[CS] 혼공네트 Chapter 1. 컴퓨터 네트워크 시작하기

01-1 컴퓨터 네트워크를 알아야 하는 이유

우리가 일상적으로 사용하는 데스크톱, 노트북, 스마트폰과 같은 여러 개의 장치가 마치 그물처럼 서로 연결되어 정보를 주고받을 수 있는 통신망을 컴퓨터 네트워크라고 한다.

네트워크의 네트워크, 인터넷

• 여러 장치들이 네트워크를 통해 서로 연결되면 주변 장치 뿐만 아니라 네트워크로 연결된 지구 반대편에 있는 장치와도 정보를 주고 받을 수 있다.
• 이를 가능하게 하는 기술이 바로 인터넷(Internet)이다. 인터넷이란 여러 네트워크를 연결한 '네트워크의 네트워크'를 의미한다.

 

개발자가 네트워크를 알아야 하는 이유

• 개발자가 네트워크를 이용하는 프로그램, 즉 프로그램이 네트워크를 통해 다른 장치와 상호 작용하며 실행되는 경우가 많기 때문에 그만큼 개발 직군이 네트워크를 제대로 이해해야 하는 이유이다.
• TCP/UDP, HTTP/HTTPS와 쿠키, 포트 번호 등 프로그램을 만드는 업무에서 다양한 네트워크 배경지식이 유용하게 활용된다.

 

01-2 네트워크 거시적으로 살펴보기

네트워크의 기본 구조

• 네트워크 통신망 그래프는 다음과 같이 노드(node)와 간선(edge)으로 이루어진 자료 구조이다.
• 모든 네트워크는 '노드', '노드를 연결하는 '간선', 노드 간 주고받는 '메세지'로 구성된다.

 

호스트 Host

• 네트워크의 가장자리에 위치한 노드는 네트워크를 통해 흐르는 정보를 최초로 생성 및 송신하고, 최종적으로 수신한다.
• 이는 서버 컴퓨터가 될 수도 있고, 개인 데스크톱, 노트북, 스마트폰, 워치, 자동차, 냉장고, TV 등 우리가 일상에서 사용하는 네트워크 IT 기기 대부분이 속하며 이러한 가장자리 노드를 네트워크에서는 호스트라고 부른다.
• 서버(server)는 '어떠한 서비스'를 제공하는 호스트이다.
  • '어떠한 서비스'는 파일이 될 수도(파일 서버), 웹 페이지가 될 수도(웹 서버), 메일이 될 수도(메일 서버) 있다.
• 클라이언트(client)란 서버에게 어떠한 서비스를 요청하고 서버의 응답을 제공받는 호스트이다.

 

네트워크 장비

• 네트워크 가장자리에 위치하지 않은 노드, 즉 호스트간 주고받을 정보가 중간에 거치는 노드.
• 이더넷 허브, 스위치, 라우터, 공유기 등이 있다.
• 호스트간 주고받는 정보가 원하는 수신지까지 안정적이고 안전하게 전송될 수 있도록 한다.

 

통신 매체

• 호스트와 네트워크 장비는 유무선 매체를 통해 연결되어야 한다.
• 각 노드를 연결하는 간선이 통신 매체이며, 유선 매체와 무선 매체가 있다.

 

메시지

• 통신 매체로 연결된 노드가 주고받는 정보.

 

범위에 따른 네트워크 분류

• 호스트가 메시지를 주고받는 범위는 일반 가정이 될 수도 있고, 기업이 될 수도 있으며, 때로는 도시나 국가가 될 수도 있다.
• 네트워크 구성 범위는 다양하기 때문에 범위에 따라 크게 LAN과 WAN으로 구분한다.

LAN(Local Area Network)

• 가까운 지역을 연결한 근거리 통신망.
• 가정, 기업, 학교처럼 한정된 공간에서의 네트워크.

 

WAN(Wide Area Network)

• 먼 지역을 연결하는 광역 통신망.
• 다른 LAN에 속한 호스트와 메시지를 주고받아야 할 때는 WAN이 필요하다.
• 인터넷을 사용하기 위해 접속하는 WAN은 ISP(Internet Service Provider)라는 인터넷 서비스 업체가 구축하고 관리한다.

 

메시지 교환 방식에 따른 네트워크 분류

회선 교환 방식

• 메시지 전송로인 회선(circuit)을 먼저 설정하고 이를 통해 메시지를 주고받는 방식.
• 두 호스트 사이에 연결을 확보한 후에 메시지를 주고받는 특성 덕분에 주어진 시간 동안 전송되는 정보의 양이 비교적 일정하다.
• 호스트 간의 회선을 적절하게 설정을 수행하는 네트워크 장비인 회선 스위치가 호스트 사이에 일대일 전송로를 확보한다.
• 회선 교환 방식의 대표적인 사례가 전화망.
  • 송신자와 수신자 사이에 연결이 설정되어야 하고, 한 번 연결이 설정되면 연결된 전송로를 통해서만 통화가 가능하다.

• 단, 회선의 이용 효율이 낮아질 수 있다는 문제가 있다.
• 가능한 모든 회선에 끊임없이 메시지가 흐르고 있어야만 이용 효율이 높아지지만 메시지를 주고받지 않으면서 회선을 점유하는 것은 낭비이기 때문이다.

 

패킷 교환 방식

• 회선 교환 방식의 문제점을 해결한 방식으로, 메시지를 패킷(packet)이라는 작은 단위로 쪼개어 전송한다.
• 두 호스트가 하나의 전송 경로를 점유하지 않기에 네트워크 이용 효율이 상대적으로 높다.
• 정해진 경로만으로 메시지를 송수진 하지 않아 메시지는 다양한 중간 노드를 거칠 수 있는데, 이때 중간 노드인 패킷 스위치는 패킷이 수신지까지 올바르게 도달할 수 있도록 최적의 경로를 결정하거나 패킷의 송수신지를 식별한다.
• 대표적인 패킷 스위치 네트워크 장비로는 라우터(router)와 스위치(switch)가 있다.

• 패킷을 통해 전송하고자 하는 데이터를 페이로드(payload)라고 하며, 헤더(header)라는 정보도 패킷 앞에 포함되고, 때로는 패킷 뒤에 트레일러(trailer)라는 정보가 포함되기도 한다.
  • 패킷의 헤더에 담기는 정보로는 주소(address)가 있으며, 송수신지를 특정하는 정보를 의미한다.(ex: IP 주소, MAC 주소)
  • 이를 토대로 송수신지 유형에 따라 전송 방식은 크게 유니캐스트와 브로드캐스트로 나뉜다.
  • 유니캐스트(unicast)는 하나의 수신지에 메시지를 전송하는 방식으로 송신지와 수신지가 일대일로 메시지를 주고받는다.
  • 브로드캐스트(broadcast)는 자신을 제외한 네트워크상의 모든 호스트에게 전송하는 방식으로 전송되는 범위를 브로드캐스트 도메인이라고 한다.

 

 

01-3 네트워크 미시적으로 살펴보기

프로토콜 Protocol

• 통신과정에서 정보를 올바르게 주고받기 위해 합의된 규칙이나 방법을 뜻하며, 노드 간에 정보를 올바르게 주고받기 위함.
• 서로 다른 통신 장치들이 정보를 주고받으려면 프로토콜이 통해야 한다.(IP, ARP, HTTPS, HTTP, TCP, UDP 등)
• 모든 프로토콜에는 저마다의 목적과 특징이 있으며, 프로토콜마다 패킷의 헤더 내용이 달라질 수 있다.

 

네트워크 참조 모델

• 통신이 일어나는 구조를 계층화한 네트워크 참조(계층) 모델
• 통신 과정을 계층으로 나눈 이유는 크게 두 가지이다.
  • 첫째, 네트워크 구성과 설계가 용이하다.
    • 각 계층이 수행해야할 역할과 목적에 맞게 프로토콜과 네트워크 장비를 계층별로 준비할 수 있다.
  • 둘때, 네트워크 문제 진단과 해결이 용이하다.
    • 통신 과정에서 문제가 발생하더라도 문제의 원인을 계층별로 진단하기 수월하다.

 

OSI 모델

• 국제 표준화 기구(ISO)에서 만든 네트워크 참조 모델로 7개의 계층으로 나뉜다.
• 최하위 계층에서 최상위 계층순으로 각각 물리, 데이터 링크, 네트워크, 전송, 세션, 표현, 응용 계층이다.
  1. 물리 계층(physical layer)은 최하단에 있는 계층으로, 1과 0으로 표현되는 비트 신호를 주고 받는 계층.
     • 다양한 통신 매체에 맞는 신호로 운반되도록 비트 데이터의 변환이 이루어지고 통신 매체를 통한 송수신이 이루어진다.
  2. 데이터 링크 계층(data link layer)은 네트워크 내 주변 장치 간의 정보를 올바르게 주고받기 위한 계층.
     • 이더넷을 비록한 많은 LAN 기술이 데이터 링크 계층에 녹아 있다.(2장에서 자세히)
     • 물리 계층을 통해 주고받는 정보에 오류가 없는지 확인하고, MAC 주소 체계를 통해 네트워크 내 송수신지를 특정한다.
  3. 네트워크 계층(network layer)은 메시지를 다른 네트워크에 속한 수신지까지 전달하는 계층.
     • IP 주소 체계를 통해 통신하고자 하는 수신지 호스트와 네트워크를 식별하고 , 원하는 수신지에 도달하기 위한 최적 경로를 결정한다.
  4. 전송 계층(transport layer)은 신뢰성 있고 안정성 있는 전송을 해야 할 때 필요한 계층.
     • 패킷의 흐름을 제어하거나 전송 오류를 점검해 신뢰성 있고 안정적인 전송이 이루어지도록 한다.
  5. 세션 계층(session layer)은 호스트의 응용 프로그램 간 연결 상태인 세션을 관리하기 위해 존재하는 계층.
     • 연결 상태를 생성하거나 유지하고, 종료되었을 때는 끊어주는 역할을 담당한다.
  6. 표현 계층(presentation layer)은 마치 번역가와 같은 역할을 하는 계층.
     • 사람이 이해할 수 있는 언어인 문자를 컴퓨터가 이해할 수 있는 코드로 변환하거나, 압축, 암호화와 같은 작업이 이루어진다.
  7. 응용 계층(application layer)은 사용자 및 사용자가 이용하는 응용 프로그램과 가장 밀접히 맞닿아 있는 계층.
     • 사용자가 이용할 응용 프로그램에 다양한 네트워크 서비스를 제공한다.

 

TCP/IP 모델

• OSI 모델은 주로 네트워크를 이론적으로 기술하고 이해할 때 사용하는 반면(이상적 설계), TCP/IP 모델은 이론보다는 구현에 중점을 둔 네트워크 참조 모델이다.(실용적 구현)
• TCP/IP 4계층, 인터넷 프로토콜 스위트(suite), TCP/IP 프로토콜 스택 이라고도 부른다.
• 최하위 계층에서 최상위 계층순으로 각각 네트워크 액세스, 인터넷, 전송, 응용 계층이다.
  1. 네트워크 액세스 계층(network access layer)은 링크 계층 또는 네트워크 인터페이스 계층이라고도 부르며, OSI의 데이터 링크 계층과 유사하다.(2장에서 자세히)
  2. 인터넷 계층(Internet layer)은 OSI의 네트워크 계층과 유사하다.(3장에서 자세히)
  3. 전송 계층(transport layer)은 OSI의 전송 계층과 유사하다.(4장에서 자세히)
  4. 응용 계층(application layer)은 OSI의 세션, 표현, 응용 계층을 합친 것과 유사하다.(5장에서 자세히)

 

캡슐화와 역캡슐화

• 통신과정에서 패킷이 송수신되는 과정.
• 패킷은 송신 과정에서 캡슐화가 이루어지고, 수신 과정에서 역캡슐화가 이루어진다.
• 송수신하는 메시지는 송신지 입장에서는 가장 높은 계층에서부터 가장 낮은 계층으로 이동하고, 수신지 입장에서는 가장 낮은 계층에서부터 가장 높은 계층으로 이동한다.

 

캡슐화 Encapsulation

• 어떤 정보를 송신할 때 각 계층에서는 상위 계층으로부터 내려받은 패킷을 페이로드로 삼아, 프로토콜에 걸맞은 헤더(혹은 트레일러)를 덧붙인 후 하위 계층으로 전달합니다.
• 즉, 한 단계 아래 계층은 바로 위의 계층으로부터 받은 패킷에 헤더 및 트레일러를 추가해 나가는데, 이 과정을 캡슐화라고 부른다.

 

역캡슐화 Decapsulation

• 수신할 때는 각 계층에서 붙였던 헤더(및 트레일러)를 각 계층에서 확인한 뒤 제거하는데, 이를 역캡슐화라고 한다.

 

PDU(Protocol Data Unit)

• 각 계층에서 송수신되는 메시지의 단위.
  • 즉, 상위 계층에서 전달받은 데이터에 현재 계층의 프로토콜 헤더(및 트레일러)를 추가하면 현재 계층의 PDU가 된다.
  • OSI 모델의 각 계층에서의 PDU는 다음과 같다.

• PDU는 주로 전송 계층 이하의 메시지를 구분하기 위해 사용하는데, 전송 계층보다 높은 계층에서는 일반적으로 데이터 혹은 메시지로만 지칭하는 경우가 많다.
• 전송 계층의 PDU는 TCP 프로토콜이 사용되었을 경우에는 세그먼트, UDP 프로토콜이 사용되었을 경우에는 데이터그램이 된다.