✨ Intro
인터넷이 대중화되면서 네트워크는 컴퓨터 기술에서 빼놓을 수 없는 분야가 됐다. 우리는 언제 어디서나 인터넷에 접속해 필요한 정보를 찾고 사람들과 연락을 주고받을 수 있다. 이러한 네트워크는 어디서부터 시작되었을까? 우리가 사용하는 인터넷 프로토콜(IP 기반의 네트워크)는 미 국방성에서 1969년 진행했던 아르파넷 프로젝트에서 시작됐다. 이 프로젝트는 당시 냉전시대에서 핵전쟁을 대비하기 위한 통신망 구축을 위해 추진되었다. 이때 기존에 사용되었던 회선교환 방식이 아닌 패킷교환 방식으로 네트워크를 구축하게 되는데 이를 토대로 현재의 인터넷 통신 방식의 기반이 세워졌다. 패킷교환 이전에 사용되었던 회선교환 방식으로는 어떻게 통신했을까?
❤️🔥 회선교환 방식
패킷교환 방식은 기존 전화에서 사용했던 회선교환 방식의 단점을 보완한 방식이다. 회선교환 방식은 어떤 단점을 가지고 있었을까? 옛 모습을 배경으로 하는 영화나 드라마에서 아래와 같은 장면을 볼 수 있다. 아래 사진의 여성이 회선교환 중간에서 발신자와 수신자를 연결해 주는 전화교환원(오퍼레이터)인 것이다.
- 발신자와 수신자 사이에 데이터를 전송할 전용선을 미리 할당하고 발신자와 수신자를 연결하는 것
- 내가 전화를 걸고 싶은 상대가 다른 사람과 전화 중이라면, 상대방은 이미 다른 상대와 전용선이 연결된 상태이기 때문에 전화가 끊어진 상태가 된 후에야 나와 상대방이 연결할 수 있고, 특정 회선이 끊어지는 경우에는 처음부터 다시 연결을 성립해야 하므로 즉시성이 떨어진다.
❤️🔥 패킷교환 방식
회선이 사용 중이더라도 기다리지 않아도 되는 방법이 있을까? 아르파넷 프로젝트에서는 이 문제를 해결하기 위해 패킷교환 방식의 네트워크를 고안했다.
- 패킷교환 방식은 소포를 보내듯 패킷이라는 단위로 데이터를 잘게 나누어 전송하는 방식이다.
- 각 패킷에는 출발지와 목적지 정보가 있고 이에 따라 패킷은 목적지를 향해 가장 효율적인 방식으로 이동할 수 있다. 이를 이용 시, 특정 회선이 전용선으로 할당되지 않기 때문에 빠르고 효율적으로 데이터를 전송할 수 있다.
인터넷 프로토콜(IP)은 출발지와 목적지 정보를 IP 주소라는 특정한 숫자값으로 표기하고, 패킷단위로 데이터를 전송하게 되었다.
❤️🔥 IP와 IP Packet
복잡한 인터넷 망 속 수많은 노드(하나의 서버 컴퓨터)들을 지나서 어떻게 클라이언트와 서버가 통신할 수 있을까? 출발지에서 목적지까지 데이터가 전달되기 위해서는 규칙이 필요하지 않을까?
- IP라는 주소를 컴퓨터에 부여하여 이를 이용해 통신한다.
- IP는 지정한 IP 주소에 패킷이라는 통신 단위로 데이터를 전달한다.
- IP 패킷에서 패킷을 pack과 bucket이 합쳐진 단어로 소포로 비유할 수 있다.
- IP 패킷은 이를 데이터 통신에 적용한 것이라고 보면 된다.
- IP 패킷은 우체국 송장처럼 전송 데이터를 무사히 전송하기 위해 출발지 IP, 목적지 IP와 같은 정보가 포함돼 있다.
패킷 단위로 전송하면 노드들은 목적지 IP에 도달하기 위해 서로 데이터를 전달한다. 이를 통해서 복잡한 인터넷 망 사이에서도 정확한 목적지로 패킷을 전송할 수 있다. 서버에서 무사히 데이터를 전송받는다면 서버도 이에 대한 응답을 돌려 줘야 하는데 서버도 역시 IP 패킷을 이용해 클라이언트에 응답을 전달한다. 이와 같이 정확한 출발지와 목적지를 파악할 수 있다는 점에서 IP는 적절한 통신 방법으로 보이지만 IP 패킷에도 다음과 같은 한계가 있다.
🔎 IP 패킷의 한계
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비연결성
패킷을 받을 대상이 없거나 서비스 불능 상태여도 패킷을 전송한다. 클라이언트는 서버의 상태를 파악할 방법이 없기 때문에 패킷을 그대로 전송하게 되는 것이다. -
비신뢰성
중간에 패킷이 사라질 수 있고, 패킷의 순서를 보장할 수 없다. 비신뢰성도 마찬가지로 클라이언트는 중간에 서버가 데이터를 전달 중에 장애가 생겼다든지 패킷이 중간에 소실됐다든지 등을 파악할 수 없기 때문에 비신뢰성이라는 것이다. 또한 전달 데이터 용량이 클 경우, 이를 패킷 단위로 나눠 데이터를 전달하게 되는데 이때의 패킷들은 중간에 서로 다른 노드를 통해 전달될 수 있다. 이렇게 된다면 클라이언트가 의도하지 않을 순서로 서버에 패킷이 도착할 수 있다.
앞서 보았던 IP 패킷의 한계를 어떻게 보완할 수 있을까? 네트워크 계층 구조를 통해 IP 패킷의 한계를 보완할 수 있는지 알아보자.
이미지 출처
네트워크 프로토콜 계층은 다음과 같이 OSI 7계층과 TCP/IP 4계층으로 나눌 수 있다. IP 프로토콜보다 더 높은 TCP 프로토콜이 존재하기 때문에 IP 프로토콜의 한계를 보완할 수 있다.
* TCP/IP 4계층은 OSI 7계층보다 먼저 개발되었으며 TCP/IP 프로토콜의 계층은 OSI 모델의 계층과 정확하게 일치하지 않는다. 실제 네트워크 표준은 업계표준에 따르면 TCP/IP 4계층에 가깝다.
채팅 프로그램에서 메시지를 보낼 때, 어떤 일이 일어나는지 자세히 알아보자. 먼저 HTTP 메시지가 생성되면 Socket을 통해 전달된다.
❓ Socket
- 프로그램이 네트워크에서 송수신할 수 있도록 네트워크 환경에 연결할 수 있게 만들어진 연결부
- 네트워크 상에서 돌아가는 두 개의 프로그램 간 양방향 통신의 하나의 엔드 포인트, 소켓은 포트 번호에 바인딩돼 TCP 레이어에서 데이터가 전달되야하는 애플리케이션을 식별할 수 있게 한다.
❓ Endpoint
- 아이피 주소와 포트 번호의 조합, 모든 TCP 연결은 2개의 앤드 포인트로 유일하게 식별되어질 수 있다. 따라서 클라이언트와 서버 간 여러 개의 연결이 맺어질 수 있다!
❤️🔥 TCP/UDP
- TCP 세그먼트에는 IP 패킷의 출발지 IP와 목적지 IP 정보를 보완할 수 있는 출발지 PORT, 목적지 PORT, 전송제어, 순서, 검증 정보 등을 포함한다.
🔎 TCP(전송 제어 프로토콜) 특징
TCP는 같은 계층에 속한 UDP에 비해 상대적으로 신뢰할 수 있는 프로토콜이다.
- 연결 지향: 장치들 사이에 논리적인 접속을 성립하기 위해 3 way handshake를 사용하는 연결 지향형 프로토콜이다.
- 데이터 전달 보증
- 순서 보장
클라이언트는 서버에 접속을 요청하는 *SYN 패킷을 보낸다.
TCP는 데이터 전송이 성공적으로 이루어진다면 이에 대한 응답을 돌려주기 때문에
IP 패킷의 한계인 비연결성을 보완한다. 만약 패킷이 순서대로 도착하지 않는다면
TCP 세그먼트에 있는 정보를 토대로 다시 패킷 전송을 요청할 수 있다.
이를 통해 IP 패킷의 한계인 비신뢰성을 보완할 수 있다.🔎 UDP(사용자 데이터그램 프로토콜) 특징
UDP는 IP에 PORT, 체크섬 필드 정보만 추가된 단순한 프로토콜이다. 앞서 TCP와 비교해보면 3 way handshake 방식을 사용하지 않기 때문에 훨씬 빠른 속도를 보장한다. 또한 HTTP3는 UDP를 사용하며 이미 여러 기능이 구현된 TCP보다는 하얀 도화지처럼 커스터마이징이 가능하다는 장점이 있다.
- 하얀 도화지에 비유(기능이 거의 없음)
- 비연결지향 - TCP 3 way handshake X
- 데이터 전달 보증 X
- 순서 보장 X
- 데이터 전달 및 순서가 보장되지 않지만, 단순하고 빠름
- 신뢰성보다는 연속성이 중요한 서비스에 자주 사용됨
