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회선교환방식 vs 패킷교환방식

회선교환방식

• 전화망을 생각하면 쉽다. 송신자와 수신자가 결정되면 전송하기 전에 먼저 회선을 설정한다.
• 하나의 통신 경로를 점유하기 때문에 기본적으로 일대일 통신만 할 수 있다

패킷교환방식

• 고정 경로가 미리 설정되지 않는다.
• 전송은 주고받을 데이터를 잘게 쪼갠 패킷(packet)으로 나눈 후, 다른 데이터 조각들과 통신 경로를 공유한다.
• 생각해보자. 회선교환방식은 회선이 미리 설정되어 목적지로 쉽게 갈 수 있지만 패킷은 통신 경로를 공유하기 때문에 어디로 갈 지 알 수 없다. 그래서 패킷에는 데이터의 목적, 주소, 패킷 순서, 제어 정보를 담아 보내게 된다.
• 이게 인터넷이다.

네트워크 계층 모델

왜 나왔나

• 서로 다른 특성을 갖는 시스템끼리 어떻게 통신하게 할까? 라는 고민에서 나왔다. 그래서 프로토콜을 기능별로 나누고, 역할을 부여했다.
• 각 계층은 하위 계층의 기능만을 이용하고, 상위 계층에게 기능을 제공한다.
• 그래서 데이터 전송 시 각 층마다 인식하는 헤더를 붙이게 되는데 이것을 캡슐화라 한다. 택배 포장하는 것을 상상하면 이해가 쉽겠다.
• 데이터 전송 후 다시 계층을 올라가게 되면서 헤더를 벗기게 되는데 이것을 디캡슐레이션이라 한다.

OSI 7계층

TCP/IP 4계층

대다수의 프로그램은 TCP/IP 위에서 통신하고 있다. 가장 성공한 프로토콜이란 말이지. 그래서 인터넷 프로토콜을 따로 떼서 TCP/IP 4계층으로 분류했다. 실질상의 표준이 아닐까.

TCP

TCP는 트랜스포트 계층이다

트랜스포트 계층의 역할

• 브라우저를 여러 개 켜서 웹 서핑하는 동시에 npm install로 모듈을 설치하는 데 신기하게 데이터가 엉키지 않는다.
• 이렇게 컴퓨터 안까지 들어온 데이터를 분류 후에 각 프로그램까지 전달하는 것이 트랜스포트 계층의 역할이다.
• 분류는 포트 번호로!
• 트랜스포트 계층의 대표적인 프로토콜은 TCP, UDP다

포트 이야기

트랜스포트 계층에는 인터넷 계층에서 전달한 다양한 종류의 패킷이 들어온다. 어떤 것은 브라우저로, 어떤 것은 노드로, 어떤 것은 게임으로 데이터가 전달되어야 하는데, 이것은 포트 번호로 분류한다.

포트 간단 상식

• 0 ~ 65535번까지 이용 가능

• 웰 노운 포트(0~1023번), 레지스터드 포트, 다이나믹 포트 세 종류로 구분

• 웰 노운 포트가 우리가 흔히 사용하는 대표적인 프로토콜 수신 포트 (20번 FTP, 25번 SMTP, 80번 HTTP 등)
• 클라이언트가 사용하는 포트 번호는 그때그때 다르다 (다이나믹 포트 사용). 자동할당되므로 어떤 번호가 사용될 지는 미리 알 수 없다.

브라우저 접속한 후 클라이언트와 서버의 접속 과정

1. 브라우저 포트가 다이나믹 포트로 할당 (웹 서버가 80번에서 대기하고 있다고 가정하자)
2. 웹 서버 80번 포트에 접속 요청
3. 웹 서버가 접속 허용하면 통신 가능 상태가 된다
4. 통신이 종료되면 포트를 반납한다

어떻게 상대방을 식별하나?

• 클라이언트 측은 서로 다른 IP 어드레스와 포트 번호를 사용한다. 이것을 조합해서 클라이언트를 식별한다.
• 더불어 클라이언트 IP 어드레스와 포트를 조합해서 기억해둔다.

TCP, UDP의 가장 큰 차이

TCP : 정확성이 제일 중요해

수신지에 데이터가 정확히 전달되도록 전송 속도를 조절하고 도달하지 않는 데이터를 재전송한다

• 통신 환경에 맞춰 데이터 크기를 정하거나 연속된 데이터를 몰아서 보낸다
• 도달하지 않는 패킷이 있다면 재전송을 요청한다

UDP : 속도가 제일 중요해

VoIP나 동영상 스트리밍 서비스 같이 속도가 중요한 실시간 통신이 필요할 때 쓴다

• 전송 속도 조절이나 재전송 요청같은 별다른 처리를 하지 않으니 당연히 속도가 빠르다

TCP는 어떻게 데이터를 정확하게 전달하나?

• 다시 한 번 상기하자. TCP의 가장 중요한 역할은
  • 전송 속도 조절하기
  • 데이터 재전송하기
• TCP는 데이터 전송에 신뢰성을 더하기 위해 세그먼트 단위로 데이터를 분할한다.
• 이 세그먼트는 데이터 본체에 TCP 헤더 가 붙은 형태로 구성된다. 이 헤더에는 포트번호나 일련번호 같은 정보가 포함되어 있다.

TCP 헤더 구조

• 간단히 주요 항목만 살펴보면
  • 일련번호 (Sequence Number) : 송신 바이트 수
  • 확인 응답 번호 (Acknowledge Number) : 수신 바이트 수
  • 윈도우 사이즈 (Window size) : 한 번에 수신할 수 있는 데이터 크기
  • 체크섬 (checksum) : 데이터가 훼손되었는지 확인
  • 컨트롤 비트(controle bits) (조그맣게 URG, ACK 적혀있는 묶음들) : 현재 통신 상태를 표현하는 플래그
• 모두 데이터 전송이 정확하게 되고 있는지, 훼손되지는 않았는지 구분하는 정보지?

컨트롤 비트

• 현재 통신 상태를 표현하는 플래그 역할
• 이 정보를 전달해서 TCP 통신을 제어한다
• 9개의 플래그가 있고, 각각은 1비트의 크기를 가진다
• 주요 플래그를 조금 살펴보면
  • ACK : 이전 동작을 확인했어요
  • SYN : 접속을 시작할 떄 ON으로 설정
  • FIN : 데이터 송신이 완료, 통신 종료를 원해요
  • CWR : 통신 경로가 혼잡하니 전송량을 줄여주세요라고 부탁
  • ECE : 통신 경로가 혼잡해서 수신 못할수도 있어요라고 알림
  • URG : 긴급 포인터에서 이건 당장 처리해야 한다는 것을 알려줌
  • RST : 접속이 강제 중단되었어요 ㅜㅜ

3-way handshake

• 위의 컨트롤 비트까지 이해했으면 이건 저절로 이해된다.

• TCP 통신은 커넥션 연결부터 시작하는 데, 이 커넥션 과정은 3단계로 이뤄진다.

• 그래서 쓰리웨이 핸드쉐이크라고 하는데, 커넥션이 맺어지면 데이터를 전송할 수 있는 상태가 되고, 전송이 끝나면 데이터를 끊는다.

• 이 커넥션이 세 번 오가는데 어떻게 정보를 주고받을까? 헤더의 컨트롤 비트를 이용해 정보를 주고 받는 것이다

[STEP 1]

A클라이언트는 B서버에 접속을 요청하는 SYN 패킷을 보낸다. 이때 A클라이언트는 SYN 을 보내고 SYN/ACK 응답을 기다린다

[STEP 2]

B서버는 SYN요청을 받고 A클라이언트에게 요청을 수락한다는 ACK 와 SYN flag 가 설정된 패킷을 발송한다.

A가 다시 ACK으로 응답하기를 기다린다. 이때 B서버는 SYN_RECEIVED 상태가 된다.

[STEP 3]

A클라이언트는 B서버에게 ACK을 보내고 이후로부터는 연결이 이루어지고 데이터가 오가게 된다.

이때의 B서버 상태가 ESTABLISHED 이다.

위와 같은 방식으로 통신하는것이 신뢰성 있는 연결을 맺어 준다는 TCP의 3 Way handshake 방식이다.

컨트롤 비트 중 sequence number(일련번호)의 역할

• 커넥션을 맺는 과정에서 일련번호는 1씩 증가
• 데이터 전송 시는 여기에 전송한 데이터 바이트 수만큼 더한다
• 데이터 수신 시는 수신한 데이터의 바이트 수만큼을 확인 응답 번호(Acknowledge Number)에 더한다
• 뭔가 복잡한 것 같지만, TCP 헤더에 일련 번호와 응답 번호라는 것이 있어서 이것을 확인하면 몇 바이트 씩 데이터를 주고 받았는 지 알 수 있다.

데이터 송신이 실패하면 어떡하지?

• 송신 측에서 일정 시간이 지난 후에도 수신 응답이 오지 않을 경우 실패로 간주, 다시 데이터를 재전송한다.

데이터가 너무 많으면 어떡하지?

• 데이터 수신측은 데이터를 임시 보관하는 Buffer 공간이 있는데, 이 공간 사이즈를 윈도우 사이즈라는 TCP 헤더에 설정해서 송신 측에 내가 얼마나 받을 수 있는 지 알려준다.

데이터가 들어오는 속도보다 컴퓨터가 꾸져서 속도가 느리면 어떻게 하지?

• 수신 측은 버퍼에 패킷을 쌓아 둠과 동시에 버퍼에 쌓인 데이터를 순차적으로 처리한다
• 근데 이게 컴터 성능이 안좋아서 느려질 수가 있단 말이지
• 그럴 때 이 윈도우 사이즈의 숫자를 낮춰서 알려주게 된다.
• 이걸 흐름 제어(flow control)이라고 한다

버퍼가 가득 차면 어떡하지?

• 윈도우 사이즈가 0으로 설정되고, 일단 데이터 전송을 멈춘다.
• 다시 재개할 시점을 알기 위해 윈도우 프로브라는 패킷을 보내고, 수신 측 응답을 받고, 윈도우 사이즈 확인 후에 재개한다.

연속된 데이터를 몰아 보내면 전송 속도가 빨라진다

• 생각해보자. 데이터에 대한 응답을 받고 다음 데이터 보내고, 다시 응답받고 데이터 보내고… 이러면 시간이 많이 걸린다.
• 응답을 기다리지 않고 연속된 데이터를 몰아서 보내면 속도가 향상된다

UDP

확인 없이 오로지 전송만 하는 상남자의 프로토콜.

TCP와 비교

브로드캐스트, 멀티캐스트 기능 : TCP에는 없다!

• UDP에는 하나의 패킷을 여러 수신지에 전달하는 브로드캐스트, 멀티캐스트 기능이 있다

• 브로드캐스트는 파일 공유나 DHCP와 같이 네트워크 내의 여러 컴퓨터나 통신 장비와 정보 교환 시 사용