한 권으로 끝내는 네트워크 기초

City_Duck·2023년 3월 13일
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1장

네트워크 : 컴퓨터끼리 연결해서 데이터를 교환하는 시스템

컴퓨터 네트워크는 그 범위에 따라 (LAN, Local Area Network)와 (WAN, Wide Area Network)로 크게 나뉜다.

랜은 가정이나 사무실 등 하나의 거점 내부를 연결하는 네트워크이며
왠은 거점과 거점을 연결하는 네트워크이다.
즉, 거점 내부를 연결하는 것은 랜이고, 거점과 거점을 연결하는 것은 왠이다.

랜 특징

랜에는 두 가지 접속 방법이 있다.
LAN 케이블로 접속하는 유선 랜과 전파로 접속하는 무선 랜이다.

  1. 유선랜 : 인터넷 -> ONU -> 라우터 -> 스위치 -> 컴퓨터 (랜 케이블 연결)
  2. 무선랜 : 인터넷 -> ONU -> 라우터 -> 컴퓨터 (전파로 통신)

유선 랜 규격으로 대부분 이더넷을 사용한다.
이더넷은 랜에 이용되는 물리적인 회선이나 접속 커넥터에 관해 정해진 규격이며 OSI 참조 모델의 1층과 2층에 해당된다.

무선 랜용 규격은 IEEE라는 표준화 기구가 정한 IEEE 802.11 시리즈가 표준이며 IEEE 802.11 기기와 관련한 업계 단체인 Wi-Fi Alliance가 이 표준에 따라 만들어진 제품 간 호환성을 인증하는데, 이 인증을 와이파이라고 한다.

왠 특징

왠은 거점과 거점을 연결하고자 SKT나 KT 등 통신 사업자가 제공하는 통신 회선 서비스를 이용하는 네트워크이다.
유선으로 연결된 왠 서비스 이외에 이동 통신망을 사용한 무선 통신도 있으며, 휴대 전화가 대표적이다. 이런 무선 통신을 두고 무선 왠(WWAN, Wireless WAN)이라고 한다.

네트워크 구성 요소

PC, 휴대 전화 등 : 사용자가 일반적으로 이용하는 단말

서버 : 어떤 서비스를 제공하는 컴퓨터

스위치 : 유선 랜을 묶는 것, 단순히 유선 랜을 묶는 것을 L2 스위치, 네트워크와 네트워크를 연결하는 기능이 있는 것을 L3 스위치, 부하 분산 및 애플리케이션에 맞게 통신을 제어할 수 있는 고급 스위치를 L4 스위치나 L7 스위치 등으로 부른다.

무선 엑세스 포인트 : 무선 랜을 묶는 것, 유선 랜과 중개도 한다.

ONU : 자택이나 회사 등에 끌어온 광 회선과 공유기 사이에 설치되어 광 회선과 공유기를 연결하고 광 신호와 디지털 신호를 변환하는 장치

라우터 : 네트워크와 네트워크를 연결하는 기능이 있는 네트워크 장비, 랜과 인터넷의 경계에 설치되어 네트워크 간 다리를 놓거나, 거점과 거점을 연결하거나, 여러 단말기로 네트워크 회선을 공용하는 역할

방화벽 : 라우터와 마찬가지로 네트워크 경계에 놓이는 장비이며, 보안과 관련한 기능을 풍부하게 갖춘 장비

인터네트워킹

일반적으로 컴퓨터 네트워크를 확장하는 방법은 다음 두 가지이다.

  • 한 네트워크를 키워 가는 방법
  • 네트워크와 네트워크를 연결하여 넓혀 가는 방법

복수 네트워크를 서로 연결하는 것을 인터네트워킹이라고 한다.(후자의 방식)
그리고 전 세계적으로 인터네트워킹을 하는 것이 인터넷이다.

예를 들어 기업용 네트워크에서 지점 A와 지점 B의 랜을 왠 회선으로 연결하는 것도 인터네트워킹의 일종이며, 스위칭 허브 등으로 랜끼리 연결하는 것은 랜의 확장이다.

인터네트워킹의 장점은 불필요한 통신을 네트워크 전체로 확산시키지 않는다는 것과 고장이 나도 영향이 광범위하게 퍼지는 것을 막을 수 있다는 것이다.
또한 개별 네트워크를 각 조직의 방침에 따라 관리할 수 있다.

네트워크와 인터넷의 관계

조직(AS)
인터넷은 전 세계 여러 조직의 네트워크가 서로 연결된 것이다.
이 조직 단위를 AS라고 한다.
AS란 인터넷을 구성하는 단위인 어느 하나의 관리 주체로 보유 운용되는 독립된 네트워크를 의미하며, AS가 많이 연결되어 인터넷을 형성한다.

조직의 예로는 KT, SKT, LG U+ 같은 인터넷 서비스 제공자(ISP)이다.
인터넷의 특징 중 하나는 특정 관리 조직이 존재하지 않는다는 것이다.

인터넷과 왠의 차이

인터넷은 전 세계의 네트워크를 연결한 세계적 규모의 네트워크이다.
네트워크와 네트워크를 연결할 때는 통신 사업자의 왠 회선으로 연결하며, 거점과 거점을 연결하는 부분이 왠이며, 왠으로 연결된 네트워크 전체가 인터넷이다.

프로토콜

컴퓨터끼리 통신하기 위해서는 공통된 약속이 필요하다.
이 공통된 약속을 프로토콜이라고 하며, 지금은 TCP/IP라는 것이 주류이다.

2장

TCP/IP

TCP/IP는 인터넷 프로토콜 스위트라고도 하며, 다른 컴퓨터 벤더나 운영체제, 서로 다른 회선끼리 통신할 수 있게 하는 통신 프로토콜 세트이다.
현재까지 표준으로 사용하는 TCP와 IP를 따서 TCP/IP라고 한다.

TCP/IP에서 다루는 범위는 역할에 따라 4개의 계층으로 나뉘며, 이를 TCP/IP 4계층 모델이라고 한다.

OSI 참조 모델

또 하나 알아 둘 프로토콜 계층 모델은 OSI 참조 모델이다.
이것은 TCP/IP 4계층 모델처럼 컴퓨터가 가져야만 하는 통신 기능을 계층 구조로 나눈 모델이자 벤더 간에 상호 통신할 수 있는 네트워크 모델로, 통일 규격이다.

계층이 높을 수록 사용자에게 가까우며, 낮을 수록 기기에 가깝다.

스위치로 예를 들자면
스위치는 랜 케이블을 모으는 장치로, 조건에 맞게 통신을 중계한다, 어떤 계층의 정보를 바탕으로 중계하느냐에 따라 명칭이 달라진다.
이더넷 범위에서 처리하는 것은 L2 스위치, 라우팅이 가능한 것은 L3 스위치, TCP로 배분할 수 있는 것은 L4 스위치, 응용 프로그램 레벨에서 배분할 수 있는 것은 L7 스위치이다.

참고

L4 로드밸런서와 L7 로드밸런서의 차이
발췌 : L4 / L7 로드밸런서 차이
로드밸런서는 트래픽을 받아 여러 대의 서버에 분산시키는 하드웨어 또는 소프트웨어이다.
부하 분산에는 L4 로드밸런서와 L7 로드밸런서가 사용되며,이는 L4 부터 Port를 다룰 수 있기 때문이다.

L4 로드밸런서 : IP,Port를 기준으로 스케줄링 알고리즘을 통해 부하를 분산한다.
클라이언트에서 로드밸런서(DNS)로 요청을 보냈을 때 최적의 서버로 요청을 전송하고 결과를 클라이언트에게 줍니다. 즉, 요청하는 서비스의 종류와 상관 없이 공장을 여러 개 돌리는 것입니다.

L7 로드밸런서 : L7 위에서 동작하기에 IP,Port 이외에도 URI, Payload, Http Header, Cookie 등의 내용을 기준으로 부하를 분산한다. 그래서 콘텐츠 기반 스위칭이라고도 한다.
L4 로드밸런서가 단지 부하를 분산한다면, L7 로드밸런서는 요청의 세부적인 사항을 두고 결제만 담당하는 서버, 회원가입만을 담당하는 서버 등으로 분리해서 가볍고 작은 단위로 여러 개의 서비스를 운영하고 요청을 각각의 서버에 분산할 수 있는 것입니다.

그렇다면 URI와 URL의 차이는 무엇일까?
발췌 : URI랑 URL 차이점이 뭔데?

URI : 특정 리소스를 식별하는 통합 자원 식별자를 의미한다. 웹 기술에서 사용하는 논리적 혹은 물리적 리소스를 식별하는 고유한 문자열 시퀀스다.

URL : 흔히 웹 주소로 불리며, 컴퓨터 네트워크 상에서 리소스가 어디에 있는지 알려주기 위한 규약이며 URI의 서브셋이다.

비록 URL은 URI의 서브셋이지만 URI와 URL의 가장 큰 차이점은 바로 아래와 같다

URI는 식별하고, URL은 위치를 가르킨다.

주소

통신에서 주소란 통신 상대를 특정하는 식별 정보이다. 주소가 있기에 비로소 원하는 상대방과 통신할 수 있다.

IP 주소

IP 주소는 TCP/IP에서 컴퓨터를 식별하려고 할당되는 번호이다.
덧붙여 IP 주소에는 프라이빗 IP 주소와 글로벌 IP 주소가 잇다.
랜 내부에서 사용되는 것이 프라이빗 IP 주소, 인터넷에서 사용되는 것이 글로벌 IP 주소이다.

MAC 주소

IP 주소만 있다고 컴퓨터끼리 통신할 수 있는 것은 아니다.
컴퓨터나 라우터 등 네트워크 기기에 처음부터 할당된 번호인 MAC 주소를 IP 주소와 조합해야 비로소 컴퓨터끼리 통신할 수 있다.

주소를 이용한 통신 흐름과 ARP

같은 네트워크에 속한 컴퓨터끼리 통신할 때는 우선 IP 패킷을 보내고 싶은 상대의 MAC 주소를 조사하고, 그 MAC 주소로 패킷을 보내는 흐름이 된다.
IP 패킷을 보내고 싶은 상대의 MAC 주소를 조사할 때 이용하는 것이 ARP이다.

ARP란 IP 주소에 대응하는 MAC 주소를 알아내려고 네트워크 전체에 패킷을 보내면(ARP Request), 자신을 찾는 것을 안 컴퓨터가 응답(ARP reply)함으로써 MAC 주소와 IP 주소를 연결하여 통신할 수 있게 하는 일련의 시스템이다.

반면에 다른 네트워크에 속한 컴퓨터와 통신하면 라우터 또는 L3 스위치가 사용된다.
자신과 다른 네트워크의 IP 주소와 통신할 때 컴퓨터는 미리 지정된 기본 게이트웨이라는 IP 주소로 통신을 보낸다.
기본 게이트웨이는 다른 네트워크로 데이터를 전송하는 방법을 알고 있으며 일반적으로 라우터가 그 역할을 수행한다.
이 때 ARP를 사용해서 조사하는 것은 목적지의 IP 주소에 대응하는 MAC 주소가 아니라 기본 게이트웨이에 대응하는 MAC 주소이다.

패킷

통신할 때 데이터를 교환하는 방법에는 회선 교환과 패킷 교환 두 종류가 있다.

회선 교환 : 전화에 가까운 이미지로 데이터를 교혼하는 동안 계속해서 회선을 점유하는 방식이다.
일반적으로 일대일로 주고받기에 통신 중 다른 상대와 통신을 할 수 없다.
이는 여러 상대와 동시에 데이터를 주고 받는 경우가 있는 컴퓨터 네트워크에는 효율적이지 못하다.

패킷 교환 방식 : 주고받는 데이터를 '패킷'이라고 하는 작은 덩어리로 나누고, 회선을 공용해서 복수의 통신을 내보내는 방식이다.
패킷은 소포의 의미로, 소포를 실은 트럭이 도로를 달려 짐을 운반한다고 생각하면 좋다. 이 때 회선을 점유하지 않고 여러 사람이 함께 이용한다.
이에는 화물 이외에도 받는 곳이나 보내는 곳 등의 정보가 부가되는데, 이 때 운송장에 해당되는 곳이 헤더, 화물에 해당하는 것을 페이로드라고 한다.

IP 주소 분석

컴퓨터가 출하되었을 때는 MAC 주소만 있고 IP 주소는 없다.
컴퓨터를 라우터에 연결해야 비로소 라우터에서 IP 주소를 받아온다.
이렇게 라우터에서 IP 주소를 자동으로 할당받는 기술을 DHCP라고 한다.
DHCP에서는 네 단계 흐름에 따라 통신하여 네트워크 설정을 가져온다.

  1. DHCP Discover : DHCP 클라이언트가 DHCP 서버를 찾고자 네트워크에 통신
  2. DHCP Offer : DHCP 서버가 DHCP 클라이언트에 설정을 제안하는 통신
  3. DHCP Request : DHCP 클라이언트가 DHCP 서버에 제안된 설정의 세부사항을 요청하는 통신
  4. DHCP Ask : DHCP 서버가 DHCP 클라이언트에 설정의 세부 사항을 지정하는 통신

서브넷 마스크

IPv4 주소는 xxx.xxx.xxx.xxx 형식으로 표기된다.
이는 8자리 2진수 4개이다.
또 IP 주소는 네트워크부와 호스트부로 나뉜다.
네트워크부는 어떤 네트워크를 나타내는 정보이며, 호스트부는 그 네트워크 안의 컴퓨터를 특정하는 정보이다.

IPv4 주소에서 네트워크부가 어디부터 어디까지인지 나타내는 것이 넷마스크(서브넷 마스크)이다.

  • IP 주소 : 192.168.1.1
  • 서브넷 마스크 : 255.255.255.0
  • 네트워크 주소 : 192.168.1.0
  • 브로드캐스트 주소 : 192.168.1.255

IP 주소의 할당과 관리

호스트 부는 2진수 8자리이기에 10진수로 말하면 0~255의 네트워크 호스트부로 이루어져있지만 시레로는 할당할 수 없는 숫자가 있다.

그것은 호스트부의 시작 숫자(0)와 마지막 숫자(255)이다.
호스트부가 모두 0으로 된 것을 네트워크 주소라고 하며, 그 네트워크 자체를 나타낸다.
한편 호스트부를 모두 1로 한 것은 브로드캐스트 주소이며, 로컬 네트워크 전체에 통신을 보낼 때 사용한다.
이러한 의미를 지닌 네트워크 주소와 브로드캐스트 주소는 컴퓨터 등 기기에 할당할 수 없다.
그렇기에 사용자가 사용할 수 있는 IP 주소 개수는 256(0~255)에서 2개를 뺀 254개 입니다.
게다가 실제로는 라우터 등 네트워크 기기에도 IP 주소가 필요하므로 기기에 할당할 수 있는 IP 주소는 한층 더 줄어든다.

클래스 및 가변 길이 서브넷 마스크

IP 주소는 네트워크부 길이에 따라 클래스가 나뉜다.
주요 클래스는 표 2-1에 정리한 A,B,C 세 가지 유형이다.
클래스 A(/8), 클래스 B(/16), 클래스 C(/24)

그러나 서브넷 마스크가 반드시 클래스를 따라야 하는 것은 아니다.
클래스의 서브넷 마스크 길이를 변경하여 네트워크 크기를 바꾼 것을 가변 길이 서브넷 마스크라고 한다.

예로 들어 192.168.0.0/24인 네트워크 세그먼트를 랜에 할당했을 때 IP 주소가 부족하면 서브넷 마스크를 변경할 수 있다.

255.255.255.0에서 255.255.254.0으로 변경하면 호스트부가 그만큼 넓어져 할당할 수 있는 IP 주소도 늘어난다.

다만 처음부터 호스트부를 넓게 잡아두면 ARP 등으로 브로드캐스트 통신량이 증가하므로 필요한 만큼 적절한 크기로 설정해야한다.

데이터가 전송되는 메커니즘

예로 들어 컴퓨터가 세 대가 있다 가정을 한다.

  • 네트워크 A에 속한 컴퓨터 A
  • 네트워크 B에 속한 컴퓨터 B
  • 네트워크 C에 속한 컴퓨터 C

컴퓨터 A가 컴퓨터 B,C로 통신할 때, 각각 다른 네트워크에 속해있어 직접 데이터를 보낼 수 없다.
그렇기에 라우터가 개입하게 된다.

컴퓨터 A가 컴퓨터 B에 데이터를 보낼 때 어떤 라우터로 보내야 할지 모르는 경우, 컴퓨터 A는 기본 게이트웨이라고 하는 라우터로 데이터를 송신한다.
기본 게이트웨이란 '규정 수신처'를 의미하며, 전송할 라우터가 정해져 있지 않은 경우에는 반드시 이곳으로 보낸다.

컴퓨터 A의 기본 게이트웨이가 네트워크 A와 B에 속할경우 컴퓨터 A로부터 통신을 컴퓨터 B로 전송할 수 있다. 라우터가 수행하는 작업을 라우팅이라고 한다.

컴퓨터 A에서 컴퓨터 C로 보낼 때 컴퓨터 A는 네트워크 C로 데이터를 보낼 때 라이터로 보낸다는 것을 알 고 있고 이는 라우팅 테이블에 기록되어 있다.

라우팅 테이블에서는 네트워크로의 통신을 어느 라우터로 전달해야 하는지 기록되어 있다. 라우팅 테이블에 따라 기본 게이트웨이로 보내거나 직접 대상 라우터로 보낼 수 있는 구조로 되어 있다.

라우터에서 라우터로 전송

인터넷이나 기업 네트워크에서는 라우터 여러 대가 연결되어 있고, 그 라우터들을 통해 통신한다.
이 때 라우터도 자신이 속해 있지 않거나 보낼 곳을 모르는 네트워크와 통신해야 할 수 있다.
라우터에도 기본 게이트웨이(기본 라우터)가 있다.
기본 라우터로 통신을 전송하면 기본 라우터가 다시 전송처를 찾는 식으로 버킷 릴레이를 반복하여 네트워크가 성립된다.

네트워크 계층

L2 스위치

MAC 주소에 따라 데이터를 전송하는 것이 L2 스위치이다.
L2 스위치는 목적지의 MAC 주소를 기억하므로 해당 포트에만 데이터를 보낼 수 있어 더욱 효율적으로 통신할 수 있다.

L3 스위치(와 라우터)

L2 스위치에 다른 네트워크를 연결하는 기능이 추가되었다.
라우터에도 다른 네트워크를 연결하는 기능이 있어 그 점에서는 L3 스위치와 라우터를 연결하는 기능으로 보면 역사적으로 라우터가 앞서며, 나중에 L3 스위치가 등장했다.

L3 스위치는 포트가 많다는 특징이 있다.
포트란 랜 케이블을 꽂는 구멍을 의미한다.
L2 스위치에서 발전한 L3 스위치는 기기와 기기를 접속하는 역할도 담당하기에 일반적으로 라우터보다 많은 포트를 탑재하고 있다.

라우터의 특징으로 들 수 있는 점은 두 가지이다.
첫째는 다양한 회선을 수용할 수 있다.
라우터는 전화 회선이나 이더넷이 아닌 광 회선 등도 수용할 수 있다.
둘째는 L3 스위치보다 보안 측면에서 강하다.
L3 스위치도 허용할 통신과 차단할 통신을 설정하는 패킷 필터 기능이 있지만, 송수신의 일관성 검사나 위조 방지 같은 패킷 체크 기능은 라우터가 뛰어나다.

L4 스위치, L7 스위치

L4 스위치, L7 스위치는 로드 밸런서라고 한다.
로드 밸런싱은 시스템에 대한 요청을 여러 서버에 분산해서 통신량의 균형을 조절하는 기술이다.

L4 스위치는 TCP 헤더 등 프로토콜 헤더의 내용을 해석하고 지정된 알고리즘에 근거하여 데이터를 분산해서 전송한다.

주요 배분 방식으로는 라운드 로빈최소 연결이 있다.

L7 스위치는 거기에 더해 응용 계층의 내용까지 분석하여 데이터를 분산해서 전송한다.
특정 사용자와 서버의 연결(세션)을 유지하는 기능은 L7 스위치가 실현한다.
시스템에 따라 복수의 서버가 준비되어있을 수 있는데, 이 경우 다른 서버에 연결되어 불일치가 발생하지 않도록 하는 기능이 있다.

TCP와 UDP

TCP와 UDP는 IP의 상위인 OSI 참조 모델 4계층에서 동작하는 프로토콜로, 3계층에서 동작하는 IP와 5~7계층에서 동작하는 애플리케이션(HTTP 등)을 중계한다.
TCP에는 신뢰할 수 있는 통신을 실현하는 기능이 구현되어 있고, UDP에는 신뢰성 확보를 위한 기능이 없는 대신 TCP보다 처리가 빠르다.
그렇기에 데이터의 일관성이 중요한 애플리케이션은 TCP로, 고속성이나 실시간성을 요구하는 애플리케이션은 UDP로 구분해서 사용한다.

예를 들어 HTTP는 모든 데이터를 제대로 수신해야만 웹 페이지를 표시할 수 있기에 TCP를 사용한다. 하지만 IP 전화는 다소 데이터 오류가 나더라도 실시간성이 중요하기에 UDP를 사용한다.

포트 번호

TCP/UDP 모두 포트 번호가 있다.
포트 번호는 통신하는 대상 컴퓨터의 애플리케이션을 특정하는 번호이다.

포트 번호는 3가지 종류로 나뉜다.

  • well-known port : 0~1023 범위이며, 애플리케이션(서버 측)에서 사용
  • registered port : 1024~40151 범위이며, well-known 포트에 없는 독자적으로 만들어진 애플리케이션에서 사용하는 포트 번호
  • dynamic port : 49152~65535 범위이며, 애플리케이션에서 사용하는 포트 번호

동적 포트 번호는 출발지 접속 포트 번호로 이용된다.
예를 들어 컴퓨터에서 웹 브라우저 2개를 실행하여 같은 웹 사이트를 열 때, 출발지 포트 식별 기능이 없으면 올바르게 통신할 수 없다.
이 경우 웹 브라우저 A의 HTTP 접속과 웹 브라우저 B의 HTTP 접속에 각각 다른 출발지 포트 번호를 할당하여 구별할 수 있다.

ICMP

TCP/IP가 구현된 컴퓨터 및 네트워크 기기 사이에서 통신 상태를 확인할 떄 이용하는 프로토콜이다.
OSI 참조 모델 3계층에서 동작하며, 계층은 IP와 동일하지만 IP 위에서 동작하는 프로토콜이다.
ping이나 tracert 명령어 등이 ICMP 프로토콜을 사용하는 프로그램이다.
TCP나 UDP를 사용하지 않고 단독으로 움직이기에 3계층 상위인 4계층의 TCP와 UDP와 사실상 동등한 위치에 있다.
TCP와 UDP를 거치지 않고 동작하므로 포트 번호는 없다.

NAT

NAT(Network Address Translation)은 IP 주소를 변환하는 기술이다.
IP 주소에는 프라이빗 IP 주소와 글로벌 IP 주소가 있다.
그 중 랜 내에서 사용되는 것이 프라이빗 IP 주소이며, 인터넷에서 사용되는 것이 글로벌 IP 주소이다.
여기서 프라이빗 IP 주소를 가진 컴퓨터로 인터넷 상의 글로벌 IP 주소를 가진 서버에 접속한다고 가정할 때 프라이빗 IP 상태로는 인터넷상에서 라우팅할 수 없다. 그렇기에 라우터가 프라이빗 IP를 글로벌 IP 주소로 변환해주어야만 데이터를 전송할 수 있다. 이가 NAT이다.

프라이빗 IP 주소에 사용할 수 있는 IP 주소

프라이빗 IP 주소로 사용할 수 있는 IP 주소는 세 가지 클래스로 정해져 있다.

  • 클래스 A : 10.0.0.0/8
  • 클래스 B : 172.16.0.0/12
  • 클래스 C : 192.168.0.0/16

CIDR

CIDR은 쉽게 말해 목적지 여러개를 모은 것이다.

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