(네트워크) 네트워크 핵심이론 - 기초 (부제: OSI 7계층, L2, L3, L4, DNS, HTTP) (작성중)

네트워크 기본

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OSI 7 layer와 식별자

• L2의 식별자는 MAC Adress를 사용하며 48bit를 보통 16진수로 표현
• L3의 식별자는 IP Address를 사용하며 32bit를 10진수(8bit)씩 끊어서 사용
• L4의 식별자는 Port 번호를 사용하며 16bit 양의 정수를 사용

 

Host

• 컴퓨터 공학에서 컴퓨터가 네트워크에 연결되는 순간 이를 Host라고 한다.

 

Switch가 하는 일과 비용

• 네트워크(고속도로)에서 어떤 명령이 전송될 때 여러개의 스위치(교차로)를 만난다.
• 명령은 특정 경로(인터페이스)를 선택(스위칭)한다.
• 이 선택의 근거가 IP이면 L3스위치, Port이면 L4 스위치이다.

 

L2 수준

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NIC, L2 Frame, LAN 카드 그리고 MAC 주소

• NIC(Network Interface Card)는 흔히 LAN(Local Area Network) 카드이다.
• 유무선 NIC이 있지만 굳이 구별하지 않고 NIC으로 사용하는 경우가 많다.
• NIC은 H/W이며 MAC Adress를 갖는다.
• L2 수준에서의 데이터 유통 단위는 Frame이다.

 

L2 스위치에 대해서

• L2 스위치는 MAC Address를 근거로 스위칭한다.
  
  • 도식에서 녹색이면 제대로 연결이 되었다는 뜻이다 (Link-up)
  • 도식에서 주황색이면 제대로 연결이 되지 않았다는 뜻이다 (Link-down)
• L2 스위치를 위한 스위치가 있는데 그것을 L2 Distribution Switch라고 한다.
  • L2 Distribution Swtich는 일반적으로 VLAN(Virtual Local Area Netowkr)를 지원한다.
  • VLAN: 하나의 물리적 네트워크를 논리적으로 여러 개의 네트워크로 나누어 서로 다른 네트워크처럼 동작하게 하는 기술.

 

 

LAN과 WAN의 경계 그리고 Broadcast

• Boradcast 주소라는 특별한 주소가 존재한다.
  • IP: 255.255.255.255로 표시되며, 이는 네트워크 상의 모든 호스트에게 데이터를 전송할 때 사용다.
  • MAC: FF:FF:FF:FF:FF:FF입니다. 이 주소는 이더넷 프레임이 네트워크의 모든 노드에 전달되도록 한다.
• 팁: OSI 7 계층으로 분류했을 때 S/W는 논리적, H/W는 물리적라고 이해해도 무방하다. S/W에서 논리적이라고 하는것을 컴퓨터 공학에서는 주로 Virtual 이라는 말로 많이 쓰고 도식화 했을 때 구름 형태로 많이 표현한다. (즉 물리적인 실체가 없다)
  
  • 소프트웨어로 하드웨어를 구현하는 것이 가능하다.
    • 컴퓨터 공학에서 CPU를 Machine이라고 하는데, 소프트웨어로 CPU를 구현한 것이 바로 우리가 흔히 아는 Virtual Machine이다.
• 완전히 옳은 표현은 아니지만 LAN은 주로 물리적으로 설명되는 것이 LAN이며 소프트웨어 적으로 표현하는 것이 WAN이다.
  
  • 가령 인터넷은 WAN이므로 논리적인 네트워크이다. (즉 3계층 무조건 논리 네트워크이다)
  • LAN은 랜 케이블이 꽂혔는가, 무선 신호가 도달했냐 등

[사진 1] 좌측은 4계층 레이어, 우측은 7계층 레이어이다.

 

L3 수준

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IPv4주소의 기본 구조

• 짚고가는 OSI7 계층 구조
  • HTTL
  • -
  • TLS(SSL)
  • L4 = TCP, UDP
  • L3 = IP
    • IPv4 (32bit = 8bit * 4)
      • 8bit는 2^8개의 경우의 수다
      • 0~255까지 표현 가능하고 255(이진수로 1111 1111)은 boradcast의 주소다.
      • 앞에 3개 8bit는 Network ID(서울시 관악구 신림동), 뒤에 1개 8Bit는 Host ID(주소)
  • L2 = Ethernet
    • Mac Address는 48비트라고 했다.

 

L3 IP Packet으로 외워라

• Packet이라는 말은 L3 IP Packet으로 외워라
• Packet은 Header와 Payload로 나뉘며 이는 상대적인 분류이다.
  • Header에서 가장 중요한 것은 Src(출발지) -> Dst(목적지)이다.
• MTU(Maximum Transmission Unit)는 옵션 설정을 하지 않았다는 전제하에 1500bytes이다.
• WireShark라는 아주 유명한 네트워크 감청 프로그램이 있다.

 

Encapsulation와 Decapsulation

• L2 Frame의 Padyload안에 L3 Packet이있다.
• L3 Packet 안에는 당연히 Segment가 있다.
• 이렇게 데이터를 차곡차곡 구조화 하고, 그걸 다시 역구조화 하는것이 Encapsulation과 Decapsulation이다.

 

패킷의 생성과 전달

• 비유적으로 보는 전체적인 양상
  • A 프로세스(철수)가 데이터(택배)를 B 프로세스(영희)에 송신한다.
  • 데이터를 패킷화(택배 상자) 하여 송장(Header, Src, Dst)을 붙여 넣어서 GateWay(택배 기사)에 발송한다. 이떄 GateWay는 Routing한다.
  • 라우팅 할때는 Host(영희 집)까지 간다.
  • Header에서 Port 번호를 보고 식별한다.
• OSI 7계층으로 보는 양상
  • User Mode에서 데이터를 Kernal로 보내기 위해서 Socket으로 Write한다. (네트워크이므로 send)
    • 소켓의 본질은 File이며 User Mode Application이 Kernal Mode에 접근하도록 TCP/IP를 추상화한 Interface이다.
  • 계층을 내려갈수록 Header가 붙는다.
    • Data
      • TCP(Header)+Data(Payload)
      • IP(Header)+TCP&&Data(Payload)
      • Frame(Header)+IP&TCP&&Data(Payload)
  • L2 Access Switch를 만난다.
  • 타고 가면 Router GateWay가 나온다.
  • Internet으로 타고 나간다.

계층별 데이터 단위

• User Mode Application에서 TCP를 추상화한 Interface = Socket, 여기서의 데이터 단위: Stream
  • 본질은 File, 버퍼를 둔다.
  • Segment화 될 때 분할이 일어난다.
• L4에서의 데이터 단위: Segment (Segment를 패킷이라 부르는 사람도 있다.)
  • Segment 데이터 최대 용량: MSS(Maximum Segment Size): 보통 1460 bytes
• L3에서의 데이터 단위: Packet
  • Packet 데이터 최대 용량: MTU(Maximum Transmission Unit): 보통 1500Byte
    • UDP에서는 DataGram
• L1~L2에서의 데이터 단위: Frame

TCP/IP 송·수신구조

• Naver에서 File 하나를 다운 받았다고 가정하자.
  • OSI 7계층으로 보는 송수신 과정
  • 애플리케이션 계층 (L7)
    • 웹 브라우저에서 네이버 서버에 파일 다운로드 요청을 한다.
    • HTTP 프로토콜을 사용하여 요청을 보낸다.
  • 프레젠테이션 계층 (L6)
    • 데이터 형식을 변환하거나 암호화, 압축한다.
    • 웹 브라우저에서 받은 데이터를 전송하기 적합한 형태로 변환한다.
  • 세션 계층 (L5) 통신 세션을 설정하고 관리한다.
    • 네이버 서버와의 세션을 설정하여 데이터 전송을 준비한다.
  • 전송 계층 (L4)
    • TCP 프로토콜을 사용하여 데이터를 세그먼트로 나눈다.
    • 각 세그먼트에 순서 번호를 붙여 전송하고, 수신 확인(ACK)을 받는다.
    • 소켓 버퍼에 데이터를 저장하고 스트림을 세그먼트로 분해한다.
  • 네트워크 계층 (L3) 세그먼트를 패킷으로 캡슐화한다.
    • 각 패킷에 IP 헤더를 추가하여 라우팅 정보를 담는다.
    • 패킷을 목적지 IP 주소로 라우팅한다.
  • 데이터 링크 계층 (L2) 패킷을 프레임으로 캡슐화한다.
    • 각 프레임에 MAC 주소와 같은 링크 계층 정보를 추가한다.
    • 프레임을 물리적으로 전송한다.
  • 물리 계층 (L1)
    • 실제 전송 매체를 통해 비트 스트림을 전송한다.
    • 케이블, 무선 등을 통해 데이터를 전송한다.
  • 이 과정에서 MTU(Maximum Transmission Unit)가 1500바이트인 경우, 파일을 전송하기 위해 최소 1000개의 패킷으로 쪼개야 한다.
• 데이터 흐름으로 보는 송수신 과정
  • 데이터 흐름 PC (Process)
  • 파일 다운로드 요청을 한다.
  • 2차 메모리(HDD, SSD)에서 1차 메모리(램)로 파일을 복사한다.
  • 1차 메모리에서 소켓 버퍼로 데이터를 복사한다. 소켓 버퍼에서 데이터를 스트림 형태로 L4로 보낸다. 전송 계층 (L4) 소켓 스트림을 세그먼트로 분해하여 순서 번호를 붙인다.
  • 세그먼트를 L3로 보낸다.
  • 세그먼트를 패킷으로 캡슐화하고 IP 헤더를 추가한다.
  • 패킷을 라우터로 보낸다.
  • 패킷을 프레임으로 캡슐화하고 MAC 주소를 추가한다.
  • 프레임을 물리적 매체로 전송한다.
  • 역캡슐화 서버에서 클라이언트로 데이터가 도착하면 역순으로 캡슐화를 해제한다.
  • L2 -> L3 -> L4 -> L7 순서로 데이터가 상위 계층으로 올라간다.
  • 각 계층에서 헤더를 제거하고, 원래의 데이터 스트림을 복원한다. 최종적으로 애플리케이션 계층에서 데이터를 처리하고 파일을 저장한다.
• 그외 개념
  • TCP의 데이터 전송 관리
    • TCP는 데이터 전송 시 여유 공간(Window Size)을 따진다.
  • 네트워크 장애 종류
    • Lost(유실), Retransmission(재전송), Out of Order(순서 불일치) 등
  • Zero Window는 여유 공간이 없음을 나타내며, 데이터 전송이 일시 중지될 수 있다.

IP 헤더 형식

서브넷 마스크와 CIDR

Broadcast IP주소

Host 자신을 가리키는 IP주소

TTL과 단편화

인터넷 설정 자동화를 위한 DHCP

ARP

Ping과 RTT

 

TCP와 UDP

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TCP와 UDP 개요

TCP 연결과정

TCP 연결종료 및 상태변화

TCP, UDP 헤더형식과 게임서버 특징

TCP '연결'이라는 착각

TCP 연결과 게임버그

 

웹 핵심기술

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DNS

웹 기술 창시자와 대한민국 인터넷

URL과 URI

HTTP

웹 서비스 구조 기본이론

WAS와 RESTful API 그리고 JVM

 

 

 

 

참고

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해당 글은 외워서 끝내는 네트워크 핵심이론 - 기초 강의를 수강한 후 체화 하기 위해 별도로 정리한 글입니다.

외워서 끝내는 네트워크 핵심이론 - 기초 | 널널한 개발자 - 인프런