네트워크

2.1 네트워크의 기초

• 네트워크 : node와 link가 연결되어 리소스를 공유하는 집합

2.1.1 처리량과 지연 시간

• 처리량(Throughput) : 링크를 통해 전달되는 단위 시간당 데이터양(bps)
• 대역폭(Bandwidth) : 네트워크의 최대 전송 속도(Mbps)
  • 전자공학에서 대역폭은 신호가 차지하는 주파수의 범위(Hz)임
• 지연 시간(Latency) : 두 노드 사이를 왕복하여 요청이 처리되는데 걸린 시간

2.1.2 네트워크 토폴로지와 병목 현상

• Network topology : 노드와 링크 배치 방식에 대한 방법론
• Tree topology : 트리 형태
  • 노드 추가, 삭제가 쉬움
  • 특정 노드에 트래픽이 집중될 때 하위 노드에 영향을 끼칠 수 있음
• Bus topology : 중앙 케이블에 여러 개의 노드가 연결된 형태
  • 노드 추가, 삭제가 쉬움
  • LAN에 사용됨
  • 설치 비용이 적고 신뢰성이 우수함
  • 스푸핑이 가능함
    • 스푸핑 : 스위치의 기능을 마비시켜 특정 노드에 패킷이 오도록 처리하는 것
• Star topology : 중앙의 노드에 모든 노드가 연결된 형태
  • 노드 추가, 삭제, 에러 탐지가 쉬움
  • 패킷 충돌 발생 가능성이 적음
  • 중앙 노드에 장애가 발생하면 전체 네트워크에 문제가 발생
  • 설치 비용이 비쌈
• Ring topology : 양 옆의 두 노드끼리만 연결
  • 노드 고장을 쉽게 탐지 가능
  • 패킷 충돌 발생 가능성이 적음
  • 네트워크 구성 변경이 어려움
  • 회선에 장애가 나면 전체 네트워크에 문제가 발생
• Mesh topology : 모두 연결
  • 트래픽 분산 처리 가능
  • 노드의 추가가 어려움
  • 설치, 운용 비용이 비쌈
• 병목 현상을 찾을 때 topology를 사용함

2.1.3 네트워크 분류

• LAN(Local Area ~), MAN(Metropolitan ~), WAN(Wide ~)

2.1.4 네트워크 성능 분석 명령어

• 병목 현상의 주된 원인
  • Bandwidth
  • Topology
  • 서버 CPU, 메모리 사용량
• ping : 대상 노드로 패킷을 전송
  • ICMP 프로토콜을 지원하지 않는 대상으로는 불가능
• netstat : 접속된 서비스들의 네트워크 상태를 표시
  • 프로토콜, 로컬, 외부 주소, 포트, 상태 포함
• nslookup : 특정 도메인의 IP 확인
• tracert, traceroute : 특정 노드까지 네트워크 경로 확인

2.1.5 네트워크 프로토콜 표준화

• IEEE802.3 : 유선 랜 프로토콜

2.2 TCP/IP 4계층 모델

• Internet protocol suite : 프로토콜의 집합
  • TCP/IP 4계층 모델, OSI 7계층 모델로 설명함

2.2.1 계층 구조

• TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)
  • 각 계층은 서로 영향을 받지 않도록 설계됨

Application Layer

• 실질적인 서비스를 제공하는 계층
• FTP(장치간 파일 전송), HTTP, SSH(원격 접속용 보안), SMTP, DNS(도메인, ip 매핑)

Transport Layer

• 송신자, 수신자를 연결하는 통신 서비스 제공(TCP, UDP, QUIC)
• TCP
  • 가상회선 패킷 교환 방식 사용
    
    • 가상회선 : 송신자, 수신자 사이에 임의로 정한 하나의 경로
    • 각 패킷에 가상회선 식별자가 포함되어 모든 패킷은 가상회선으로만 전송됨
    • 패킷 사이 순서 보장
  • 3-way Handshake
    
    • TCB(TCP Control Block) : connection state, sequece 번호 등의 연결에 필요한 정보를 가진 구조체
      1. client에서 SYN(client ISN) 보냄
      • client : SYN_SENT
      • server : LISTEN
        1. server에서 SYN 받고 SYN(server ISN)+ACK(client ISN +1) 보냄
      • client : SYN_SENT
      • server : SYN_RECEIVED
        1. client에서 SYN+ACK 받고 ACK(server ISN +1) 보냄
      • client : ESTABLISHED
      • server : ACK 받은 후 ESTABLISHED
  • 4-way Handshake
    
    1. client에서 FIN 보냄
       • client : FIN_WAIT_1
       • server : ESTABLISHED
    2. server에서 FIN 받고 앱 닫을 준비하고 ACK 보냄
       • client : FIN_WAIT_1
       • server : CLOSE_WAIT
    3. server에서 앱 닫을 준비가 된 후 FIN 보냄
       • client : ACK 받으면 FIN_WAIT_2
       • server : LAST_ACK
    4. client에서 FIN 받고 ACK 보냄
       • client : TIME_WAIT, 일정 시간(MSL) 동안 세션을 남겨놓고 잉여 패킷을 기다린 다음 CLOSED
       • server : ACK 받으면 CLOSED - TIME_WAIT 존재 이유 - 지연 패킷 - passive close의 FIN에 대한 ACK를 보내고 passive close가 닫혔는지 확인 후 종료하기 위함(TIME_WAIT이 없으면 FIN을 받자마자 CLOSED가 되기 때문에 ACK를 passive close로 보내지 못함) - Ubuntu는 1분, Windows는 4분
• UDP
  • 데이터그램 패킷 교환 방식 사용
    
    • 각 패킷들이 독립적으로 이동함
    • 패킷 사이 순서 보장되지 않음

Internet Layer

• 패킷을 IP 주소로 지정된 노드까지 라우팅하는 계층
• IP, ARP, ICMP

Network Interface Layer(Link Layer)

• 데이터를 전기 신호로 변환, 전송하고 Ethernet 등의 프로토콜을 통해 제어하는 계층
  • OSI에선 물리 계층(전기 신호 전송), 데이터 링크 계층(에러 확인, 흐름, 접근 제어 등)으로 구분함
• Ethernet
  • IEEE802.3 : 유선 LAN에서 사용하는 프로토콜, 전이중화 통신 사용
    • 전이중화 통신 : 송신, 수신로를 나눠 동시에 송수신 가능
  • CSMA/CD : 이전에 사용하던 반이중화 통신(충돌이 발생하면 일정 시간 후 재전송)
  • 이더넷 프레임
    
    • Preamble : 프레임의 시작을 알림(0, 1 반복)
    • SFD(Start Frame Delimiter) : 다음 바이트부터 DA가 시작됨을 알림(10101011)
    • DA(Destination Address) : 목적지의 MAC 주소
    • SA(Source Address) : 출발지의 MAC 주소
    • EtherType/Length : 0x600 이하일 경우 IEEE802.3의 Length, 이상일 경우 DIX 2.0의 Type으로 해석
    • Data/Payload : 46 B 보다 작을 경우 Padding으로 채워짐
    • FCS(CRC) : DA+SA+Length+Data의 영역을 계산하여 에러 판별
      • 송신측에서 추가, 수신측에서 확인하여 에러 프레임은 버림
• 무선 랜
  • IEEE802.11
  • 송 수신이 같은 채널로 이루어지기 때문에 반이중화 통신 사용
  • CSMA/CA : 캐리어 감지, IFS(Inter FrameSpace)로 기다렸다가 무선 매체 사용
  • BSS(Basic Service Set) : 하나의 AP를 이용
  • ESS(Extended Service Set) : 하나 이상의 연결된 BSS 그룹, 다른 장소로 이동하며 네트워크 사용 가능

계층 간 데이터 송수신 과정

• Message : Application layer에서 생성된 PDU
• Segment : TCP(L4) header가 붙은 PDU
  • UDP일 경우 Datagram
• Packet : IP(L3) header가 붙은 PDU
• Frame : Frame header + trailer가 붙은 PDU
• Bit : 물리 계층에서 사용되는 PDU

2.3 네트워크 기기

2.3.1 네트워크 기기의 처리 범위

• Application Layer : L7 스위치
• Internet Layer : L3 스위치, 라우터
• Data Link Layer : L2 스위치, 브릿지
• Physical Layer : NIC, 리피터, AP

2.3.2 Application 계층을 처리하는 기기

L7 스위치(로드밸런서)

• 목적지와 연결된 포트로만 신호를 보내는 네트워크 장비
• URL, 서버, 캐시, 쿠키 등을 기반으로 요청을 여러 서버로 나눠 부하를 분산함
• 가상 IP를 사용해 서버 이중화 가능
• 필터링, 모니터링 가능
• Health check을 통해 장애가 발생한 서버 확인
  • Health check : TCP, HTTP 등의 다양한 방법으로 요청을 보내어 요청이 정상적으로 이루어지는지 확인
• L4 스위치와의 차이
  • L4 스위치 : Tranport 계층을 처리
    • IP, port를 기반으로 트래픽 분산
    • Message를 기반으로 인식하지 못함
    • 스트리밍 관련 서비스에서는 사용할 수 없음
    • AWS에서는 NLB
  • L7 스위치 : Application 계층을 처리
    • IP, port, URL, HTTP header, 쿠키 등을 기반으로 트래픽 분산
    • AWS에서는 ALB

2.3.3 Internet 계층을 처리하는 기기

라우터(L3 스위치)

• 라우팅 : 다른 네트워크끼리 통신할 때 패킷 소모를 최소화하고 최적의 경로로 패킷을 포워딩하는 작업
• L2 스위치 + 라우팅

2.3.4 Data Link 계층을 처리하는 기기

L2 스위치

• MAC 주소 테이블을 통해 장치들의 MAC 주소 관리
• 패킷 전송 담당
• 패킷의 MAC 주소를 읽어 스위칭함
  • IP 주소 기반의 라우팅은 불가능
  • 목적지가 스위치의 MAC 주소 테이블에 없다면 전체 포트에 전달

브릿지

• MAC 주소 테이블을 사용해 LAN 끼리의 연결 가능

2.3.5 Physical 계층을 처리하는 기기

• NIC(Network Interface Card) : MAC 주소를 가짐
• Repeater : 전기 신호 증폭
  • 광케이블로 인해 현재는 사용 안함
• AP(Access Point) : 유선랜과 무선랜을 연결시켜줌

2.4 IP 주소

2.4.1 ARP

• ARP(Address Resolution Protocol) : IP로부터 MAC을 구하는 프로토콜
  • RARP : MAC→IP 변환
  • A에서 ARP Request broadcast를 보냄 → 해당 IP를 가진 B에서 ARP Reply unicast를 보냄(스위치 ARP table에 B가 있을 경우 스위치에서 보냄)

2.4.2 Hop by hop 통신

• IP 주소를 라우팅을 통해 찾아가는 통신 방법
• 라우팅 테이블 : Destination, Gateway, Genmask, Flags, Metric, Ref, Use, Iface 포함
  • Gateway : 서로 다른 통신망, 프로토콜을 사용하는 네트워크 간의 통신을 지원해줌
    • 같은 네트워크 내에서는 보통 MAC 주소로 통신함
    • 게이트웨이는 다른 대역으로 라우팅 해줄 수 있는 L3 스위치 이상의 장비임
    • 기본 게이트웨이 : 라우터(공유기, 보통 192.168.0.1)
  • Genmask(Netmask) : 255.255.255.255(목적지 host의 주소), 0.0.0.0(기본 게이트웨이 주소)
  • Flags
    • U(up) : 경로가 살아있음
    • H(host) : 목적지가 host 주소임
    • G(Gateway) : Gateway로 향하는 경로임
  • Metric : 목적지 네트워크까지의 거리
  • Ref : 경로를 참조한 횟수
  • Use : 경로를 사용한 횟수
  • Iface : Network interface

2.4.3 IP 주소 체계

• IPv4 : 8 bit 단위, 32 bit
• IPv6 : 16 bit 단위, 64 bit

클래스 기반 할당 방식

• 가장 앞 주소(1.0.0.0) : 네트워크 구별 주소(클래스 A 네트워크 1.0.0.0 기준)
• 가장 뒷 주소(1.255.255.255) : broadcast 주소(클래스 A 네트워크 1.0.0.0 기준)

DHCP

• DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol) : 자동으로 IP 주소와 TCP/IP 기본 설정을 제공해주는 프로토콜

NAT

• NAT(Network Address Translation) : IP 패킷의 출발지, 목적지의 IP 주소와 포트를 바꾸면서 라우터를 통해 트래픽을 주고받는 기술
  • IP 주소 절약 : 공인 IP, 사설 IP 변환
  • 보안 : 사설 IP 주소와 외부 IP 주소가 다르기 때문에 내부 호스트 보호 가능
  • 호스트 숫자에 따라 접속 속도가 느려질 수 있음

2.5 HTTP

2.5.1 HTTP/1.0

• 한 연결당 하나의 요청을 처리
• 요청마다 3-way handshake를 열어야 하기 때문에 RTT(Round Trip Time) 증가
• 해결 방안
  • 이미지 스플리팅 : 여러 이미지를 합친 하나의 이미지를 한 번에 받고 CSS의 background-position을 사용해서 분할하여 표시
  • 코드 압축 : 개행 문자, 빈칸 등을 없애서 최대한 용량을 줄임
  • 이미지 Base64 인코딩 : 이미지를 64진법 문자열로 인코딩
    • 이미지에 대해 HTTP 요청을 할 필요가 없어짐
    • 크기가 37% 정도 커짐

2.5.2 HTTP/1.1

• 한 번 TCP 초기화를 한 이후 keep-alive 옵션으로 여러 개의 파일을 송수신할 수 있음
  • 1.0에도 있지만 기본 옵션이 아니었음
  • 3-way handshake가 한 번만 일어남
  • 요청할 리소스 개수가 많으면 대기 시간이 길어짐
• HOL Blocking(Head Of Line Blocking) : 같은 큐의 첫 패킷에 의해 지연이 발생하면 다른 것들도 전송 시간이 지연됨
• 헤더가 압축되지 않아 무거움

2.5.3 HTTP/2

• SPDY 프로토콜에서 파생됨
• 요청의 우선순위 처리 지원
• 멀티플렉싱 : 여러 스트림을 사용하여 송수신 지원
  • 하나의 TCP 커넥션 내부에 여러 스트림이 존재하여 병렬로 여러 요청을 받을 수 있음
  • HOL Blocking을 해결함
• 헤더 압축 : HPACK 압축(Huffman code를 사용)
• 서버 푸시 : client의 요청 없이 서버에서 리소스를 바로 푸시할 수 있음(html 요청이 들어오면 포함된 css 파일 푸시 등)

2.5.4 HTTPS

• HTTPS : application 계층과 tranport 계층 사이에 신뢰 계층인 SSL/TLS 계층을 넣은 HTTP의 보안 버전
  • HTTP/2 또한 HTTPS 위에서 동작함
• SSL/TLS(Secure Socket Layer, Transport Layer Security Protocol)
  • 전송 계층에서 보안을 제공하는 프로토콜
  • SSL → TLS로 버전이 올라감
  • 보안 세션을 기반으로 인터셉터 방지
    • TLS Handshake를 통해 보안 세션 생성
  • Handshake를 위한 1-RTT가 실행된 후 데이터 송수신이 일어남
    • client의 cypher suite(프로토콜 + AEAD 사이퍼 모드 + 해싱 알고리즘)를 서버에서 받아 확인 후 인증 메커니즘 시작

SEO

• HTTPS를 지원하는게 SEO를 높여줌
• <link> 태그에 rel="canonical" 프로퍼티를 설정해서 표준 URL 명시
• 사이트맵 관리

HTTPS 구축 방법

• CA에서 구매한 인증키를 기반으로 구축
• 서버 앞단에 HTTPS를 제공하는 로드밸런서 배치
• 서버 앞단에 HTTPS를 제공하는 CDN을 배치

2.5.5 HTTP/3

• TCP 대신 UDP 사용
• QUIC 계층이 추가됨
  • 3-way handshake가 없음
  • 첫 연결 설정에 1-RTT 소요
  • FEC(Forward Error Correction) 적용됨(수신측에서 에러 검출, 수정)