5.1 네트워크 심화

 

회선교환 방식

패킷교환 방식은 기존에 전화에서 사용했던 회선교환 방식의 단점을 보완한 방식인데요. 그럼 회선교환 방식은 어떻게 연결을 했을까요? 옛 모습을 배경으로 하는 영화 혹은 드라마에서 아래와 같은 장면을 보신 적 있나요? 이 사진의 여성분이 회선교환 중간에서 발신자와 수신자를 연결해 주는 전화교환원, 즉 오퍼레이터입니다.

회선교환 방식은 발신자와 수신자 사이에 데이터를 전송할 전용선을 미리 할당하고 둘을 연결합니다. (우리가 전화하는 방식을 떠올려보세요.) 그래서 내가 연결하고 싶은 상대가 다른 상대와 연결 중이라면, 상대방은 이미 다른 상대와의 전용선과 연결되어 있기 때문에 그 연결이 끊어지고 나서야 상대방과 연결할 수 있습니다. 또한 특정 회선이 끊어지는 경우에는 처음부터 다시 연결을 성립해야 합니다. 다음의 예를 통해 회선교환 방식에서 생길 수 있는 비효율을 살펴봅시다.

 

패킷교환 방식

회선이 사용 중이더라도 마냥 기다리지 않아도 되는 방법이 있을까요? 아르파넷 프로젝트에서는 이 문제를 해결하기 위하여 패킷교환 방식의 네트워크를 고안했습니다.

패킷교환 방식은 패킷이라는 단위로 데이터를 잘게 나누어 전송하는 방식입니다. 마치 소포를 보내듯이요! 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 

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

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

IP 패킷은 이를 데이터 통신에 적용한 것이라고 보면 됩니다.

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. 

이를 통해 복잡한 인터넷 망 사이에서도 정확한 목적지로 패킷을 전송할 수 있습니다.

서버에서 무사히 데이터를 전송받는다면 서버도 이에 대한 응답을 돌려줘야 합니다. 

서버 역시 IP 패킷을 이용해 클라이언트에 응답을 전달합니다.

IP 한계

비연결성

: 패킷을 받을 대상이 없거나 서비스 불능 상태여도 패킷 전송

비신뢰성

: 중간에 패킷이 사라질 수 있음

: 패킷의 순서를 보장할 수 없음

 

[그림] 네트워크는 OSI 7계층 또는, TCP/IP 4계층으로 구분한다.

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

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

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

 

채팅 프로그램에서 메시지를 보낼 때 경로

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.

그리고 IP 패킷을 생성하기 전 TCP 세그먼트를 생성합니다. 

이렇게 생성된 TCP/IP 패킷은 LAN 카드와 같은 물리적 계층을 지나기 위해 이더넷 프레임 워크에 포함되어 서버로 전송됩니다.

 

TCP 특징

전송 제어 프로토콜 (Transmission Control Protocol)

• 연결 지향 - TCP 3 way handshake (가상 연결)
• 데이터 전달 보증
• 순서 보장
• 신뢰할 수 있는 프로토콜 (UDP에 비해 상대적으로)

TCP는 장치들 사이에 논리적인 접속을 성립하기 위하여 3 way handshake를 사용하는 연결지향형 프로토콜입니다. 
연결 방식은 다음과 같습니다. 
먼저 클라이언트는 서버에 접속을 요청하는 SYN 패킷을 보냅니다. 
서버는 SYN요청을 받고 클라이언트에게 요청을 수락한다는 ACK 와 SYN가 설정된 패킷을 발송하고 클라이언트가 다시 ACK으로 응답하기를 기다립니다.
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 이루어져 3번 ACK을 보낼때 데이터를 함께 보내기도 합니다. 
* SYN은 Synchronize, ACK는 Acknowledgment의 약자

 

또한 TCP는 데이터 전송이 성공적으로 이루어진다면 이에 대한 응답을 돌려주기 때문에 IP 패킷의 한계인 비연결성을 보완할 수 있습니다. 

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. 

 

UDP 특징

사용자 데이터그램 프로토콜 (User Datagram Protocol)

• 하얀 도화지에 비유 (기능이 거의 없음)
• 비연결지향 - TCP 3 way handshake X
• 데이터 전달 보증 X
• 순서 보장 X
• 데이터 전달 및 순서가 보장되지 않지만, ㄷ단순하고 빠름
• 신뢰성보다는 연속성이 중요한 서비스 (e.g. 실시간 스트리밍)에 자주 사용됨

UDP는 IP에 PORT, 체크섬 필드 정보만 추가된 단순한 프로토콜입니다. 
앞서 TCP 특징과 비교해 보면 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. 
아직 TCP와 UDP의 차이가 잘 와닿지 않는다면, 좋은 기능이 다 들어있는 무거운 라이브러리와 필요한 기능만 들어있는 가벼운 라이브러리로 비교할 수 있겠습니다. 

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