2_Network

네트워크

기본 개념

노드와 링크가 서로 연결되어 있거나 연결되어 있지 않은 집합체

노드: 서버, 라우터, 스위치
링크: 유선 또는 무선

처리량과 지연 시간

'좋은' 네트워크? 처리량이 많음. 지연 시간이 짧음. 장애 빈도가 적음. 좋은 보안.

처리량
링크를 통해 전달되는 단위 시간당 데이터양 (bps, bits per second)
처리량은 트래픽, 대역폭, 네트워크 중간에 발생하는 에러, 하드웨어 스펙에 영향을 받음
- 트래픽
  서버를 통해 최종 사용자에게 전달된 데이터의 양.
  사용자가 많아질 수록 커진다.
  트래픽 = 용량 * 사용자수 * 개수 = 4GB 영화 * 10명 * 10개 = 400GB
- 대역폭
  주어진 시간동안 네트워크 연결을 통해 흐를 수 있는 최대 비트 수
지연 시간
어떤 메시지가 두 노드를 왕복하는데 걸리는 시간. 요청이 처리되는 시간.
이는 매체 타입(무선, 유선), 패킷 크기, 라우터의 패킷 처리 시간에 영향을 받음

네트워크 토폴로지(Network topology)

노드와 링크가 어떻게 배치되어 있는지에 대한 연결 형태.
병목 현상을 찾는 데에 중요한 기준이 됨.

병목 현상
전체 시스템의 성능이 하나의 구성 요소로 인해 제한을 받는 현상.
네트워크 대역폭, 토폴로지, 서버 CPU/메모리에 영향을 받는다.

토폴로지 종류

트리 토폴로지
개념: Tree구조 형태이다.
장점: 통제 및 유지보수가 용이하다. 단말기 추가, 제거 및 에러 발생시 발견이 쉽다.
단점: 병목 현상이 발생할 수 있다. 중앙 컴퓨터에 오류 발생 시 전체에 영향을 끼친다.
버스 토폴로지
개념: 중앙 통신 회선 하나에 여러 대의 노드를 연결. 근거리 통신망(LAN)에 사용.
장점: 하나의 컴퓨터가 다운되어도 문제가 없다. 노드 추가/제거가 쉽다.
단점: 통신 회선 길이에 제한이 있음. 충돌이 자주 일어난다. 스푸핑이 가능하다.

스푸핑: 송신부의 패킷을 송신과 관련 없는 다른 악의적인 노드에 전달되도록 처리하는 것

스타형 토폴로지
개념: 중앙에 있는 컴퓨터를 중심으로 터미널이 연결됨.
장점: 유지보수 및 관리가 용이. 에러 탐지가 쉬움.
단점: 중앙 컴퓨터 고장 시 전체 네트워크가 마비됨.
링형 토폴로지
개념: 인접해 있는 노드들을 연결하는 단방향 전송 형태.
장점: 노드 수가 증가되어도 네트워크상 손실이 적음. 충돌이 발생되는 가능성이 적음.
단점: 노드 추가/삭제가 어려움. 회선에 장애가 발생하면 전체에 영향.
그물형 토폴로지
개념: 모든 노드들이 상호 연결된 형태.
장점: 회선에 장애가 발생해도 다른 경로로 통신이 가능.
단점: 노드 추가/삭제가 어려움. 운영/구축 비용이 많이 듬.

TCP/IP 4계층 모델

네트워크에서 사용되는 통신 프로토콜의 집합.
호환성 보장 (다른 제조사 장비들끼리도 통신 가능), 각 계층에 대한 캡슐화와 은닉이 가능. 계층별로 문제 확인이 가능하여 쉽게 해결.
- 캡슐화, 은닉: 캡슐 내부 로직이나 변수들을 감추고 외부에는 기능만을 제공
TCP/IP 4계층 모델 또는 OSI 7계층 모델로 설명됨.

차이점

OSI에서는 Application 계층이 3개로 쪼개져 있음.
TCP/IP의 Internet 계층을 OSI에서는 Network 계층으로 불림.

이 계층들은 서로 영향을 받지 않도록 설계됨.

Application 계층

응용 프로그램이 사용되는 프로토콜 계층.
웹 서비스, 이메일 등 서비스를 실질적으로 사람들에게 제공

예시

FTP: 장치와 장치간의 파일을 전송하는데 사용되는 표준 통신 프로토콜.
SMTP: 전자 메일 전송을 위한 인터넷 표준 프로토콜.
HTTP: WWW를 위한 데이터 통신의 기초. 웹사이트를 이용하는데 쓰는 프로토콜.
DNS: 도메인 이름과 IP 주소를 매핑해주는 서버.
SSH: 네트워크 상 다른 컴퓨터에 로그인하거나 원격 시스템에서 명령을 안전하게 실행하기 위한 암호화 네트워크 프로토콜.

Transport 계층

송신자와 수신자를 연결하는 통신 서비스를 제공.
Application 계층과 Internet 계층 사이에 데이터가 전달될 때 중계 역할을 함.

예시

TCP

패킷 사이의 순서를 보장하는 연결지향 프로토콜 사용. (높은 신뢰성을 가짐)
가상회선 패킷 교환 방식: 패킷에 가상회선 식별자가 포함. 패킷들은 전송된 순서대로 도착하는 방식.
3-way handshake를 통한 연결 (신뢰성 확보)

SYN(Sychronization/요청) 단계
클라이언트가 서버에 임의의 시퀀스 번호(ISN)을 보냄.
SYN+ACK(Acknowledgement/응답) 단계
서버가 클라이언트의 SYN을 수신하고, 서버의 ISN + 클라이언트의 ISN+1 을 보냄.
ACK 단계 클라이언트가 서버의 SYN을 수신하고, 서버의 ISN+1 을 보냄.

4-way handshake를 통한 연결 해제

클라이언트가 연결을 닫기 위해 서버로 FIN 플래그를 보내고, FIN_WAIT_1 상태로 응답을 기다린다.
서버는 ACK라는 승인 플래그를 보낸다. 응답을 받은 클라이언트는 FIN_WAIT_2 상태가 된다.
서버는 일정 시간 후 FIN 플래그를 보낸다.
클라이언트는 FIN 플래그를 받고 TIME_WAIT 상태가 되며 서버로 ACK 플래그를 보내 서버는 CLOSED 상태가 된다.
일정 시간 후 클라이언트는 CLOSED 상태가 되어 연결이 닫긴다.

TIME_WAIT가 있는 이유

지연 패킷이 발생하여 패킷을 처리하지 못 한다면 데이터 무결성 문제가 발생할 수 있다.

서버의 연결이 닫혔는지 확인하기 위해서 (LAST_ACK 상태에서 멈춰 에러 발생할 수 있음)

UDP

순서를 보장 X, 수신 여부를 확인 X, 단순히 데이터만 발신. (속도가 빠르다)
데이터그램 패킷 교환 방식: 패킷이 독립적으로 이동. 최적의 경로를 선택하여 이동.

Internet 계층

상위 계층에서 받은 패킷을 IP 주소로 지정된 목적지로 전송하는 계층.
호스트간의 라우팅 담당
상대방이 제대로 받았는지에 대해 보장하지 않는 비연결형적 특징을 가짐.

Link 계층

전선, 광섬유, 무선 등 실질적으로 데이터를 전달하며 장치 간에 신호를 주고받는 규칙
- 물리 계층: 무선 LAN과 유선 LAN을 통해 데이터를 보내는 계층
- 데이터 링크 계층: 이더넷 프레임을 통해 에러 확인, 흐름 제어, 접근 제어를 담당하는 계층
물리적 주소로 MAC을 사용
- MAC 주소: 컴퓨터나 노트북 등 각 장치에는 네트워크를 연결하기 위한 장치가 있는데, 이를 구별하기 위한 식별번호를 의미.

계층 간에 데이터 송수신

데이터가 다른 컴퓨터로 송신되기 위해 캡슐화를 거침.
PDU(프로토콜 데이터 단위)
각 계층을 거치며 헤더 정보가 추가되며 이름이 달라짐
Data > Segment > IP Packet > Frame > bit

IP 주소

Internet 계층에서 IP 주소를 사용하여 데이터를 목적지로 전송한다.

ARP (Address Resolution Protocol)

보통 목표 호스트의 IP 주소는 알고있지만, 실제 전송을 위해서는 물리적인 MAC 주소가 필요함
- 이를 위해서 IP와 MAC 주소간의 매핑 정보를 테이블의 형태로 관리함
  - IP 주소(가상 주소) > ARP > MAC 주소(실제 주소)
  - MAC 주소(실제 주소) > RARP > IP 주소(가상 주소)
통신 과정에서 IP 주소를 모르는 경우, 브로드캐스트를 하게되며, 목표 호스트는 이 요청을 받고, 자신의 IP와 MAC 주소를 포함한 ARP 응답을 유니캐스트를 통해 하게 됨
- 브로드캐스트: 호스트 A가 속한 모든 네트워크에 전달됨
- 유니캐스트: 고유 주소로 식별된 하나의 네트워크 목적지에 1:1로 데이터를 전송하는 방식

홉바이홉 통신

네트워크에서 한 홉(단일 라우터 또는 스위치)를 거치면서 전송되는 통신 방식
각 홉은 데이터를 다음 목적지로 전송하기 위해 최적의 경로를 선택
- 네트워크 상태, 트래픽 부하, 라우팅 테이블 등 고려
- 최적의 경로를 통해 네트워크 트래픽 관리

Switch

데이터 링크 계층에서 동작하는 네트워크 장비
여러 개의 포트를 가지고 잇으며 이를 통해 여러 장치를 연결
- 스위칭 테이블을 유지하여 포트와 MAC 주소의 매핑 정보를 저장

Router

모델 네트워크 계층에서 동작
- Switch를 연결
IP 주소를 기반으로 패킷을 전달하는 역할
- 서로 다른 네트워크와 연결하는 역할 (최적의 경로를 활용)
라우팅 과정
1. 패킷 전달: 목적지 IP 주소를 통해서 적절한 네트워크로 전달
2. 패킷 필터링: 네트워크 트래픽을 필터링. 불필요한 트래픽 차단
3. 네트워크 주소 변환(NAT): 사설 IP주소와 공인 IP 주소 간의 통신을 지원
4. 패킷 분할 및 조립: 큰 크기의 패킷을 작은 크기로 분할하고, 조합하여 전달
라우팅 테이블
- 패킷을 전달할 경로를 저장한 DB
  - 라우터나 스위치와 같은 네트워크 장비에 저장
  - 네트워크 트래픽을 효율적으로 라우팅
- Column
  - Destination IP: 목적지 IP 주소 범위
  - Next Hop: 패킷을 전달할 다음 라우터 또는 게이트웨이의 IP 주소 (인터페이스를 통해서 Next Hop으로 감)
  - Interface: 패킷을 전달할 다음 라우터 또는 게이트웨이의 인터페이스 (네트워크를 연결하는 물리적 또는 가상적인 연결점)
- 예시
  
  Destination IP Next Hop Interface
  
  192.168.1.0/24 10.0.0.1 eth0 (첫번째 이더넷 카드)
  
  10.0.0.0/24 192.168.1.1 eth1
  
  0.0.0.0/0 10.0.0.2 eth2
종류
1. 정적 라우팅
  - 관리자가 수동으로 경로를 정의
  - 목적지 IP 주소 또는 서브넷과 해당 경로를 매핑하여 패킷이 목적지로 전달되는 경로를 결정
  - 단순하고 예측 가능하지만, 네트워크 변화에 대응하기 어렵고 유연성이 제한적
2. 동적 라우팅
  - 동적 라우팅은 네트워크 프로토콜을 사용하여 경로 정보를 자동으로 교환하고 업데이트
  - 동적 라우팅 프로토콜을 사용하여 경로 정보를 교환하고 네트워크의 변화에 따라 최적의 경로를 선택
  - 프로토콜 종류: OSPF (Open Shortest Path First), BGP (Border Gateway Protocol) 등
  - 네트워크의 유연성과 확장성을 향상시키며, 장애 복구 및 로드 밸런싱에도 유용합니다.
3. 로드 밸런싱
  - 여러 대상 서버 또는 서비스 사이에서 트래픽을 분산
  - 서버의 가용성을 모니터링하고 필요에 따라 트래픽을 다른 서버로 전달하여 부하 분산

Gateway

서로 다른 네트워크 간의 통신을 가능하게 하는 장치
- 네트워크의 입구 역할
- 프로토콜 변환, 주소 변환 등을 통해 다른 네트워크로 전달될 수 있도록 함
Gateway
- A (192.168.1.5) <> B (192.168.1.6/192.168.2.6) <> C (192.168.2.5)
- A에서 C에 접근하려고 해도 안 됨 > B를 통해서 가야함
- ip route add 192.168.2.0/24 via 192.168.1.6 명령을 통해서 게이트웨이에 등록
- A에서 C 접근 시에 B로 갔다가 C로 가게 됨

IP 주소 체계

IPv4
- 32비트를 8비트 단위로 쪼갬. 8비트씩 4자리 (8비트 = 2^8 = 0~256 표시 가능)
- ex. 123.45.67.89
IPv6
- 128비트를 16비트 단위로 쪼갬. 16비트씩 8자리
- 앞에 64비트는 네트워크. 뒤에 64비트는 네트워크에 연결된 통신장비
- IPv4 주소가 고갈되는 문제를 해결을 위함
- ex. 2001:0DB8:1000:0000:0000:0000:1111:2222 = 2001:DB8:1000::1111:2222 (연속되는 0은 ::로 생략)

클래스 기반 할당 방식 (CIDR)

A,B,C,D,E 다섯 개 클래스를 기반으로 구분 (5개의 IP 주소를 가짐)
앞 부분: 네트워크 주소, 뒤 부분: 컴퓨터에 부여하는 주소인 호스트 주소
- ex. 클래스 A로 12.0.0.0 네트워크를 부여받았다면 앞에 12. 는 고정된다
  따라서 12.0.0.1~12.255.255.254를 호스트 주소로 사용할 수 있다
사용하는 주소보다 버리는 주소가 많은 단점이 있다

NAT (Network Address Translation)

패킷이 라우팅 장치를 통해 전송되는 동안 IP주소를 변경하는 방법
공인 IP와 사설 IP를 나누어서 많은 주소를 처리
- 공인 IP의 개수는 한계가 있기 때문
내부 네트워크의 IP를 노출하지 않아 보안에 좋음
여러 명이 동시에 접근할 때 속도가 느려질 수 있음
예시 (wifi)
- 여러 대의 컴퓨터와 스마트폰이 연결되어 있고, 이는 각각 192.168.1.2, 192.168.1.3 등의 사설 IP를 가지고 있음
- 사설 IP 주소 > 라우터 > NAT 변환 > 공인 IP주소 > 외부 서버 응답 > 역변환 > 사설 IP로 전달

DNS (Domain Name System)

인터넷에서 도메인 이름과 IP 주소를 매핑하는 시스템
- 예: www.example.com > 192.0.2.1 (반대도 가능)
- /etc/hosts > 192.0.2.1 www.example.com
- /etc/resolv.conf > nameserver 8.8.8.8 (windows의 경우, DNS서버 연결하는 설정이 있음)
구성 요소 (계층적 구조)
- DNS 클라이언트
  - DNS 정보를 요청하는 시스템이며, 주로 사용자의 컴퓨터 또는 네트워크 장비
  - 도메인 이름을 IP 주소로 변환하거나 역으로 IP 주소를 도메인 이름으로 변환하기 위해 DNS 서버에 쿼리를 보냄
- DNS 서버
  - DNS 정보를 저장하고 관리하는 서버 (서버마다 너무 많은 DNS를 가지고 있음)
  - DNS 서버는 도메인 이름과 해당 도메인의 IP 주소를 포함하는 DNS 레코드를 저장하고, 클라이언트의 DNS 쿼리에 응답
- DNS 캐시 서버
  - DNS 캐시 서버는 이전에 요청한 DNS 정보를 일정 기간 동안 캐시에 저장하여 반복적인 쿼리의 응답 시간을 단축

HTTP

애플리케이션 계층으로서 웹서비스 통신에 이용됨
(Application Layer > Transport Layer > Internet Layer > Network Access Layer)

HTTP/1.0

기본적으로 한 연결당 하나의 요청을 처리하도록 설계됨
이는 파일을 가져올 때마다 TCP의 3-웨이 핸드셰이크를 열어 RTT(Round Trip Time)를 증가시킴

RTT 감소 방법

이미지 스플리팅
- 많은 이미지가 합쳐있는 이미지를 다운로드 (많은 이미지를 다운하면 과부하)
- 이를 기반으로 각각의 이미지의 속성을 설정
코드 압축
- 개행 문자, 빈칸을 없애서 코드의 크기를 최소화
- 코드 용량이 줄어듬
이미지 Base64 인코딩
- 이미지 파일을 64진법의 문자열로 인코딩
  - 인코딩: 정보의 형태나 형식을 표준화, 보안, 처리 속도 향상, 저장 공간 절약
- 문자열 크기가 더 커지는 단점이 있음

HTTP/1.1

TCP 초기화 후 keep-alive 옵션으로 여러 개의 파일을 송수신
문서 안에 다수의 리소스를 처리하려면 대기 시간이 길어짐
헤더에 많은 메타 데이터가 포함되어 무거운 단점

HTTP/2

HTTP/1.x보다 지연 시간을 줄이고 응답 시간을 빠르게 처리
멀티플렉싱
- 여러 스트림을 사용하여 송수신
- 스트림간 독립적 (특정 스트림의 패킷이 손실되어도 영향이 없음)
- 스트림 내 데이터들도 쪼개져있음
서버푸시
- 클라이언트 요청 없이 서버가 리소스를 푸시할 수 있음
- html과 함께 하는 css나 js 파일을 서버에서 함께 푸시하여 속도 개선

HTTPS

애플리케이션 계층과 전송 계층 사이에 신뢰 계층인 SSL/TLS 계층을 넣음
- 제 3자가 메시지를 도청하거나 변조하지 못 하도록 함 (인터셉터 방지)
- 이를 통한 통신 암호화

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네트워크

기본 개념

처리량과 지연 시간

네트워크 토폴로지(Network topology)

TCP/IP 4계층 모델

Application 계층

예시

Transport 계층

예시

Internet 계층

Link 계층

계층 간에 데이터 송수신

IP 주소

ARP (Address Resolution Protocol)

홉바이홉 통신

Switch

Router

Gateway

IP 주소 체계

클래스 기반 할당 방식 (CIDR)

NAT (Network Address Translation)

DNS (Domain Name System)

HTTP

HTTP/1.0

RTT 감소 방법

HTTP/1.1

HTTP/2

HTTPS

Destination IP	Next Hop	Interface
192.168.1.0/24	10.0.0.1	eth0 (첫번째 이더넷 카드)
10.0.0.0/24	192.168.1.1	eth1
0.0.0.0/0	10.0.0.2	eth2

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기본 개념

처리량과 지연 시간

네트워크 토폴로지(Network topology)

TCP/IP 4계층 모델

Application 계층

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Transport 계층

예시

Internet 계층

Link 계층

계층 간에 데이터 송수신

IP 주소

ARP (Address Resolution Protocol)

홉바이홉 통신

Switch

Router

Gateway

IP 주소 체계

클래스 기반 할당 방식 (CIDR)

NAT (Network Address Translation)

DNS (Domain Name System)

HTTP

HTTP/1.0

RTT 감소 방법

HTTP/1.1

HTTP/2

HTTPS