[network] 2. Application Layer

Jimin·2022년 4월 19일

네트워크

2. Application Layer

Layered Internet protocol stack (프로토콜 스택)

application: 네트워크 어플리케이션을 지원함 → HTTP, IMAP, SMTP, DNS
transport: 프로세스 간 데이터 전송 → TCP, UDP
network: routing of datagrams from source to destination → IP, routing protocols
link: 주변 네트워크 요소들 사이 데이터 전송 → Ethernet, 802.11(WiFi)
physical: bits “ont the wire”

Encapsulation: an end-end view

Network application architecture

: 개발자가 설계하는 애플맄케이션이 다양한 종단 시스템에서 어떻게 조직되어야 하는지를 지시

클라이언트/서버 구조 (client-server architecture)
1. server: 항상 켜져 있는 호스트, 고정 IP주소, 데이터 센터로 확장
2. client: 서버와 통신, 클라이언트간 직접 통신하지 않음, 유동 IP가질 수 있음, 항상 연결되어 있지 않고 간헐적으로 통신할 수 있음.
P2P 구조 (peer to peer)
1. 항상 켜져있는 서버가 없음
2. 임의의 종단 시스템과 직접 통신
3. 각 피어들이 각각 서비스를 요청하고 제공함. 높은 자기확장성(self-scalability), 새 피어가 새로운 서비스를 제공하고, 새 서비스를 요청
4. 피어는 간헐적으로 연결되고 IP주소를 변경/관리가 어려움
→ 자기 확장성이란?

새로운 피어가 새로운 서비스 수용력을 제공함. 마치 새로운 서비스 수요처럼
프로세스 간 통신
1. 호스트 내에서 두 프로세스는 OS에서 정의한 IPC(Inter-process communicaation)로 통신
2. 다른 호스트 간의 프로세스들은 메시지를 교환해 통신
3. 클라이언트는 두 프로세스 간의 통신 세션을 초기화(접속을 초기화)하는 프로세스
4. 서버는 세션을 시작하기 위해 접속을 기다리는 프로세스
5. P2P구조의 애플리케이션들은 클라이언트 프로세스와 서버 프로세스를 가짐
소켓 (Socket)
1. 프로세스는 소켓을 통해 네트워크로 메시지 송수신
2. 호스트의 애플리케이션 계층과 트랜스포트 계층 간의 인터페이스
3. 프로세스는 집(house), 소켓은 출입구(door)
4. 애플리케이션과 네트워크 사이의 API (Application Programming Interface)
- what transport service does an app need?
  - Reliable data transfer (신뢰적 데이터 전송)
  - Timing guarantee (시간 보장)
  - throughput → bandwidth-senstive apps
  - security → 데이터 무결성 등

Securing TCP
- Vanilla TCP & UDP sockets: 보안 기능x
- Transport Layer SEcurity (TLS) → protocol
  - TLS는 application 계층에서 구현됨

HTTP connections

비지속 연결 HTTP 1.0
1. 요구/응답 쌍이 분리된 TCP연결을 통해 송수신
2. 하나의 TCP 연결로 하나의 객체만 전송
3. RTT (Round-Trip Time): 클라이언트에서 송신된 작은 패킷이 서버까지 간 후 다시 클라이언트로 되돌아오는데 걸리는 시간
4. HTML파일 요청 응답 시간: TCP연결을 초기화하는 1RTT, HTTP 요청을 하고 HTT응답으로 처음 몇 바이트를 받는데 필요한 1RTT, 파일 전송 시간
5. 각 객체 당 2RTT만 필요
6. 각 TCP연결에 대한 os 오버헤드
7. 브라우저는 참조 객체들을 가져오기 위해 종종 병렬 TCP연결을 시도
지속 연결 HTTP 1.1
1. 모든 요구/응답 쌍이 같은 TCP 연결 상에서 송신함
2. 다수의 객체들이 하나의 TCP 연결로 전송
3. 서버는 응답을 보낸 후에 TCP 연결을 그대로 유지
4. 클라이언트/서버 간의 이후 HTTP 메시지들은 같은 연결을 통해 송수신
5. 클라이언트는 객체를 잠조하자마자 요청을 송신
6. 모든 참조 객체들에 대한 1RTT만 필요

HTTP request message

→ request(human-readable format - ASCII), response

request line: GET POST, HEAD commands
header lines: host의 정보 및 연결 방식,
data

→ header lines와 data 구분: “\r\n”56

HTTP

status line (protocol status code status phrase)
heder lines: 서버 정보, 마지막 수정 날짜, 현재 날짜 등
data (requested HTML file)

Web cashes

→ 원래 웹 서버를 대신해 HTTP 요구를 충족 시켜주는 네트워크 개체

브라우저는 웹 캐시와 연결을 설정하고 웹 캐시에 HTTP 요청 전송, 없으면 웹캐시가 기점 서버에서 객체를 요청해 가져와서 클라이언트에 전송
클라이언트의 요청에 대한 응답 시간을 줄일 수 있음
인터넷으로의 기관 접속 회선 상의 웹 트래픽을 줄일 수 있음
콘텐츠 제공자가 저속도의 접속 회선을 가진 느린 서버에서 사이트를 운영하더라도 빠른 콘텐츠 분배를 위한 기반 구조 제공

E-mail

→ user agents/mail servers/simple mail transfer protocol(SMTP)

user agent: mail reader, 메시지를 읽고, 자성하고 보내고 전달, 송수신 메시지는 서버에 저장
mail servers: mailbox(받은 메시지를 유지하고 관리), message queue of outgoing mail messages
SMTP protocol between mail servers (메일 서버들 간의 통신 프로토콜)
ex) → 지속연결, 클라이언트의 메일 메시지를 25번 포트의 TCP연결
- 이메일로 msg를 보냄
- SMTP를 통해 송신자 메일 서버에게 msg를 보냄; msg는 큐에 들어감
- SMTP의 client 측면에서 destination의 메일 서버에 TCP연결을 열어둠
- SMTP 클라이언트는 msg를 TCP 연결을 통해 전달
- 수신자의 메일 서버는 msg를 메일 서버의 mailbox에 둔다
- 수신자는 msg를 읽기 위해 그의 user agent를 부른다.

SMTP

→ HTTP와 비슷한 기능

HTTP: client pull/ SMTP: client push
공통점: ASKII command, response interaction, status codes
차이점
- HTTP: 각 object response 메시지 안에서 스스로 캡슐화
- SMTP: 다중 객체는 multipart 메시지를 보냈다.
  
  multipart: 웹 클라이언트가 요청을 보낼 때, http 프로토콜의 바디 부분에 데이터를 여러 부분으로 나눠서 보내는 것
지속적, 영구적 연결
msg(header & body) 안에 7비트씩 msg 요구함
SMTP서버는 CRLF 사용 (end of msg 결정)

POP3 (Post Office Protocol)

인증 (agent ↔ server)과 다운로드
다운로드 및 유지 모드를 사용해 여러 클라리언트에 메시직를 복사해야함
POP3는 세션 간 상태를 유지하지 않은 (stateless)

IMAP (Internet Mail Access Protocol)

모든 메시지를 서버 한 장소에 보관
사용자가 메시지를 (원격) 폴더로 저장하고 구성 가능
세션 간에 사용자 상태 정보를 유지 (폴더의 이름과 어떤 메시지가 어떤 폴더와 연결되어 있는가를 유지)

DNS (Domain Name System)

DNS
1. 호스트 네임을 IP 주소로 변환하는 디렉터리 서비스
2. DNS 서버들이 계층구조로 구현된 분산 데이터 베이스 (distributed database)
3. 호스트가 분산 데이터베이스로 질의하여 호스트 네임에서 IP 주소를 획득하는 애플리케이션 계층 프로토콜
DNS 서비스
1. 호스트 에일리어싱 (ailasing)
  - 간단한 별칭 호스트 네임을 복잡한 정식 호스트 네임으로 변환
2. 메일 서버 에일리어싱
3. 부하 분산: 여러 IP주소들이 하나의 정식 호스트 네임과 연관되는 중복 웹서버
  - 중복 웹서버에서는 서버들이 부하 분산
4. 단일 중앙 집중 방식 DNS를 사용하지 않는 이유
  - 서버 고장 시 전체가 작동 하지 않음
  - 트래픽의 양
  - 먼 거리의 중앙 집중 데이터 베이스
  - 유지 및 관리 어려움
DNS 분산 계층 데이터베이스
1. com의 DNS 서버를 찾기 위해 루트 서버에 질의
  - 루트 DNS 서버: 질의된 호스트
2. amazon.com의 DNS서버를 찾기 위해 com의 DNS서버 (TLD서버 - Top Level Domain: 상위 레벨 도메인과 국가 상위 레벨 도메인에 대한 책임, 기관 등의 서버의 호스트 네임의 IP 주소 매핑)
3. www.amazon.com의 IP 주소를 얻기 위해 amazon.com의 DNS서버 (책임 서버, Authoritative server)에 질의

로컬 DNS 서버
1. 로컬 네임 서버는 DNS 계층에 속하지 않음
2. 각 ISP (가정, 회사, 대학)는 로컬 DNS 서버를 가짐
  - 디폴트 네임 서버 (Default Name Server)라고도 함
3. host가 DNS 질의를 하면 로컬 DNS 서버로 질의가 전송
  - 프록시와 같은 역할을 하며 질의를 계층으로 전달
DNS 동작 → 차이점?
1. 반복적 질의 (iterative query): 접촉된 서버가 연결할 서버의 주소로 응답
2. 재귀적 질의 (recursive query): 이름에 대한 해결이 서버에 대한 부담, 상위 계층 서버에 많은 부담
DNS 캐싱: DNS 서버가 어떤 이름에 대한 받은 응답 정보를 저장
1. 캐싱된 정보는 일정 시간이 지나면 소멸
2. 일반적으로 로컬 DNS 서버에 TLD 서버들이 캐싱, 따라서 루트 DNS 서버는 자주 방문 안 함

P2P 구조 (P2P Architecture)

순수한 P2P 구조(Pure P2P Architecture)
1. 항상 켜져 있는 서버 없음
2. 임의의 종단 시스템들이 직접 통신
3. 피어들은 간헐적으로 연결되며 IP주소를 변경
파일 분배 시간
1. 클라이언트-서버
  - 서버 전송: 파일 복사본 N개를 피어들에게 순차적으로 전송
  - 클라이언트: 각 클라이언트가 파일을 다운로드
  → 클라이언트-서버 방식으로 파일 F를 N 클라이언트에 분배하는 시간
  
  Dcs ≥ max {NF/Us, F/dmin} → 피어수 N에 따라 선형적으로 증가
2. P2P
  1. 서버: 하나의 복사본만 전송
  2. 클라이언트: 각 클라이언트가 파일을 다운로드
  3. 클라이언트들: 시스템 전체 업로드 용량은 서버 업로드 속도와 각 피어 업로드 속도를 더한 것
  Dcs ≥ max {F/Us, F/dmin,. NF/(Us + Σu)}
비트토렌트(BitTorrent)
1. 토렌트에 가입(joining)하는 피어: 처음에는 청크(chunk)가 없지만 시간이 지남에 따라 청크들이 누적됨. 트래커로부터 피어들의 리스트를 얻어서, 이들 중 일부와 연결
2. 청크를 다운로드하는 동안에 다른 피어들에게 업로드
3. 전체 파일을 얻은 후 토렌트를 (이기적으로) 떠나거나 또는 (이타적으로) 남을 수 있음
4. 청크 가져오기: 임의의 주어진 시간에 서로 다른 피어들이 파일의 서로 다른 청크들을 가지고 있음
  - 주기적으로 한 피어는 이웃 피어들에게 각자 가지고 있는 청크의 리스트를 요청
  - 이웃들이 가지고 있는 복사본 중 가장 드문 것은 먼저(rarest first) 요청
5. 청크 보내기: 되갚음 (tit-for-tat)
  - 현재 가장 속도가 빠른 4개의 이웃들에게 청크들을 보냄 (매 10초마다 가장 빠른 4개의 피어 다시 선택)
  - 매 30초마다 임의로 하나의 피어를 추가 선택하여 청크를 보냄 (새롭게 선택된 피어가 가장 빠른 4개의 피어일 수 있음. 모든 이웃이 소외되지 않고 낙관적으로 중단 없는 전송(optimistically unchoke)