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2. 네트워크 개념

01 프로토콜의 이해

프로토콜: 네트워크에 연결된 시스템이 순차적으로 데이터를 주고받을 때 필요한 규칙

모듈화: 프로토콜의 설계 과정

1. 계층적 모듈 구조

모듈화

하드웨어: CPU, 메모리, 하드디스크, LAN 카드 등 - 기능별로 모듈화

소프트웨어: 함수 → 모듈화

모듈화를 하지 않으면 한 부분만 고장 나도 전체 시스템을 교체해야 한다.

모듈화 → 모듈만 수정하면 됨

계층 구조

분할된 모듈들은 협력 관계를 유지하면서 유기적으로 동작

계층 구조: 특정 모듈이 다른 모듈에 서비스를 제공

1 상위 계층이 하위 계층에 특정 서비스 요청

2 하위 계층은 해당 서비스를 실행하여 그 결과를 상위 계층에 돌려줌

모듈화된 계층 구조 프로토콜의 장점
- 복잡하고 큰 시스템을 기능별로 분류하여 간단하고 작은 시스템으로 재구성, 전체 시스템을 이해하기 쉬움, 시스템을 설계하고 구현하기 편리
- 분할된 모듈이 연동할 수 있는 표준 인터페이스 제공, 모듈의 독립성→전체 시스템의 구조를 단순하게 만들어줌
- 전송 매체 양단에 있는 호스트가 수행하는 프로토콜=좌우 대칭 구조 - 프로토콜 단순화
- 특정 계층의 내부 변경이 다른 모듈의 동작에 영향을 미치지 않음

2. 프로토콜 설계 시 고려 사항

주소 표현

주소 체계: 시스템을 구분하여 지칭하기 위해 이름을 부여하는 것

ex. 유선 전화: 국가 코드- 지역 코드 - 번호, 주민등록번호:yymmdd-abcdefg

보통 호스트마다 주소를 하나씩 부여

그룹 주소-다수의 호스트를 묶어 하나의 그룹 주소로 표기

일대일 통신+일대다 통신(화상 회의 등)

일대다 통신: 브로드캐스팅(네트워크에 연결된 모든 호스트에 데이터 전송), 멀티캐스팅(특정 사용자를 그룹으로 묶어서 지칭, ex. 카카오톡 단체 전송, 줌 온라인 화상 회의)

오류 제어

데이터 송수신 과정에서 오류

전송 오류: 데이터 변형 오류(데이터가 깨짐), 데이터 분실 오류(데이터 도착x)

오류의 발생 사실 인지 → 2. 재전송 기능을 이용한 오류 복구

데이터 변형 오류
- 물리 계층의 전송 매체에 의한 물리적 오류
- 전송 과정에서 데이터의 내용이 바뀌는 경우 → 데이터 링크 계층이 해결
- 오류 발생 인지: 수신 호스트가 CRC 방식 등의 오류 검출 기법을 이용
데이터 분실 오류
- 논리적인 전송 오류, 프로토콜의 수행 과정에서 데이터 분실
- 오류 발생 인지: 송신 호스트에서 타임아웃 등의 기능으로 오류를 감지

→ 데이터 분실 오류: 송신 호스트 주도, 데이터 변형 오류: 수신 호스트 주도

전송 오류 해결: 송신 호스트가 데이터를 재전송

흐름 제어

물리적인 오류가 없었는데도 데이터 분실

송수신 호스트 사이의 데이터 전송/처리 속도 차이

수신 호스트에 데이터가 도착하면 내부 버퍼에 보관했다가 처리

→ 내부 버퍼에 보관할 공간을 확보하지 못하면 데이터를 논리적으로 분실

수신 호스트의 버퍼 초리 속도보다 송신 호스트의 데이터 전송 속도가 빠르면 발생

→ 해결: 흐름 제어 기능

a에서 i번째 데이터를 보냄
수신 호스트가 이를 받음
송신 호스트가 전송 허가
송신 호스트가 i+1 전송 (허가 없이는 보낼 수 없음)

수신 호스트의 흐름 제어에 의해 데이터 전송이 이루어짐

데이터 전달 방식

단방향 방식(Simplex): 데이터를 오른쪽이나 왼쪽의 한 방향으로만 전송
전이중 방식(Full Duplex): 양쪽에서 데이터를 동시에 전송
반이중 방식(Hal Duplex): 데이터가 양방향으로 전송되지만, 특정 시점에는 한 방향으로만 전송

3. 서비스 프리미티브

프로토콜은 계층 구조로 이루어져 있고, 하위 계층이 상위 계층에 서비스를 제공

서비스: 프리미티브(Primitive) 형태로 구현

종류

연결형 서비스
- 1 연결 설정: 데이터 전달 경로를 설정
- 2 데이터 전송
- 3 연결 해제
절차
비연결형 서비스
- 우편 시스템과 유사
- 연결 설정, 해제 필요 없음
- 전송할 데이터가 있으면 각 데이터를 독립적으로 목적지 호스트로 전송
- 보낸 순서와 도착하는 순서 일치하지 않을 수 있음

연결형 서비스의 피리미티브 종류

CONNECT: 연결 설정
DATA: 데이터 전송
DISCONNECT: 연결 해제

서비스 프리미티브의 기능

Request: 클라이언트가 서버에 서비스를 요청
Indication : 서버에 서비스 요청이 도착했음을 통지
Response: 서버가 클라이언트에 서비스 응답을 회신
Confirm: 클라이언트에 응답이 도착했음을 통지

클라이언트의 상위 계층이 하위 계층에 Request 요청
차하위 계층의 도움을 받아 서버의 하위 계층에 전달
서버의 상위 계층에 Indication 형태로 전달되어 서버가 클라이언트 요청을 인지
서버에서 해당 프리미티브를 올바르게 수신하였음을 클라이언트에 통보하는 Response를 보냄
반대의 과정을 거쳐 클라이언트에 Confirm 형태로 도착

ex. 전화 시스템

전화 거는 사람: 클라이언트, 전화 받는 사람: 서버, 통신 회사의전화망=클라이언트와 서버 기능을 모두 수행하는 하위계층

전화 번호 누르기(Request)-수신자의 전화벨이 울림(Indication) - 통화 버튼을 누름(Response) - 발신자 전화기의 발신음이 끊김(Confirm)

Request
- 클라이언트가 서버에 프리미티브의 기능을 수행하도록 요청
- 연결 설정 요청(CONNECT.Request), 데이터 전송 요청(DATA.Request), 연결 해제 요청(DISCONNECT.Request) 등
Indication
- 물리 계층을 통해 Request 요청을 수신한 서버: 이 요청을 물리 계층 위에 있는 하위 프로토콜에 전달
- Indication을 사용해 상위 프로토콜에 프리미티브 요청이 발생했음을 알림
- 연결 설정(CONNECT.Indication), 데이터 전송(DATA.Indication), 연결 해제(DISCONNECT.Indication)
Response
- 클라이언트로부터 프리미티브를 받은 서버에서는 Response를 이용해 클라이언트에 응답
- Request, Indication과 반대의 순서로 진행
- 연결 설정 요청-CONNECT.Response(연걸 허용/거부), 데이터-DATA.Response, 연결 해제-DISCONNECT.Response
Confirm
- 서버에서 보낸 응답이 클라이언트에 회신
- 연결 설정-CONNECT.Confirm, 데이터-DATA.Confirm, 연결 해제-DISCONNECT.Confirm

02 OSI 7계층 모델

네트워크에 연결된 컴퓨터들이 데이터를 주고받으려면 서로 연동할 수 있게 표준화된 인터페이스 지원

컴퓨터 네트워크 - 계층 구조로 모듈화된 프로토콜 스택 사용

OSI 7계층 모델: 개방화된 Open 데이터 통신 환경에 적합한 계층적 구현 모델의 표준

1. OSI 7계층 모델

http://wiki.hash.kr/index.php/OSI_7_계층

연결된 두 호스트가 각각 7개 계층으로 구성된 모듈을 수행함으로써 데이터 송수신 가능

전송 데이터: 송신 호스트의 응용 계층 → … → 물리 계층 → 수신 호스트 → … → 응용 계층

용어 정의

계층 n 프로토콜:계층 n 모듈이 상대 호스트의 계층 n 모듈과 논리적으로 통신할 때 사용하는 규칙

동료 프로세스(Peer Process): 같은 프로토콜을 사용하여 통신하는 동일 계층에 위치한 통신 양단

인터페이스: 한 호스트에서 상하로 이웃하는 계층에 위치한 모듈 사이에 정의되는 둘 사이의 접근 방법

서비스: 상위 계층에서 하위 계층의 인터페이스를 통해 이용 가능

데이터 전달: 송신 호스트 → 하위 계층을 통해 간접적으로 서비스 요청-물리 계층까지 반복

→ 항상 물리 계층을 통해 데이터가 전송

헤더 정보

프로토콜 스택의 맨 위에 위치한 일반 사용자는 응용 계층에 전송 데이터를 보내 전송 요청

응용 계층: 데이터에 자신의 프로토콜에서 정의한 헤더 정보를 추가하여 표현 계층에 보냄

→ 물리 계층까지 반복

물리 계층: 수신 호스트에 데이터를 물리적으로 전송

수신 호스트: 송신 절차와 반대 방향으로 헤더를 제거

계층별로 해당 계층의 헤더 정보를 해석하여 처리한 후 상위 계층에 올려줌

최상위 수신자: 원래의 전송 데이터만 수신

헤더 정보

프로토콜마다 다르게 정의됨

주소, 오류 제어, 흐름 제어를 위한 정보를 포함

인터넷 기본 프로토콜인 TCP, UDP, IP의 헤더는 인터넷을 이해하는 데 많은 도움을 줌

중개 기능

https://ehclub.co.kr/1470

중개 기능을 추가한 그림

중개 시스템: 데이터가 목적지까지 올바르게 전달되도록 경로 배정 기능을 수행

라우팅(Routing): 중개 시스템에서 네트워크 계층의 프로토콜의 경로 배정 기능

라우터: 자신에게 도착한 데이터의 헤더 정보를 해석해서 적절한 경로를 선택 + 다음 라우터로 보내기 전에 헤더 정보를 수정

라우터의 주요 기능 = 헤더 정보의 값을 해석하여 변환하는 작업

2. 계층별 기능

특히 전송 계층이 중요 - 통신 양단에 있는 전송 연결의 주체(프로세스) 사이에 종단 연결 제공

전송 계층-호스트에서 실행되는 프로세스와 프로세스 사이에 연결을 설정하여 데이터를 주고받을 수 있게 해줌 (ex. 전화에서 통화자 사이에 연결 설정)

전송 계층의 하위 계층(물리, 데이터 링크, 네트워크): 전송 계층의 연결을 설정, 지원

전송 계층의 상위 계층(세션, 표현, 응용): 전송 계층의 연결을 어떻게 활용할지 다룸

물리 계층

전송 매체의 물리적 인터페이스에 관한 사항 기술

전송 매체에서는 개별 정보의 비트(Bit) 교환 문제를 다룸

물리 계층: 하드웨어 시스템으로 구현, 계층 2 이상의 프로토콜을 소프트웨어적으로 구현

물리 계층에서 다루는 전송 매체의 특성: 데이터 전송 속도, 송수신 호스트 사이의 클록 동기화 방법, 물리적 연결 형태

데이터 링크 계층

물리 계층을 통해 전송되는 데이터의 물리적 전송 오류를 해결

상위의 네트워크 계층에 신뢰성 있는 패킷 전송 보장

전송 경로를 선택할 수 없으므로 두 호스트가 일대일로 직접 연결된 환경에서만 데이터 전송을 지원

프레임(Frame): 데이터 링크 계층을 이용해 전송되는 데이터

프레임 헤더-LAN 카드에 내장된 송수신 호스트의 MAC 주소가 기록

송신 호스트와 수신 호스트 사이의 전송 속도 차이를 고려한 흐름 제어 기능 지원 가능

네트워크 계층

송신 호스트가 전송한 데이터가 어떤 경로를 통해 수신 호스트에 전달되는지를 결정하는 라우팅 문제 처리

전달 경로 선택: 미리 정해지는 정적(Static)인 방식, 네트워크의 현재 부하 상태에 따라 결정되는 동적 방식

패킷(Packet): 네트워크 계층에서의 전송 데이터

중개 과정에서 경로 선택의 기준이 되는 호스트 주소 필요

인터넷: IP 프로토콜(네트워크 계층) - 호스트의 IP 주소가 경로 선택에 중요한 기준

인터넷에 연결된 호스트: 네트워크 계층의 주소, 데이터 링크 계층의 주소를 모두 가짐

패킷이 지나치게 많으면 네트워크의 전송 속도가 떨어짐

혼잡 제어 기능: 네트워크의 트래픽이 과도하게 증가하는 문제를 조절

전송 계층

송신 프로세스와 수신 프로세스를 직접 연결하는 단대단(End-to-End) 통신 기능 제공

전송 계층 하위 계층: 호스트와 호스트 사이의 데이터 전송 과정에서 발생하는 문제만 반영

전송 계층: 컴퓨터 내부에서 논리적으로 구축되는 연결 주체인 프로세스 사이의 통신 문제를 다룸

일반 사용자의 서비스 요구 유형에 대한 고려, 흐름 제어 기능

세션 계층

전송 계층과 거의 유사

사용자에게 원격 파일 전송, 원격 로그인 같은 상위적 연결 개념인 세션 기능 제공

전송 계층의 연결이 일시적으로 끊어졌을 때 이를 복구하여 세션 유지

상호 배타적인 동작을 제어하기 위한 토큰 제어, 동기(Synchronization) 기능(일시적인 전송 장애 해결)

표현 계층

데이터의 의미(Semantic), 표현 방법(Syntax) 처리

통신 양단에서 서로 이해할 수 있는 표준 방식으로 데이터를 코딩하는 문제

응용 계층

다양하게 존재하는 응용 환경에서 필요한 기능

초기 인터넷: FTP(파일 공유), 텔넷, 전자 메일 서비스

현재: 클라우드 서비스

네트워크 파일 이용-파일 공유 + 허가된 사용자가 적절한 접근 권한에 따라 사용할 수 있게 해야 함

03 인터넷 모델

인터넷: 데이터의 중개 기능을 담당하는 네트워크 계층, IP(Internet Protocol) 프로토콜을 사용하는 네트워크

호스트: 반드시 IP 프로토콜 지원, 전송 계층: TCP나 UDP 사용

현재 인터넷의 주 플토콜-IPv4

1. 구현 환경

전송 계층까지의 기능: 운영체제 내부에 구현

TCP(Transmission Control Protocol)/UDP(User Datagram Protocol), LAN 카드 드라이버 루틴(하위 계층) : 운영체제 영역

시스템 공간

TCP, UDP 프로토콜-커널(Kernel, 시스템 운영체제) 내부에 구현-일반 사용자가 직접 이용x

소켓 인터페이스(전송 계층의 프리미티브) 이용

소켓: 운영체제에서 시스템 콜 기능으로 구현 - 사용자 프로그램에서 함수 호출 방식으로 사용

TCP: 연결형 서비스, UDP: 비연결형 서비스

네트워크 계층: IP(Internet Protocol)로 구현, 전송 패킷의 올바른 경로 선택 기능 제공

라우터: 네트워크 프로세스를 실행하는 호스트 사이에 존재, IP 프로토콜을 이용하여 패킷 중개 기능 수행

인터넷-라우터들의 집합, 일반 호스트: 인터넷의 끝단에 연결되는 단말 장치

네트워크 계층 하위의 계층: LAN 카드/ LAN 카드를 구동하는 드라이버 루틴에 의해 구현

사용자 공간

세션 계층~응용 계층까지의 기능-사용자 응용 프로그램

소켓 시스템 콜(전송 계층의 기능)을 호출해 TCP, UDP 기능을 사용

소켓 시스템: 유닉스, 리눅스, 윈도우즈 운영체제 등 인터넷에 접속 가능한 모든 호스트에서 제공

소켓 사용시 소켓의 고유 주소인 포트 번호 관리

포트 번호: 특정 호스트에서 실행되는 네트워크 프로세스 구분(cf. IP 주소=호스트 구분)

일반 네트워크 프로세스: 포트 하나 할당 → 일대일 대응

인터넷 응용 프로세스의 고유주소: IP 주소+포트 번호의 조합

네트워크 응용 프로그램=텔넷, FTP, 웹 브라우저, 스마트폰/일반 PC의 앱 → TCP, UDP를 사용해 네트워크에 연결

2. 프로토콜

데이터 전송: 계층 4의 TCP와 UDP 프로토콜, 계층 3의 IP 프로토콜에 의해 이루어짐

제어용 프로토콜: ARP/RARP 프로토콜(주소 문제 해결), ICMP 프로토콜(오류 문제 해결)

프로토콜 계층 구조

TCP/UDP를 사용해 데이터 송수신 (cf. IP 프로토콜을 직접 사용하기도 함)

ICMP, ARP/RARP-일반적으로 네트워크 계층으로 분류

네트워크 계층의 IP = 사용자 데이터를 전송하는 프로토콜

ICMP(Internet Control Message Protocol): IP 동작 과정에서 전송 오류가 발생할 경우 오류 정보 전송

IP 프로토콜과 같은 계층으로 간주할 수 있음
ICMP에서 발생한 ICMP 메시지-IP 패킷에 캡슐화되어 전송

ARP와 RARP

인터넷 모델에서 사용하는 주소: 데이터 링크 게층의 MAC 주소, 네트워크 계층의 IP 주소, 전송 계층의 포트 번호

통신을 위해 송신 호스트는 자신의 세 가지 주소 + 수신 호스트의 세 가지 주소를 모두 알아야 함

포트 번호: 사용자 프로그램에서 환경 → 할당과 관리가 동작에 크게 영향X
IP 주소와 MAC 주소 고려 사항
- ex. 계층 2 프로토콜을 이용해 데이터를 전송 - 수신 호스트의 MAC 주소 필요
- 수신 호스트의 주소 얻기
  - IP 주소: 응용 프로그램의 사용자로부터 입력된 호스트 이름 변환
  - MAC 주소: 얻을 수 없음
  - ARP(Address Resolution Protocol)=IP주소를 이용해 MAC 주소를 구하는 기능
- 송신 호스트 자신의 주소 얻기
  - IP 주소: 컴퓨터 설정 작업의 초기화 과정에서 특정 파일에 보관
  - MAC 주소: LAN 카드에 내장
  - 파일 시스템이 존재하지 않는 특수 목적의 시스템-MAC 주소O, IP 주소X
  - RARP(Reverse Address Resolution Protocol): MAC 주소를 IP 주소로 변환

ICMP

IP가 동작하는 과정에서 전송 오류가 발생할 수 있음

→ ICMP(Internet Control Message Protocol): 송신자에게 회신해 복구 작업을 하게 하는 역할

오류 메시지 전송을 위한 별도의 헤더 구조를 가짐, IP 패킷에 캡슐화 되어 전송, 그러나 IP와 같은 계층으로 취급