CHAPTER2. 네트워크

2.1 네트워크의 기초

네트워크 : 노드(node)와 링크(link)가 서로 연결되어 있으며 리소스를 공유하는 집합.

여기서 노드란 서버, 라우터, 스위치 등 네트워 크 장치를 의미하고 링크는 유선 또는 무선을 의미함.

2.1.1 처리량과 지연 시간

좋은 네트워크란?
많은 처리량을 처리할 수 있으며, 지연 시간이 짧고, 장애 빈도가 적으며, 좋은 보안을 갖춘 네트워크

처리량

처리량(throughput)은 링크 내에서 성공적으로 전달된 데이터의 양을 말하며, 보통 얼만큼의 트래픽을 처리했는지를 나타냄.

단위로는 bps(bits per second)를 씀. 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 받음.

앞의 그림의 트래픽은 특정 시점 링크 내에 '흐르는' 데이터의 양이다. 예를 들어 서버에 저장된 파일을 클라이언트가 다운로드할 때 발생되는 데이터의 누적량을 뜻한다.

• 트래픽이 많아졌다. = 흐르는 데이터가 많아졌다.
• 처리량이 많아졌다. = 처리되는 트래픽이 많아졌다.

  용어
  대역폭 : 주어진 시간 동안 네트워크 연결을 통해 흐를 수 있는 최대 비트 수

지연 시간

지연 시간(latency)이란 요청이 처리되는 시간을 말하며 어떤 메시지가 두 장치 사이를 왕복하는데 걸린 시간을 말한다.

지연 시간은 매체 타입(무선, 유선), 패킷 크기, 라우터의 패킷 처리 시간에 영향을 받는다.

2.1.2 네트워크 토폴로지와 병목 현상

네트워크 토폴로지

네트워크 토폴로지(network topology)는 노드와 링크가 어떻게 배치되어 있는지에 대한 방식이자 연결 형태를 의미함.

트리 토폴로지

트리(tree) 토폴로지는 계층형 토폴로지라고 하며 트리 형태로 배치한 네트워크 구성을 말함.

• 장점
  • 노드의 추가, 삭제가 쉬움.
• 단점
  • 특정 노드에 트래픽이 집중될 때 하위 노드에 영향을 끼칠 수 있음.

버스 토폴로지

버스(bus) 토폴로지는 중앙 통신 회선 하나에 여러 개의 노드가 연결되어 공유하는 네트워크 구성을 말하며 근거리 통신망(LAN)에서 사용함.

• 장점
  • 설치 비용이 적고 신뢰성이 우수.
  • 중앙 통신 회선에 노드를 추가하거나 삭제하기 쉬움
• 단점
  • 스푸핑이 가능한 문제점이 있음.

    스푸핑
    LAN상에서 송신부의 패키을 송신과 관련 없는 다른 호스트에 가지 않도록 하는 스위칭 기능을 마비시키거나 속여서 특정 노드에 해당 패킷이 오도록 처리하는 것앞의 그림처럼 스푸핑을 적용하면 올바르게 수신부로 가야 할 패킷이 악의적인 노드에 전달되게 된다.

스타 토폴로지

스타(star) 토폴로지는 중앙에 있는 노드에 모두 연결된 네트워크 구성을 말함.

• 장점
  • 노드를 추가하거나 에러를 탐지하기 쉬움.
  • 패킷의 충돌 발생 가능성이 적음.
  • 어떠한 노드에 장애가 발생해도 쉽게 에러를 발견할 수 있음.
  • 장애 노드가 중앙 노드가 아닐 경우 다른 노드에 영향을 끼치는 것이 적음.
• 단점
  • 중앙 노드에 장애가 발생하면 전체 네트워크를 사용할 수 없음.
  • 설치 비용이 비쌈.

링형 토폴로지

링형(ring) 토폴로지는 각각의 노드가 양 옆의 두 노드와 연결하여 전체적으로 고리처럼 하나의 연속된 길을 통해 통신을 하는 망 구성 방식이다.
데이터는 노드에서 노드로 이동하게 되며, 각각의 노드는 고리 모양의 길을 통해 패킷을 처리.

• 장점
  • 노드 수가 증가되어도 네트워크상의 손실이 거의 없음.
  • 충돌이 발생되는 가능성이 적음.
  • 노드의 고장 발견을 쉽게 찾을 수 있음.
• 단점
  • 네트워크 구성 변경이 어려움.
  • 회선에 장애가 발생하면 전체 네트워크에 영향을 크게 끼침.

메시 토폴로지

메시(mesh) 토폴로지는 망형 토폴로지라고도 하며 그물망처럼 연결되어 있는 구조이다.

• 장점
  • 한 단말 장치에 장애가 발생해도 여러 경로가 존재하므로 네트워크를 계속 사용할 수 있음.
  • 트래픽도 분산 처리가 가능.
• 단점
  • 노드의 추가가 어려움.
  • 구축 비용과 운용 비용이 비쌈.

병목 현상

네트워크의 구조라고도 일컫는 토폴로지가 중요한 이유는 병목 현상을 찾을 때 중요한 기준이 되기 때문이다.

예를 들어 앞의 그림처럼 서비스를 만들었는데, 병목 현상이 일어나 사용자가 서비스를 이용할 때 지연 시간이 길게 발생하고 있다고 해보자. 관리자가 지연 시간을 짧게 만들기 위해 대역폭을 크게 설정했음에도 성능이 개선되지 않았다.
관리자가 네트워크 토폴로지가 어떻게 되어 있나 확인했고, 서버와 서버 간 그리고 게이트웨이로 이어지는 회선을 추가해서 병목 현상을 해결했다. 이처럼 네트워크가 어떤 토폴로지를 갖는지, 또한 어떠한 경로로 이루어져 있는지 알아야 병목 현상을 올바르게 해결할 수 있다.

용어
병목 현상 : 병목(bottle neck) 현상은 전체 시스템의 성능이나 용량이 하나의 구성 요소로 인해 제한을 받는 현상을 말한다. 서비스에서 이벤트를 열었을 때 트래픽이 많이 생기고 그 트래픽을 잘 관리하지 못하면 병목 현상이 생겨 사용자는 웹 사이트로 들어가지 못한다.

2.1.3 네트워크 분류

네트워크는 규모를 기반으로 분류할 수 있다.
LAN < MAN < WAN

LAN(Local Area Network)

근거리 통신망. 같은 건물이나 캠퍼스 같은 좁은 공간에서 운영. 전송 속도가 빠르고 혼잡하지 않다

MAN(Metropolitan Area Network)

대도시 지역 네트워크. 도시 같은 넓은 지역에서 운영. 전송 속도는 평균이며 LAN보다는 더 혼잡.

WAN(Wide Area Network)

광역 네트워크. 국가 또는 대륙 같은 더 넓은 지역에서 운영. 전송 속도는 낮으며 MAN보다 더 혼잡.

2.1.3 네트워크 성능 분석 명령어

코드 상 문제가 전혀 없는데 사용자가 서비스로부터 데이터를 가져오지 못하는 상호앙일 때, 병목 현상 때문일 가능성이 있다.

네트워크 병목 현상의 주된 원인은 다음과 같다.

• 네트워크 대역폭
• 네트워크 토폴로지
• 서버 CPU, 메모리 사용량
• 비효율적인 네트워크 구성

이때는 네트워크 관련 테스트과 네트워크와 무관한 테스트를 통해 네트워프로부터 발생한 문제점인 것을 확인 후 네트워크 성능 분석을 해봐야 한다. 이때 사용되는 명령어들을 알아보자.

ping

ping(Packet INternet Grouper)은 네트워크 상태를 확인하려는 대상 노드를 향해 일정 크기의 패킷을 전송하는 명령어이다. 이를 통해 해당 노드의 패킷 수신 상태와 도달하기까지 시간 등을 알 수 있으며 해당 노드까지 네트워크가 잘 연결되어 있는지 확인할 수 있다. ping은 TCP/IP 프로토콜 중 ICMP 프로토콜을 통해 동작하며, 이 때문에 ICMP 프로토콜을 지원하지 않는 기기를 대상으로는 실행할 수 없거나 네트워크 정책상 ICMP나 traceroute를 차단하는 대상의 경우 ping 테스팅은 불가능하다.
ping [IP 주소 또는 도메인 주소]로 실행한다.

ping www.google.com -n 12라는 명령어를 구동한 모습. -n 12 옵션을 넣어 12번 패킷을 보내고 12번 패킷을 받는 모습을 볼 수 있다.

netstat

netstat 명령어는 접속되어 있는 서비스들의 네트워크 상태를 표시하는 데 사용되며 네트워크 접속, 라우팅 테이블, 네트워크 프로토콜 등 리스트를 보여준다. 주로 서비스의 포트가 열려 있는지 확인할 때 쓴다.
지금 접속하고 있는 사이트 등에 관한 네트워크 상태 리스트를 볼 수 있다.

nslookup

nslookup은 DNS에 관련된 내용을 확인하기 위해 쓰는 명령어. 특정 도메인에 매핑된 IP를 확인하기 위해 사용.
google.com의 DNS를 확인하는 모습.

tracert

윈도우에서는 tracert, 리눅스에서는 traceroute라는 명령어로 구동. 목적지 노드까지 네트워크 경로를 확인할 때 쓰는 명령어. 목적지 노드까지 구간들 중 어느 구간에서 응답 시간이 느려지는지 등을 확인할 수 있음.
구글 사이트에 도달하기까지의 경로 추적을 하는 모습.

이 외에도 ftp를 통해 대형 파일을 전송하여 테스팅하거나 tcpdump를 통해 노드로 오고 가는 패킷을 캡처하는 등의 명령어가 있으며 네트워크 분석 프로그램으로는 wireshark, netmon이 있다.

2.1.5 네트워크 프로토콜 표준화

네트워크 프로토콜이란 다른 장치들끼리 데이터를 주고받기 위해 설정된 공통된 인터페이스를 말한다. 이러한 프로토콜은 IEEE 또는 IETF라는 표준화 단체가 정한다.
IEEE802.3은 유선 LAN 프로토콜로, 유선으로 LAN을 구축할 때 쓰이는 프로토콜이다. 이를 통해 만든 기업이 다른 장치라도 서로 데이터를 수신할 수 있다.
예를 들어 웹을 접속할 때 쓰이는 '서로 약속된' 인터페이스인 HTTP라는 프로토콜을 통해 노드들은 웹 서비스를 기반으로 데이터를 주고받을 수 있다.

Reference

주홍철 작가님의 '면접을 위한 CS 전공지식 노트'를 기반으로 작성되었습니다.