네트워크 개념 정리 (프로토콜 , 계층 구조 , IP)

네트워크란

통신 분야에서 단말기 등을 접속하기 위해 사용되는 단말기기, 선로 및 교 환기 등으로 구성되는 전송매체이다.

 

프로토콜

통일을 위한 상호 간의 규약(약속)이다.

 

프로토콜의 구성 요소

1. 구문(syntax)

- 데이터를 어떻게 구성할지 , 코딩 방법 , 신호 레벨 등에 대한 정보

- 데이터 포맷(형식), 부호화, 신호 레벨 등

 

2. 의미(semantic)

- 데이터나 예외에 대해 어떻게 처리할 것인지에 대한 정보

- 특정 패턴을 어떻게 해석하고, 어떤 동작을 할 것인가 결정

 

3. 타이밍(timing) 

- 통신이 이루어질 때 데이터를 주고 받을 속도에 대한 조절과 여러 데이터가 동시에 통신을 해야 할 경우 순서 관리를 위한 기법

- 속도 일치 및 순서 제어

 

프로토콜의 역할

1. 에러 제어 (Error Control)
     - 전송 중 에러 검출 및 에러 정정
2. 캡슐화 (Encapsulation)
     - 통신계층 상의 각 계층이 자신 만의 특정제어정보(주로 Header)를 추가하는 것
3. 연결 제어 (Connection Control) 또는 세션 관리
     - 연결지향적 통신에서 연결설정,데이터전달,연결종료 절차의 제어
4. 순서 제어 (Sequence Control)
     - 순서 역전, 중복 패킷 발생 등의 방지
5. 흐름 제어 (Flow Control)
     - 보낼 데이터량/전송률의 제한
6. 혼잡 제어 (Congestion Control)
     - 포화/대기 패킷 수의 제한을 위한 제어 기법
7. 동기화 (Synchronization)
     - 송수신 양측 간에 시간 관계(주로,위상)의 일치
8.주소 지정 (Addressing)
     - 호스트/디바이스/프로세스 등을 유일하게 식별할 수 있는 방법을 제공
9. 단편화 및 재조립 (Segmentation and Reassembly, Fragmentation and Reassembly)
     - 데이터 패킷을 전송에 적당한 크기로 분해,조립
10. 데이터의 형식화 (Data Formatting) 등

 

패킷

패킷 스위칭 방식에서 네트워크를 통해 전송되는 데이터 블록이다.

 

패킷을 사용하는 이유

데이터를 한번에 보내게 된다면 통신 대역폭을 많이 차지하기 때문에 다른 데이터의 전송이 지연되며 이는 곧 통신의 문제로 이어질 수 있다.

패킷 구조

네트워크 패킷은 헤더(Header), 페이로드(Payload), 트레일러(Trailer) 세 부분으로 구성

1. 헤더

- 패킷 길이, 프로토콜, 보낸/받는 사람의 IP 주소 등이 포함

- 패킷의 주소(송수신 주소) 등 주요 제어 정보들이 포함

2. 페이로드

- 패킷의 본문 (내용 , 데이터)

3. 트레일러 (footer)

- 패킷의 끝에 도달했음을 수신 컴퓨터에 알리는 비트 포함

- 패킷 에러 검출 등에 사용 
- 패킷 꼬리가 없는 경우도 많음

 

CBN(Curcuit Based Network) vs PBN(Packet Based Network)

 

CBN

1. 전화망에 사용

2. 연결 지향 (connection-oriented)

3. 자원 점유 -> QoS 보장

 

PBN

1. 인터넷

2. connection less service

3. 자원 공유 방식 -> QoS 보장x , Best effort

 

 

OSI 7 Layer

7계층 - 응용 계층

통신을 위한 어플리케이션 - 카카오톡

GUI로 구성 된 경우가 많다.

주요 프로토콜 - TELNET, FTP, SMTP, HTTP 등

 

6계층 - 표현 계층

데이터를 어떻게 표현할 지에 대해 결정

Codec(coding+decoding) 관련 인코딩/디코딩, 압축/해제, 암호화/복호화 등의 역할을 수행한다.

ex) avi, mp4, mp3

 

5계층 - 세션 계층

사용자의 구분. 누구와 통신 할 것인가? 에 대해 결정

Session ID : 누구와 통신 할 것인지를 구분할 수 있도록 알려주는 구분자 (ID)

TCP/IP 통신 연결을 수립/ 유지/중단

 

4계층 - 전송 계층

어떤 *port로 전송할 것인가? 에 대해 결정

port : process를 특정하기 위한 주소

 

포트의 종류

0~1023: well-known port. 표준화되어 있는 포트

– 20 FTP, 23 Telnet, 53 DNS, 80 HTTP, 433 HTTPS

1024~49151: registered port. 상업적인 어플리케이션을 개발하는 회사들이 등록하 여 사용하는 포트

49152~65535: dynamic port. 사용자(개발자) 자유롭게 즉흥적으로 할당하여 사용할 수 있는 포트

 

UDP vs TCP

UDP: TCP 대비 프로토콜이 간결함. 가볍고 빠름. QoS 보장 x

– real-time service: 실시간 비디오

TCP: UDP 대비 프로토콜이 복잡함. 무겁고 느림. UDP 대비 QoS 일부분 보장

– retransmission, timeout 특성을 가지고 흐름제어, 오류제어

– non-real-time service: email 서비스, 문자 서비스

 

3계층 - 네트워크 계층

End to End 통신을 담당 (source-to-destination)

라우터를 통해 IP를 사용하여 통신한다. (라우팅)

- DNS를 이용하여 도메인 이름으로 IP를 알 수 있다.

 

주요 프로토콜 - IP, ARP, ICMP, IGMP, RIP, RIP v2, OSPF, IGRP, EIGRP, BGP 등

 

2계층 - 데이터 링크 계층

스위치를 통해 *MAC 주소를 이용하여 목적지를 찾아간다 (hop by hop , node to node)

MAC : 고유한 하드웨어 주소

 

주요 프로토콜 : HDLC, X.25, Ethernet, TokenRing, DFFI, FrameRelay 등

 

1계층 - 물리 계층

디지털 데이터를 아날로그적인 전기적 신호로 변환

데이터를 비트형태로 표현

 

Topology: 망의 구성

ex) Star, mesh, bus…

 

TCP/IP Layer

OSI 참조 모델을 기반으로 상업적이고 실무적으로 이용될 수 있도록 단순화된 현실화의 과정에서 채택된 모형이다. 

인터넷이 발전되는 과정에서 대부분 TCP/IP 계층 구조를 사용했기 때문에 지금도 대부분의 통신이 사용하고 있는 프로토콜 구조이다.

 

TCP/IP 계층은 OSI 7 계층 구조와 달리 4개의 계층을 가지고 있다.

어플리케이션 계층 , 전송 계층 , 인터넷 계층 , 네트워크 인터페이스 계층으로 구성되어 있으며 각각의 계층은 서로 영향을 받지 않도록 설계되었다.

 

1. 어플리케이션(application) 계층

FTP , HTTP 같은 응용 프로그램이 사용되는 프로토콜 계층이며 실질적으로 사람들에게 서비스를 제공해준다. 

OSI 7 계층의 어플리케이션 계층과 흡사

 

2. 전송 계층(transport) 계층

송신자와 수신자를 연결해주는 통신 서비스를 제공한다. 

전송 계층에서 사용하는 기술로는 TCP와 UDP가 있으며 어플리케이션 계층과 인터넷 계층 사이에서 중계 역할을 한다.

OSI 7 계층의 전송 계층과 흡사

 

3. 인터넷 계층

네트워크 패킷을 IP 주소로 지정된 목적지로 전송한다. 

*ARP , IP 같은 기술을 사용하며 데이터의 수신 상태를 보장하지 않는 비연결형 통신을 제공한다.

OSI 7 계층의 네트워크 계층과 흡사

 

ARP : IP주소에 해당하는 MAC 주소를 매칭시켜주는 프로토콜 , 반대의 개념으로 RARP도 있다.

 

4. 네트워크 인터페이스 계층

전선 , 광섬유 , 무선 등으로 실질적으로 데이터를 전달한다. -> 장치 간의 신호를 주고 받는 규칙을 정한다.

물리 계층과 데이터링크 계층으로 나누어 보기도 한다. 

물리계층은 무선 LAN이나 유선 LAN을 통해 0과 1로 이루어진 데이터를 전송하고 데이터 링크 계층은 이더넷 프레임을 통해 MAC 주소를 사용하여 전송한다.

 

계층 간 데이터 송수신 과정

 

기본적으로 요청 값들이 캡슐화되어서 전달되고 요청 받는 서버가 다시 비캡슐화 과정을 거치면서 데이터가 전송된다.

 

 

Encapsulation과 Decapsulation

Encapsulation - 상위 계층의 헤더와 데이터를 하위 계층의 데이터 부분에 포함시키고 해당 계층의 헤더를 삽입한다.

Decapsulation - 하위 계층에서 상위 계층으로 가면서 각 계층의 헤더 부분을 제거한다.

 

 

 

OSI 7 Layer 또는 TCP/IP Layer에서 계층화하는 이유

네트워크를 이루고 있는 구성 요소들을 계층 별로 나누고 표준화함으로써 포트 , 프로토콜의 호환 문제를 해결할 수 있다.

(각 계층끼리만 통신하기 때문)

문제가 발생했을 때 계층들간의 영향을 주지 않기 때문에 문제 생긴 계층의 범위 내에서 원인을 추적해나갈 수 있다. 

또한 각 계층의 장비나 기술의 변경에 대해 유연하다는 장점이 있다.

 

IP(Internet Protocol)란?

인터넷에서 네트워크의 두 호스트(host) 간에 통신할 때 호스트 주소를 지정하고 전송 계층의(transport layer)의 정보를 패킷으로 분할/조립하며, 패킷을 IP 주소에 따라 목적지에 전송하는 통신 규약이다.

 

송신측에서는 패킷에 목적지 주소를 표기하고 각각의 라우터들은 해당 목적지를 확인하고 라우팅 테이블을 참조하여 다음 라우터로 라우팅시킨다. 최종적으로는 목적지까지 패킷을 전송한다.

이렇게 패킷이 여러 개의 라우터를 건너가는 것을 hop-by-hop 통신이라고 한다.

 

 

IP 주소란?

IP주소란 네트워크에 연결되어 있는 디바이스의 네트워크상 주소(식별자)이다.

 

IPV4 vs IPV6

IPv4 체계 주소의 고갈과 확장성 면에서의 한계로 인해 나온 새로운 주소 체계이다. IPv4는 클래스 기반의 할당 방식을 사용했는데 이 방식은 사용하는 주소보다 버리는 주소가 많은단점이 있었고 확장성에 한계가 있었다.

 

따라서 더 많은 주소를 가질 수 있고 차세대 멀티 미디어 환경에도 용이한 IPv6가 나오게 되었다.

 

IPv4는 32비트를 8비트 단위로 점을 찍어서 표현한다. ex) 123.45.67.89

IPv6는 64비트를 16비트 단위로 점을 찍어 표기한다. ex) 2001:db8:ff00:42:8329

아직까지는 여전히 IPv4가 가장 많이 쓰이는 주소 체계이다.

 

IPv64와 IPv6의 차이점 비교

	IPv4	IPv6
주소 길이	32비트를 8비트 단위로 나눔 (10진수)	64비트를 16비트 단위로 나눔 (16진수)
주소 개수	약 43억개	2^128개
QoS(Quality Of Service)	미보장(Best Effort)	보장
보안	IPSec 별도 설치 필요	IPSec 자체 지원

 

 

IPv4의 주소 부족현상을 해결하기 위한 방법

DHCP

- 주소를 수동으로 할당할 필요 없이 인터넷에 접속할 때마다 IP주소를 자동으로 할당 받는다. (plug & play)

 

NAT

- 패킷이 라우팅 장치를 통해 전송되는 동안 패킷의 IP 정보를 수정하여 다른 주소로 매핑한다.

IPv4 체계로는 많은 주소들을 감당하지 못했었는데 이를 해결하기 위해 공인 IP와 사설 IP로 나누어서 주소를 처리하게 되었다.

NAT를 통해 하나의 공인 IP로 사용자들은 각각의 다른 IP를 가진것처럼 인터넷을 이용할 수 있다. (공유기에서 주로 사용된다.)

NAT