네트워크의 시작

네트워크의 탄생 배경

• 지금 우리가 사용하는 인터넷 프로토콜, 즉 IP 기반의 네트워크는 미 국방성에서 1969년 아르파넷(ARPANET) 프로젝트에서 시작되었습니다. 이 프로젝트는 당시 냉전시대에서 핵전쟁을 대비하기 위한 통신망 구축을 위해 추진되었습니다. 이때 기존에 사용되었던 회선교환 방식이 아닌 패킷교환 방식으로 네트워크를 구축하게 되는데 이를 토대로 현재의 인터넷 통신 방식의 기반이 세워졌습니다.

회선교환 방식

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

패킷교환 방식

• 아르파넷 프로젝트에서는 이 문제를 해결하기 위하여 패킷교환 방식의 네트워크를 고안했습니다. 패킷교환 방식은 패킷이라는 단위로 데이터를 잘게 나누어 전송하는 방식입니다. 그래서 각 패킷에는 출발지와 목적지 정보가 있고 이에 따라 패킷이 목적지를 향해 가장 효율적인 방식으로 이동할 수 있습니다. 이를 이용하면 특정 회선이 전용선으로 할당되지 않기 때문에 빠르고 효율적으로 데이터를 전송할 수 있습니다. 그래서 인터넷 프로토콜, 줄여서 IP는 출발지와 목적지의 정보를 IP 주소라는 특정한 숫자값으로 표기하고 패킷단위로 데이터를 전송하게 되었습니다.

IP와 IP Packet

IP 주소 부여

• IP 주소를 이용해 복잡한 인터넷 망 속 수많은 노드(노드는 하나의 서버 컴퓨터)들을 지나 클라이언트와 서버가 통신을 할 수 있게 됩니다.

• IP는 지정한 IP 주소(IP Address)에 패킷(Packet)이라는 통신 단위로 데이터 전달을 합니다.

IP 패킷 정보

• IP 패킷에서 패킷은 pack과 bucket이 합쳐진 단어로 소포로 비유할 수 있습니다.

• IP 패킷은 이를 데이터 통신에 적용한 것이라고 보면 된다.

• IP 패킷은 우체국 송장처럼 전송 데이터를 무사히 전송하기 위해 출발지 IP, 목적지 IP와 같은 정보가 포함되어 있습니다.

클라이언트 패킷 전달

• 패킷 단위로 전송을 하면 노드들은 목적지 IP에 도달하기 위해 서로 데이터를 전달합니다. 이를 통해 복잡한 인터넷 망 사이에서도 정확한 목적지로 패킷을 전송할 수 있습니다.

서버 패킷 전달

• 서버에서 무사히 데이터를 전송받는다면 서버도 이에 대한 응답을 돌려줘야 합니다. 서버 역시 IP 패킷을 이용해 클라이언트에 응답을 전달합니다.

IP 프로토콜 한계

비연결성

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

비신뢰성

• 중간에 있는 서버가 데이터를 전달하던 중 장애가 생켜 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.

TCP/UDP

OSI 7 계층과 TCP/IP 4 계층

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

• IP 프로토콜 보다 더 높은 계층에 TCP 프로토콜이 존재하기 때문에 앞서 다룬 IP 프로토콜의 한계를 보완할 수 있습니다.

• TCP/IP 4계층은 OSI 7계층보다 먼저 개발되었으며 TCP/IP 프로토콜의 계층은 OSI 모델의 계층과 정확하게 일치하지는 않습니다. 실제 네트워크 표준은 업계 표준을 따르는 TCP/IP 4계층에 가깝습니다.

• 먼저 HTTP 메시지가 생성되면 Socket을 통해 전달됩니다. 프로그램이 네트워크에서 데이터를 송수신할 수 있도록, "네트워크 환경에 연결할 수 있게 만들어진 연결부"가 바로 네트워크 소켓(Socket)입니다.

채팅 프로그램에서 메시지를 보낼 때 발생하는 일

TCP/IP 4계층 모델을 기반으로 네트워크의 상황을 나열한 순서

1. 유저가 채팅 프로그램에서 "Hello, World"를 작성하고 전송 버튼을 누릅니다.
2. 애플리케이션 계층에서 HTTP 메시지에 해당 메시지("Hello, World")가 담겨 전송됩니다. 
3. 전송 계층에서 TCP 세그먼트를 생성하고, 인터넷 계층에서 IP 패킷으로 만들어집니다. 
4. 생성된 IP 패킷은 물리적 계층을 지나기 위해서 이더넷 프레임 워크에 포함되어 서버로 전송됩니다.

👇🏻 좀 더 자세한 설명

1. 먼저 HTTP 메시지가 생성되면 Socket을 통해 전달됩니다.
2. 그리고 IP 패킷을 생성하기 전 TCP 세그먼트를 생성합니다.
3. 이렇게 생성된 TCP/IP 패킷은 LAN 카드와 같은 물리적 계층을 지나기 위해 이더넷 프레임 워크에 포함되어 서버로 
   전송됩니다.

TCP / IP 패킷 정보

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

TCP 특징

연결 지향 - TCP 3 way handshake (가상 연결)

• TCP는 장치들 사이에 논리적인 접속을 성립하기 위하여 3 way handshake를 사용하는 연결지향형 프로토콜입니다.

• 연결 방식은 먼저 클라이언트는 서버에 접속을 요청하는 SYN(Synchronize) 패킷을 보냅니다.

• 서버는 SYN(Synchronize)요청을 받고 클라이언트에게 요청을 수락한다는 ACK(Acknowledgment)와 SYN(Synchronize)이 설정된 패킷을 발송하고 클라이언트가 다시 ACK(Acknowledgment)으로 응답하기를 기다립니다.

• 클라이언트가 서버에게 ACK(Acknowledgment)를 보내면 이 이후로부터 연결이 성립되며 데이터를 전송할 수 있습니다.

• 만약 서버가 꺼져있다면 클라이언트가 SYN(Synchronize)을 보내고 서버에서 응답이 없기 때문에 보내지 않습니다.

• 현재에는 최적화가 이루어져 3번 ACK(Acknowledgment)을 보낼때 데이터를 함께 보내기도 합니다.

데어터 전달 보증

• TCP는 데이터 전송이 성공적으로 이루어진다면 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

• TCP는 전송 제어 프로토콜(Transmission Control Protocol)로 같은 계층에 속한 UDP에 비해 상대적으로 신뢰할 수 있는 프로토콜입니다.

UDP 특징

데이터 전달 및 순서가 보장되지 않지만, 단순하고 빠름

• UDP는 사용자 데이터그램 프로토콜(User Datagram Protocol)이라는 의미로 IP 프로토콜에 PORT, 체크 섬 필드 정보만 추가된 단순한 프로토콜입니다.

  • 체크섬(checksum)은 중복 검사의 한 형태로, 오류 정정을 통해, 공간(전자 통신)이나 시간(기억 장치) 속에서 송신된 자료의 무결성을 보호하는 단순한 방법.

비 연결지향 - TCP 3 way handshake X

• 앞서 TCP 특징과 비교해 보면 신뢰성은 낮지만 3 way handshake 방식을 사용하지 않기 때문에 TCP와 비교해 빠른 속도를 보장합니다.

햐얀 도화지에 비유 (기능이 거의 없음)

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

신뢰성 ↓, 연속성 ↑

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

TCP vs UDP

TCP	UDP
연결지향형 프로토콜	비 연결지향형 프로토콜
전송 순서 보장	전송 순서 보장 X
데이터 수신 여부 확인함	데이터 수신 여부 확인하지 않음
신뢰성 높지만 속도 느림	신뢰성 낮지만 속도 빠름

OSI 7계층 모델

네트워크 통신을 계층별로 나눈 이유

• 해당 계층 모델은 ISO(International Organization for Standardization)라고 하는 국제표준화기구에서 1984년에 제정한 표준 규격입니다.

• 네트워크에 대한 표준 규격을 정한 이유는 예전에는 같은 회사에서 만든 컴퓨터끼리만 통신이 가능했던 시절이 있었습니다. 따라서 다른 회사의 시스템이라도 네트워크 유형에 관계없이 상호 통신이 가능한 규약, 즉 프로토콜(Protocol)이 필요했습니다. 그래서 ISO에서는 제조사에 상관없이 공통으로 사용할 수 있는 네트워크 표준 규격을 정의했습니다.

• OSI 7계층 모델은 네트워크를 이루고 있는 구성요소들을 7단계로 나누고, 각 계층의 표준을 정하였습니다. OSI 7계층 모델의 목적은 표준화를 통하여 포트, 프로토콜의 호환 문제를 해결하고, 네트워크 시스템에서 일어나는 일을 해당 계층 모델을 이용해 쉽게 설명할 수 있습니다. 또한 네트워크 관리자가 문제가 발생 했을 때 이것이 물리적인 문제인지, 응용 프로그램과 관련이 있는지 등 원인이 어디에 있는지 범위를 좁혀 문제를 쉽게 파악할 수 있습니다. 즉 사이트에 접속되지 않는다고 해서 무작정 컴퓨터를 껐다 키는 일을 피할 수 있습니다.

OSI 7계층 모델 구분

• 1계층 - 물리 계층: OSI 모델의 맨 밑에 있는 계층으로서, 시스템 간의 물리적인 연결과 전기 신호를 변환 및 제어하는 계층입니다. 주로 물리적 연결과 관련된 정보를 정의합니다. 주로 전기 신호를 전달하는데 초점을 두고, 들어온 전기 신호를 그대로 잘 전달하는 것이 목적입니다.

  • e.g. 디지털 또는 아날로그로 신호 변경

• 2계층 - 데이터링크 계층: 네트워크 기기 간의 데이터 전송 및 물리주소(e.g. MAC 주소)를 결정하는 계층입니다. 물리 계층에서 들어온 전기 신호를 모아 알아 볼 수 있는 데이터 형태로 처리 합니다. 이 계층에서는 주소 정보를 정의하고 출발지와 도착지 주소를 확인한 후, 데이터 처리를 수행합니다.

  • e.g. 브리지 및 스위치, MAC 주소

• 3계층 - 네트워크 계층: OSI 7 계층에서 가장 복잡한 계층 중 하나로서 실제 네트워크 간에 데이터 라우팅을 담당합니다. 이때 라우팅이란 어떤 네트워크 안에서 통신 데이터를 짜여진 알고리즘에 의해 최대한 빠르게 보낼 최적의 경로를 선택하는 과정을 라우팅이라고 합니다.

  • e.g. IP 패킷 전송

• 4계층 - 전송 계층: 컴퓨터간 신뢰성 있는 데이터를 서로 주고받을 수 있도록 하는 서비스를 제공하는 계층입니다. 하위 계층에서 신호와 데이터를 올바른 위치로 보내고 신호를 만드는데 집중했다면, 전송 계층에서는 해당 데이터들이 실제로 정상적으로 보내지는지 확인하는 역할을 합니다. 네트워크 계층에서 사용되는 패킷은 유실되거나 순서가 바뀌는 경우가 있는 데, 이를 바로 잡아주는 역할도 담당합니다.

  • e.g. TCP/UDP 연결

• 5계층 - 세션 계층: 세션 연결의 설정과 해제, 세션 메시지 전송 등의 기능을 수행하는 계층입니다. 즉, 컴퓨터간의 통신 방식에 대해 결정하는 계층이라고 할 수 있습니다. 쉽게 말해, 양 끝 단의 프로세스가 연결을 성립하도록 도와주고, 작업을 마친 후에는 연결을 끊는 역할을 합니다.

• 6계층 - 표현 계층: 응용 계층으로 전달하거나 전달받는 데이터를 인코딩 또는 디코딩하는 계층입니다. 일종의 번역기 같은 역할을 수행하는 계층이라고 볼 수 있습니다.

  • e.g. 문자 코드, 압축, 암호화 등의 데이터 변환

• 7계층 - 응용 계층: 최종적으로 사용자와의 인터페이스를 제공하는 계층으로 사용자가 실행하는 응용 프로그램(e.g. Google Chrome)들이 해당 계층에 속합니다.

  • e.g. 이메일 및 파일 전송, 웹 사이트 조회

데이터 캡슐화

• OSI 7계층 모델은 송신 측의 7계층과 수신 측의 7계층을 통해 데이터를 주고 받습니다. 각 계층은 독립적이므로 데이터가 전달되는 동안에 다른 계층의 영향을 받지 않습니다.

• 데이터를 전송하는 쪽은 데이터를 보내기 위해서 상위 계층에서 하위 계층으로 데이터를 전달합니다. 이때 데이터를 상대방에게 보낼 때 각 계층에서 필요한 정보를 데이터에 추가하는데 이 정보를 헤더(데이터링크 계층에서는 트레일러)라고 합니다. 그리고 이렇게 헤더를 붙여나가는 것을 캡슐화라고 합니다.

• 마지막 물리 계층에 도달하며 송신 측의 데이터링크 계층에서 만들어진 데이터가 전기 신호로 변환되어 수신 측에 전송됩니다.

• 데이터를 받는 쪽은 하위 계층에서 상위 계층으로 각 계층을 통해 전달된 데이터를 받게됩니다. 이때 상위 계층으로 데이터를 전달하며 각 계층에서 헤더(데이터링크 계층에서는 트레일러)를 제거해 나가는 것을 역캡슐화라고 합니다. 역캡슐화를 거쳐 마지막 응용 계층에 도달하면 드디어 전달하고자 했던 원본 데이터만 남게 됩니다.

TCP/IP 4계층 모델

TCP/IP 4계층 모델 구분

• TCP/IP 4계층 모델은 OSI 모델을 기반으로 실무적으로 이용할 수 있도록 현실에 맞춰 단순화된 모델입니다. 쉽게 말해 OSI 7계층 이론을 실제 사용하는, 즉 실용성에 기반을 둔 현대의 인터넷 표준이 TCP/IP 4계층이라고 할 수 있습니다.

• TCP/IP 4계층 모델은 그림과 같이 응용 계층, 전송 계층, 인터넷 계층, 네트워크 접속 계층으로 이루어져 있습니다.

• 4계층: 어플리케이션 계층: OSI 계층의 세션 계층, 표현 계층, 응용 계층에 해당하며 TCP/UDP 기반의 응용 프로그램을 구현할 때 사용합니다.

  • e.g. FTP, HTTP, SSH

• 3계층: 전송 계층: OSI 계층의 전송 계층에 해당하며 통신 노드간의 연결을 제어하고, 신뢰성 있는 데이터 전송을 담당합니다.

  • e.g. TCP/UDP

• 2계층: 인터넷 계층: OSI 계층의 네트워크 계층에 해당하며 통신 노드 간의 IP 패킷을 전송하는 기능 및 라우팅을 담당합니다.

  • e.g. IP, ARP, RARP

• 1계층: 네트워크 인터페이스 계층: OSI 계층의 물리 계층과 데이터 링크 계층에 해당하며 물리적인 주소로 MAC을 사용합니다.

  • e.g. LAN, 패킷망 등에 사용됨

HTTP

HTTP의 역사

• HTTP/1.1, HTTP/2는 TCP 기반이며 HTTP/3는 UDP 기반 프로토콜입니다.

HTTP의 특징

클라이언트 서버 구조

• 클라이언트가 서버에 요청을 보내면 서버는 그에 대한 응답을 보내는 클라이언트 서버 구조로 이루어져 있습니다.

• Request Response 구조로 클라이언트는 서버에 요청을 보내고, 응답을 대기한다. 그리고 서버가 요청에 대한 결과를 만들어 응답한다.

무상태 프로토콜 (Stateless)

• HTTP에서는 서버가 클라이언트의 상태를 보존하지 않는 것을 무상태 프로토콜이라고 한다. 장점은 서버 확장성이 높고 (스케일 아웃) 단점은 클라이언트가 추가 데이터를 전송해야 한다.

• 또한 로그인이 필요 없는 단순한 서비스 소개 화면 같은 경우엔 무상태로 설계할 수 있지만 로그인이 필요한 서비스라면 유저의 상태를 유지해야 하기 때문에 브라우저 쿠키, 서버 세션, 토큰 등을 이용해 상태를 유지합니다.

비연결성 (Connectionless)

• TCP/IP의 경우 기본적으로 연결을 유지합니다. 연결을 유지하는 모델에서는 클라이언트가 요청을 보내지 않더라도 계속 연결을 유지해야 합니다. 이러한 경우 연결을 유지하는 서버의 자원이 계속 소모가 됩니다.

• 비연결성을 가지는 HTTP에서는 실제로 요청을 주고받을 때만 연결을 유지하고 응답을 주고 나면 TCP/IP 연결을 끊습니다. 이를 통해 최소한의 자원으로 서버 유지를 가능하게 합니다.

• 비연결성은 웹 브라우저로 사이트를 요청하면 HTML뿐만 아니라 자바스크립트, CSS, 추가 이미지 등 수많은 자원이 함께 다운로드됩니다. 해당 자원들을 각각 보낼 때마다 연결 끊고 다시 연결하고를 반복하는 것은 비효율적이기 때문에 지금은 HTTP 지속 연결(Persistent Connections)로 문제를 해결합니다.

• HTTP 지속 연결에서는 연결이 이루어지고 난 뒤 각각의 자원들을 요청하고 모든 자원에 대한 응답이 돌아온 후에 연결을 종료합니다.

HTTP 메세지

• HTTP 메시지는 헤더와 바디로 구분할 수 있습니다. HTTP 바디에서는 데이터 메시지 본문(Message body)을 통해서 표현(Representaion) 데이터를 전달합니다.

• 여기서 데이터를 실어 나르는 부분을 페이로드(Payload)라 합니다. 표현은 요청이나 응답에서 전달할 실제 데이터를 뜻하며 표현 헤더는 표현 데이터를 해석할 수 있는 정보를 제공합니다.

요청(Request)에서 사용되는 헤더

• From: 유저 에이전트의 이메일 정보
• Referer: 이전 웹 페이지 주소
• User-Agent: 유저 에이전트 애플리케이션 정보
• Host: 요청한 호스트 정보(도메인)
• Origin: 서버로 POST 요청을 보낼 때, 요청을 시작한 주소를 나타냄
• Authorization: 인증 토큰(e.g. JWT)을 서버로 보낼 때 사용하는 헤더

응답(Response)에서 사용되는 헤더

• Server: 요청을 처리하는 ORIGIN 서버의 소프트웨어 정보
• Date: 메시지가 발생한 날짜와 시간
• Location: 페이지 리디렉션
• Allow: 허용 가능한 HTTP 메서드
• Retry-After: 유저 에이전트가 다음 요청을 하기까지 기다려야 하는 시간

콘텐츠 협상 헤더

• 협상 헤더에서는 원하는 콘텐츠에 대한 우선순위를 지정할 수 있습니다. 1부터 0까지 우선순위를 부여하면 이를 토대로 서버는 응답을 지원합니다.

• Quailty Values(q)는 0 ~ 1사의 값을 가지고, 1에 가까울 수록 우선순위를 가집니다.
  q를 생략시 1로 값이 설정됩니다.

Accept-Language: ko,us;q=0.9,ja;q=0.8

또는

Accept-Language: ko;q=1,us;q=0.9,ja;q=0.8

HTTPS

HTTPS가 더 안전한 이유

• HTTPS는 HTTP 요청과 응답으로 오가는 내용을 암호화하기 때문입니다. 데이터가 암호화 되었기 때문에 정확한 키로 복호화하기 전까지는 HTTPS 요청 및 응답은 중간에 제 3자에게 데이터가 탈취되더라도 그 내용을 알아볼 수 없습니다. 따라서, 중간자 공격에 취약하지 않습니다.

암호화 방식

대칭 키 암호화 방식

• 대칭 키 암호화 방식은 하나의 키만 사용합니다. 암호화할 때 사용한 키로만 복호화가 가능합니다.

• 두 개의 키를 사용해야하는 공개 키 방식에 비해서 연산 속도가 빠르다는 장점이 있습니다. 하지만 키를 주고 받는 과정에서 탈취 당했을 경우에는 암호화가 소용없어지기 때문에 키를 관리하는데 신경을 많이 써야 합니다.

공개 키(비대칭 키) 암호화 방식

• 대칭 키 암호화 방식은 두 개의 키를 사용합니다. 암호화할 때 사용한 키와 다른 키로만 복호화가 가능합니다.

• 여기서 두 개의 키를 각각 공개 키, 비밀 키 라고 부릅니다. 여기서 공개 키는 이름 그대로 공개되어 있기 때문에 누구든지 접근 가능합니다. 누구든 이 공개 키를 사용해서 암호화한 데이터를 보내면, 비밀 키를 가진 사람만 그 내용을 복호화할 수 있습니다. 보통 요청을 보내는 사용자가 공개 키를, 요청을 받는 서버가 비밀 키를 가집니다. 이 때, 비밀 키는 서버가 해킹당하는 게 아닌 이상 탈취되지 않습니다.

• 이러한 공개 키 방식은 공개 키를 사용해 암호화한 데이터가 탈취 당한다고 하더라도, 비밀 키가 없다면 복호화할 수 없으므로 대칭 키 방식보다 보안성이 더 좋습니다. 하지만 대칭 키 방식 보다 더 복잡한 연산이 필요하여 더 많은 시간을 소모한다는 단점이 있습니다.

SSL/TLS 프로토콜

• HTTPS는 HTTP 통신을 하는 소켓 부분에서 SSL 혹은 TLS라는 프로토콜을 사용하여 서버 인증과 데이터 암호화를 진행합니다. 여기서 SSL이 표준화되며 바뀐 이름이 TLS이므로 같은 사실상 같은 프로토콜이라고 생각하시면 됩니다. SSL/TLS는 다음과 같은 특징을 가집니다.

  • CA를 통한 인증서 사용
  • 대칭 키, 공개 키 암호화 방식을 모두 사용

• 서버는 인증서 발급을 담당하는 CA(Certificate authority)에게 디지털 인증서를 발급받아 신뢰할 수 있는 웹사이트임을 보장받을 수 있다.

• 각 브라우저에는 CA 리스트가 내장되어 있으며, 여기에 저장된 CA에서 발급한 인증서라면 해당 기관의 공개키를 통해 서버의 인증서를 복호화할 수 있습니다.

• 정리하자면, 이렇게 서버와 클라이언트간의 CA를 통해 서버를 인증하는 과정과 데이터를 암호화하는 과정을 아우른 프로토콜을 SSL 또는 TLS이라고 말하고, HTTP에 SSL/TLS 프로토콜을 더한 것을 HTTPS라고 합니다.