CS 스터디를 하며 정리한 내용입니다.
개요
- 네트워크를 공부하며 작성한 글입니다.
- 네트워크의 기초 개념에 대해 알아봅니다.
핵심 용어
- 네트워크: 분산되어 있는 컴퓨터를 통신망으로 연결한 것. 노드와 링크가 연결되어 리소스를 공유하는 집합이다.
- 네트워크 토폴로지: 노드와 링크의 배치 및 연결 형태.
- 네트워크 프로토콜: 다른 장치들끼리 데이터를 주고받기 위해 설정된 공통된 인터페이스.
주요 개념
- 처리량과 지연 시간
- 네트워크 토폴로지와 병목 현상
- 네트워크 분류 - LAN, MAN, WAN
- 네트워크 성능 분석 명령어
- 네트워크 프로토콜
네트워크란?
네트워크는 컴퓨터 등의 통신 장치들의 연결망을 뜻하며, 노드와 링크가 서로 연결되어 리소스를 공유하는 집합이다. 네트워크는 장치 간의 데이터 및 정보 공유를 가능하게 한다.
- 노드(Node): 네트워크의 모든 통신 장치를 노드라고 하며 네트워크 내에서 데이터와 정보를 주고받을 수 있다. 노드의 예로는 컴퓨터, 랩톱, 프린터, 서버, 모뎀 등이 있다.
- 링크(Link): 네트워크의 두 노드 사이 연결을 나타내며 노드 간 연결 유형(유선/무선)과 한 노드가 다른 노드와 통신하는 데 사용되는 프로토콜이 포함된다.
처리량과 지연 시간
처리량 및 지연 시간은 컴퓨터 네트워크의 성능을 측정하는 중요한 지표이다.
처리량(throughput) 은 주어진 시간 동안 연결을 통해 전송되는 데이터의 양을 뜻한다. 단위로는 bps(bit per second)를 쓰며, 트래픽, 대역폭, 에러, 하드웨어 스펙의 영향을 받는다. ‘많은 트래픽을 처리한다 = 많은 처리량을 가진다’라는 의미이다.
지연 시간(latency) 은 요청이 처리되는 시간으로, 패킷이 한 장치에서 다른 장치로 이동했다가 다시 돌아오는 데 걸리는 시간을 측정한 값을 뜻한다.(e.g. 클라이언트 ↔ 서버) 매체 타입(유/무선), 패킷 크기, 라우터의 패킷 처리 시간의 영향을 받는다. ping 시간을 측정하여 네트워크 지연 시간을 측정할 수 있다.
처리량과 지연 시간이 중요한 이유
고성능 네트워크는 수익 창출과 운영 효율성에 직접적인 영향을 미친다. 처리량이 적고 지연 시간이 긴 네트워크는 많은 양의 데이터를 전송 및 처리하는 데 어려움을 겪으며 이로 인해 정체가 발생하고 애플리케이션 성능이 저하된다. 반대로 처리량이 많고 지연 시간이 짧은 네트워크는 반응성이 뛰어나고 효율적이다.
네트워크 토폴로지와 병목 현상
네트워크 토폴로지
네트워크 토폴로지(network topology) 는 컴퓨터, 라우터, 허브와 같은 네트워크 장비들의 연결 형태, 즉 네트워크의 물리적 연결 형태를 의미한다. 대표적으로 트리형, 버스형, 스타형, 링형, 메시형 등이 있다.
트리 토폴로지(계층형)
특징
하나의 통신 회선에 트리 형태로 통신망이 구축되어 있으며, 버스 토폴로지와 스타 토폴로지의 특성이 결합되어 있다.
장점
- 노드의 추가 삭제가 간단하며 확장이 용이하다.
- 통신 선로 길이가 짧다.
- 관리 및 오류 감지가 쉽다.
단점
- 단방향 통신이다.
- 상위 노드 문제 발생 시 하위 노드에 영향을 미친다.
응용
- 케이블TV
버스 토폴로지
특징
- 하나의 통신 회선에 모든 노드가 연결되어 있는 형태로, 간단하고 신뢰성이 높다.
- 노드에서 네트워크를 통해 데이터를 보내면 해당 데이터는 네트워크 상의 모든 노드에 전달된다. 단, 데이터의 목적지 주소와 일치하는 노드만 데이터를 수신한다. (해당 특성은 아래 단점과 연관성을 가짐)
장점
- 하나의 통신회선을 여러 노드가 공유 가능함.
- 물리적 구조가 간단하고 노드의 추가/삭제 간단함.
- 경로 제어 불필요함.
단점
- 통신 회선 길이의 제약이 있음.
- 기밀성을 제공하지 않기 때문에 그렇기 때문에 스푸핑, 스니핑 등이 가능하다는 문제점이 있음.(CSMA/CD) 스푸핑이란?
- **스푸핑(Spoofing)**: 사용자의 시스템 권한을 획득한 뒤, 특정 노드에 송신 중인 패킷을 오도록하여 정보를 빼가는 해킹 수법.
- **스니핑(Sniffing)**: 자신이 아닌 상대방의 패킷 교환을 훔쳐보는 행위를 의미함.
- **스누핑(Snooping)**: 네트워크 상에 떠도는 중요 정보를 몰래 획득하는 행위를 의미함.
응용
- 사무실 등의 근거리 통신망(LAN)
스타 토폴로지
특징
- 고도의 신뢰성을 갖는 중앙노드가 필요하며, 중앙노드(허브)에 End-Device를 직접 연결시킨 형태이다. 높은 신뢰성을 가진다. - 이더넷 100BaseT는 가장 널리 사용되는 스타 토폴로지 네트워크 중 하나이다.
장점
- 각 노드가 자체 케이블을 사용하여 중앙 허브에 연결되므로 하나의 노드에 오류가 발생해도 전체 네트워크에 영향을 미치지 않는다.
- 통신의 기밀성이 제공된다.
- 중앙 집중 제어용으로 유지와 관리가 편하며, 오류 발견이 쉽다.
단점
- 중앙 허브나 스위치가 다운되면 연결된 모든 노드가 서로 통신할 수 없으며, 전체 네트워크에 장애가 발생한다.
- 다수의 케이블이 필요해 네트워크 설치 비용이 많이 든다.
응용
- 은행C/S, 전화 교환망
링형 토폴로지
특징
- 각자의 노드가 양 옆의 두 노드와 연결되어 전체적으로 하나의 링 형태를 이루어 연속된 길을 통해 통신하는 형태이다.
- 노드에서 노드로 데이터가 이동하며, 단방향으로 흐른다.
장점
- 설치 비용이 저렴하다.
- 오류 및 고장 발견이 쉽다.
단점
- 하나의 장치 오류가 전체 네트워크 장애를 발생시킨다.
- 네트워크에 새 장치가 추가되면 네트워크 속도가 느려진다. (지연 시간이 늘어난다.)
응용
- RPR
메시 토폴로지
특징
- 노드를 다른 모든 노드와 서로 연결시킨 형태로, 다수의 경로로 통신하며 라우팅이 필요하다.
- 주로 WAN 환경에서 많이 활용된다.
- 메시 토폴로지의 케이블 수는 다음 공식을 사용하여 계산된다.
케이블 수 = (n*(n-1))/2;
장점
- 여러 개의 경로가 존재하므로 한 단말 장치에 장애가 생겨도 경로를 우회하여 네트워크를 계속 사용할 수 있으며(신뢰성↑) 트래픽 분산 처리가 가능하다.
- 노드 간 통신이 매우 빠르다.
단점
- 고도의 라우팅 프로토콜이 필요하다.
- 노드의 추가가 어렵고 구축 비용과 운용 비용이 많이 든다.
응용
- 인터넷
하이브리드 토폴로지
하이브리드 토폴로지는 두개 이상의 서로 다른 토폴로지가 결합된 네트워크 형태를 뜻한다.
조직의 요구사항에 따라 유연하게 설계할 수 있고, 네트워크의 강점은 극대화하면서 약점은 최소화하는 방식으로 설계할 수 있다는 장점이 있다. 아키텍처가 복잡하며 하이브리드 토폴로지에 사용되는 허브가 비싸고 인프라 비용이 높아 비용이 많이 든다는 단점 또한 존재한다.
병목 현상(bottleneck phenomenon)
하나의 구성 요소로 인해 전체 시스템의 성능이나 용량이 제한을 받는 현상이다.
예시로 서비스 접속자 수가 갑작스럽게 늘어나 트래픽이 많아지는 경우 트래픽을 잘 관리하지 못하면 병목 현상이 생겨 사용자의 서비스 접속에 영향을 줄 수 있다. 네트워크 토폴로지 확인이 선행되면 이러한 병목 현상을 올바르게 해결할 수 있다.
네트워크 분류 - LAN, MAN, WAN
네트워크는 규모를 기반으로 아래 세 가지 형태로 분류된다.
LAN(Local Area Network)
- 사무실, 캠퍼스 등 같은 건물이나 지역을 연결하는 근거리 네트워크를 의미한다. 전송 속도가 빠르고 혼잡도가 낮다.
MAN(Metropolitan Area Network)
- 대도시 지역을 연결하는 네트워크를 의미한다. 전송 속도는 보통이며 LAN보다 혼잡도가 높다.
WAN(Wide Area Network)
- 국가 또는 대륙 같은 넓은 지역에서 운영되는 광역 네트워크를 의미한다. 전송 속도가 느리고 MAN보다 혼잡도가 높다.
이외 블루투스 장치 연결과 같은 개인 영역 네트워크인 PAN, 위성을 이용해 지구를 연결하는 글로벌 영역 네트워크인 GAN도 네트워크 분류에 포함될 수 있다.
네트워크 성능 분석 명령어
네트워크 병목 현상의 원인 파악 및 문제 해결을 위해 네트워크 성능 분석이 선행되어야 합니다.
- ping: 네트워크 상태를 확인하려는 대상 노드를 향해 일정 크기의 패킷을 전송하는 명령어. 해당 노드의 패킷 수신 상태와 도달하기까지의 시간, 네트워크 연결 상태 등을 알 수 있으며 이를 통해 네트워크 지연 시간을 측정할 수 있다.
ping [IP 주소 or 도메인 주소] - netstat: 접속되어 있는 서비스들의 네트워크 상태를 표시하는 데 사용되며 주로 서비스의 포트가 열려 있는지 확인할 때 사용한다.
netstat - nslookup: DNS 관련 내용을 확인하기 위해 사용하는 명령어로, 특정 도메인에 매핑된 IP를 확인할 수 있다.
nslookup - tracert: 목적지 노드까지의 네트워크 경로를 확인할 때 사용하는 명령어로, 목적지 노드까지의 구간들 중 어느 구간에서 응답 시간이 느려지는지 등을 확인할 수 있다.
tracert [IP 주소 or 도메인 주소]
네트워크 프로토콜
네트워크에서 프로토콜은 다른 장치들끼리 데이터를 주고받기 위해 설정된 공통된 인터페이스로, 특정 표준화 단체를 통해 정해진다. 네트워크 프로토콜은 컴퓨터의 공통 언어와 같다. 네트워크 내의 컴퓨터들은 서로 상이한 소프트웨어와 하드웨어를 사용할 수 있는데, 프로토콜을 사용하면 서로 통신이 가능하다. 세계의 다른 지역에서 온 두 사람이 서로의 모국어를 이해하지 못하지만, 공유하는 제 3 언어를 사용하여 소통할 수 있는 것과 유사하다.
참고 자료
