네트워크

• 네트워크는 노드와 링크가 서로 연결되어 있거나 연결되어 있지 않은 집합체를 의미
• 여기서 노드란 서버, 라우터, 스위치 등 네트워크 장치를 의미
• 여기서 링크란 유선 또는 무선을 의미

처리량과 지연시간

• 좋은 네트워크란 많은 처리량을 처리하고 지연시간이 짧고 장애 빈도가 적고 좋은 보안을 갖춘 네트워크를 말한다.

처리량

• 처리량이란 링크를 통해 전달되는 단위 시간 당 데이터 양
• 단위: bps(bits per second) - 초당 전송 또는 수신되는 비트 수를 의미
• 처리량은 사용자들이 접속할 때마다 커지는 트래픽, 네트워크 장치 간의 대역폭, 네트워크 중간에 발생하는 에러, 장치의 하드웨어 스펙에 영향을 받는다.
  

잠깐) 대역폭

• 주어진 시간 동안 네트워크 연결을 통해 흐를 수 있는 최대 비트 수

지연시간

• 지연시간이란 요청이 처리되는 시간을 말하며 어떤 메시지가 두 장치 사이를 왕복하는데 걸린시간을 의미
• 지연시간은 매체 타입(무선,유선), 패킷 크기, 라우터의 패킷 처리 시간에 영향을 받는다.
  

네트워크 토폴로지

• 네트워크 토폴로지는 노드와 링크가 어떻게 배치되어 있는지에 대한 방식이자 연결 형태를 의미

트리 토폴로지

• 계층형 토폴로지라고도 하며 트리 형태로 배치한 네트워크 구성을 의미
• 노드의 추가, 삭제가 쉬우며 특정 노드에 트래픽이 집중될때 하위 노드에 영향을 끼칠 수 있다

버스 토폴로지

• 버스 토폴로지는 중앙 통신 회선 하나에 여러 개의 노드가 연결되어 공유하는 네트워크를 의미
• 근거리 통신망(LAN)에서 사용
• 설치 비용이 적고 신뢰성이 우수
• 중앙 통신 회선에 노드를 추가하거나 삭제가 쉽다
• 스푸핑이 가능한 문제점이 있다
  

스푸핑

• 스푸핑은 LAN상에서 송신부의 패킷을 송신과 관련 없는 다른 호스트에 가지 않도록 하는 스위칭 기능을 마비시키거나 속여서 특정 노드에 해당 패킷이 오도록 처리하는 것을 의미
  

스타 토폴로지

• 스타 토폴로지는 중앙에 있는 노드에 모두 연결된 네트워크 구성을 의미
• 노드를 추가하거나 에러를 탐지하기 쉽고 패킷의 충돌 발생 가능성이 적다
• 어떠한 노드에 장애가 발생하여도 쉽게 에러 발견이 가능
• 장애 노드가 중앙 노드가 아닐경우 다른 노드에 영향이 적다
• 중앙 노드에 장애가 발생 시 전체 네트워크를 사용할 수 없다
• 설치 비용이 비싸다
  

링형 토폴로지

• 링형 토폴로지는 각각의 노드가 양 옆의 두 노드와 연결하여 전체적으로 고리처럼 하나의 연속된 길을 통해 통신을 하는 망 구성 방식을 의미
• 데이터는 노드에서 노드로 이동, 각각의 노드는 고리 모양의 길을 통해 패킷을 처리
• 노드 수가 증가되어도 네트워크상의 손실이 거의 없고 충돌이 발생되는 가능성이 적고 노드의 고장 발견을 쉽게 찾을 수 있다.
• 네트워크 구성 변경이 어렵고 회선에 장애가 발생하면 전체 네트워크에 영향을 크게 끼치는 단점 존재
  

메시 토폴로지

• 메시 토폴로지는 망향 토폴로지고도 하며 그물망처럼 연결되어 있는 구조를 의미
• 한 단말 장치에 장애가 발생하여도 여러 개의 경로가 존재하므로 네트워크를 계속 사용 가능
• 트래픽도 분산처리 가능
• 노드의 추가가 어렵고 구축비용과 운용비용이 비싸다
  

병목현상

• 전체 시스템의 성능이나 용량이 하나의 구성 요소로 인해 제한을 받는 현상
• 서비스에서 이벤트를 열었을 때 트래픽이 많이 생기고 그 트래픽을 잘 관리하지 못하면 병목현상으로 인해 웹 사이트에 접속하지 못한다.

네트워크 분류

• 네트워크는 규모를 기반으로 분류 가능

LAN

• 근거리 통신망을 의미
• 같은 건물이나 캠퍼스 같은 좁은 공간에서 운영
• 전송속도가 빠르고 혼잡하지 않다

MAN

• 대도시 지역 네트워크를 나타내며 도시 같은 넓은 지역에서 운영
• 전송 속도는 평균이며 LAN보다 더 많이 혼잡

WAN

• 광역 네트워크를 의미
• 국가 또는 대륙 같은 더 넓은 지역에서 운영
• 전송 속도가 느리며 MAN보다 더 많이 혼잡
  

네트워크 성능 분석 명령어

상황) 애플리케이션 코드상에는 전혀 문제가 없지만 사용자가 서비스로부터 데이터를 가져오지 못하는 상황이 발생되기도 한다. 이는 네트워크 병목현상 가능성이 높다.

병목현상 주된 원인

• 네트워크 대역폭
• 네트워크 토폴로지
• 서버 CPU, 메모리 사용량
• 비효율적인 네트워크 구성

명령어

ping(packet Internet Groper)

• 네트워크 상태를 확인하려는 대상 노드를 향해 일정 크기의 패킷을 전송하는 명령어
• 패킷 전송을 통해 해당 노드의 패킷 수신 상태와 도달하기까지 시간 등을 알 수 있으며 해당 노드까지 네트워크가 잘 연결되어 있는지 확인 가능
• TCP/IP 프로토콜 중에 ICMP 프로토콜을 통해 동작
  -> 이 때문에 ICMP 프로토콜을 지원하지 않는 기기를 대상으로는 실행할 수 없거나 네트워크 정책상 ICMP나 traceroute를 차단하는 대상의 경우 ping 테스팅이 불가능

ex) -n 12옵션을 넣어서 12번 패킷을 보내고 12번 패킷을 받는 모습

netstat

• 접속되어 있는 서비스들의 네트워크 상태를 표시하는데 사용
• 네트워크 접속, 라우팅 테이블, 네트워크 프로토콜 등 리스트를 보여준다
• 주로 서비스의 포트가 열러 있는지 확인할 때 사용

ex) 현재 내가 접속하고 있느 사이트 등에 관한 네트워크 상태 리스트

nslookup

• DNS에 관련된 내용을 확인하기 위해 사용하는 명령어
• 특정 도메인에 매핑된 IP를 확인하기 위해 사용

ex) google.com의 DNS를 확인하는 모습

tracert

• 윈도우에서는 tracert, 리눅스에서는 traceroute라는 명령어 구동
• 목적지 노드까지 네트워크 경로를 확인할 때 사용하는 명령어
• 목적지 노드까지 구간들 중 어느 구간에서 응답 시간이 느려지는지 등을 확인 가능

ex) 구글 사이트에 도달하기까지의 경로 추적 모습

네트워크 프로토콜 표준화

• 네트워크 프로토콜이란 다른 장치들끼지 데이터를 주고받기 위해 설정된 공통된 인터페이스를 의미
• 기업이나 개인이 발표해서 정하는 것이 아니라 IEEE 또는 IETF라는 표준화 단체가 정한다

ex) IEEE802.3

• 유선 LAN 프로토콜로, 유선으로 LAN을 구축할 때 쓰이는 프로토콜
• 만든 곳이 다른 기업끼리도 서로 데이터를 수신 가능

ex) HTTP

• 서로 약속된 인터페이스
• 프로토콜을 통해 노드들은 웹 서비스를 기반으로 데이터를 주고 받을 수 있다.

TCP/IP 4계층 모델

계층 구조

• 이 계층들은 특정 계층이 변경되었을 때 다른 계층이 영향을 받지 않도록 설계 되었다
  

TCP/IP 4계층 스택

애플리케이션 계층

• FTP, HTTP, SSH, SMTP, DNS 등 응용 프로그램이 사용되는 프로토콜 계층
• 웹 서비스, 이메일 등 서비스를 실질적으로 사람들에게 제공하는 층

잠깐) FTP, HTTP, SSH, SMTP, DNS

FTP: 장치와 장치 간의 파일을 전송하는 데 사용되는 표준 통신 프로토콜

SSH: 보안되지 않은 네트워크에서 네트워크 서비스를 안전하게 운영하기 위한 암호화 네트워크 프로토콜

HTTP: World Wide Web을 위한 데이터 통신의 기초이자 웹 사이트를 이용하는 데 쓰는 프로토콜

SMTP: 전자 메일 전송을 위한 인터넷 표준 통신 프로토콜

DNS: 도메인 이름과 IP 주소를 매핑해주는 서버, 예를 들어 www.naver.com에 DNS 쿼리가 오면 [Root DNS] → [.com DNS] → [.naver DNS] → [.www DNS] 과정을 거쳐 완벽한 주소를 찾아 IP 주소를 매핑한다. 이를 통해 IP 주소가 바뀌어도 사용자들에게 똑같은 도메인 주소로 서비스할 수 있다. 예를 들어 www.naver.com의 IP 주소가 222.111.222.111에서 222.111.222.122로 바뀌었음에도 똑같은 www.naver.com이라는 주소로 서비스가 가능하다.

전송 계층

• 송신자와 수신자를 연결하는 통신 서비스를 제공
• 애플리케이션과 인터넷 계층 사이의 데이터가 전달될 때의 중계 역할
• TCP, UDP가 있다

TCP

• 패킷 사이의 순서를 보장하고 연결지향 프로토콜을 사용해서 연결을 하며 신뢰성을 구축해서 수신 여부를 확인
• '가상회선 패킷 교환 방식' 사용

잠깐) 가상회선 패킷 교환 방식 & 데이터그램 패킷 교환 방식

가상회선 패킷 교환 방식
- 가상회선 패킷 교환 방식은 각 패킷에는 가상회선 식별자가 포함되며 모든 패킷을 전송하면 가상회선이 해제되고 패킷들은 전송된 ‘순서대로’ 도착하는 방식

데이터그램 패킷 교환 방식

• 데이터그램 패킷 교환 방식이란 패킷이 독립적으로 이동하며 최적의 경로를 선택하여 가는데, 하나의 메시지에서 분할된 여러 패킷은 서로 다른 경로로 전송될 수 있으며 도착한 ‘순서가 다를 수’ 있는 방식
  

TCP 연결 성립 과정

• TCP는 신뢰성을 확보할 때 '3-way handshake'라는 작업을 진행
• 3-way handshake 과정 이후 신뢰성이 구축되고 데이터 전송을 시작(TCP: 신뢰성 O, UDP: X)
  

SYN(SYNchronization, 연결요청 플래그) 단계
클라이언트는 서버에 클라이언트의 ISN을 담아 SYN을 보낸다. ISN은 새로운 TCP 연결의 첫 번째 패킷에 할당된 임의의 시퀀스 번호를 말한다. 이는 장치마다 다를 수 있다.

SYN + ACK(ACKnowledgement, 응답 플래그) 단계
서버는 클라이언트의 SYN을 수신하고 서버의 ISN을 보내며 승인번호로 클라이언트의 ISN +1을 보낸다

ACK 단계
클라이언트는 서버의 ISN(Initial Sequence Numbers, 초기 네트워크 연결을 할 때 할당된 32비트 고유 시퀀스 번호) + 1한 값인 승인번호를 담아 ACK를 서버에 보낸다

TCP 연결 해제 과정

• TCP가 연결을 해제할 때는 4-way handshake 과정이 발생
  

1번: 먼저 클라이언트가 연결을 닫으려고 할 때 FIN으로 설정된 세그먼트를 보낸다. 그리고 클라이언트는 FIN_WAIT_1 상태로 들어가고 서버의 응답을 기다린다.

2번: 서버는 클라이언트로 ACK라는 승인 세그먼트를 보낸다. 그리고 CLOSE_WAIT 상태에 들어간다. 클라이언트가 세그먼트를 받으면 FIN_WAIT_2 상태에 들어간다

3번: 서버는 ACK를 보내고 일정 시간 이후에 클라이언트에 FIN이라는 세그먼트를 보낸다

4번: 클라이언트는 TIME_WAIT 상태가 되고 다시 서버로 ACK를 보내서 서버는 CLOSED 상태가 된다. 이후 클라이언트는 어느 정도의 시간을 대기한 후 연결이 닫히고 클라이언트와 서버의 모든 자원의 연결이 해제된다.

why?
연결을 닫으면 되는데 왜 굳이 일정 시간 뒤에 닫을까?

1. 지연 패킷이 발생할 경우를 대비
   -> 패킷이 뒤늦게 도달하고 이를 처리하지 못한다면 데이터 무결성 문제가 발생

2. 두 장치가 연결이 닫혔는지 확인하기 위함
   -> 만약 LAST_ACK 상태에서 닫히게 되면 다시 새로운 연결을 하려고 할 때 장치는 줄곧 LAST_ACK로 되어있기 떄문에 접속 오류 발생

따라서 TIME_WAIT을 통해 잠시 기다리는 시간이 필요

잠깐) TIME_WAIT & 데이터 무결성(data integrity)

TIME_WAIT
소켓이 바로 소멸되지 않고 일정 시간 유지되는 상태를 말하며 지연 패킷 등의 문제점을 해결하는 데 쓰인다. CentOS6, 우분투에는 60초로 설정되어 있으며 윈도우는 4분으로 설정되어 있다. 즉, OS마다 조금씩 다를 수 있다.

데이터 무결성
데이터의 정확성과 일관성을 유지하고 보증하는 것

인터넷 계층

• 장치로부터 받은 네트워크 패킷을 IP주소로 지정된 목적지로 전송하기 위해 사용되는 계층
• IP, ARP, ICMP 등이 존재
• 패킷을 수신해야할 상대의 주소를 지정하여 데이터를 전달
• 상대방이 제대로 받았는지에 대해 보장하지 않는 비연결형적인 특징을 갖고 있다

링크 계층

• 전선, 광섬유, 무선 등으로 실질적으로 데이터를 전달
• 장치 간에 신호를 주고받는 '규칙'을 정하는 계층
• 네트워크 접근 계층이라고도 한다.

유선LAN(IEEE802.3)

• 유선 LAN을 이루는 이더넷은 IEEE802.3이라는 프로토콜을 따르며 전이중화 통신을 사용

전이중화 통신

• 전이중화 통신은 양쪽 장치가 동시에 송수신할 수 있는 방식
• 송신로와 수신로로 나눠서 데이터를 주고받으며 현대의 고속 이더넷은 이 방식을 기반으로 통신
  

CSMA/CD

• 이전에는 유선 LAN에 '반이중화 통신' 중 하나인 CSMA/CD 방식을 사용
• 데이터를 '보낸 이후' 충돌이 발생한다면 일정 시간 이후 재전송하는 방식
• 수신로와 송신로를 각각 둔 것이 아니고 한 경로를 기반으로 데이터를 보내기 때문에 데이터를 보낼 때 충돌에 대해 대비해야 한다.

유선LAN을 이루는 케이블

• 유선 LAN을 이루는 케이블로는 TP 케이블이라고 하는 트위스트 페어 케이블과 광섬유 케이블이 대표적

트위스트 페어 케이블

• 하나의 케이블처럼 보이지만 실제로 여덟개의 구리선을 두개 씩 꼬아서 묶을 케이블을 지칭

광섬유 케이블

• 광섬유로 만든 케이블
• 레이저를 이용해서 통신하기 때문에 구리선과 비교할 수 없을 만큼 장거리 및 고속통신이 가능
• 보통 100Gbps의 데이터를 전송

• 광섬유 내부와 외부를 다른 밀도를 가지는 유리나 플라스틱 섬유로 제작해서 한번 들어간 빛이 내부에서 계속적으로 반사하며 전진하여 반대편 끝까지 가는 원리를 이용

무선 LAN(IEEE802.11)

• 수신과 송신에 같은 채널을 사용하기 때문에 반이중화 통신을 사용

반이중화 통신

• 양쪽 장치는 서로 통신할 수 있지만, 동시에는 통신할 수 없으며 한번에 한 방향만 통신이 가능한 방식
  

• 일반적으로 장치가 신로를 수신하기 시작하면 응답하기 전에 전송이 완료될 때까지 기다려야 한다.

• 둘 이상의 장치가 동시에 전송하면 충돌이 발생 -> 메시지 손실, 왜곡으로 인해 충돌 방지 시스템이 필요

CSMA/CA

• 반이중화 통신 중 하나로 장치에서 데이터를 보내기 전에 케리어 감지 등으로 사전에 가능한 충돌을 방지하는 방식

1. 데이터를 송신하기 전에 무선 매체를 살핀다
2. 케리어 감지: 회선이 비어있는지 판단
3. IFS(Inter FrameSpace): 랜덤 값을 기반으로 정해진 시간만큼 기다리며, 만약 무선 매체가 사용 중이면 점차 그 간격을 늘려가며 기다린다.
4. 이후에 데이터를 송신

무선 LAN을 이루는 주파수

• 무선 LAN은 무선 신호 전달 방식을 이용
• 2대 이상의 장치를 연결하는 기술
• 5GHz 대역을 사용하는 것이 좋다

와이파이

• 전자기기들이 무선 LAN 신호에 연결할 수 있게 하는 기술
• 무선 접속 장치(AP)가 있어야 한다
  -> 이를 통해 유선 LAN에 흐르는 신호를 무선 LAN 신로로 바꿔주어 신호가 닿는 범위 내에서 무선 인터넷을 사용 가능

BSS(Basic Service Set)

• 기본 서비스 집합을 의미
• 동일 BSS내에 있는 AP들과 장치들이 서로 통신이 가능한 구조를 의미
• 근거리 무선 통신을 제공
• 하나의 AP만을 기반으로 구축되어 있어 사용자가 한 곳에서 다른 곳으로 자유롭게 이동하며 네트워크 접속하는 것은 불가능

ESS(Extended Service Set)

• 하나 이상의 연결된 BSS 그룹
• 장거리 무선 통신을 제공
• BSS보다 더 많은 가용성과 이동성을 지원
• 사용자가 다른 장소로 이동하며 중단 없이 네트워크 사용이 가능
  

이더넷 프레임

• 데이터 링크 계층은 이더넷 프레임을 통해 전달받은 데이터의 에러를 검출하고 캡슐화한다

• Preamble: 이더넷 프레임이 시작임을 알립니다.
• SFD(Start Frame Delimiter): 다음 바이트부터 MAC 주소 필드가 시작됨을 알립니다.
• DMAC, SMAC: 수신, 송신 MAC 주소를 말합니다.
• EtherType: 데이터 계층 위의 계층인 IP 프로토콜을 정의합니다. 예를 들어 IPv4 또는 IPv6가 됩니다.
• Pyload: 전달받은 데이터
• CRC: 에러 확인 비트

잠깐) MAC 주소

• 컴퓨터나 노트북 등 각 장치에는 네트워크에 연결하기 위한 장치(LAN 카드)가 있는데, 이를 구별하기 위한 식별번호를 의미
• 6바이트(48비트)로 구성

계층 간 데이터 송수신 과정

1.애플리케이션 계층에서 전송 계층으로 사용자가 보내는 요청값들이 캡슐화 과정을 거쳐 전달
2. 다시 링크 계층을 통해 해당 서버와 통신을 하고, 해당 서버의 링크 계층으로부터 애플리케이션까지 비캡슐화 과정을 거쳐 데이터가 전송된다.

캡슐화 과정

• 상위 계층의 헤더와 데이터를 하위 계층의 데이터 부분에 포함시키고 해당 계층의 헤더를 삽입하는 과정

1. 애플리케이션 계층의 데이터가 전송 계층으로 전달되면서 ‘세그먼트’ 또는 ‘데이터그램’화되며 TCP(L4) 헤더가 붙여진다.
2. 이후 인터넷 계층으로 가면서 IP(L3) 헤더가 붙여지게 되며 ‘패킷’화가 되고, 이후 링크 계층으로 전달되면서 프레임 헤더와 프레임 트레일러가 붙어 ‘프레임’화가 된다.

비캡슐화 과정

• 하위 계층에서 상위 계층으로 가며 각 계층의 헤더 부분을 제거하는 과정

1. 이렇게 캡슐화된 데이터를 받게 되면 링크 계층에서부터 타고 올라오면서 프레임화된 데이터는 다시 패킷화를 거쳐 세그먼트, 데이터그램화를 거쳐 메시지화가 되는 비캡슐화 과정이 일어난다.
2. 그 이후 최종적으로 사용자에게 애플리케이션의 PDU인 메시지로 전달됩니다.

PDU(Protocol Data Unit)

• 네트워크의 어떠한 계층에서 계층으로 데이터가 전달될 때 한 덩어리의 단위
• 제어 관련 정보들이 포함된 '헤더', 데이터를 의미라는 '페어로드'로 구성
• 계층마다 부르는 명칭이 다르다

애플리케이션 계층: 메시지
전송 계층: 세그먼트(TCP), 데이터그램(UDP)
인터넷 계층: 패킷
링크 계층: 프레임(데이터 링크 계층), 비트(물리 계층)

참고)
PDU 중 아래 계층인 비트로 송수신하는 것이 모든 PDU 중 가장 빠르고 효율성이 높다
하지만 애플리케이션에서는 문자열을 기반으로 송수신, 그 이유는 헤더이 authorization 값 등 다른 값들을 넣는 확장이 쉽기 때문