인터넷 네트워크(인터넷 통신, IP, TCP&UDP, PORT, DNS)
현재 포스팅은 영한님의 HTTP 강의를 바탕으로 작성한 포스팅입니다 :)
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인터넷 통신
인터넷에서 컴퓨터 둘은 어떻게 통신을 할까요???
만약 클라이언트와 서버가 바로 옆에 있다면 케이블로 연결 후 메세지를 전달하면 될 것입니다(이후 OK 내려줌)
만약 클라이언트와 서버간의 거리가 멀다면(ex: 한과 미국), 인터넷이라는 망을 통해서 메세지를 보내야 합니다. 하지만 이때 수많은 중간 노드(서버)들을 거쳐서 서버에 전달이 되어야 합니다.
이때 어떤 규칙으로 메세지가 넘어가는지에 대해 이해하려면 IP에 대해 알아보아야 합니다 :)
인터넷 프로토콜(IP : Internet Protocol)
IP는 다음 두가지 주요 의미로 사용됩니다.
- 프로토콜의 의미로의 IP : IP는 인터넷에서 데이터를 어떻게 전송해야 하는지에 대한 규칙과 절차를 정의하는 프로토콜입니다. 컴퓨터 네트워크에서 정보를 통신하는 데 사용되는 규약이나 표준을 의미하며, 특히 인터넷이라는 거대한 네트워크에서 각 컴퓨터에게 고유한 주소를 제공하고, 이를 통해 데이터 패킷을 올바르게 전달하는 역할을 합니다.
- 주소의 의미로의 IP : 이는 인터넷 프로토콜에 의해 할당된 각 컴퓨터나 장치의 고유한 주소입니다.(ex: 192.168.0.1)
앞서 말씀드린 상황처럼, 멀리 보낼때는 IP 주소를 통해 보낼 수 있습니다. 이를 위해 클라이언트와 서버는 각각 IP 주소를 부여받아야 합니다.
이후 지정한 IP 주소에 데이터를 전달하게 되며, 이때 패킷이라는 통신 단위로 데이터를 전달합니다.
IP 패킷에는 전송 데이터를 넣기 전에 밖에 출발지 IP와 목적지 IP를 적어주어야 합니다.
위와 같이 패킷을 만든 후 인터넷 망에 던져진다면 어떻게 될까요??
그러면 IP 프로토콜에 의해 서버(노드)들이 규악을 따르게 됩니다. 즉 출발지와 목적지가 어디인지 이해를 하고, 노드들이 패킷을 전송하게 됩니다. 이러한 과정을 거쳐 최종적으로 데이터가 서버에 도달하게 됩니다.
받은 서버도 똑같이 출발지, 목적지 아이피를 넣고 메세지인 OK를 넣어 만든 패킷을 클라이언트에게 전달을 합니다. 이때 인터넷 망은 복잡하기에 클라이언트가 패킷을 보낼때랑, 서버가 패킷을 보낼 때 서로 다른 경로로 전달이 될 수 있습니다.
IP 프로토콜의 한계
IP 프로토콜은 다음과 같은 한계점을 가집니다.
- 비연결성 : 패킷을 받을 대상이 없거나, 서비스 불능 상태여도 패킷을 전송
- 비신뢰성 : 중간에 패킷이 사라지면? 패킷이 순서대로 오지 않는다면?
- 프로그램 구분 : 같은 IP를 사용하는 서버에서 통신하는 애플리케이션이 둘 이상이라면?
클라이언트는 대상 서버가 패킷을 받을 수 있는 상태인지 모릅니다. 따라서 전송을 했지만 목적지의 서버가 받을 수 없는 상태(ex: 꺼져 있는 상태)라면 데이터를 받지 못한다는 문제가 생깁니다.
또한 전달을 담당하는 서버(노드)가 꺼져있는 상태라면, 데이터가 유실될 수도 있습니다.
그리고 데이터의 크기가 크다면, 나누어 보내게 되는 상황도 나타납니다. 하지만 나누어 보내는 경우 패킷의 도착 순서가 보장이 되지 않습니다.
이러한 여러 문제들은 IP 프로토콜 자체로 해결을 하지 못합니다. 따라서 이러한 상황 속에서 등장한 개념이 TCP, UDP입니다 :)
TCP & UDP
우선 간단히 정리하자면, TCP는 신뢰성 있는 데이터 전송을 위해 설계되었으며, 패킷의 순서와 손실 문제를 해결합니다. 반면, UDP는 빠른 데이터 전송을 위해 설계되었으나 신뢰성은 보장하지 않습니다.
각각의 개념에 대해 좀 더 상세히 살펴보도록 하겠습니다!
TCP(Transmission Control Protocol)
- 연결 지향적 : TCP는 데이터 전송 전에 송신자와 수신자 사이에 연결을 설정합니다.
- 신뢰성 : 패킷의 손실, 중복, 지연 등의 문제를 해결하기 위해 에러 검출 및 수정 기능을 제공합니다. 이때 손실된 패킷은 재전송됩니다.
- 흐름 제어 및 혼잡 제어 : 네트워크의 혼잡 상황이나 데이터의 전송 속도 차이를 관리합니다.
- 순서 보장 : 패킷은 전송 순서대로 수신됩니다.
- 사용 사례 : 웹 브라우징, 이메일, 파일 전송 등에서 주로 사용됩니다.
UDP(User Datagram Protocol)
- 연결 비지향적 : UDP는 연결 설정 없이 데이터를 전송합니다.
- 신뢰성 없음 : 패킷의 손실이나 순서 변경은 별도로 처리되지 않습니다.
- 헤더 크기가 작음 : 이로 인해 오버헤드가 적음
- 빠른 전송 : 신뢰성을 요구하지 않는 애플리케이션에서 유용합니다.
- 사용 사례 : 스트리밍, VoIP, 온라인 게임 등에서 주로 사용됩니다.
예를 들어 채팅 프로그램으로 미국에 있는 친구에게 Hello World라는 메세지를 작성한다고 가정해 보겠습니다.
이때 우선 Socket 라이브러리가 OS 계층에 Hello World! 메세지를 넘깁니다. 이후 OS 계층에서 TCP가 메세지에 TCP 정보를 추가하고, 이후 IP에서 IP 관련 정보(IP 패킷 의미)를 추가합니다. 이후 LAN카드를 통해 나갈 때는 Ethernet Frame(MAC 주소와 같이 물리적 주소)이 추가됩니다.
TCP는 3 way handshake라는 과정을 통해 서버와 클라이언트 간에 가상의 연결을 설정합니다. 과정은 다음과 같습니다.
- 클라이언트가 서버에게 SYN 패킷을 보내 연결 요청
- 서버는 SYN 요청을 받고, SYN과 ACK를 함께 담은 패킷으로 응답
- 클라이언트는 서버의 ACK 응답을 받고, 다시 ACK 패킷을 보냄
이렇게 3단계를 거치면서, 서로 연결되었다고 인식하게 됩니다. 하지만 이는 물리적 연결이 아닌 논리적 연결입니다. 즉, 서로 연결됐다고 인식하며 데이터 교환을 시작하지만, 실제로 중간에 위치한 여러 서버나 네트워크 장비는 이 연결의 존재를 인지하지 못합니다.
TCP/IP처럼 TCP가 붙게 되면, 데이터를 전송했을 때 서버에서 데이터를 잘 받았다고 응답을 보내게 되어있습니다.
위와 같이 TCP를 사용하였을 때, IP만을 사용했을 때와 다르게 문제를 해결할 수 있는 이유는 TCP를 거칠 때 출발지 PORT, 목적지 PORT, 전송 제어, 순서, 검증 정보 등이 포함되어 있기 때문입니다.
UDP의 경우 TCP와 같이 전송 계층에 있지만 기능이 거의 없습니다.
PORT
PORT는 컴퓨터 네트워크와 프로토콜에서 사용하는 통신 엔드포인트입니다. IP가 컴퓨터나 서버의 위치를 나타내는 것과 유사하게, 포트 번호는 해당 컴퓨터 내의 특정 프로세스나 서비스를 구분하는 역할을 합니다.
만약 위와 같이 여러 작업을 하려면 클라이언트가 한 번에 여러 서버와 통신을 해야 합니다.
이를 IP만으로 해결하려는 경우, 응답으로 오는 패킷들이 이게 화상통화를 위한 것인지, 게임을 위한 것인지 알 수 없습니다.(보낼 때도 마찬가지) 따라서 PORT라는 정보를 따로 사용하게 되는 것입니다 :)
여기서 IP는 목적지 서버를 찾기 위한 정보, PORT는 서버 안에서 구동되는 애플리케이션을 구분하는 정보입니다.
패킷에 출발지 IP와 포트가 적혀있기에, 서버는 응답을 내려줄때 이를 바탕으로 목적지 IP와 포트를 알고 보내게 됩니다. 이해를 위해 비유를 하자면 IP는 일종의 아파트, PORT는 몇동 몇호인지 나타낸다고 이해하면 좋을것 같습니다!
DNS(Domain Name System)
DNS는 사람들이 이해하기 쉬운 도메인 이름(ex: www.example.com)을 컴퓨터나 네트워크 장치가 이해할 수 있는 IP주소(ex: 192.168.0.1)로 변환해주는 시스템입니다.(역으로도 동작)
