[네트워크] 네트워크는 무엇인가?

0. 인터넷은 무엇인가?

네트워크를 배우기 전엔 컴퓨터 뒤에 꽂아놓은 랜선을 통해 연결이 되어있고, 이걸 키면 뭔가 오간다는 느낌은 가지고 있었던 것 같다. 그렇다면 지금 보고 있는 이 페이지는 어디를 거쳐 랜선으로 들어왔으며, 0과 1밖에 모르는 컴퓨터가 어떻게 해석하고 보여주는 걸까?

 

아래 설명을 참고해서 설명해보자. 만약 내가 PC(호스트)에서 정보를 전송하려 한다면, 내 전송버튼 클릭 한 번에 프로토콜로 잘 포장한 패킷이 준비된다. 이 메세지를 링크에 태워보내고 나면, 패킷은 패킷 스위치들과 링크들로 거미줄처럼 얽혀있는 '인터넷망'에 들어가게 된다. 패킷 스위치의 인도 아래 패킷이 목적지에 도착한다. 아직 궁금한 부분이 많지만 이 후에 나오니 넘어가도록 하자.

 

 

인터넷의 구성 요소 (하드웨어)
  - 호스트(host), 종단 시스템(end systems) : 네트워크의 사용자
  - 링크(communication link) : 섬유, 구리, 라디오, 인공위성 등 유/무선 연결
  - 패킷 스위치(packet switches) : 라우터(router), 스위치 등. 패킷(데이터의 덩어리)의 경로 결정

 

인터넷의 구성 요소 (소프트웨어)
  - 프로토콜(Protocols) : 통신 규약. 정보를 보낼 때 정의된 정보의 형식, 순서
  - 인터넷 표준 : RFC(Request For Comments), IETF(Internet Engineering Task Force)

 

서비스 관점에서의 인터넷
  ※ 전송속도= 대역폭(bandwith), 역량(capacity)
  - 응용프로그램들에게 서비스를 제공하는 기반
  - 응용프로그램들이 서로 정보를 교환할 수 있는 접점(interface)

 

 

1. 네트워크 에지

네트워크는 에지와 코어로 나눌 수 있다. 위 그림, home network의 호스트가 데이터를 보낸다면 거미줄 같이 상호 연결된 라우터들을 통과해 목적지에 도달하게 된다. 거미줄처럼 연결되어 있는 네트워크에 들어가기 직전까지를 에지, 거미줄을 코어라고 한다.

 

여기서 더 자세히 들어가면 에지에서 코어 사이의 접합부분, 즉 첫번째 라우터와 연결되는 링크를 접속 네트워크라고 한다. 전화선을 사용하는 DSL 방식과 케이블을 사용하는 방식 등이 있는데, 케이블 방식은 여러 호스트가 하나의 케이블을 공유하므로 호스트들이 다중화를 통해 나눠 사용한다. 

 

 

네트워크 상세구성
  - 네트워크 에지(network edge) : 호스트, 종단시스템
  - 네트워크 코어(network core) : 상호 연결된 라우터, 네트워크의 네트워크
  - 네트워크 연결 : 무선, 유선 커뮤니케이션 링크

 

접속 네트워크(access network)
  - 호스트를 네트워크에 접속하게(첫번째 라우터와 연결되게) 해줌. PC-랜선, 스마트폰-WiFi 등.
  - 가정용, 기업용, 모바일용 접속 네트워크로 구분

 

DSL (Digital Subscriber Line)
  - 집에 있는 전화선(전용/공유)을 사용하는 방식
  - 전화선을 통해 DSLAM(Digital Subscriber Line Access Multiplexer)으로 정보를 보냄
  - DSLAM을 거쳐 전화 음성은 전화 네트워크로, 컴퓨터 데이터는 인터넷으로 감

 

케이블 네트워크(cable network)
  - 케이블(전용/공유)로 정보를 전송|
  - 주파수 분할 다중화를 이용해 한 케이블로 여러 정보 전송
  - 케이블로 보낸 정보는 CMTS(Cable Modem Termination System)을 거쳐 네트워크에 연결됨
  - HFC(Hybrind Fiber Coax)는 광통신-동축케이블 혼합으로, 다운스트림 30Mbps 업스트림 2Mbps로 속도 비대칭
  - 결국 케이블 헤드엔드(cable headend, CMTS)까지 여러 가정이 케이블을 공유
  - 결국 케이블은 ISP 라우터에 직접 연결되어 있음
    ※ ISP : Internet Service Provider의 약자. LGU+, kt 등

 

다중화
  : 출처 - 위키백과
두개 이상의 저수준의 채널들을 하나의 고수준의 채널로 통합하는 과정을 말하며, 역다중화(inverse multipleing, demultiplexing, demuxing) 과정을 통해 원래의 채널 정보들을 추출할 수 있다. 각각의 채널들은 미리 정의된 부호화 틀(coding scheme)을 통해 구분할 수 있다. 전기 통신 분야에서 다중화의 기본적인 형태는 시분할 다중화 방식(TDM - time-division multiplexing)과 주파수 분할 다중화 방식(FDM - frequency division multiplexing)이 있다. 광통신 분야에서는 관행상 FDM이라는 용어 대신 파장 분할 다중(WDM - wavelength-division multiplexing)으로 부른다. 시분할 다중화 방식은 동기식이나 비동기식 중의 하나가 된다.

 

가정용 네트워크(home network)
  1. 헤드엔드, 기지국에서 받은 정보를 모뎀이 받는다.
  2. 모뎀이 라우터에 정보를 준다.
  3. 라우터가 집안의 여러 호스트들에게 정보를 뿌려준다.
     - 무선 네트워크(WiFi) 접속 네트워크도 보통 라우터와 합쳐져 나온다(공유기).
     - 보통 유선 이더넷(1Gbps), 무선 인터넷(54Mbps)

 

기업용 네트워크(ethernet)
  1. 기관용 ISP링크로 기관용 라우터가 받는다.
  2. 이더넷 스위치를 통해, 여러 호스트들에게 정보를 전달한다.
     - 10Mbps, 100Mbps, 1Gbps, 10Gbps의 전송속도

 

무선 접속 네트워크(wireless access networks)
  - 접속에 가능하게 하는 기기를 접속점(access point)이라고 함
  - 무선 랜(wirless LANs) : 같은 건물정도의 범위. Wifi(802.11b/g/n)
  - 광역 무선 접속(wide-area wireless access) : 통신회사들에 의해 제공되고 수십km 범위. 3G, 4G 등

 

패킷(packet)
  : 데이터의 전송단위
  - 데이터를 패킷 단위로 나눔
  - 이 패킷을 링크에 보내는데 걸리는 시간 = L(패킷의 크기, bit단위) / R(전송속도 bit/sec)

 

물리 매체(physical media)
  - 물리 링크(physical link) : 전송기-수신기 사이를 연결
  - 지도 매체(guided media) : 정해진 곳에 전파하는 매체(구리, 섬유, coax 등)
  - 비지도 매체(unguided media) : 자유롭게 전파하는 매체(라디오 등)

  - 연선(TP, Twisted Pair) : 두개의 꼬여진 절연처리된 구리선(랜선)
  - 동축 케이블(coaxial cable) : DNA처럼 꼬여있는 두개의 구리 전도체 케이블. 양방향, HFC의 다중채널을 가짐
  - 광 케이블(fiber-optic cable) : 유리 섬유가 bit 당 하나의 펄스를 빛을 통해 전달. 빠르고, 에러가 낮다.
  - 라디오(radio) : 전자기파로 신호 전달. 무선, 양방향성 등의 특징. 반사, 물체 등에 의한 방해를 받을 수 있음.
    ※ 지상 마이크로파(~45Mbps), LAN-WiFi(54Mbps), 광역(4G에서 ~10Mbps), 위성(45Mbps)

 

 

2. 네트워크 코어

패킷 교환 방식(packet switching)
  - 저장 후 전달(store-and-forward) : 패킷이 모두 도착하기 전까지는 전송할 수 없음
  - 큐잉 지연(queueing delay) : 패킷을 보내려고 할 때, 해당링크가 전송중이라면 버퍼 발생. 버퍼가 꽉차면 손실 발생

 

회선 교환 방식(circuit switching)
  - 두 호스트 간에 통신이 이루어질 때, 완전히 할당되어 두 호스트만 전용으로 사용할 수 있어야함
  - FDM(Frequency Division Multiplexing) : 주파수로 어떤(누가 보낸) 신호인지 구분
  - TDM(Time Division Multiplexing) : 시간으로 어떤(누가 보낸) 신호인지 구분.

 

패킷 교환 vs 회선 교환
  - 패킷교환이 큰 데이터에 대해 유리하지만, 네트워크가 혼잡할 경우 큐잉지연, 손실과 같은 문제들이 있음
  - 오디오나 비디오 같은 스트리밍 데이터만 대역폭을 할당해 회선교환처럼 구현하기도 함

 

네트워크의 네트워크
  - 호스트(종단 시스템) 들은 ISP(Internet Service Providers)를 통해 인터넷에 연결됨
  - 접속(말단의) ISP들 끼리도 상호 연결되어 있음
  - 접속 네트워크를 묶는 지역 네트워크, 지역 네트워크가 연결된 ISP, ISP끼리의 연결을 시켜주는 IXP
  - 구글, 마이크로소프트 등은 content provider network(기업 데이터센터를 인터넷에 연결)를 각자 운영함

  - 1티어 ISP : 중추(backbone)적 공급자. 국가, 대륙 간의 해저 케이블 설치 등
  - 2티어 ISP : 3티어를 1티어에 연결해줌
  - 3티어 ISP : 우리가 실제로 인터넷 요금을 내는 ISP

 

 

3. 지연, 손실, 처리량

처리 지연(processing delay)
  - 라우터로 들어온 패킷헤드를 확인하고,(시간소요)
  - 패킷을 어디로 보낼지 결정(시간소요)
  - 비트 오류 조사(시간소요)

 

큐잉 지연(queueing delay)
  - 링크의 버퍼가 차 있어, 자신의 전송 차례를 기다림
  - 버퍼가 꽉차있다면 데이터는 손실됨
  - L(패킷 크기)*a(패킷 도착속도, 패킷/초) / R(비트/sec) = 초당 도착하는 트래픽 / 초당 전송할 수 있는 트래픽
  - La/R이 1보다 크면 무한 지연. 발생하지 않도록 설계해야 함.

 

전송 지연(transmission delay)
  - 패킷을 링크에 실어주는데 걸리는 시간
  - 라우터가 버퍼 가장 앞의 패킷을 내보내는데 걸리는 시간
  - L(패킷 크기)/R(비트(링크 대역폭)/sec)

 

전파 지연(propagation delay)
  - 패킷이 링크에 올라타서, 목적지까지 걸리는 시간
  - 물리 매체에 따라서 다름
  - D(물리적 거리)/S(링크 속도) 

 

처리량(throughput)
  - 내가 아무리 빨리 먹으면 뭐하나 똥으로 만드는 속도가 느린데
  - 결국 음식을 똥으로 만드는 속도가 똥 나오는 속도(처리율)
  - 하지만 만약에 음식을 똥으로 만드는 속도가 먹는 속도보다 빠르다면, 먹는 속도가 똥 나오는 속도(처리율)
  - 전자의 경우 배에 음식이 많이 쌓이게 된다(병목현상)
  - 링크가 여러개라면 병목링크가 처리율

 

 

4. 프로토콜 계층, 서비스 모델

네트워크에서 데이터의 전달 과정에는 일련의 순서가 있고 계층이 있다. 계층이 없다면 데이터가 전달되는 과정을 A-Z까지 모두 개발해야한다는 것이고, 그것이 너무 복잡해서 깔끔하지 못한 프로그램 설계가 될 가능성이 높다. 이후에 시스템을 유지/보수하기에도 계층이 나눠져 있는 것이 훨씬 적합하다. 따라서 계층을 나눠 계층 간에 독립적으로 프로그램을 설계할 수 있도록 네트워크 시스템을 구성하였으며, 각 계층별로 통신할 때의 규약(프로토콜)을 국제적인 표준으로 정해두었다.

 

 

프로토콜 계층(protocol layers)
  - 어플리케이션(application) 계층 : 사용자의 요청을 직접 받아들일 때의 프로토콜
  - 트랜스포트(transport) 계층 : 프로세스(프로그램) 간의 데이터 교환 프로토콜(TCP, UDP)
  - 네트워크(network) 계층 :  목적지 컴퓨터를 향해서 데이터를 보내는데 필요한 프로토콜(IP, RP)
  - 링크(link) 계층 : 이 데이터를 실제 네트워크에 올려놓는데에 필요한 프로토콜(Ethernet, WiFi)
  - 물리(physical) 계층 : 실제 신호가 연결되는 선의 프로토콜

 

서비스 모델(service model)
  - 여기서 어플리케이션 계층을 3개(app, presentation, session)로 나누면 OSI 7 계층 모형.
  - OSI : Open Systems Interconnection reference model
  - ISO : International Standardization Organization
  - 프레젠테이션(presentation) 계층 : 데이터를 암호화하고, 압축함
  - 세션(session) 계층 : 교환한 데이터를 다시 합치고 복원함
  - 각 계층을 지날 때마다 해당정보를 담은 헤더를 붙여서, 해석할 때도 각 계층에 해당하는 헤더를 이용

 

 

5. 네트워크 보안

악성코드(malware)
  - 바이러스 : 감염된 숙주 프로그램을 받아서 실행하면 자가복제하며 감염이 이루어짐
  - 웜 : 숙주 프로그램이 없어도 그 자체로 자가복제하고 감염이 이루어짐
  - 키보드 입력정보, 웹 사이트 방문 기록, 파일 업로드를 모두 염탐(스파이웨어)
  - 스팸 메일 전송, DDoS 공격(좀비 PC)

 

DoS(Denial of Service)
  - 엄청난 양의 리소스와 트래픽을 서버에 걸어, 마비 시키는 공격
  1. 대상을 선정한다.
  2. 연결된 네트워크에 좀비 PC를 만든다.
  3. 대상을 향해 패킷을 계속해서 보낸다.

 

IP 스푸핑(IP spoofing), 패킷 스니핑(Packet Sniffing)
  - IP 스푸핑 : 자신의 IP주소를 변조하여, 접근 권한이 정해진 사이트에 들어가거나 크래킹 시 추적회피
  - 패킷 스니핑 : 중간에서 엿듣고 정보(패킷)를 가로챔

 

 

6. 네트워크 역사

  - 1961 Kleinrockㅡ패킷 스위칭에서 큐잉의 효율성 보임
  - 1964 Baranㅡ국방네트워크에서 패킷스위칭
  - 1967 ARPA(Advanced Research Projects Agency)에서 net개발 착수
  - 1969 첫 ARPAnet 노드가 실행
  - 1970 ALOHAnet 하와이의 위성 네트워크
  - 1972 ARPAnet 첫 공식 데모(NCP: host-host 프로토콜, 15개의 노드), 첫 이메일 프로그램
  - 1974 Cerf&Kahnㅡ오늘날의 인터넷 구조 설계
  - 1976 이더넷(Xerox PARC)
  - 1978 개인 네트워크, 고정 길이 패킷 교환 개발
  - 1979 ARPAnet 200 노드
  - 1982 smtp 이메일 프로토콜 정의
  - 1983 TCP/IP 등장
  - 1983 DNS name→IP 번역
  - 1985 fpt 프로토콜 정의
  - 1988 TCP 혼잡 제어
  - 1990 ARPAnet 은퇴
  - 1991 NFSnet 복귀
  - 1992 WEB(HTML, HTTP : Berners-Lee)
  - 1998 중추 링크(1티어)가 Gbps 단위로 동작, WEB의 상업화