네트워크 심화 1. IP/IP Packet

네트워크 심화 1. IP/IP Packet

현재 코드스테이츠 강의를 통해 프론트엔드를 학습하고 있습니다.
본 포스트는 해당 강의에 대한 내용 정리를 목적으로 합니다.

학습목표

• 패킷교환 방식의 이점에 대해 이해한다.
• IP의 비순서성, 비신뢰성에 대해 이해한다.
• TCP의 3way handshake 및 그와 비교되는 UDP에 대해 이해한다.

1. 네트워크의 시작

• 회선교환 방식
  : 패킷교환 방식이 등장하기 전에 사용했던 통신 방법

  • 발신자와 수신자를 연결하기 위해 각각 할당된 전용선을 연결하는 방식으로 통신이 이루어집니다.
  • 내가 연결하고자 하는 상태가 다른 상대와 연결 중일 경우, 해당 연결이 끊어진 후에야 상대방과 연결할 수 있습니다.
  • 특정 회선이 끊어지는 경우, 처음부터 다시 연결이 필요합니다.
    
    

• 패킷교환 방식
  : 소포를 보내듯 출발지와 목적지 정보를 가진 단위로 데이터를 잘게 나누어 전송하는 방식

  • 특정 회선이 전용선으로 할당되지 않기 때문에 빠르고 효율적으로 데이터 전송이 가능합니다.
  • 인터넷 프로토콜, 줄여서 IP는 출발지와 목적지의 정보를 IP 주소라는 특정한 숫자값으로 표기하고 패킷단위로 데이터를 전송하게 되었습니다.

  1.1 IP/IP Packet

  IP는 지정한 IP 주소(IP Address)에 패킷(Packet)이라는 통신 단위로 데이터 전달을 합니다.
  IP 패킷(Packet)은 Pack과 bucket이 합쳐진 단어로 소포로 비유할 수 있습니다. IP 패킷은 우체국 송장처럼 전송 데이터를 무사히 전송하기 위해 출발지 IP, 목적지 IP와 같은 정보가 포함되어 있습니다.

  

패킷 단위로 전송을 하면 노드들은 목적지 IP에 도달하기 위해 서로 데이터를 전달합니다. (여기서 노드는 하나의 서버 컴퓨터를 의미합니다.)
이를 통해 복잡한 인터넷 망 사이에서도 정확한 목적지로 패킷을 전송할 수 있습니다.

서버에서 무사히 데이터를 전송받는다면 서버 역시 IP 패킷을 이용해 클라이언트에 응답을 전달합니다.

• IP 프로토콜의 한계

  • 비연결성
    만약 패킷을 받을 대상이 없거나 서비스 불능 상태여도 클라이언트는 서버의 상태를 파악할 방법이 없기 때문에 패킷을 그대로 전송합니다.

  • 비신뢰성

    • 중간에 있는 서버가 데이터를 전달하던 중 장애가 생겨 패킷이 중간에 소실되더라도 클라이언트는 이를 파악할 방법이 없습니다.

    • 전달 데이터의 용량이 클 경우 이를 패킷 단위로 나눠 데이터를 전달하게 되는데 이때 패킷들은 중간에 서로 다른 노드를 통해 전달될 수 있습니다.
      이렇게 되면 클라이언트가 의도하지 않은 순서로 서버에 패킷이 도착할 수 있습니다.

1.2 TCP/UDP

네트워크 프로토콜 계층은 다음과 같이 OSI 7계층과 TCP/IP 4 계층으로 나눌 수 있습니다.

다음 이미지는 채팅 프로그램에서 메시지를 보낼 때 어떤 일이 일어나는지에 대한 내용입니다.
먼저 HTTP 메시지가 생성되면 Socket을 통해 전달됩니다.
프로그램이 네트워크에서 데이터를 송수신할 수 있도록, 네트워크 환경에 연결할 수 있게 만들어진 연결부가 바로 네트워크 소켓(Socket)입니다.
그리고 IP 패킷을 생성하기 전 TCP 세그먼트를 생성합니다.

TCP 세그먼트에는 IP패킷의 출발지 IP와 목적지 IP 정보를 보완할 수 있는 출발지 PORT, 목적지 PORT, 전송 제어, 순서, 검증 정보 등을 포함합니다.

1.2.1 TCP 특징

: 전송 제어 프로토콜(Transmission Control Protocol)

• 연결 지향 - TCP 3 way handshake(가상 연결)
  : TCP는 장치들 사이에 논리적인 접속을 성립하기 위해서 3 way handshake를 사용하는 연결 지향형 프로토콜입니다.

연결 방식은 다음과 같습니다.

1. 클라이언트는 서버에 접속을 요청하는 SYN 패킷을 보냅니다.
2. 서버는 SYN 요청을 받고 클라이언트에게 요청을 수락한다는 ACK와 SYN가 설정된 패킷을 발송하고 클라이언트가 다시 ACK으로 응답하기를 기다립니다.
3. 클라이언트가 서버에게 ACK을 보내면 이 이후로부터 연결이 성립되며 데이터를 전송할 수 있습니다.
   만약 서버가 꺼져있다면 클라이언트가 SYN을 보내고 서버에서 응답이 없기 때문에 데이터를 보내지 않습니다.

현재에는 최적화가 이뤄져 3번 ACK를 보낼때 데이터를 함께 보내기도 합니다.
*SYN은 Synchronize, ACK는 Acknowledgment의 약자입니다.

• 데이터 전달 보증
  : TCP는 데이터 전송이 성공적으로 이뤄진다면 이에 대한 응답을 돌려주기 때문에 IP 패킷의 한계인 비연결성을 보완할 수 있습니다.

• 순서 보장
  : 만약 패킷이 순서대로 도착하지 않는다면 TCP 세그먼트에 있는 정보를 토대로 다시 패킷 전송을 요청할 수 있습니다.
  이를 통해 IP 패킷의 한계인 비신뢰성(순서를 보장하지 않음)을 보완할 수 있습니다.
  

• 신뢰할 수 있는 프로토콜

  1.2.2 UDP 특징

  : 사용자 데이터그램 프로토콜(User Datagram Protocol)

• 하얀 도화지에 비유(기능이 거의 없음)

• 비 연결지향 - TCP 3 way handshake X

• 데이터 전달 보증 X

• 순서 보장 X

• 데이터 전달 및 순서가 보장되지 않지만, 단순하고 빠름

• 신뢰성보다는 연속성이 중요한 서비스(e.g. 실시간 스트리밍)에 자주 사용됨.

  UDP는 IP 프로토콜에 PORT, 체크섬 필드 정보만 추가된 단순한 프로토콜입니다.
  위의 TCP 특징과 비교해보면 신뢰성은 낮지만 3 way handshake 방식을 사용하지 않기 때문에 TCP와 비교해 빠른 속도를 보장합니다.

  HTTP3는 UDP를 사용하며 이미 여러 기능이 구현된 TCP보다는 하얀 도화지처럼 커스터마이징이 가능하다는 장점이 있습니다.