[혼자 공부하는 네트워크] 01. 컴퓨터 네트워크 시작하기

컴퓨터 네트워크를 알아야 하는 이유

컴퓨터 네트워크(computer network, 네트워크): 여러 개의 장치가 마치 그물처럼 서로 연결되어 정보를 주고받을 수 있는 통신망

인터넷: 여러 네트워크를 연결한 '네트워크의 네트워크'

• 네트워크를 통해 정보를 주고받을 수 있는 기기들은 한 네트워크 내에서 통신도 가능하고, 네트워크 간에도 통신이 가능하다.
• 개발자가 컴퓨터 네트워크를 알아야 하는 이유 → 개발자는 1) 프로그램을 만드는 업무(ex: TCP/UDP, HTTP), 2) 프로그램을 유지 보수하는 업무(ex: 오류 진단)를 한다. 두 업무 모두 네트워크를 통해 진행되기 때문에 네트워크를 반드시 알아야 한다.

---

컴퓨터 네트워크 거시적으로 살펴보기

네트워크 기본 구조

네트워크 구조 = 그래프

그래프(graph): 노드(node)와 노드를 연결하는 간선(edge)으로 이루어진 자료 구조

그래프 자료구조와 네트워크 형태 예시(출처: https://www.youtube.com/watch?v=c_4x5M_GwD8&t=8s)

• 가장 자리에 위치한 노드(스마트폰, 노트북, PC 등) = 호스트
• 중간에 위치한 노드(공유기) = 네트워크 장비
• 노드 간 연결하는 링크(유무선) = 통신 매체
• 노드 간 주고받는 정보(메시지) = 메시지

1) 호스트

네트워크의 가장자리에 위치한 노드로, 네트워크를 통해 주고받는 메시지를 최초로 송신하거나, 최종적으로 수신하는 대상

호스트는 역할에 따라 클라이언트(client)와 서버(server)로 구분된다.

• 클라이언트(client): 서버에게 요청을 보내는 호스트
• 서버(server): 요청에 대한 응답을 보내는 호스트

2) 네트워크 장비

호스트 간 주고받을 정보가 거치는 중간 노드(이더넷 허브, 스위치, 라우터, 공유기 등)로, 호스트 간 주고받는 정보가 수신지까지 안정적이고 안전하게 전송하게 하는 장비

※ 호스트(서버/클라이언트)와 네트워크 장비는 역할에 따라, 네트워크 구조에 따라 구분할 개념일 뿐, 완전히 배타적인 개념은 아님!

- 호스트로 동작하는 노드도 때로는 네트워크 장비 역할 수행 가능

- 서버로 동작하는 노드도 때로는 클라이언트 역할 수행 가능

- 클라이언트로 동작하는 노드도 때로는 서버 역할 수행 가능

 

3) 통신 매체

각 노드를 연결하는 간선(링크)로, 유선 매체와 무선 매체가 있다.

통신 매체(출처: https://www.youtube.com/watch?v=c_4x5M_GwD8&t=8s)

• 통신 매체는 성능과 밀접하게 연관되어 있다.

4) 메시지

통신 매체로 연결된 노드가 주고받는 정보로, 웹페이지, 파일, 메일 등이 있다.

---

 

범위에 따른 네트워크 분류

1) LAN(Local Area Network): 근거리를 연결한 네트워크

가까운 지역을 연결한 근거리 통신망 ex) 가정집, 사무실

LAN(출처: https://www.youtube.com/watch?v=c_4x5M_GwD8&t=8s)

2) WAN(Wide Area Network): 원거리를 연결한 네트워크

먼 지역을 연결하는 광역 통신망으로, 다른 LAN에 속한 호스트와 메시지를 주고받아야 할 때 필요

• 인터넷이 WAN으로 분류됨
• ISP(Internet Service Provider): 사용자에게 인터넷과 같은 WAN에 연결 가능한 회선을 임대하는 등 WAN과 관련된 다양한 서비스를 제공해주는 업체 ex: KT, LG U+, SK브로드밴드 등

WAN(출처: https://www.youtube.com/watch?v=c_4x5M_GwD8&t=8s)

3) CAN(Campus Area Network): 학교 또는 회사의 여러 건물 단위

4) MAN(Metropolitan Area Network): 도시나 대도시 단위

---

메시지 교환 방식에 따른 네트워크 분류

1) 회선 교환 네트워크: 회선 교환 방식으로 메시지를 주고받는 네트워크

메시지를 주고받기 전 (메시지 전송로인) 회선(circuit)을 설정한 뒤, 해당 회선을 통해 메시지를 주고받는 방식

→ '회선을 설정한다' = '두 호스트가 연결되었다' = '두 호스트를 연결할 전송로를 예약하였다' = '전송로를 확보하였다'

 

회선 교환 방식(출처: https://www.youtube.com/watch?v=c_4x5M_GwD8&t=8s)

• 회선 스위치: 호스트 사이에 일대일 전송로를 확보하는 네트워크 장비
• 장점: 두 호스트 사이에 연결을 확보한 후에 메시지를 주고받는 특성 덕분에 주어진 시간 동안 전송되는 정보의 양이 비교적 일정함
• 단점: 회선의 이용 효율이 낮아질 수 있음
  • 가능한 모든 회선에 끊임없이 메시지가 흐르고 있어야만 회선의 이용 효율이 높아짐
  • 메시지를 주고받지 않으면서 회선을 점유하는 것은 낭비

2) 패킷 교환 네트워크: 패킷 교환 방식으로 메시지를 주고받는 네트워크

메시지를 패킷(packet)이라는 단위로 쪼개어 전송되고, 쪼개어 전송된 패킷들은 수신지에서 재조립된다.

• 패킷: 패킷 교환 네트워크 상의 송수신 단위
  • 패킷 = 페이로드(전송하려는 데이터)[= 물품] + 헤더/트레일러(부가 정보 또는 제어 정보)[= 택배 송장]

패킷 교환 방식(출처: https://www.youtube.com/watch?v=c_4x5M_GwD8&t=8s)

• 전송로의 이용 효율이 높아 회선 교환 방식의 문제점을 해결함
• 현대 인터넷은 대부분 패킷 교환 방식을 이용함
• 쪼개져서 전송되는 패킷들은 각기 다른 전송로를 통해 수신지까지 도달할 수 있다.
• 수신지에 도달한 패킷들은 각기 다른 순서로 도착할 수 있다.
• 패킷 스위치: 패킷의 송수신지를 식별, 패킷이 이동할 최적의 경로를 결정하는 네트워크 장비 ex) 라우터(router), 스위치(switch) 등

---

주소

헤더에 담기는 대표적인 정보이며, 송수신지를 특정하는 정보(ex: IP 주소, MAC 주소)로, 주소가 있으면 '누구에게 전송할지'를 지정할 수 있다.

• 수신지를 다양한 유형으로 지정할 수 있음 → 특정 기기 하나에 전송, 같은 네트워크 내 모든 기기로 전송, 같은 그룹에 속한 기기에 전송 등

송수신지 유형별 전송 방식

• 유니캐스트(unicast): 하나의 수신지에 메시지를 전송, 송신지와 수신지가 일대일로 메시지를 주고받는 경우(가장 일반적인 송수신 형태)
• 브로드캐스트(broadcast): 네트워크상의 모든 호스트에게 전송, 브로드캐스트 도메인(브로드캐스트가 전송되는 범위)
• 멀티캐스트(multicast): 네트워크 내의 동일 그룹에 속한 호스트에게만 전송
• 애니캐스트(anycast): 네트워크 내의 동일 그룹에 속한 호스트 중 가장 가까운 호스트에게 전송

---

컴퓨터 네트워크 미시적으로 살펴보기

두 대의 컴퓨터가 정보를 주고받는 과정에서 벌어지는 일

 

택배로 책을 보내는 예시

멀리 떨어진 '영수(수신지 호스트)'에게 택배로 책을 선물

1) 선물할 책(페이로드)을 택배 상자에 넣기

2) 배송 주소 등 택배 기사가 읽을 메시지(헤더)를 작성하고 첨부

3) 택배 기사(네트워크 장비)를 통해 발송

• 택배를 올바르게 주고 받으려면 언어가 통해야 함!
  • '나'와 '영수'가 이해하는 언어
  • '나'와 '택배 기사'가 이해하는 언어
  • '택배 기사'와 '택배 기사'가 이해하는 언어

프로토콜(protocol)

노드 간 정보를 올바르게 주고받기 위해 합의된 규칙이나 방법으로, 네트워크 세상의 언어

• 네트워크 통신 과정에서는 여러 프로토콜을 함께 사용하는 경우가 많음
• 모든 프로토콜에는 목적과 특징이 있음
• 프로토콜에는 목적과 특징에 필요한 정보가 들어있음

네트워크 참조 모델

[택배로 책을 보내는 예시를 더 잘게 쪼개기]

영수에게 선물할 책을 택배로 보내는 과정	영수가 택배를 전달받는 과정
1) 선물할 책을 준비하기	1) 택배 상자를 택배 기사로부터 전달받음
2) 책이 상하지 않도록 책을 포장하기	2) 택배 기사가 확인한 메시지를 제거
3) 포장된 책을 택배 상자에 담기	3) 택배 상자를 개봉
4) 택배 상자를 밀봉하기	4) 택배 상자에서 포장된 책을 꺼냄
5) 택배 기사가 확인할 메시지를 택배 상자에 붙이기	5) 포장 용지를 제거
6) 택배 상자를 택배 기사에게 전달하기	6) 선물 받은 책을 확인

 

위와 같이 송수신 과정을 계층적으로 표현할 수 있음

패킷을 송수신하는 과정(출처: https://www.youtube.com/watch?v=c_4x5M_GwD8&t=8s)

네트워크 참조 모델: 통신이 이루어지는 각 과정을 계층으로 나눈 구조

• 통신 과정을 계층적으로 나눈 이유
  1. 네트워크 구성과 설계가 용이함 → 각 계층의 목적에 맞게 프로토콜과 장비를 계층별로 구성할 수 있음
  2. 네트워크 문제 진단과 해결이 용이함 → 통신이 이루어지는 각 단계에 맞춰 원인 파악하거나 문제 해결할 수 있음
• 대표적인 네트워크 참조 모델: OSI 모델(OSI 7계층), TCP/IP 모델(TCP/IP 4계층)

네트워크 참조 모델(출처: https://www.youtube.com/watch?v=c_4x5M_GwD8&t=8s)

 

OSI 모델

국제 표준화 기구 ISO에서 만든 네트워크 참조 모델(이론 강조)

응용 계층(application layer)	사용자 및 사용자가 이해하는 응용 프로그램에 다양한 네트워크 서비스
표현 계층(presentation layer)	문자를 컴퓨터가 이해할 수 있는 코드로 변환하거나(인코딩), 압축, 암호화 → 번역가 역할
세션 계층(session layer)	세션(통신을 주고받는 호스트의 응용 프로그램 간 연결 상태)을 관리
전송 계층(transport layer)	신뢰성 있고 안정성 있는 전송을 해야할 때 필요한 계층
네트워크 계층(network layer)	메시지를 (다른 네트워크에 속한) 수신지까지 전달하는 계층 → LAN간의 통신 기술
데이터링크 계층(data link layer)	네트워크 내 주변 장치 간의 정보를 올바르게 주고받기 위한 계층 → LAN과 관련된 기술
물리 계층(physical layer)	OSI 모델의 최하단, 1과 0으로 표현되는 비트 신호를 주고받는 계층 → LAN과 관련된 기술

 

TCP/IP 모델

• TCP/IP 4계층, 인터넷 프로토콜 스위트, TCP/IP 프로토콜 스택이라고도 부름
• OSI 모델보다 실용성을 강조한 네트워크 참조 모델(구현 강조)

응용 계층(application layer)	OSI 모델의 세션+표현+응용 계층과 유사
전송 계층(transport layer)	OSI 모델의 전송 계층과 유사
인터넷 계층(internet layer)	OSI 모델의 네트워크 계층과 유사
네트워크 액세스 계층 (network access layer)	(링크 계층, 네트워크 인터페이스 계층) OSI 모델의 데이터 링크 계층과 유사

 

캡슐화와 역캡슐화

송신 과정에서 캡슐화, 수신 과정에서 역캡슐화가 이루어진다.

• 메시지는 송신지 입장에서는 가장 높은 계층에서부터 가장 낮은 계층으로 이동
• 메시지는 수신지 입장에서는 가장 낮은 계층에서부터 가장 높은 계층으로 이동

송수신 과정(출처: https://www.youtube.com/watch?v=c_4x5M_GwD8&t=8s)

캡슐화: 계층 별 프로토콜의 목적과 특징에 부합하는 헤더/트레일러가 추가되는 과정

• 상위 계층으로부터 내려받은 패킷을 페이로드로 삼아, 프로토콜에 걸맞는 헤더(혹은 트레일러)를 덧붙인 후 하위 계층으로 전달
• 한 단계 위 계층의 페이로드+헤더 값은 바로 아래 계층의 페이로드가 된다.

캡슐화 과정(출처: https://www.youtube.com/watch?v=c_4x5M_GwD8&t=8s)

역캡슐화: 계층 별 프로토콜의 목적과 특징에 부합하는 헤더 제거되는 과정

역캡슐화 과정(출처: https://www.youtube.com/watch?v=c_4x5M_GwD8&t=8s)

PDU(Protocol Data Unit)

각 계층에서 송수신되는 메시지의 단위

• 현재 계층의 PDU = 상위 계층의 데이터 + 현재 계층의 프로토콜 헤더(및 트레일러)

PDU(출처: https://www.youtube.com/watch?v=c_4x5M_GwD8&t=8s)

---

OSI 7계층과 TCP/IP 4계층의 오해

네트워크 지식 = 네트워크 참조 모델이라고 오해하기 쉬움

네트워크 참조 모델 목적은 네트워크 구성과 설계를 조금 더 용이하게 하기 위해 밑그림을 그린 것임! 반드시 지켜야하는 규칙이 아님

• 새로운 프로토콜과 네트워크 장비는 만들어지고 있고, 모든 프로토콜이 모든 모델의 특정 계층에 완벽히 대응되지 않음
• TCP/IP 모델의 경우 전공 서적마다 자유롭게 기술되어 있음
• 상위 계층의 장비가 하위 계층의 역할을 포괄하는 경우도 많음(ex: 라우터 등)
• 네트워크 참조 모델에 속한 프로토콜과 네트워크 장비가 네트워크를 작동시키는 주체임! 따라서, 네트워크 학습 대상은 프로토콜과 네트워크 장비가 중점이 되어야 함!

트래픽과 네트워크 성능 지표

트래픽(traffic): 네트워크 내의 정보량

• 트래픽은 주로 노드에서 측정: '특정 시점에 노드를 경유하는 정보량'
• 과도한 트래픽이 야기하는 문제: 과부하(성능 저하) 발생
  • 하나의 노드가 처리할 수 있는 트래픽의 양은 정해져 있음
  • 과도한 트래픽이 한 노드에 몰릴 경우에는 과부하로 인한 성능 저하가 발생함

[성능 지표]

1) 처리율(throughput): 단위 시간당 네트워크를 통해 실제로 전송되는 정보량으로, 실시간성 강조

• bps(bit/s): bits per second
• Mbps(Mbit/s): megabits per second
• Gbps(Gbit/s): gigabits per second
• pps(p/s): packets per second(1초당 몇 개의 패킷들이 처리되는지 나타내는 지표)

2) 대역폭(bandwidth)

• 신호 처리 영역에서의 정의: 주파수의 범위
• 컴퓨팅 영역에서의 정의: 단위 시간 동안 통신 매체를 통해 송수신할 수 있는 최대 정보량, 정보를 주고받을 폭 → bps, Mbps, Gbps 단위 사용

3) 패킷 손실(packet loss)

• 송수신되는 패킷이 손실된 상황
• 손실된 패킷 수, 전체 패킷/유실된 패킷 (백분위) 사용

---

참고 자료

혼자 공부하는 네트워크