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Chapter 01. 컴퓨터 네트워크 시작하기

01-1. 컴퓨터 네트워크를 알아야 하는 이유

여러 개의 장치가 마치 그물처럼 서로 연결되어 정보를 주고받을 수 있는 통신망을 네트워크라고 하고, 여러 네트워크를 연결한 ‘네트워크의 네트워크’를 인터넷이라고 한다.

일상적으로 데스크톱이나 노트북에서 실행 가능한 프로그램 중 인터넷 연결 없이 사용하는 프로그램보다 네트워크를 통해 다른 장치와 상호 작용하며 실행되는 경우가 훨씬 많다. 스마트폰에 설치된 앱도 마찬가지다.

이 말은 프로그램을 개발하는 개발자 입장에서 생각해보면, 개발자는 네트워크를 이용하는 프로그램을 개발하는 경우가 많다는 것을 의미한다. 따라서 개발 직군은 네트워크를 제대로 이해해야 한다.

개발자의 업무는 크게 두 종류로 나뉜다.

프로그램을 만드는 업무

프로그램을 유지 보수하는 업무

1번의 경우 프로그래밍 언어나 웹 프레임워크 혹은 라이브러리를 사용할 때 네트워크에 대한 배경지식이 있어야만 활용할 수 있는 기능들이 있다. 2번의 경우 갑자기 인터넷 연결이 안되는 경우 혹은 갑자기 웹 서버가 동작하지 않는 문제의 경우 네트워크 지식이 문제 발생 시 해결의 큰 실마리가 된다.

01-2. 네트워크 거시적으로 살펴보기

네트워크는 그래프의 형태를 띠고 있는데, 그래프는 노드와 간선으로 이루어진 자료구조이다.

네트워크의 구성 요소 4가지:

호스트

네트워크 장비

통신 매체

메시지

호스트: 네트워크 가장자리에 위치한 노드, 즉 네트워크 기기 대부분이 호스트라고 부른다 → 호스트는 네트워크 가장자리에 자리 잡고 있다는 점에서 종단 시스템(end system)이라고도 함.

네트워크 장비: 네트워크 가장자리에 위치하지 않은 노드, 즉 호스트 간 주고받을 정보가 중간에 거치는 중간노드. 여기에는 이더넷 허브, 스위치, 라우터, 공유기 등이 있고, 이를 네트워크 장비라 부른다. 이것들은 호스트 간 주고받는 정보가 원하는 수신지까지 안정적이고 안전하게 전송될 수 있도록 한다.

통신 매체: 각 노드를 연결하는 간선을 통신 매체라고 함. 여기에는 유선 매체와 무선 매체가 있음.

메시지: 통신 매체로 연결된 노드가 주고받는 정보

범위에 따른 네트워크 분류

LAN

Local Area Network의 약자로 가까운 지역을 연결한 근거리 통신망을 의미

WAN

Wide Area Network의 약자로 먼 지역을 연결한 광역 통신망을 의미

LAN을 연결할 수 있는 네트워크가 WAN, 즉 인터넷을 의미

ISP(Internet Service Provider, 인터넷 서비스 업체, KT/LG/SK)가 사용자에게 WAN에 연결 가능한 회선을 임대하는 등과 같은 서비스를 제공

참고: LAN보다는 넓고 WAN보다는 좁은 범위의 대표적인 네트워크로 CAN(Campus Area Network)과 MAN(Metropolitan Area Network)이 있음

LAN < CAN < MAN < WAN

메시지 교환 방식에 따른 네트워크 분류

회선 교환 방식(전통적인 전화망)

두 호스트를 회선(메시지 전송로)을 설정하고 회선을 통해 메시지를 주고 받음.

회선 교환 방식은 우선 두 호스트 사이에 연결을 확보한 후에 메시지를 주고받는 특성 덕분에 주어진 시간 동안 전송되는 정보의 양이 비교적 일정하다는 장점을 가짐

호스트 간의 회선을 적절하게 설정하는 장비를 회선 스위치라고한다.

패킷 교환 방식(현대 인터넷이 사용)

패킷은 패킷 교환 방식에서 송수신되는 메시지의 단위

전송하고자 하는 데이터 → 페이로드
페이로드 앞 또는 뒤에 붙는 부가/제어 정보를 각각 헤더와 트레일러라고 부름

메시지를 패킷이라는 작은 단위로 쪼개어 전송

패킷은 다양한 중간 노드를 거칠 수 있는데, 이때 중간 노드인 패킷 스위치는 패킷이 수신지까지 올바르게 도달할 수 있도록 최적의 경로를 결정하거나 패킷의 송수신지를 식별함 → 대표적인 패킷 스위치 네트워크 장비: 라우터, 스위치

01-3. 네트워크 미시적으로 살펴보기

프로토콜, 네트워크 참조 모델, 캡슐화(역캡슐화) 총 3가지에 대해 알아본다

프로토콜

→ 노드 간에 정보를 올바르게 주고받기 위해 합의된 규칙이나 방법

참고로 일상 속 언어와는 달리 통신 과정에서는 하나의 프로토콜만 사용하지 않고 여러 프로토콜을 함께 사용함

네트워크 참조 모델

네트워크를 통해 정보를 주고받을 떄는 정형화된 여러 단계를 거친다. 이 과정을 계층으로 표현할 수 있고, 이러한 구조를 네트워크 참조 모델 혹은 네트워크 계층 모델이라 부른다.

💡

OSI 모델은 주로 네트워크를 이론적으로 기술하고 이해할 때 사용하고, TCP/IP 모델은 이론보다는 구현에 중점을 둔 네트워크 참조 모델이다. 즉, OSI 모델이 ‘이상적 설계’에 가깝다면 TCP/IP 모델은 ‘실용적 구현’에 가깝다.

OSI 모델

ISO(국제 표준화 기구)에서 만든 네트워크 참조 모델

응용 - 표현 - 세션 - 전송 - 네트워크 - 데이터 링크 - 물리

TCP/IP 모델

네트워크 액세스 - 인터넷 - 전송 - 응용

캡슐화와 역캡슐화

패킷 교환 네트워크에서 메시지는 패킷 단위로 송수신된다. 패킷은 헤더와 페이로드, 때로는 트레일러를 포함하여 구성된다. 어떤 정보를 송신할 때 상위 계층에서 하위 계층으로 패킷을 페이로드 삼아 프로토콜에 걸맞은 헤더/트레일러를 추가하는 과정을 캡슐화라고 한다. 반대로 정보를 수신할 때 하위 계층에서 상위 계층으로 이동하면서 각 계층에서 헤더/트레일러를 제거하는 과정을 역캡슐화라고 한다.

PDU

각 계층에서 송수신되는 메시지의 단위를 PDU(Protocol Data Unit)이라고 한다. 다음은 OSI 모델의 각 계층에서의 PDU 표이다.

OSI 계층	PDU
응용 계층	데이터(data)
표현 계층	데이터(data)
세션 계층	데이터(data)
전송 계층	세그먼트(segment), 데이터그램(datagram)
네트워크 계층	패킷(packet)
데이터 링크 계층	프레임(frame)
물리 계층	비트(bit)

Chapter 02. 물리 계층과 데이터 링크 계층

02-1. 이더넷

물리 계층과 데이터 링크 계층은 이더넷이라는 공통된 기술을 사용한다. 이더넷은 다양한 통신 매체의 규격들, 송수신되는 프레임의 형태와 프레임을 주고받는 방법 등을 정의한 네트워크 기술이다. 오늘날 유선 LAN 환경에서 가장 대중적으로 사용된다.

이더넷 표준

현재 이더넷은 IEEE라는 국제 조직에서 이더넷 관련 기술을 IEEE 802.3이라는 이름으로 표준화했다. 이더넷이 지속해서 발전하는 만큼, 새로운 이더넷 표준들도 계속 만들어지고 있다. IEEE 802.3u, IEEE 802.ab처럼 숫자 802.3 뒤에 버전을 나타내는 알파벳으로 표현한다.

통신 매체 표기 형태

이더넷 표준 규격에 따라 구현된 통신 매체를 지칭할 때는 다음과 같은 형대로 표기한다

전송속도BASE-추가특성

전송속도

숫자만 표기되어 있으면 Mbps 속도, 숫자 뒤에 G가 붙는 경우 Gbps 속도를 의미한다

ex) 100Base-T 케이블은 100Mbps 속도 지원, 10G-BASE-T는 10Gbps 속도 지원

BASE

베이스밴드(BASEband)의 약자로, 변조 타입을 의미

변조 타입이란 비트 신호로 변환된 데이터를 통신 매체로 전송하는 방법

대부분의 이더넷 통신 매체는 BASE를 사용

추가특성

통신 매체의 특성을 명시하는데, 특성의 종류는 다양하다

전송 가능한 최대 거리, 물리 계층 인코딩, 레인 수가 명시 될 수 있다

통신 매체 종류

추가 특성 표기(통신 매체의 종류)	케이블 종류
C	동축 케이블
T	트위스티드 페어 케이블
S	단파장 광섬유 케이블
L	장파장 광섬유 케이블

이더넷 프레임

이더넷 네트워크에서 주고받는 프레임인 이더넷 프레임 형식은 정해져 있다. 기본적으로 프리앰블, 수신지 MAC 주소, 송신지 MAC 주소, 타입/길이로 구성되고, 페이로드는 데이터, 트레일러는 FCS로 구성된다.

헤더

프리앰블

송수신지 간의 동기화를 위해 사용되는 정보. 수신지는 이 프리앰블을 통해 이더넷 프레임이 오고 있음을 알아차림

수신지 MAC 주소와 송신지 MAC 주소

‘물리적 주소’라고도 불림

네트워크 인터페이스마다 부여되는 6바이트 길이의 주소로 LAN 내의 수신지와 송신지를 특정할 수 있음

타입/길이

페이로드

데이터

트레일러

FCS: Frame Check Sequence는 수신한 이더넷 프레임에 오류가 있는지 확인하기 위한 필드이다. 이 필드에는 CRC(Cyclic Redundancy Check), 즉 순환 중복 검사라고 불리는 오류 검출용 값이 들어간다.

순서 1: 송신지는 프리앰블을 제외한 나머지 필드 값들을 바탕으로 CRC 값을 계산한 후, 이 값을 FCS 필드에 명시

순서 2: 수신지는 수신한 프레임에서 프리앰블과 FCS 필드를 제외한 나머지 필드 값을 바탕으로 CRC 값을 계산한 뒤, 이 값을 FCS 필드 값과 비교

순서 3: 비교 값이 일치하지 않으면 프레임에 오류가 있다고 판단하여 해당 프레임 폐기

02-2. NIC와 케이블

NIC는 호스트와 통신 매체를 연결하고 MAC 주소가 부여되는 네트워크 장비이다. NIC에 연결되는 물리 계층의 유선 통신 매체를 케이블이라고 한다.

NIC

정의

통신 매체를 통해 전달되는 신호를 사람들이 주고받는 ‘말’에 비유한다면 NIC 는 ‘귀’와 ‘입’에 비유할 수 있음
호스트는 NIC가 있어야 네트워크에 참여 가능

역할

통신 매체에 흐르는 신호를 호스트가 이해하는 프레임으로 변환하거나 반대로 호스트가 이해하는 프레임을 통신 매체에 흐르는 신호로 변환
NIC는 MAC 주소를 통해 자기 주소는 물론, 수신되는 프레임의 수신지 주소를 인식 → 어떤 프레임이 자신에게 도달했을 때 자신과는 관련 없는 수신지 MAC 주소가 명시된 프레임이라면 폐기, FCS 필드를 토대로 오류를 검출해 잘못된 프레임을 폐기

케이블

대표적인 케이블 종류로는 트위스티드 페어 케이블, 광섬유 케이블이 있다.

트위스티드 페어 케이블

트위스티드 페어 케이블은 케이블 본체와 케이블의 연결부인 커넥터(RJ-45)로 이루어져 있다. 케이블 본체에는 구리 선이 두 가닥씩 꼬아져 있는데, 구리 선은 전기 신호를 왜곡시키는 노이즈가 생길 수 있다. 노이즈를 감소 시키기 위해 브레이드 혹은 포일로 구리선을 감싸 보호한다.

실드에 따른 트위스티드 페어 케이블의 분류

STP(Shielded Twisted Pair) 케이블: 브레이드 실드로 감싼 트위스티드 케이블
FTP(Foil Twisted Pair) 케이블: 포일 실드로 감싼 트위스티드 케이블
UTP(Unshielded Twisted Pair) 케이블: 아무것도 감싸지 않은 구리 선만 있는 케이블

카테고리에 따른 트위스티드 페어 케이블의 분류

높은 카테고리에 속한 케이블일수록 높은 성능
Category에서 앞의 세 글자를 딴 Cat으로 줄여 표기
Cat5, Cat5e, Cat6, Cat6a, Cat7, Cat8

광섬유 케이블

빛을 이용해 정보를 주고받는 케이블

전기 신호를 이용하는 케이블에 비해 속도도 빠르고, 먼 거리까지 전송 가능

광섬유 케이블도 케이블 본체와 커넥터로 이루어짐

케이블 본체에는 여러 개의 광섬유로 구성되어 있고, 광섬유는 코어와 클래딩으로 구성됨

코어의 지름에 따라 싱글 모드 광섬유 케이블, 멀티 모드 광섬유 케이블로 나뉨

특징(상대 비교)	싱글모드	멀티모드
코어 지름	작음	큼
빛의 이동 경로	하나	여러 개
거리 전송	장거리	근거리
신호 손실	적음	많음
사용하는 빛의 파장	장파장	단파장
비용	높음	낮음