Network

OSI 7계층와 TCP/IP 4계층

OSI 7계층

네트워크의 통신 과정을 7단계로 나눠 표준화한 것
ISO(국제표준기구)에서 만듦

OSI Application(7, Message or Data)

사용자에게 실제 애플리케이션 서비스를 제공하는 계층
HTTP, FTP, DNS

OSI Presentation(6, Message or Data)

애플리케이션의 데이터 형태와 구조를 변환(번역, 암호화, 압축)시키는 계층
코드 간의 번역을 담당 -> 사용자 시스템에서 데이터의 형식상 차이를 다루는 부담을 응용 계층으로부터 덜어줌

OSI Session(5, Message or Data)

양 끝단의 응용 프로세스가 통신을 관리하기 위한 방법을 제공
- 동시 송수신 방식(duplex)- 반이중 방식(half-duplex), 전이중 방식(Full Duplex)의 통신 등
애플리케이션 간의 TCP/IP 세션을 구축하고 관리하며 종료시키는 계층
Socket

OSI Transport(4, Segment)

통신 양단 간의 신뢰성 있는 통신을 보장하는 계층
TCP, UDP

OSI Network(3, Packet)

목적지까지의 경로를 선택하고 경로에 따라 패킷을 전달(라우팅)해주는 계층
IP / 라우터

OSI Link(2, Frame)

인접한 피어 간의 신뢰성 있는 통신을 보장하는 계층
ARP, MAC / 브릿지, 스위치

OSI Physical(1, Bit)

전기적, 기계적, 기능적인 특성을 이용해서 통신 케이블로 데이터를 전송
리피터, 케이블, 허브, NIC

TCP/IP 4계층

네트워크 통신 과정을 4계층으로 나눠 표현한 것
TCP/IP 4계층에서 에플리케이션 계층을 3개로 쪼개고 인터넷 계층을 네트워크 계층이라고 부르면서 링크 계층을 데이터 링크 계층과 물리 계층으로 나누면 OSI 7계층이 됨

TCP/IP Application(4, Message)

응용 프로그램이 사용되는 프로토콜 계층
HTTP, FTP, DNS

TCP/IP Transport(3, Segment)

송신자와 수신자를 연결하는 통신 서비스를 제공하며 애플리케이션과 인터넷 계층 사이의 데이터가 전달될 때 중계하는 역할을 하는 계층
TCP, UDP

TCP/IP Internet(2, Packet)

장치로부터 받은 네트워크 패킷을 IP 주소로 지정된 목적지로 전송하기 위해 사용되는 계층
IP

TCP/IP Link(1,Frame/Bit)

전선, 광섬유, 무선 등 실질적으로 데이터를 전달하며 장치 간에 신호를 주고 받는 규칙을 정하는 계층

PDU

네트워크 어떠한 계층에서 다른 계층으로 데이터가 전달될 때 한 덩이리의 단위를 PDU(Protocal Data Unit)이라고 함
PDU는 메타 정보를 갖고 있는 헤더와 데이터를 의미하는 페이로드로 구성되며 계층마다 부르는 명칭이 다름

캡슐화와 비캡슐화

캡슐화 과정은 상위 계층의 헤더와 데이터를 하위 계층의 데이터 부분에 포함시키고 해당 계층의 헤더를 삽입하는 과정
비캡슐화 과정은 하위 계층에서 상위 계층으로 가며 각 계층의 헤더 부분을 제거하는 과정
송신자의 애플리케이션 계층에서부터 각 계층에서 캡슐화를 통해 데이터가 생성되고 수신자의 링크 계층에서부터 각 계층에서 비캡슐화를 통해 데이터가 전달

TCP와 UDP

TCP

신뢰성을 보장하는 연결형 프로토콜
흐름제어, 혼잡제어를 제공
웹 HTTP 통신, 이메일, 파일 전송에서 사용

UDP

신뢰성을 보장하지 않는 비연결형 프로토콜
흐름제어, 혼잡제어를 제공하지 않음
속도가 중요한 서비스(스트리밍)에서 사용
UDP 자체는 신뢰성을 보장하지 않지만 추가적인 정의를 통해 보장 가능 (HTTP/3에서 QUIC 프로토콜)

TCP 흐름제어

수신자와 송신자의 메시지 처리속도 차이를 해결하기 위한 방법
수신자는 윈도우 크기를 자신의 응답 헤더에 담아서 송신 측에게 전해주게 되고, 송신자는 상대방에게 데이터를 보낼 때 이 윈도우 크기를 확인

종류

Stop and Wait

전송한 패킷의 ACK을 수신하면 다음 패킷 전송

Sliding Window - Go Back N

수신 측에서 설정한 윈도우 크기만큼의 패킷을 ACK의 확인 없이 전송, 데이터의 흐름을 동적으로 조절하는데 Cumulative ACK(마지막으로 수신 성공한 패킷의 ACK을 계속 전송)을 받고 문제가 된 패킷부터는 모두 재전송

Sliding Window - Selective Repeat

수신 측에서 설정한 윈도우 크기만큼의 패킷을 ACK의 확인 없이 전송, 데이터의 흐름을 동적으로 조절하는데 Selective ACK(수신 성공한 패킷의 개별 ACK 전송)을 받고 문제가 된 패킷만 재전송

TCP 오류제어

TCP 오류 제어는 수신자와 송신자의 패킷 오류 처리를 하는 방법
수신자가 송신자에게 명시적으로 NACK(부정응답)을 보내거나 송신자에게 ACK(긍정응답)가 오지 않거나 중복된 ACK가 계속 해서 오면 오류가 발생했다고 판단

종류

Stop and Wait ARQ

송신 측에서 1개의 프레임을 송신하고, 수신측에서 수신된 프레임의 에러 유무에 따라 ACK 혹은 NAK를 보내는 방식

Go Back N ARQ과 SR(Selective-Reject) ARQ

Go Back N ARQ: 전송된 프레임이 손상되거나 분실된 경우 그리고 ACK 패킷의 손실로 인한 타임아웃이 발생한 경우에 확인된 마지막 프레임 이후로 모든 프레임을 재전송하는 방식
SR(Selective-Reject) ARQ: 손실된 프레임만 재전송하여 Go Back N ARQ의 확인된 마지막 프레임 이후의 모든 프레임을 재전송하는 단점을 보완한 기법

TCP 혼잡제어

송신자와 네트워크(라우터)의 데이터 처리 속도 차이를 해결하기 위한 방법
패킷 손실 시 파악되는 타임 아웃이나 중복된 ACK을 통해서 혼잡을 파악
ACK을 확인하지 않고도 보낼 수 있는 데이터 양인 CWND(Congestion Window)를 기반으로 동작

종류

Additive Increase/Multicative Decrease

CWND를 기본 값에서 시작하여 1씩 증가시키는 방법

Slow Start

CWND가 1부터 지수적(2배)으로 증가시키는 방법

Congestion Avoidance(혼잡 회피)

CWND가 임계치에 도달하면 1씩 증가키는 방법

Fast Recovery(빠른 회복)

혼잡 상황에서 사용되는 기법으로 CWND를 1/2배로 감소하고 선형적 증가시키는 방법

Fast Retransmit(빠른 재전송)

중복 ACK를 3개 받으면 재전송을 하는 방법

TCP 3-Way Handshake

서버와 클라이언트가 TCP 연결을 맺을 때 사용

TCP 3-Way Handshake 과정

클라이언트는 서버로 통신을 시작하겠다는 SYN을 보낸다.
서버는 그에 대한 응답으로 SYN+ACK를 보낸다.
마지막으로 클라이언트는 서버로부터 받은 패킷에 대한 응답으로 ACK를 보낸다.

TCP 3-Way Handshake 상태

LISTEN: 포트가 열린 상태로 연결 요청 대기 중인 상태
SYN-SENT: SYN 요청을 한 상태
SYN-RECEIVED: SYN 요청을 받고 상대방의 응답을 기다리는 중인 상태
ESTABLISEHD: 연결의 수립이 완료된 상태, 서로 데이터를 교환할 수 있음

필요성

TCP는 양방향 프로토콜이므로 클라이언트와 서버가 각각 서로에게 패킷을 전송할 수 있다는 것을 확인해야 됨

Sequence Number를 난수로 이용하는 이유

연결을 맺을 때 사용하는 포트(port)는 유한 범위 내에서 사용하고 시간이 지남에 따라 재사용됨
따라서 두 통신 호스트가 과거에 사용된 포트 번호 쌍을 사용할 가능성이 존재함
서버 측에서는 패킷의 SYN을 보고 패킷을 구분하게 되는데, 난수가 아닌 순차적인 number가 전송된다면 이전의 연결로부터 오는 패킷으로 인식할 위험이 있음

TCP 4-Way Handshake

서버와 클라이언트가 TCP 연결을 종료할 때 사용

TCP 4-Way Handshake 과정

클라이언트는 응답을 주고 연결을 끊기 위해 FIN패킷을 보낸다.
서버는 클라이언트에서 보낸 패킷에 대한 응답으로 ACK 패킷을 보낸다.
서버는 자신의 통신이 모두 끝나면 사용한 소켓을 정리하며 통신을 완전히 끝내도 된다는 의미로 FIN 패킷을 보낸다.
클라이언트는 서버 패킷에 대한 응답으로 ACK패킷을 보낸다.

TCP 4-Way Handshake 상태

CLOSE-WAIT 상대방의 FIN(종료 요청)을 받은 상태 (상대방 FIN에 대한 ACK를 보내고 애플리케이션에 종료를 알림)
FIN-WAIT-1 자신이 보낸 FIN에 대한 ACK를 기다리거나 상대방의 FIN을 기다리는 상태
LAST-ACK CLOSE-WAIT 상태를 처리 후 자신의 FIN요청을 보낸 후 FIN에 대한 ACK를 기다리는 상태
FIN-WAIT-2 자신이 보낸 FIN에 대한 ACK를 받았고 상대방의 FIN을 기다리는 상태
TIME-WAIT 모든 FIN에 대한 ACK를 받고 연결 종료가 완료된 상태 (새 연결과 겹치지 않도록 일정 시간 동안 기다린 후 CLOSED로 전이)
CLOSE 연결 수립을 시작하기 전의 기본 상태 (연결 없음)

필요성

클라이언트가 일방적으로 끊으면 서버는 연결은 되어 있으나 요청이 없는 상태로 오해할 수 있음
클라이언트는 데이터 전송을 끝냈다고 하더라도 서버는 전송할 것이 남아있을 수 있음

IP 주소 체계

IPv4

현재 일반적으로 사용되는 주소 체계
32비트를 8비트로 단위로 점을 찍어 표기하는 방식
123.45.67.88 같은 방식으로 표기됨

IPv6

IPv4의 주소의 개수가 부족 문제를 해결하기 위해 생긴 주소 체계
64비트를 16비트 단위로 점을 찍어 표기하는 방식
2001:db8::ff00:42:8329 같은 방식으로 표기됨

IPv4 IPv6 헤더

IPv4 IPv6 패킷

클래스 기반 할당 방식

클래스를 구분하여 대역을 설정하여 앞에 있는 부분을 네트워크 주소, 그 뒷 부분을 주소인의 호스트 주소로 IP를 활용하는 방법
A 클래스의 12.0.0.0 네트워크를 부여받았다면 12.255.255.255.255는 브로드 캐스트용 주소가 되며 12.0.0.1 ~ 12.255.255.255.254의 호스트 주소로 사용 가능
116.0.0.0 네트워크를 부여받았다면 A 클래스이며 116.0.0.1 ~ 12.255.255.255.254의 호스트 주소로 사용 가능

클래스 A

앞에 첫번째 바이트를 네트워크 주소로 나머지 3개의 바이트를 호스트 주소로 사용
구분 비트가 0 -> 00000000.00000000.00000000.00000000 ~ 01111111.11111111.11111111.11111111
대역 0.0.0.0 ~ 127.255.255.255 사용

클래스 B

앞에서부터 두번째 바이트까지를 네트워크 주소로 나머지 2개의 바이트를 호스트 주소로 사용
구분 비트가 10 -> 10000000.00000000.00000000.00000000 ~ 10111111.11111111.11111111.11111111
대역 128.0.0.0 ~ 191.255.255.255 사용

클래스 C

앞에서부터 세번째 바이트까지를 네트워크 주소로 나머지 1개의 바이트를 호스트 주소로 사용
구분 비트가 110 -> 11000000.00000000.00000000.00000000 ~ 11011111.11111111.11111111.11111111
대역 192.0.0.0 ~ 223.255.255.255 사용

CIDR (Classless Inter-Domain Routing) 방식

클래스 없는 도메인 간 라우팅 기법
최신의 IP 주소 할당 방법으로 정적이였던 클래스 방식에 비해 IP 주소의 영역을 여러 네트워크 영역으로 나눌 수 있기 때문에 기존방식에 비해 유연
서브넷으로 최대 호스트 수를 유추할 수 있음
예를 들면 10.0.2.23/xx 같은 형식
- xx 자리수까지는 고정 IP
서브넷의 사용 가능 IP 수: 2^(32-xx) - 2
- 첫번째: 네트워크 주소, 마지막: 브로드캐스팅 주소
네트워크가 143.7.65.203/22 이면 앞에 22비트는 네트워크 주소를 나타내고 나머지 10비트는 호스트 주소를 나타내고 143.7.64.0 ~ 143.7.67.255의 호스트 주소를 사용

NAT (Network Address Translation)

정의

IP 패킷의 TCP/UDP 포트 숫자와 소스 및 목적지의 IP 주소 등을 재기록하면서 라우터를 통해 통신하는 기술
외부에 공개된 공인(Public) IP와 내부에서 사용하는 사설(Private) IP를 맵핑하여 원활히 통신할 수 있게 하는 기술
IPv4 주소 체계로 많은 주소를 표기하지 못했는데 이를 해결해준 기술
사설 IP를 통하기 때문에 내부망 IP들이 노출되지 않으므로 보안적 강점이 있음
외부에서 사설 IP를 알 방법이 없어 내부 네트워크와 호스트를 보호 가능

동작 과정

요청 패킷 전송하기

패킷 헤더 = 소스 IP: 사설 IP, 목적 IP: 목적지 IP
게이트 웨이에서 소스 IP: 게이트웨이의 공인 IP로 변경, 목적 IP: 목적지 IP 변경 없음
NAT 테이블에 맵핑 내역을 저장

응답 패킷받기

패킷 헤더 = 소스 IP: 목적지 IP, 목적 IP: 게이트웨이의 공인 IP
게이트 웨이에서 소스 IP: 목적지 IP 변경 없음, 목적 IP: 사설 IP로 변경 (재기록)
NAT 테이블을 참조하여 수정

CDN (Contents Delivery Network)

CDN

지리적, 물리적으로 떨어져 있는 사용자에게 웹 페이지 콘텐츠 로드 지연을 최소화하는 촘촘히 분산된 서버로 이루어진 플랫폼 기술
각 지역에 캐시 서버(PoP, Points of Presence)를 분산 배치해서 가까운 사용자의 요청에 원본 서버가 아닌 캐시 서버가 콘텐츠를 전달

CDN 사용 시의 이점

지리적으로 가까운 캐시 서버가 응답하여 빠른 응답 가능
Origin 서버에 문제가 생겨도 다른 서버로 대체가 가능해 안전성 증가
트래픽 집중 방지 가능

CDN 처리 과정

클라이언트는 HTML, 이미지, CSS, JavaScript 파일 등 필요한 콘텐츠를 요청
콘텐츠에 대한 각 요청이 발생하면 최적으로 배치된 CDN 서버에 엔드유저가 매핑
CDN 서버는 요청된 파일의 캐싱된(사전 저장된) 버전으로 응답

DNS (Domin Name System)

도메인

네트워크 상에서 컴퓨터를 식별하는 호스트명

DNS

컴퓨터를 식별하는 호스트명인 도메인을 실제 서버와 연결 시켜주는 시스템

GSLB (Global Server Load Balancing)

전통적인 DNS 서비스를 발전시킨 형태로 헬스 체크와 지리적 정보를 사용하는 시스템
DNS 기반의 로드 밸런싱으로 IP가 아닌 도메인을 갖음
DNS와 VIP를 통해서 구성을 한 경우 한 IDC에 서버들이 몰려 있으면 DR 상황에서 문제가 생길 수 있기 때문에 서버의 위치를 고려할 수 있는 GSLB를 사용
VIP와 GLSB를 함께 사용 할 수도 있고 VIP 없이 GSLB만 서버에 묶어서 구성할 수도 있음
일반적인 DNS 방식과 달리 헬스 체크를 통해서 서버가 죽은 경우 해당 서버로 요청이 가지 않도록 할 수 있음
일반적인 DNS 방식과 달리 L4/L7의 스위치가 추가로 필요

로드 밸런싱

로드 밸런서를 클라이언트와 서버 사이에 두고, 부하가 집중되지 않도록 여러 서버에 분산하는 방식
Scale out 시에 사용
Server Load Balancing이라고도 불림

로드 밸런서

로드 밸런싱 작업을 담당하는 장비

로드 밸런서의 역할

NAT(Network Address Translation): 사설IP - 공인IP 전환
Tunneling: 데이터를 캡슐화하여 연결된 노드만 캡슐을 해제할 수 있게 만듦
DSR(동적 소스 라우팅): 요청에 대한 응답을 할 때 로드밸런서가 아닌 클라이언트의 IP로 응답

L4 로드 밸런싱

IP와 PORT 기반의 로드 밸런싱
보통 L4 스위치 장비로 로드밸런싱하며 가격이 비쌈
VIP를 통한 로드 밸런싱은 L4 로드밸런싱

L7 로드 밸런싱

URI, Payload, Http Header, Cookie 등 기반의 로드 밸런싱
보통 L7 스위치 장비로 로드밸런싱하며 가격이 비쌈
nginx나 apache를 통한 로드 밸런싱은 L7 로드밸런싱

VIP(Virtual IP)

여러 개의 실제 서버를 대표하는 가상의 IP로 DNS와 VIP를 연결하여 다수의 서버에 연결할 때 사용
VIP는 IP 기반의 로드 밸런싱하는 역할을 겸할 수 있음

FQDN

Fully Qualified Domain Name의 약자로 전체 주소 도메인 네임
도메인 하위에 서브 도메인을 구성할 수 있는데 FQDN은 서브도메인까지 포함한 Full Domain

ACL

Access Control List의 약자로 네트워크 망에 접근을 허가하는 IP 리스트와 포트

Proxy 서버

프록시

다른 서버와 통신하기 전에 반드시 거치도록 되어 있는 서버로 클라이언트가 프록시를 통해서 다른 네트워크 서비스에 간접적으로 접속하게하는 서버 프로그램 함
Access Control, Cache, 보안 등의 기능을 할 수 있음
포워드 프록시라고 부르기도 함

리버스 프록시

한 대 이상의 서버로부터 자원을 추출하여 클라이언트에 전달하는 프록시 서버
부하 분산이 가능
주로 웹 서버를 통해 리버스 프록시 서버를 구축

CORS

교차 출처 리소스 공유(Cross-Origin Resource Sharing, CORS)는 추가 HTTP 헤더를 사용하여, 한 출처에서 실행 중인 웹 애플리케이션이 다른 출처의 선택한 자원에 접근할 수 있는 권한을 부여하도록 브라우저에 알려주는 체제

웹 브라우저에 URL을 입력했을 때의 수행 과정

사용자의 PC는 DHCP 서버에서 사용자 자신의 IP 주소, 가장 가까운 라우터의 IP 주소, 가장 가까운 DNS서버의 IP 주소를 받음
DNS 서버로 쿼리를 전송해 URL의 IP 주소를 응답받음
- ARP를 이용하여 가장 가까운 라우터의 IP 주소로 MAC 주소를 얻어 요청 전송
TCP Socket을 통해 웹 서버와 3-Way Hand Shaking을 하여 연결
HTTP Request가 TCP Socket을 통해 보내지고, 응답으로 웹페이지의 정보가 사용자의 PC에 전달

참고

DHCP: IP 주소 및 TCP/IP 설정을 클라이언트에 자동으로 제공하는 프로토콜
DNS: IP 주소와 도메인의 매핑 정보를 관리하는 프로토콜
ARP: IP 주소를 물리 주소로 변환하는 프로토콜
IP 주소: 컴퓨터 마다 부여된 고유의 주소, 변할 수 있음
MAC 주소: NIC 카드 마다 부여된 네트워크 장비 고유의 주소, 변하지 않음

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