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[BOOK] 네트워크의 기초, TCP/IP 4계층 모델 본문
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- 네트워크
- 노드(node)와 링크(link)가 서로 연결되어 있으며 리소스를 공유하는 집합
- 노드 : 서버, 라우터, 스위치 등 네트워크 장치를 의미
- 링크 : 유선 또는 무선을 의미
- 노드(node)와 링크(link)가 서로 연결되어 있으며 리소스를 공유하는 집합
- '좋은' 네트워크
- 많은 처리량을 처리할 수 있으며
- 지연 시간이 짧고
- 장애 빈도가 적으며
- 좋은 보안을 갖춘 네트워크
- 처리량(throughput)* : 링크를 통해 전달되는 단위 시간당 데이터양
- 단위 : bps(bits per second), 초당 전송 또는 수신되는 비트 수라는 의미
- 처리량은 사용자들이 많이 접속할 때마다 커지는 트래픽, 네트워크 장치 간의 대역폭,
네트워크 중간에 발생하는 에러, 장치의 하드웨어 스펙에 영향을 받는다.
- 지연 시간(latency)* : 요청이 처리되는 시간, 어떤 메시지가 두 장치 사이를 왕복하는 데 걸린 시간
- 매체 타입(무선, 유선), 패킷 크기, 라우터의 패킷 처리 시간에 영향을 받는다.
- 처리량(throughput)* : 링크를 통해 전달되는 단위 시간당 데이터양
- 네트워크 토폴로지
- 네트워크를 설계할 때 고려, 네트워크의 구조
- 노드와 링크가 어떻게 배치되어 있는지에 대한 방식이자 연결 형태
- 트리 토폴로지*
- 계층형 토폴로지
- 트리 형태로 배치한 네트워크 구성
- 노드의 추가, 삭제가 쉬우며 특정 노드에 트래픽이 집중될 때 하위 노드에 영향을 끼칠 수 있다.
- 버스 토폴로지*
- 중앙 통신 회선 하나에 여러 개의 노드가 연결되어 공유하는 네트워크 구성
- 근거리 통신망(LAN)에서 사용
- 특징
- 적은 설치 비용
- 우수한 신뢰성
- 중앙 통신 회선에 노드를 추가하거나 삭제하기 쉽다.
- 단점
- 스푸핑*이 가능하다.
- 스푸핑 : LAN상에서 송신부의 패킷을 송신과 관련 없는 다른 호스트에 가지 않도록 하는
스위칭 기능을 마비시키거나 속여서 특정 노드에 해당 패킷이 오도록 처리하는 것
- 스푸핑 : LAN상에서 송신부의 패킷을 송신과 관련 없는 다른 호스트에 가지 않도록 하는
- 스푸핑*이 가능하다.
- 스타 토폴로지*
- 중앙에 있는 노드에 모두 연결된 네트워크 구성
- 특징
- 노드를 추가하거나 에러를 탐지하기 쉽다.
- 패킷의 충돌 발생 가능성이 적다.
- 노드에 장애가 발생해도 쉽게 에러를 발견할 수 있다.
- 장애 노드가 중앙 노드가 아닐 경우 다른 노드에 영향을 끼치는 것이 적다.
- 단점
- 중앙 노드에 장애가 발생하면 전체 네트워크를 사용할 수 없다
- 고가의 설치 비용
- 링형 토폴로지*
- 각각의 노드가 양 옆의 두 노드와 연결하여
전체적으로 고리처럼 하나의 연속된 길을 통해 통신을 하는 망 구성 방식 - 특징
- 데이터는 노드에서 노드로 이동, 각각의 노드는 고리 모양의 길을 통해 패킷을 처리
- 노드 수가 증가되어도 네트워크 상의 손실이 거의 없고 충돌이 발생되는 가능성이 적고 노드의 고장 발견을 쉽게 찾을 수 있다.
- 단점
- 네트워크 구성 변경이 어렵다
- 회선에 장애가 발생하면 전체 네트워크에 영향을 크게 끼친다.
- 각각의 노드가 양 옆의 두 노드와 연결하여
- 메시 토폴로지*
- 망형 토폴로지
- 그물망처럼 연결되어 있는 구조
- 특징
- 한 단말 장치에 장애가 발생해도 여러 개의 경로가 존재하므로 네트워크를 계속 사용할 수 있다
- 트래픽 분산 처리 가능.
- 단점
- 노드의 추가가 어려움
- 고가의 구축 비용, 운용 비용
- 병목현상
- 전체 시스템의 성능이나 용량이 하나의 구성 요소로 인해 제한을 받는 현상
- 토폴로지가 중요한 이유
- 병목 현상을 찾을 때 중요한 기준이 되기 때문
- 네트워크가 어떤 토폴로지를 갖는지, 어떤 경로로 이루어져 있는지 알아야 병목 현상을 올바르게 해결할 수 있다.
- 네트워크 분류
- LAN(Local Area Network)
- 사무실과 개인적으로 소유 가능한 규모, 근거리 통신망
- 전송 속도가 빠르다
- 혼잡하지 않다
- MAN(Metropolitan Area Network)
- 서울시 등 시정도의 규모, 대도시 지역 네트워크
- 전송 속도는 평균
- LAN보다는 더 많이 혼잡하다
- WAN(Wide Area Network)
- 세계 규모, 광역 네트워크
- 전송 속도는 낮다
- MAN보다 더 혼잡하다
- LAN(Local Area Network)
- 네트워크 성능 분석 명령어
- 네트워크 병목 현상의 주된 원인
- 네트워크 대역폭
- 네트워크 토폴로지
- 서버 CPU, 메모리 사용량
- 비효율적인 네트워크 구성
- ping(Packet INternet Groper)
- 네트워크 상태를 확인하려는 대상 노드를 향해 일정 크기의 패킷을 전송하는 명령어
- 해당 노드의 패킷 수신 상태와 도달하기까지 시간 등을 알 수 있으며
네트워크가 잘 연결되어 있는지 확인할 수 있다. - TCP/IP 프로토콜 중에 ICMP 프로토콜을 통해 동작하며,
이 때문에 ICMP 프로토콜을 지원하지 않는 기기를 대상으로는 실행할 수 없거나
네트워크 정책상 ICMP 나 traceroute를 차단하는 대상의 경우 ping 테스팅을 불가능하다. - 실행 코드 : ping [IP 주소 또는 도메인 주소]
- netstat
- 접속되어 있는 서비스들의 네트워크 상태를 표시하는 데 사용되며
네트워크 접속, 라우팅 테이블, 네트워크 프로토콜 등 리스트를 보여준다. - 서비스의 포트가 열려 있는지 확인할 때 쓴다.
- 접속되어 있는 서비스들의 네트워크 상태를 표시하는 데 사용되며
- nslookup
- DNS에 관련된 내용을 확인하기 위해 쓰는 명령어
- 특정 도메인에 매핑된 IP를 확인하기 위해 사용
- tracert
- 윈도에서는 tracert / 리눅스에서는 traceroute
- 목적지 노드까지 네트워크 경로를 확인할 때 사용하는 명령어
- 목적지 노드까지 구간들 중 어느 구간에서 응답 시간이 느려지는지 등 확인할 수 있다.
- frp
- 대형 파일을 전송하여 테스팅
- tcpdump
- 노드로 오고 가는 패킷을 캡처
- wireshark, netmon
- 네트워크 분석 프로그램
- 네트워크 병목 현상의 주된 원인
- 네트워크 프로토콜
- 다른 장치들끼리 데이터를 주고받기 위해 설정된 공통된 인터페이스
- 프로토콜은 기업이나 개인이 발표해서 정하는 것이 아니라 IEEE 또는 IETF라는 표준화 단체가 이를 정한다.
- ex) 웹을 접속할 때 쓰이는 HTTP
- '서로 약속된' 인터페이스인 HTTP라는 프로토콜을 통해 노드들은 웹 서비스를 기반으로 데이터를 주고받을 수 있다.
- 인터넷 프로토콜 스위트(internet protocol suite)
- 인터넷에서 컴퓨터들이 서로 정보를 주고받는 데 쓰이는 프로토콜의 집합
- 종류
- TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol) 4계층 모델
- 네트워크에서 사용되는 통신 프로토콜의 집합으로 계층들은 프로토콜의 네트워킹 범위에 따라 네 개의 추상화 계층으로 구성된다.
- OSI 7계층 모델
- TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol) 4계층 모델
- TCP/IP 4계층
- 애플리케이션 계층
- 전송 계층
- 인터넷 계층
- 링크 계층
- OSI 7계층
- 애플리케이션 계층
- 프레젠테이션 계층
- 세션 계층
- 전송 계층
- 네트워크 계층
- 데이터 링크 계층
- 물리 계층
- 애플리케이션 계층(application)
- FTP, HTTP, SSH, SMTP, DNS
- FTP
- 장치와 장치 간의 파일을 전송하는 데 사용되는 표준 통신 프로토콜
- SSH
- 보안되지 않은 네트워크에서 네트워크 서비스를 안전하게 운영하기 위한 암호화 네트워크 프로토콜
- HTTP
- World Wide Web을 위한 데이터 통신의 기초이자 웹 사이트를 이용하는 데 쓰는 프로토콜
- SMTP
- 전자 메일 전송을 위한 인터넷 표준 통신 프로토콜
- DNS
- 도메인 이름과 IP 주소를 매핑해주는 서버
- FTP
- 응용 프로그램이 사용되는 프로토콜 계층
- 웹 서비스, 이메일 등 서비스를 실질적으로 사람들에게 제공하는 층
- FTP, HTTP, SSH, SMTP, DNS
- 전송 계층(transport)
- 송신자와 수신자를 연결하는 통신 서비스 제공
- 연결 지향 데이터 스트림 지원, 신뢰성, 흐름 제어 제공
- 애플리케이션과 인터넷 계층 사이의 데이터가 전달될 때 중계 역할
- TCP
- 패킷 사이의 순서를 보장
- 연결지향 프로토콜을 사용
- 연결을 하여 신뢰성을 구축해서 수신 여부를 확인하며 '가상회선 패킷 교환 방식'을 사용
- 가상회선 패킷 교환 방식
- 각 패킷에는 가상회선 식별자가 포함
- 모든 패킷을 전송하면 가상회선이 해제되고 패킷들은 전송된 '순서대로' 도착하는 방식
- UDP
- 순서를 보장하지 않는다
- 수신 여부를 확인하지 않는다
- 단순히 데이터만 주는 '데이터그램 패킷 교환 방식' 사용
- 데이터그램 패킷 교환 방식
- 패킷이 독립적으로 이동하며 최적의 경로를 선택
- 하나의 메시지에서 분할된 여러 패킷은 서로 다른 경로로 전송될 수 있으며 도착한 '순서가 다를 수' 있는 방식
- TCP 연결 성립 과정
- 신뢰성을 확보할 때 '3-웨이 핸드셰이크(3-way handshake)*'라는 작업을 진행
- 클라이언트와 서버가 통신할 때 세 단계의 과정을 거친다.
- SYN 단계 : 클라이언트는 서버에 클라이언트의 ISN을 담아 SYN을 보낸다
- SYN : SYNchronization의 약자, 연결 요청 플래그
- ISN : Initial Sequence Numbers의 약어, 초기 네트워크 연결을 할 때 할당된 32비트 고유 시퀀스 번호.
새로운 TCP 연결의 첫 번째 패킷에 할당된 임의의 시퀀스 번호
- SYN + ACK 단계 : 서버는 클라이언트의 SYN을 수신하고 서버의 ISN을 보내며 승인번호로 클라이언트의 ISN + 1을 보낸다
- ACK 단계 : 클라이언트는 서버의 ISN + 1한 값의 승인번호를 담아 ACK를 서버에 보낸다
- ACKnowledgement의 약자, 응답 플래그
- SYN 단계 : 클라이언트는 서버에 클라이언트의 ISN을 담아 SYN을 보낸다
- 3-웨이 핸드셰이크 과정 이후 신뢰성이 구축되고 데이터 전송을 시작한다
- TCP는 3-웨이 핸드셰이크 과정이 있기에 신뢰성이 있는 계층
- UDP는 3-웨이 핸드셰이크 과정이 없기 때문에 신뢰성이 없는 계층
- TCP 연결 해제 과정
- TCP가 연결을 해제할 때는 4-웨이 핸드셰이크(4-way handshake) 과정이 발생한다.
- TIME_WAIT
- 소켓이 바로 소멸되지 않고 일정 시간 유지되는 상태를 말하며 지연 패킷 등의 문제점을 해결하는 데 쓰인다. CentOS6, 우분투에는 60초로 설정되어 있으며 윈도우 4분으로 설정되어 있다.
즉, OS마다 조금씩 다를 수 있다.
- 소켓이 바로 소멸되지 않고 일정 시간 유지되는 상태를 말하며 지연 패킷 등의 문제점을 해결하는 데 쓰인다. CentOS6, 우분투에는 60초로 설정되어 있으며 윈도우 4분으로 설정되어 있다.
- 데이터 무결성(data intergrity)
- 데이터의 정확성과 일관성을 유지하고 보증하는 것
- TIME_WAIT 상태를 잠시 기다릴 시간이 필요한 이유
- 첫 번째 : 지연 패킷이 발생할 경우를 대비하기 위함.
패킷이 뒤늦게 도달하고 이를 처리하지 못한다면 데이터 무결성 문제가 발생 - 두 번째 : 두 장치가 연결이 닫혔는지 확인하기 위해서.
- 첫 번째 : 지연 패킷이 발생할 경우를 대비하기 위함.
- 인터넷 계층(internet)
- 장치로부터 받은 네트워크 패킷을 IP 주소로 지정된 목적지로 전송하기 위해 사용되는 계층
- IP, ARP, ICMP
- 패킷을 수신해야 할 상대의 주소를 지정하여 데이터를 전달
- 상대방이 제대로 받았는지에 대해 보장하지 않는 비연결형적인 특징
- 링크 계층
- 전선, 광섬유, 무선 등으로 실질적으로 데이터를 전달하며 장치 간에 신호를 주고받는 '규칙'을 정하는 계층
- 네트워크 접근 계층이라고도 한다
- 물리 계층은 무선 LAN과 유선LAN을 통해 0과 1로 이루어진 데이터를 보내는 계층
- 데이터 링크 계층은 '이더넷 프레임'을 통해 에러 확인, 흐름 제어, 접근 제어를 담당하는 계층
- 유선 LAN(IEEE802.3)
- 유선 LAN을 이루는 이더넷은 IEEE802.3이라는 프로토콜을 따르며 전이중화 통신을 쓴다
- 전이중화 통신(full deplex)
- 양쪽 장치가 동시에 송수신할 수 있는 방식
- 송신로와 수신로로 나눠서 데이터를 주고받으며 현대의 고속 이더넷은 이 방식을 기반으로 통신
- CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)
- 유선 LAN에 '반이중화 통신' 중 하나
- 데이터를 '보낸 이후' 충돌이 발생한다면 일정 시간 이후 재전송하는 방식
- 수신로와 송신로를 각각 둔 것이 아니라,
한 경로를 기반으로 데이터를 보내기 때문에 데이터를 보낼 때 충돌에 대해 대비해야 했기 때문
- 전이중화 통신(full deplex)
- 유선 LAN을 이루는 이더넷은 IEEE802.3이라는 프로토콜을 따르며 전이중화 통신을 쓴다
- 유선 LAN을 이루는 케이블
- 트위스트 페어 케이블(twisted pair cable)
- 하나의 케이블처럼 보이지만 실제로는 여덟개의 구리선을 두 개씩 꼬아서 묶은 케이블
- 종류
- (일반적) 구리선을 실드 처리하지 않고 덮은 UTP 케이블
- 실드 처리하고 덮은 STP 케이블
- 광섬유 케이블
- 레이저를 이용해서 통신하기 때문에 구리선과는 비교할 수 없을 만큼의 장거리 및 고속 통신이 가능
- 보통 100Gbps의 데이터를 전송
- 한 번 들어간 빛이 내부에서 계속적으로 반사하며 전진하여 반대편 끝까지 가는 원리를 이용
- 트위스트 페어 케이블(twisted pair cable)
- 무선 LAN(IEEE802.11)
- 수신과 송신에 같은 채널을 사용
- 무선 LAN(WLAN, Wireless Local Area Network)
- 무선 신호 전달 방식을 이용하여 2대 이상의 장치를 연결하는 기술
- 반이중화 통신(half duplex)
- 양쪽 장치는 서로 통신할 수 있지만, 동시에는 통신할 수 없으며 한 번에 한 방향만 통신할 수 있는 방식
- 둘 이상의 장치가 동시에 전송하면 충돌이 발생하여 메시지가 손실되거나 왜곡될 수 있기 때문에 충돌 방지 시스템이 필요하다.
- CSMA/CA
- 반이중화 통신 중 하나
- 장치에서 데이터를 보내기 전에 캐리어 감지 등으로 사전에 가능한 한 충돌을 방지하는 방식으로 사용
- 과정
- 데이터를 송신하기 전에 무선 매체를 살핀다
- 캐리어 감지 : 회선이 비어 있는지를 판단
- IFS(Inter FrameSpace) : 랜덤 값을 기반으로 정해진 시간만큼 기다리며, 만약 무선 매체가 사용 중이면 점차 그 간격을 늘려가며 기다린다
- 이후에 데이터를 송신한다
- 무선 LAN을 이루는 주파수
- 비유도 매체인 공기에 주파수를 쏘아 무선 통신망을 구축
- 주파수 대역은 2.4GHz 대역 또는 5GHz 대역 중 하나를 써서 구축
- 5GHz 대역을 사용하는 것이 좋은 이유
- 2.4GHz는 장애물에 강한 특성을 가지고 있지만 전자레인지, 무선 등 전파 간섭이 일어나는 경우가 많기에
- 5GHz 대역은 사용할 수 있는 채널 수도 많고 동시에 사용할 수 있기 때문에 상대적으로 깨끗한 전파 환경을 구축 할 수 있다.
- 와이파이
- 전자기기들이 무선 LAN 신호에 연결할 수 있게 하는 기술
- 사용하려면 무선 접속 장치(AP, Access Point)가 있어야 한다 (공유기)
- 유선 LAN에 흐르는 신호를 무선 LAN 신호로 바꿔주어 신호가 닿는 범위 내에서 무선 인터넷을 사용할 수 있게 된다
- 그 외 지그비, 블루투스
- BSS(Basic Service Set)
- 기본 서비스 집합
- 동일 BSS 내에 있는 AP들과 장치들이 서로 통신이 가능한 구조
- 근거리 무선 통신을 제공
- 사용자가 한 곳에서 다른 곳으로 자유롭게 이동하며 네트워크에 접속하는 것은 불가능
- ESS(Extended Service Set)
- 하나 이상의 연결된 BSS 그룹
- 장거리 무선 통신을 제공하며 BSS보다 더 많은 가용성과 이동성을 지원
- 사용자는 한 장소에서 다른 장소로 이동하며 중단 없이 네트워크에 계속 연결할 수 있다.
- 이더넷 프레임*
- 데이터 링크 계층은 이더넷 프레임을 통해 전달받은 데이터의 에러를 검출하고 캡슐화한다.
- 계층 간 데이터 송수신 과정*
- 애플리케이션 계층에서 전송 계층으로 사용자가 보내는 요청(request) 값들이 캡슐화 과정을 거쳐 전달되고,
링크 계층을 통해 해당 서버와 통신을 하고,
서버의 링크 계층으로부터 애플리케이션까지 비캡슐화 과정을 거쳐 데이터가 전송된다. - 캡슐화 과정*
- 상위 계층의 헤더와 데이터를 하위 계층의 데이터 부분에 포함시키고 해당 계층의 헤더를 삽입하는 과정
- 애플리케이션 계층의 데이터가 전송 계층으로 전달되면서 '세그먼트' 또는 '데이터그램'화 되며
TCP(L4) 헤더가 붙여지게 된다. - 인터넷 계층으로 가면서 IP(L3) 헤더가 붙여지게 되며 '패킷'화가 된다.
- 링크 계층으로 전달되면서 프레임 헤더와 프레임 트레일러가 붙어 '프레임'화가 된다.
- 비캡슐화 과정*
- 캡슐화된 데이터를 받게 되면 링크 계층에서부터 타고 올라오면서
- 프레임화 된 데이터는 다시 '패킷'화를 거쳐 '세그먼트', '데이터그램'화를 거쳐 '메시지'화가 되는 비캡슐화 과정이 일어난다.
- 최종적으로 사용자에게 애플리케이션의 PDU인 메시지로 전달된다.
- 애플리케이션 계층에서 전송 계층으로 사용자가 보내는 요청(request) 값들이 캡슐화 과정을 거쳐 전달되고,
- PDU(Protocol Data Unit)
- 네트워크의 어떠한 계층에서 계층으로 데이터가 전달될 때 한 덩어리의 단위
- PDU는 제어 관련 정보들이 포함된 '헤더', 데이터를 의미하는 '페이로드'로 구성되어 있다.
- 애플리케이션 계층 : 메시지
- 애플리케이션 계층은 '메시지'를 기반으로 데이터를 전달한다.
- ex) HTTP의 헤더는 문자열
- 전송 계층 : 세그먼트(TCP), 데이터그램(UDP)
- 인터넷 계층 : 패킷
- 링크 계층 : 프레임(데이터 링크 계층), 비트(물리 계층)
- 애플리케이션 계층 : 메시지
- PDU 중 아래 계층인 비트로 송수신하는 것이 모든 PDU 중 가장 빠르고 효율성이 높다.
- 하지만 애플리케이션 계층에서는 문자열을 기반으로 송수신을 하는데,
그 이유는 헤더에 authorization 값 등 다른 값들을 넣는 확장이 쉽기 때문.
출처 : 면접을 위한 CS 전공지식 노트
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