 전달된다.
TCP 정보를 생성하고 이 안에 메시지 데이터를 포함한다.
IP패킷을 생성하고 TCP 데이터를 포함한다.
이렇게 생성된 TCP/IP 패킷은 LAN카드와 같은 물리적 계층을 지나기 위해 이더넷 프레임 워크에 포함되어 서버로 전송된다.

TCP란

연결 지향형 프로토콜로, 연속성 있는 데이터 패킷을 주고 받을 때 사용한다.
TCP 세그먼트에는 IP 패킷의 출발지 IP와 목적지 IP 정보를 보완할 수 있는 출발지 PORT, 목적지 PORT, 전송 제어, 순서, 검증 정보 등을 포함한다.

TCP 특징

연결 지향 - TCP 3 way gandshake (가상 연결)
데이터 전달 보증
순서 보장
신뢰할 수 있는 프로토콜

TCP 3 way gandshake

연결하고자 하는 두 장치 간의 논리적 접속을 성릭하기 위해 사용하는 연결 확인 방식이다.
3번의 확인 과정을 거친다고 해서 3 way gandshake라고 부른다.

3 way gandshake의 간단한 예시
1. 클라이언트 -> 서버 : 내 말 들려 ?
2. 서버 -> 클라이언트 : 잘 들려! 내 말은 들려 ?
3. 클라이언트 -> 서버 : 잘 들려 !

클라이언트는 서버에 접속을 요청하는 SYN 패킷을 보낸다.
서버는 SYN요청을 받고 클라이언트에게 요청을 수락한다는 ACK 와 SYN가 설정된 패킷을 발송하고 클라이언트가 다시 ACK으로 응답하기를 기다린다.
클라이언트가 서버에게 ACK을 보내면 이 이후로부터 연결이 성립되며 데이터를 전송할 수 있다.

TCP 전송을 통해 IP패킷의 한계를 보완

TCP 데이터 전송이 성공적으로 이루어진다면 이에 대한 응답을 돌려주기 때문에 IP패킷의 한계였던 비연결성을 보완할 수 있다.

만약 패킷이 순서대로 도착하지 않는다면 TCP 세그먼트에 있는 정보를 토대로 다시 패킷 전송을 요청할 수 있다.

UDP란

UDP는 IP에 PORT, 체크섬 필드 정보만 추가된 단순한 비 연결지향형 프로토콜이다.
신뢰성 있는 전송을 보장할 수는 없지만, 흐름제어나 오류제어 등이 없기 때문에 빠른 전송 속도를 보장한다.

UDP 특징

기능이 거의 없음
비 연결지향 - handshakeking x
데이터 전달 보증 x
순서 보장 x
빠른 전송 속도
신뢰성 보다 연속성이 중요한 서비스 (ex, 유튜브 동영상 같은 스트리밍 어플리케이션)에 자주 사용 됨

** 체크섬(checksum)은 중복 검사의 한 형태로, 오류 정정을 통해, 공간(전자 통신)이나 시간(기억 장치) 속에서 송신된 자료의 무결성을 보호하는 단순한 방법이다. 하지만 이 방법에는 결함이 있다. 전송 도중 checksum값이 바뀔 수도 있고 데이터가 변형되었음에도 불구하고 checksum 값이 동일한 경우도 발생할 수 있다.