확장 가능한 라우팅에 대한 인터넷 접근 방식

라우터를 "Autonomous Systems"(AS)로 알려진 영역으로 통합 (일명: "ISP or domain")

1. Intra-AS routing

   • 동일한 AS("네트워크")에 있는 호스트, 라우터 간 라우팅

   • AS의 모든 라우터가 동일한 도메인 내 프로토콜을 실행해야 함
   • 서로 다른 AS에 있는 라우터가 서로 다른 도메인 내 라우팅 프로토콜을 실행할 수 있음
   • 게이트웨이 라우터: 자체 AS의 "가장자리"에 다른 AS의 라우터에 대한 링크가 있음

2. Inter-AS routing

   • AS 간 라우팅

   • 게이트웨이는 intra-domain 라우팅뿐만 아니라 inter-domain 라우팅도 수행합니다.

     Forwarding table

     • intra-와 inter-AS 라우팅으로 결정되어진다.

   • AS 내 목적지에 대한 항목: intra-AS 라우팅에서 결정

   • 외부 목적지에 대한 항목: intra-AS 및 inter-AS가 결정

Intra-AS 라우팅

Interior Gateway Protocols(IGP)라고도 불린다

종류

• RIP: Routing Information Protocol

• OSPF: Open Shortest Path First
• IGRP: Interior Gateway Routing Protocol

OSPF

"open": 공개적으로 사용 가능

• LS 알고리즘을 사용

• 링크 상태 패킷 배포
• 각 노드에 topology map
• 다익스트라 알고리즘을 사용하여 경로를 계산

라우터는 전체 AS의 다른 모든 라우터에 OSPF 링크 상태 알림을 플러딩한다.

IS-IS 라우팅 프로토콜: OSPF와 거의 동일.

OSPF의 계층 구조

두 단계의 계층

• local area
• backbone

  • 링크 상태 알림은 오직 area 안에서만 작동.
  • 각 노드는 자세한 area topology를 가지고 있다.

용어 정리

• Area border routers: 자신의 영역에 있는 네트워크까지의 거리를 "요약"하고, 다른 영역 경계 라우터에 광고합니다.

• Backbone routers: OSPF 라우팅을 backbone으로 제한하여 실행합니다.
• Boundary routers: 다른 AS들과 연결되어있다.

라우팅 프로토콜의 목적

: 송신 호스트부터 수신 호스트까지 네트워크의 라우터를 통하는 "좋은" 경로를 결정하는 것.

경로: 패킷이 지나는 라우터의 순서

그래프

• G = (N, E)

• N = 라우터의 집합

• E = 이음선의 집합

• c(x, x') = 이음선(x, x')의 비용

u와 z 사이에 최소 비용 경로에 대해 라우팅 알고리즘을 통해 찾는다.

라우팅 알고리즘의 분류

1. 정보(Global vs Decentralized)

   Global:

   • 모든 라우터가 비용과 관련한 정보를 알고 있음

   • "link state" 알고리즘

     Decentralized:

     • 라우터는 근처에 연결된 라우터의 비용만 알고 있음

   • 계산의 반복 프로세스, 이웃과의 정보 교환

   • "distance vector" 알고리즘

2. 정적(static) vs 동적(static)

   static:

   • 경로는 매우 느리게 변한다

   dynamic:

   • 경로가 매우 빠르게 변한다

     • 주기적으로 업데이트
     • 비용 변할 때, 반응

link-state 알고리즘

다익스트라 알고리즘!

• 모든 노드에 경로와 그 비용이 알려져 있다.

• 한 출발지 노드에서 모든 다른 노드로의 최소 비용 경로를 계산
• 반복 횟수: k번 반복할 시, 최소 k개의 목적지에 대한 최소 경로를 지닌다.

용어 정리

• c(x,y): 노드 x부터 y까지의 링크 비용 단, 연결되지 않을 시 INF로 지정.

• D(v): 출발지에서 목적지 v까지의 현재 비용
• p(v): 출발지에서 목적지 v로의 경로를 따른 이전 노드
• N': 최소 비용 경로가 명확하게 알려진 노드 집합

예제 1

예제 2

추가 정보

알고리즘의 시간 복잡도: O(n^2) -> O(nlogn)까지 향상 가능.

진동이 가능하다.

Distance vector 알고리즘

Bellman-Ford 방정식

작동 방식

node x:

• 각 이웃으로의 비용에 대해 알고있다
• 이웃의 거리 벡터를 유지

핵심 아이디어:

• 때때로, 각 노드는 자신의 거리 벡터 추정치를 이웃에게 보냅니다.
• x가 인접 네트워크로부터 새 DV 추정치를 수신하면 B-F를 사용하여 자체 DV를 업데이트합니다.

  방정식:

사소한 자연 조건 하에서 추정 𝐷(𝑦)는 실제 최소 비용 𝑑(𝑦)으로 수렴!

반복, 비동기: 각 로컬 반복은 다음과 같이 발생합니다.

• 지역 링크 비용의 변화

• 인접 네트워크의 DV 업데이트 메시지

분산:

• 각 노드는 노드의 DV가 변경되었을 때만, 이웃에게 알린다.

• 이웃들은 그들의 이웃에게 필요할경우 알린다.

예제 1

링크 비용 변화

• 노드는 지역 링크 비용의 변화를 감지한다.
• 라우팅 정보를 업데이트하고, DV를 재계산한다.
• DV가 변할경우, 주위에 알린다.

좋은 뉴스는 빨리 퍼진다

나쁜 뉴스는 느리게 퍼진다.

count to infinity 문제

해결방안

poisoned reverse 방식!

만약 Z가 Y를 지나 X로 간다고 하자. Z -> Y -> X 이때, Z는 Y에게 Z에서 X로 가는 비용이 무한하다고 알린다.

하지만 이 방식또한 완전하게 해결하는 것은 아니다.

LS와 DV 알고리즘의 비교

메시지 복잡성

• LS: N개의 노드, E개의 이음선, O(N*E) 메시지를 보낸다.
• DV: 이웃끼리만 교환한다.

수렴 속도

• LS: O(N^2) 알고리즘은 O(N*E)개의 메시지가 필요하다

  진동을 가질 수도 있다.

• DV: 수렴 시간은 달라진다.

  • routing loops가 있을 수 있다.
  • count-to-infinity 문제

견고성: 라우터가 오작동하면 어떻게 됩니까?

• LS:

  • 노드는 잘못된 비용을 광고한다.
  • 각 노드는 각자의 테이블만 계산한다.

• DV:

  • 노드는 잘못된 경로 비용을 광고한다.
  • 각 노드의 테이블은 다른 노드들에 의해서 사용된다.
  • 오류가 네트워크를 통해 전파됨

• 입력 포트

• Switch fabric

• 출력 포트

입력 포트의 기능

1. line termination

• 물리적 계층(Physical layer)에 해당

• 비트 레벨 수신

2. link layer protocol

• 데이터 링크 계층(Data link layer)에 해당

• ex) Ethernet

3. Decentralized Switching

1. Lookup: Datagram의 목적지 주소로 입력포트 메모리에 있는 Forwarding table을 이용하여 출력 포트를 검색한다.

목적: '라인 속도'로 입력 포트 processing 완료

Longest prefix matching 지정된 destination 주소에 대한 forwarding table 항목을 찾을 때, destination 주소와 일치하는 가장 긴 address prefix 사용

2. Forwarding

• destination-based forwarding: 목적지의 IP 주소만을 활용하여 forward
• generalized forwarding: 헤더 필드 값을 통해서 forward

3. Queuing: datagram이 forwarding 속도보다 빠를경우 진행

Switch fabric의 기능

라우터의 핵심이라고 볼 수 있다.

패킷이 실제로 이 fabric을 통해 입력 포트에서 출력 포트로 전환된다.

Switching의 종류

대기열 지연(queueing delay)과 손실(loss) -> 입력 버퍼의 overflow로 발생!

Head-of-the-Line (HOL) blocking 대기열 앞에 대기 중인 데이터그램은 대기열에 있는 다른 사람들이 앞으로 이동하지 못하게 한다.

출력 포트의 기능

• Buffering: datagram이 전송 속도(transmission rate)보다 빠르게 도착할 때 필요!

Datagram (packets)은 혼잡과 버퍼 용량 부족으로 인해 손실될 수 있다.

스케쥴링 규칙

스케쥴링: 링크로 보낼 다음 패킷을 선택한다.

1. FIFO(First In First Out)

• 큐에 도착한 순서대로 전송

• FCFS(First Come First Served)라고도 불린다.

2. Priority

• 다른 우선순위를 가진 여러 개의 클래스(대기열)

• 클래스는 marking 또는 기타 헤더 정보(예: source/destination의 IP, 포트 번호 등)에 따라 달라진다.

• 우선순위가 가장 높은 대기열 패킷을 전송

3. Round Robin(RR)

• 여러 개의 대기열

• 주기적으로 클래스 대기열 검색, 각 클래스에서 하나의 전체 패킷 전송(사용 가능한 경우)

  너 한번, 나 한번!

4. Weighted Fair Queuing(WFQ)

• Round Robin의 일반화 버전

• 각 클래스는 각 사이클에서 가중된 서비스 양을 얻는다.

송신에서 수신 호스트로 세그먼트 전송

• 송신 측: 세그먼트를 캡슐화

• 수신 측: 전송 계층으로 세그먼트 전달

네트워크 계층 프로토콜은 모든 호스트, 라우터에 존재한다.

• 라우터는 그것을 통과하는 모든 IP 데이터그램의 헤더 필드를 검사한다.

네트워크 계층의 기능

• Forwarding: 라우터 입력에서 적절한 라우터 출력으로 패킷 이동

• Routing: 패킷이 source에서 destination으로 이동하는 경로 결정

네트워크 계층: data plane, control plane

Data plane

• 지역적으로 라우터마다 기능.

• 라우터 입력 포트에 도착하는 데이터그램이 라우터 출력 포트로 전달되는 방법을 결정

• forwarding

Control plane

• 네트워크적으로 넓게 기능

• source에서 destination까지의 종단 경로를 따라 라우터 간에 데이터그램이 라우팅되는 방법을 결정

방법의 두 가지

• traditional 라우팅 알고리즘: 라우터에서 제공
• software-defined networking (SDN): 서버에서 제공

The Traditional Approach

각 라우터 및 모든 라우터의 개별 라우팅 알고리즘 구성요소가 제어부에서 상호작용한다.

The SDN Approach

고유한(일반적으로 원격) 컨트롤러가 로컬 제어 에이전트(CA)와 상호작용한다.

네트워크 서비스 모델

네트워크 서비스 모델은 송신 호스트와 수신 호스트 간 패킷의 종단간 전송 특성을 정의한다.

• Guaranteed 전송

• 제한된 delay로 Guaranteed 전송

• 순서대로 패킷 전송

• 최소 대역폭 보장

• 보안

End-to-end 혼잡 제어

송신자는 손실이 발생할 때까지 사용 가능한 대역폭을 탐색하여 전송 속도(전송 크기)를 증가시킵니다.

• congestion window - cwnd로 표기

• additive 증가: 손실이 감지될 때까지 RTT마다 1MSS씩 cwnd 증가

• multiplicative 감소: 손실이 감지된 뒤, cwnd를 절반으로 감소

혼잡 제어: 원리

송신자에서 작동하는 TCP 혼잡 제어 메커니즘은 congestion window(cwnd)라는 추가 변수를 추적한다.

cwnd: TCP 송신자가 네트워크로 트래픽을 보낼 수 있는 속도에 제약을 가한다.

특히, 송신자의 unacked 데이터 양은 최소 cwnd 및 rwnd를 초과할 수 없다.

LastByteSent - LastByteAcked <= min(cwnd, rwnd)

하지만 우리는 rwnd는 고려하지 않고, cwnd의 값에만 집중하기로 한다!

혼잡 제어: 세부사항

송신자는 전송을 제한한다.

TCP의 전송 속도: cwnd/RTT (bytes/sec)

• cwnd 바이트만큼 전송하고, RTT시간동안 ACK를 기다린다.
• 그 후, 바이트를 더 보낸다.

TCP 혼잡 제어 알고리즘은 3가지 요소가 존재한다.

• slow start(느린 시작)

• congestion avoidance(혼잡 회피)

• fast recovery(빠른 회복)

1. TCP Slow Start

연결을 시작했을 때, 손실이 발생하기 전까지 기하급수적으로 속도를 증가시킨다.

• 처음 cwnd: 1 MSS

• RTT마다 cwnd를 2배로 늘린다.

• 수신된 모든 ACK에 대해 cwnd를 증가시킴으로써 수행된다.

초기 속도는 느리지만 기하급수적으로 빠르게 증가한다!

2. Congestion Avoidance

혼잡 방지(congestion-avoidance) 상태로 진입할 때,

• cwnd의 값은 정체가 마지막으로 발생했을 때의 값의 약 절반이다.

• TCP는 RTT마다 cwnd 값을 두 배로 증가시키는 것보다 더 보수적인 접근 방식을 채택하고 RTT마다 단 하나의 MSS만큼 cwnd 값을 증가시킨다.

3. Fast Recovery

• 손실이 발생했을 때, cwnd의 값을 절반으로 감소시킨 뒤, +3한 값을 cwnd로 설정한다.

• fast recovery에서 cwnd의 값은 중복 ACK마다 1MSS씩 증가한다.

• 추천되지만, 요구사항은 아니다!

총 정리

TCP Fairness

목적

K개의 TCP 세션이 대역폭 R의 동일한 bottleneck(병목 링크)를 공유하는 경우, 각 세션은 평균 R/K 속도를 가져야 한다.

방법

두 개의 경쟁 세션이 있을 때,

• Additive increase는 전체적으로 증가함에 따라 기울기가 1이 된다.
• Multiplicative decrease는 처리량을 비례적으로 감소시킨다.

Network-assisted 혼잡 제어

Explicit Congestion Notification(ECN)

이름만 알아두고 넘어갑시다~

혼잡 제어에 대해 알기 위해서는 혼잡(congestion)이 무엇인지 알아야겠죠?

혼잡(Congestion)이란?

너무 많은 송신자가 너무 많은 데이터를 너무 빠르게 네트워크에 보내는 것

흐름 제어(flow control)와는 다르다!

혼잡의 징후

• 패킷의 손실 (라우터에서의 버퍼의 넘침)

• 긴 지연 (라우터 버퍼에서의 지연)

예시 1

상황

• 두 명의 송신자, 두 명의 수신자

• 하나의 라우터, 무한한 버퍼

• 출력 링크 용량: R

• 재전송 없음

원인 및 비용

위와 같은 이상적인 예시에서도, 우리는 이미 혼잡한 네트워크의 한 가지 비용을 발견할 수 있다!

패킷 도착 속도가 링크 용량(R/2)에 가까워짐 --> 대규모 대기열 지연이 발생!

예시 2

상황

• 하나의 라우터, 제한된 버퍼

• 시간 초과된 패킷에 대한 송신자의 재전송

• 응용 계층의 입력 = 응용 계층의 출력

• 전송 계층의 입력은 재전송을 포함

원인 및 비용

가정: 완전한 지식

송신자는 라우터의 버퍼가 사용가능할 때만 보낸다.

가정: 패킷이 손실된 것을 알고있다.

송신자는 패킷이 손실될 때만 재전송한다.

패킷 재전송으로 인해서 성능이 감소!

현실: 중복 발생

송신자의 시간 초과가 일찍 발생해, 이미 보낸 패킷에 대해 중복이 발생한다.

혼잡의 비용

• 재전송: 주어진 입력에 대해 더 많은 작업
• 불필요한 재전송: 링크가 여러 개의 패킷 복사본을 전송

예시 3

상황

• 네 명의 송신자들

• multihop 경로

• 시간 초과 + 재전송

Q: 빨간색 입력량이 증가한다면 어떤 일이 발생하는가?

라우터에 도착하는 모든 파란색의 패킷들은 큐에서 대기하다가 버려지고, 파란색 처리량은 0이 된다.

원인 및 비용

혼잡의 비용

• 패킷이 삭제되면 해당 패킷에 사용된 "전송 용량"이 낭비!

혼잡 제어 방법

• End-to-end 혼잡 제어

• Network-assisted 혼잡 제어

• 가득찬 양방향의 데이터(full duplex data)

  같은 연결 내에서 양방향의 데이터 흐름

• MSS*: Maximum Segment Size

• 연결 지향적(connection-oriented)

  데이터를 교환하기 전에 handshaking 과정을 거친다.

• 흐름 제어(flow controlled)

  수신자의 용량에 넘치도록 데이터를 보내지 않는다.

• 1:1(point-to-point)

  하나의 송신자, 수신자

• 신뢰성 있는(reliable), 순서가 보장되는(in-order)

• 파이프라이닝(pipelined)

TCP 세그먼트

1. 시퀀스 번호와 ACKs

• 데이터 흐름의 첫 번째 바이트는 0번으로 지정된다.

예제 1: File은 500,000 바이트, MSS는 1,000 바이트.

• 첫 번째 세그먼트는 시퀀스 번호가 0으로 지정된다.
• 두 번째 세그먼트는 시퀀스 번호가 1000으로 지정된다.
• 그 이후도 이런 식으로 진행된다.

MSS vs MTU MSS: Maximum Segment Size MTU: Maximum Transmission Unit

예제 2: 호스트 A가 호스트 B로부터 0535까지 바이트와 9001000까지 바이트를 받았다고 하자.

• 이 경우, 호스트 A는 536~899까지 바이트를 받지 못한 것이다.
• 이 경우 호스트 A는 536 바이트를 기다리고 있고, 호스트 B에게 536 바이트가 포함된 ACK 번호 필드를 보낼 것이다.

  TCP는 스트림에서 첫 번째 누락된 바이트까지만 바이트를 인식하기 때문에, TCP는 누적된 ACK(cumulative acknowledgements)을 제공한다.

시퀀스 번호

• 처음: 랜덤한 난수로 지정된 시퀀스 번호(Initial sequence number)

• 그 이후: Initial sequence number(ISN) + 전송한 바이트의 수

ACK

• 다른 측에서 올 것이라고 예상되는 seq # 번호.

• 누적된 ACK 방식.

시퀀스 번호와 ACK 예제

위의 그림에서는 클라이언트와 서버의 시퀀스 번호가 각각 42와 79로 시작. 보내는 데이터의 바이트 수가 1이기에 +1씩 된 것임.

2. TCP의 RTT와 timeout

어떻게 TCP의 timeout 값을 결정할까?

• RTT보다는 길게 한다.

하지만 RTT의 값은 변화한다!

• timeout이 너무 짧다면? - 일찍 timeout이 될 수 있고, 불필요한 재전송이 일어날 수 있다.
• timeout이 너무 길다면? - 세그먼트 손실에 대해 느리게 반응한다.

어떻게 RTT를 측정하는가?

• SampleRTT를 통해 측정한다.

• SampleRTT는 달라지기에, estimated RTT를 "smoother"하게 만들어야 한다.

• 주로 a = 0.125 이다.

timeout 간격

Estimated RTT + safety margin

TCP의 신뢰적인 데이터 전송

TCP는 IP를 신뢰할 수 없기에 그 위에 rdt 서비스를 만든다.

• 파이프라이닝 된 세그먼트

• 누적된 ACKs

• 단일의 재전송 타이머

재전송의 유발 요소

• timeout 이벤트
• 중복된 ACKs

간단한 TCP 예제

• 중복된 ACKs를 무시한다.

• 흐름 제어와 혼잡 제어를 무시한다.

재전송 1) ACK lost 발생시

재전송 2) timeout 발생시(Seq=100은 재전송 X)

재전송을 통해 수신자는 Seq=92를 받았지만, 이전에 Seq=100, 20 bytes의 data 까지 받았다는 뜻으로 ACK=120을 보낸다!

늦은 재전송: timeout interval이 너무 김

TCP의 빠른 재전송

중복된 ACKs를 통해서 잃어버린 세그먼트를 탐색한다.

TCP 빠른 재전송 송신자가 같은 데이터에 대해서 3 ACKs("triple duplicate ACKs)를 받으면 가장 작은 seq #를 가지고 있는 unACKed 세그먼트를 재전송한다.

TCP의 흐름 제어

TCP는 흐름 제어 서비스를 어플리케이션에 제공한다.

왜? : 송신자가 수신자의 버퍼를 넘치게 하는 가능성을 제거하기 위해서!

어떻게? : TCP는 송신자가 수신 창이라는 변수를 유지 관리하도록 하여 흐름 제어를 제공한다.

RcvBuffer

송신자가 TCP 연결을 통해 수신자에게 큰 파일을 보내고 있다고 가정하자.

• 수신자는 이 연결에 수신 버퍼를 할당하고, RcvBuffer로 그 크기를 나타낸다.

  RcvBuffer의 크기는 소켓 옵션에 설정되어있다.(주로 4096 바이트 크기)

  

• 수신자는 수신자 대 송신자 세그먼트의 TCP 헤더에 rwnd 값을 포함함으로써 사용 가능한 버퍼 공간을 "광고"한다.

  송신자는 unACKed("in-flight") 데이터의 양을 수신자의 rwnd 값으로 제한하여 수신자의 버퍼가 넘치지 않도록 한다!

연결 관리

연결 시작

데이터를 교환하기 전에, 송신자와 수신자는 "handshake"를 진행한다.

TCP 연결은 3-way handshake가 기반이 된다!

연결 종료

클라이언트, 서버 각각이 연결 측면을 닫는다.

• FIN bit가 1인 TCP 세그먼트를 보낸다.

• 수신한 FIN에 ACK로 응답한다.

Syn Flood Attack

전송 과정

1. rdt_send()

• 수신기 상위 계층에 전달할 데이터 전달

2. udt_send()

• rdt에 의해 호출된다.

• 신뢰할 수 없는 채널을 통해 패킷을 전송한다.

3. rdt_rcv()

• 패킷이 채널의 rcv-side에 도착하면 호출된다.

4. deliver_data()

• rdt에 의해 호출된다.

• 데이터를 상위 계층에 전달한다.

rdt 만들기

유한 상태 기계를 통해서 rdt를 만들어보자!

유한 상태 기계(FSM)이란?

유한 상태 기계(finite-state machine, FSM) 또는 유한 오토마톤(finite automaton, 복수형: 유한 오토마타 finite automata)는 컴퓨터 프로그램과 전자 논리 회로를 설계하는 데에 쓰이는 수학적 모델이다.

관련 용어

• 현재 상태(Current State): 임의의 주어진 시간의 상태

• 전이(Transition): 기계가 어떠한 사건(Event)에 의해 한 상태에서 다른 상태로 변화하는 현상

FSM 작동 구조

rdt1.0: 완벽히 신뢰할 수 있는 채널

송신측

수신측

완벽히 신뢰할 수 있는 채널?

• 비트 에러가 없다
• 패킷의 손실또한 없다

하지만 현실에서 이렇게 완벽히 신뢰할 수 있는 채널을 짜는 것은 힘들다.

rdt2.0: 비트 에러가 있는 채널

기본 채널은 패킷 속의 비트에 에러가 발생할 수 있다.

rdt2.0에서는 비트 에러를 찾기 위해 체크섬(checksum)을 사용한다!

어떻게 에러를 회복할 수 있을까?

• acknowledgements (ACKs): 수신자가 송신자에게 패킷을 잘 수신했다고 알려준다.

• negative acknowledgements (NAKs): 수신자가 송신자에게 패킷에 에러가 있다고 알려준다.

송신측

송신자가 Wait-for-ACK-or-NAK 상태에 있을 때, 상위 계층에서 더 많은 데이터를 가져올 수 없다.

따라서, rdt2.0을 Stop-and-Wait 프로토콜이라고 한다.

수신측

하지만 rdt2.0에도 치명적인 오류가 존재한다! 데이터 흐름에 문제가 생겨 ACK나 NAK 패킷이 손상(corrupt)될 수 있다.

ACK/NAK가 손상된다면?

• 송신자는 수신자에게 무슨 일이 발생했는 지 알 수 없다.

• 송신자는 같은 패킷을 재전송 할 가능성이 생긴다! --> 중복

중복을 다루는 방법

• 송신자가 ACK/NAK 패킷이 손상된다면 현재의 패킷을 재전송한다
• 송신자가 각 패킷에 sequence 숫자를 추가한다
• 수신자가 중복되는 패킷은 버린다.

rdt2.1: 중복 패킷 제어 채널

송신측

수신측

rdt2.2: NAK가 없는 프로토콜

• rdt2.1과 성능은 동일하지만, ACks만을 사용한다.

• NAK 대신, 수신자는 지난 패킷을 제대로 수신했다는 의미로 ACK를 보낸다.

  단, 수신자는 ACK 패킷에 seq #를 첨부한다.

• 보낸 사람의 ACK가 중복되면 NAK와 동일한 작업이 수행됩니다.

송신측

송신자가 ACK 0을 기다릴 때, ACK 1이 온다면 패킷을 재전송한다. ACK 1을 기다릴때도 마찬가지이다.

수신측

rdt3.0: 에러와 손실이 있는 채널

손실이 없을 때

패킷 손실

ACK 손실

timeout이 일찍 되거나 ACK가 지연됐을 때

송신측

수신측

파이프라이닝

rdt3.0은 기능적으로 옳은 프로토콜이지만, 성능이 최악이다.

stop-and-wait 방법으로 패킷을 전송하기 때문!!!

rdt3.0의 성능 분석

1 Gbps link, RTT 30msec, 8000bit packet이라고 가정하자.

• 1Gbps 링크를 통한 33kB/초 처리량

• 네트워크 프로토콜이 물리적 자원의 사용을 제한하고 있다!

파이프라이닝된 데이터 전송 프로토콜

파이프라이닝: 송신자는 패킷의 다중 전송을 허락한다.

• 시퀀스 넘버는 반드시 증가해야 한다.

• 보낸 사람 및/또는 받는 사람 버퍼링

파이프라이닝은 utilization을 증가시킨다!

파이프라인 프로토콜의 두 가지 종류

• go-Back-N
• 선택적 반복(selective repeat)

go-back-N

• 송신자는 파이프라인 안에 N개의 unacked 패킷을 가질 수 있다.

• 수신자는 오직 누적 ack만 보낸다(차이가 있으면 ack 패킷을 보내지 않는다)

• 송신자는 unacked 패킷에 대해 타이머를 가지고 있다.

  타이머가 만기되면, unacked 패킷을 재전송한다.

go-back-N: 송신자 윈도우

• 패킷 헤더 안에 k-bit의 seq #을 가지고 있다.

• 최대 N개의 "윈도우"이며, 연속적으로 unacked 패킷이 허용된다.

위 그림에 대한 이해.

• ACK(n)의 의미: n 숫자 이하의 패킷들은 모두 ACK까지 완료된 상태이다.
• timeout(n): 윈도우에 있는 n 숫자 이상의 패킷들을 모두 다시 재전송한다.
• 윈도우는 총 N개의 패킷을 관리한다.
• base부터 nextseqnum 전까지는 ack를 기다리고 있다.
• 어플리케이션에서는 data를 6번(회색 패킷의 개수) 보낼 수 있다.

go-Back-N의 예제

선택적인 반복

• 수신자는 모든 받은 패킷에 대해 개별적으로 ack를 보낸다.

• 송신자는 ack를 받지 못한 패킷만 재전송한다.

  각 unACKed 패킷에 대해 타이머가 존재한다.

• 송신자의 window는 연속된 N개의 seq #를 가지고 있다.

  보냈거나, unACKed 된 패킷의 seq #를 제한한다.

선택적인 반복: 송신자, 수신자 윈도우

송신자

다음에 사용 가능한 seq 번호가 window에 있으면 pkt를 보낸다.

timeout(n): 패킷 n을 다시 보내고, 타이머를 다시 시작한다.

ACK(n)을 받았을 때 (윈도우 안에 있을 때)

• 패킷 n을 받은 것으로 표시한다.
• n이 ACK되지 않은 패킷 중 가장 작은 패킷이면 창 베이스를 다음 ACK되지 않은 시퀀스 #로 이동합니다.

수신자

패킷 n이 윈도우 안에 있을 때[rcvbase, rcvbase+N-1]

• ACK(n)을 보낸다.
• n이 순서와 다르다면? 버퍼에 넣는다.
• n이 순서와 같다면? (버퍼된 순서대로 패킷도 전달), 아직 receive 되지 않은 다음 패킷으로 윈도우를 옮긴다.

패킷 n이 윈도우 이전 패킷부터 윈도우 크기만큼일 때[rcvbase-N, rcvbase-1]

• ACK(n)을 보낸다.

그 이외의 경우

• 무시한다.

선택적인 반복의 예제

선택적인 반복의 딜레마

• seq #'s: 0, 1, 2, 3

• 윈도우 크기 = 3

위의 문제를 피하기 위해서는 seq # 크기는 윈도우의 크기의 2배 이상은 되야한다.

신뢰성 있는 전송의 요약

• 체크섬(Checksum): 전송된 패킷의 비트 에러를 체크하기 위해 사용.

• 타이머(Timer): 만약 패킷(또는 해당 ACK)이 채널 내에서 손실되었을 가능성이 있기에, 패킷 시간 초과(timeout)/재전송에 사용됩니다.

• 시퀀스 번호(Sequence number): 송신자에서 수신자로 흐르는 데이터 패킷의 순차적 번호 부여에 사용

• 인정(Acknowledgement): 수신자가 송신자에게 패킷을 잘 받았음을 알리기 위해 사용

• 부정 인정(Negative Acknowledgement): 수신자가 송신자에게 패킷을 못 받았음을 알리기 위해 사용

• 윈도우(Window)와 파이프라이닝(pipelining): 송신자는 지정된 범위 내에 있는 시퀀스 번호의 패킷만 전송하도록 제한될 수 있다.

기본적인 네트워크의 구성

스위치의 종류

• L2 스위치: MAC 정보 기반 네트워크 통신 지원

• L3 스위치: IP 정보 기반 네트워크 통신 지원

• L4 스위치: IP 정보 + 포트정보 기반 네트워크 통신 지원

• L7 스위치: Application Data 기반 네트워크 통신 지원

홈 네트워크 예시

네트워크 인프라

UDP

• User Datagram Protocol의 약자
  

UDP의 사용처

• 멀티미디어 어플리케이션의 스트리밍
• DNS (Domain Name Service)
• Simple Network Management Protocol (SNMP)
  

UDP의 특징

1. 혼잡 조절 기능이 없다.

2. 연결 설정도 없다.

3. 헤더 사이즈가 작다.

UDP 세그먼트의 특징

• 손실 가능성(lost)

• 순서와 상관없이(out-of-order) 앱으로 전송된다.

  
  

UDP 세그먼트 구조

• UDP 세그먼트 구조는 RFC 768에 정의되어있다.

• 데이터 필드: 어플리케이션 데이터

• 길이 필드: UDP 세그먼트 안의 바이트 수
• checksum 필드: 세그먼트에 오류가 있는지 없는지 체크

checksum 필드가 전송 계층에 있는 이유

• 링크 계층 프로토콜이 에러 체크 기능을 제공하지 않을 수 있기 때문

• 세그먼트가 라우터의 메모리에 저장될 때 비트 에러가 발생할 수도 있기 때문

다중화와 역다중화를 알기 위해서는 먼저 소켓부터 알아야한다!

소켓이란?

• 소켓은 데이터가 네트워크에서 프로세스로 이동할 때 문의 역할!

• 각각의 프로세스는 하나 또는 그 이상의 소켓을 가지고 있다.

전송 계층에서 호스트는 데이터를 직접 받지 않고, 소켓을 통해서 받는다!

다중화와 역다중화에 대해서

다중화와 역다중화

다중화

• 송신 측에서 이루어진다.

• 여러 소켓의 데이터를 처리

• 전송 계층 헤더를 추가(추후에 역다중화에서 쓰인다)

역다중화

• 수신 측에서 이루어진다.

• 헤더 정보를 사용하여 수신된 세그먼트를 올바른 소켓으로 전송

다중화의 필요 조건

• 소켓은 특별한 식별자를 가지고 있다.

• 각 세그먼트는 소켓의 식별자를 가리키는 특별한 필드를 지녀야한다.

• 소스 포트 번호 필드

• 도착 포트 번호 필드

포트 번호: 16비트의 숫자로 되어있고, 0~65535의 범위의 숫자이다.

IP 주소 또한 소켓 식별자를 가리킬 때 사용된다.

실제 예제

clientSocket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM)

호스트는 위와 같이 UDP 소켓을 만든다.

소켓을 만들 때, 전송 계층은 자동으로 포트 번호(1024 ~ 65535)를 지정해준다.

clinetSocket.bind(('', 19157))

위와 같이 포트 번호(19157)를 직접 지정해줄 수도 있다.

UDP에서의 다중화 및 역다중화

UDP 소켓의 식별

• UDP 소켓은 대상 IP 주소와 대상 포트 번호로 구성된 2개의 튜플에 의해 완전히 식별된다.

• IP 주소와 포트 번호가 동일한 패킷: 동일한 목적지를 향해 전송!

• 소스 포트 번호는 "반송 주소"의 일부로서 기능한다.

예제

recvfrom()

파이썬 코드에서 서버는 위의 코드를 통해 client 측의 포트 번호를 받아낸다.

TCP에서의 다중화 및 역다중화

TCP 소켓의 식별

• TCP 소켓은 소스 IP 주소, 소스 포트 번호, 대상 IP 주소, 대상 포트 번호로 구성된 4개의 튜플에 의해 완전히 식별된다.

전송 서비스와 프로토콜

• 전송 계층은 서로 다른 호스트에서 실행되는 애플리케이션 프로세스 간에 논리적 통신을 제공한다.

전송 프로토콜은 종단 시스템 안에서 구동된다

• 송신 측: 애플리케이션 메시지를 세그먼트로 나누고, 네트워크 계층으로 전달한다.

• 수신 측: 세그먼트를 메시지로 재결합시키고, 어플리케이션 계층으로 전달한다.

전송 계층과 네트워크 계층의 차이

• 네트워크 계층: 호스트간의 논리적 통신.

• 전송 계층: 프로세스간의 논리적 통신.

전송 계층 프로토콜의 종류

TCP

• Transmission Control Protocol의 약자
• 신뢰할 수 있고(Reliable), 순서대로 전달하는(in-order deliver)

TCP의 역할

• 혼잡 통제(Congestion control)
• 흐름 제어(Flow control)
• 연결 설정(Connection management)

UDP

• User Datagram Protocol의 약자
• 신뢰할 수 없고(Unreliable), 순서가 없이 전달하는(unordered delivery)

전송 계층 프로토콜의 단위

세그먼트(segment): 전송 계층의 패킷

네트워크 계층화에 대한 이해

• 1980년대 초 ISO(International Organization for Standardization)는 여러 업체가 만든 시스템에 대해 상호연동이 가능한 표준 네트워크 모델을 제정할 필요성을 인식

• 1984년 OSI(Open System Interconnection) 네트워크 모델을 발표

OSI 7계층 모델

OSI 참조 모델에서의 정보 교환 (캡슐화 및 역캡슐화)

TCP/IP 4계층

OSI 7계층 vs TCP/IP 4계층

• OSI는 개념적인 모델(실제 구현에서 반드시 지킨다고 볼 수 없음)

• TCP/IP 프로토콜은 OSI 모델보다 먼저 개발됨

• TCP/IP 프로토콜의 계층은 OSI 모델의 계층과 정확하게 일치하지 않음

• 두 계층을 비교할 때, 세션(Session)과 표현(presentation) 2개의 계층이 TCP/IP 프로토콜 그룹에 없다는 것을 알 수 있음

• OSI 7 Layer는 장비 개발과 통신 자체를 어떻게 표준으로 잡을지 사용되는 반면에 실질적인 통신 자체는 주로 TCP/IP 프로토콜을 사용함

• 최근에는 TCP/IP 모델을 5계층으로 분류하기도 함

1계층: 물리 계층(Physical Layer)

• 두 시스템 간에 데이터를 전송하려고 링크를 활성화하고 관리하는 전기적, 기계적, 절차적, 기능적 특성을 정의함

• 또한 물리 계층은 허브, 라우터, 네트워크 카드, 케이블 등 전송매체를 통해 비트(bit)를 전송함

• OSI 참조 모델 7계층 중 물리 계층은 최하위 계층인 첫 번째 계층으로, 상위 계층에서 전송된 데이터를 물리매체를 통해 다른 시스템에 전기적 신호로 전송함

• LAN 카드, 케이블, 허브, 라우터 등 물리적인 것과 데이터 전송에 사용하는 전압 등 기본적인 것이 물리계층에 속한다.

• 송신 측의 물리 계층은 데이터 링크 계층에서 0과 1로 구성된 비트열의 데이터(프레임)을 받아 전기적 신호로 변환한 후 전송매체를 통하여 수신 측에 보냄

• 수신 측의 물리 계층은 송신 측에서 받은 전기 신호를 0과 1로 구성된 비트열로 복원하여 수신 측의 데이터 링크 계층에 전송함

• 즉, 실제 장치를 연결하는 데 필요한 전기적, 물리적 세부 사항을 정의

• 물리 계층의 장치로는 허브나 리피터가 있음

물리 계층 관련 장비

리피터(Repeater)

• 네트워크를 연장하기 위한 장비

• 불분명해진 신호 세기를 다시 증가시키는 역할

• 최근에는 리피터가 모든 네트워크 장비에 공통으로 들어가는 기능이 됨.

허브(Hub)

• 요즘 쓰이는 스위치의 예전 형태

• 허브는 스위치와 형태나 사용 방법이 같지만 패킷을 모든 곳에 똑같이 복사해서 보내는 것이 다름(스위치는 목적지에만 데이터를 전송)

2계층: 데이터 링크 계층(Data Link Layer)

• 물리적 링크를 이용하여 신뢰성 있는 데이터를 전송하는 계층으로, 네트워크를 통해 데이터를 전송할 때 전송로 역할을 한다.

• 데이터 링크 계층에서는 비트를 프레임이라는 논리적 단위로 구성했다.

• OSI 참조 모델 7계층 중 데이터 링크 계층은 하위 계층인 두 번째 계층으로, 물리 계층의 바로 위에 위치한다.

• 시스템 간에 오류 없이 데이터를 전송하려고 네트워크 계층에서 받은 데이터 단위(패킷)을 프레임으로 구성하여 물리 계층으로 전송한다.

• 위의 그림은 물리 주소 14인 노드가 물리 주소 93인 노드로 프레임을 보내고 두 노드는 링크로 연결되어 있다.

• 이 프레임은 헤더에 물리 주소가 있는데, 여기서는 데이터 링크 계층에서 해당 물리 주소로 통신이 가능함

헤더의 끝에는 필요한 정보가 들어 있음 트레일러에는 오류를 검출하는 특별한 비트들이 있음

MAC 주소

• 데이터 링크 계층의 물리적인 주소: 랜 카드나 네트워크 장비의 하드웨어 주소(MAC 주소)

MAC 주소

• 총 12개의 16진수로 구성
• 앞쪽 6개는 네트워크 카드를 만든 회사(OUI: Organizationally Unique Identifier)를 뜻하고, 뒤쪽 6개는 호스트 식별자(Host Identifier)로 각 회사에서 임의로 붙이는 일종의 시리얼
• 같은 MAC 주소는 존재하지 않음.

데이터 링크 계층 프로토콜: 이더넷

• 제록스의 PARC(Palo Alto Research Center)에서 1970년대에 개발한 데이터 링크 계층의 프로토콜

CSMA/CD (Carrier Sense Multipul Access/Collision Detection)

• 이더넷의 통신 방식

• 이더넷 환경에서 통신을 하고 싶을 때, Carrier Sense를 수행함

• 복수개의 디바이스가 동시에 통신을 시작할 때, Collision이 발생하고 이를 Detection할 수 있음

• Collision Detection이 일어난 후, 랜덤한 시간을 기다린 후 데이터를 다시 보냄

데이터 링크 계층 장비

브리지(Bridge)

• 랜(LAN)과 랜(LAN)을 연결하는 초기의 네트워크 장치

• 데이터 링크 계층에서 통신 선로를 따라서 한 네트워크에서 그 다음 네트워크로 데이터 프레임을 복사하는 역할

Bridge는 Collision이 커지는 것을 막고, Collision들을 단절시킴.

스위치(Switch)

• 기본적으로 데이터 링크 계층에서 작동하는 스위치를 뜻함(L2 스위치)

• 허브의 단점인 Collision Domain의 확대를 해결

L2 스위치는 연결된 시스템이 늘어날수록 패킷 간 충돌 때문에 매우 낮은 속도로 동작하는 더미 허브의 문제점을 해결하는 획기적인 방안

• 과거에는 브릿지를 통해서 Collision Domain을 나누었지만, 현재는 스위치가 인기가 많음

스위치의 MAC주소 테이블

시스템 간의 원활한 통신을 위해 주소 테이블을 생성하고 관리하는 역할

3계층: 네트워크 계층(Network Layer)

• 랜(LAN)을 벗어난 통신을 하기 위해 네트워크 계층에서는 IP 주소를 사용한다.

• 라우팅 프로토콜을 사용하여 최적의 경로를 선택한다.

• 네트워크 계층은 데이터를 패킷 단위로 분할하여 전송한 후 재결합한다.

• OSI 참조 모델 7계층 중 네트워크 계층은 세 번째 계층으로, 패킷을 송신 측에서 수신 측으로 전송한다.

네트워크 계층 프로토콜

• ARP
• IP
• ICMP
• IGMP

ARP (Address Resolution Protocol)

• 데이터를 전달하려는 IP 주소의 통신에 필요한 물리적인 주소(MAC)를 알아내는 프로토콜

• 선택된 매체에 브로드캐스트를 통해 특정 IP 주소를 사용하는 호스트가 응답을 하도록 요구하는 방식을 사용

IP (Internet Protocol)

• 가장 대표적인 네트워크 계층의 프로토콜

• 하위 계층의 서비스를 이용하여 두 노드 간의 데이터 전송 경로를 확립해주는 역할 (단말장치 간 패킷 전송 서비스)

IP 주소 체계

• 32자리 2진수로, 8자리마다 점을 찍어 구분

• A, B, C, D, E 클래스로 구분하는데 각 클래스는 네트워크 부분과 호스트 부분으로 구성

• A, B, C 클래스는 맨 앞부분에 시작하는 2진수 숫자에 따라 구분

사설 네트워크: 사설 네트워크는 공인 네트워크 주소 부족 현상을 해결하기 위해 많이 사용

ICMP (Internet Control Message Protocol)

• ICMP는 호스트 서버와 인터넷 게이트웨이 사이에서 메시지를 제어하고 오류를 알려주는 프로토콜이다.

• 대표적인 툴은 ping.

• ICMP Echo Request 메시지: 송신측의 전송 패킷이 목적지 노드나 라우터에 잘 도착했는지를 확인하는데 사용

IGMP (Internet Group Management Protocol)

• 멀티캐스트에 관여하는 프로토콜

• 멀티캐스트 그룹을 관리하는 역할

네트워크 계층 관련 장비

라우터(Gateway)

• 네트워크의 대표적인 장비, 게이트웨이라고도 한다.

• 논리적으로 분리된 둘 이상의 네트워크를 연결.

• 로컬 네트워크에서 브로드캐스트를 차단하여 네트워크를 분리.

• 패킷의 최적 경로를 찾기 위한 라우팅 테이블을 구성.

• 패킷을 목적지까지 가장 빠르게 보내는 길잡이 역할을 담당.

정적 라우팅

• 관리자 권환으로 특정 경로를 통해서만 패킷이 지날 수 있도록 설정

• 네트워크 변경사항이 발생할경우 라우팅 테이블을 수동으로 직접 고쳐야한다.

• 보안이 중요한 경우 선택된다.

특징

• 초기에 관리자가 다양한 라우팅 정보를 분석한 최적의 경로 설정 가능
• 라우팅 알고리즘을 통한 경로 설정이 이루어지지 않아 처리 부하 감소
• 네트워크 환경 변화에 대한 능동적인 대처가 어려움
• 네트워크 환경 변화 시 관리자가 경로를 재산출하여 각 라우터에 제공해야 함
• 비교적 환경 변화가 적은 형태의 네트워크에 적합

동적 라우팅

• 라우터가 네트워크 연결 상태를 스스로 파악하여 최적의 경로를 선택해 전송

• 네트워크 변경사항이 발생할경우 자동으로 문제를 해결

특징

• 경로 설정이 실시간으로 이루어져 네트워크 환경 변화에 능동적으로 대처 가능
• 라우팅 알고리즘을 통해 자동으로 경로 설정이 이루어져 관리가 쉬움
• 주기적인 라우팅 정보 송수신으로 인한 대역폭 낭비 초래
• 네트워크 환경 변화 시 라우터의 처리 부하 증가로 지연이 발생
• 수시로 환경이 변하는 형태의 네트워크에 적합

4계층: 전송 계층(Transport Layer)

• 프로토콜(TCP, UDP)과 관련된 계층으로 오류 복구와 흐름 제어 등을 담당, 두 시스템 간에 신뢰성 있는 데이터를 전송함

• 네트워크 계층에서 전송한 데이터와 실제 운영체제의 프로그램이 연결되는 통신 경로

• 네트워크 계층에서 온 데이터를 세션 계층의 어느 애플리케이션에 보낼 것인지 판독하고, 전송할 경로(Port, 포트)를 선택함

포트 주소

• 전송 계층의 대표 프로토콜인 TCP(Transmission Control Protocol)가 가진 주소
• 0 ~ 65535(2^16-1)번까지 존재
• 0 ~ 1023(1,024)를 잘 알려진 포트(Well Known Port)라고 부름(보통 0번 포트는 사용하지 않는다)
• 즉, 포트는 TCP가 상위 계층으로 데이터를 전달하거나 상위 계층에서 TCP로 데이터를 전달할 때 상호 간에 사용하는 데이터의 이동 통로를 말함
• 파일을 동시에 다운로드할 수 있는 이유는 TCP 프로토콜이 포트를 여러 개 사용해서 상위 계층의 프로그램과 각각 따로 통신하기 때문이다.

전송 계층 프로토콜

TCP(Transmission Control Protocol)

• 연결 지향형 프로토콜
• IP와 함께 통신을 하는 데 반드시 필요한 가장 기본적인 프로토콜

특징

• 높은 신뢰성

• 가상 회선 연결 방식

• 연결의 설정과 해제

  Three-Way Handshaking

  

• 연결 해제*

  

• 데이터 체크섬

• 시간 초과와 재전송

• 데이터 흐름 제어

UDP(User Datagram Protocol)

• 비연결 지향형 프로토콜
• 상대방이 보낸 응답을 확인하지 않아 네트워크에 부하를 주지 않음.
• 데이터 자체의 신뢰성이 없어 수신한 데이터의 무결성을 보장받지 못함.

특징

• 비연결 지향형

• 네트워크 부하 감소

• 비신뢰성

• 전송된 데이터의 일부가 손실됨.

5계층: 세션 계층(Session Layer)

• 응용 프로그램 계층 간의 통신을 제어하는 구조를 제공하려고 응용 프로그램 계층 사이의 접속을 설정, 유지, 종료시켜주는 역할을 함

• 세션 계층은 OSI 참조 모델의 상위 계층인 다섯 번째 계층으로, 통신장치 간의 설정을 유지하고 동기화하는 역할을 함

6계층: 표현 계층(Presentation Layer)

• 데이터 표현 차이를 해결하려고 서로 다른 형식으로 변환하거나 공통 형식을 제공하는 계층

• 송신 측에서는 수신 측에 맞는 형태로 변환하고, 수신 측에서는 응용 계층에 맞는 형태로 변환함

• 또한 그래픽 정보는 JPEG 형태로, 동영상은 MPEG 형태로 변환하여 송수신하는 기능과 데이터 압축 및 암호화 기능 등을 제공함

• 표현 계층은 OSI 참조 모델의 상위 계층인 여섯 번째 계층으로, 송신 측과 수신 측 사이에서 표준화된 데이터 형식을 규정함

7계층: 응용 계층(Application Layer)

• 관련 응용 프로그램이 별도로 존재하며, 여러 가지 프로토콜에 대하여 사용자 인터페이스를 제공

• 파일 전송, 데이터베이스, 원격 접속, 이메일 전송 등 응용 서비스를 네트워크에 접속시키는 역할을 하며, 여러 가지 서비스를 제공함

• 사용자에게 정보를 입력받아 하위 계층으로 전달하고, 하위 계층에서 전송한 데이터를 사용자에게 전달함

• 응용 계층은 OSI 참조 모델의 최상위 계층인 일곱 번째 계층으로, 실제로 통신의 최종 목적에 해당하는 가장 중요한 계층임

응용 계층(Application Layer) 프로토콜

FTP(File Transfer Protocol, 20, 21)

• 파일 전송을 위한 가장 기본적인 프로토콜

• 1972년, 텔넷과 함께 표준으로 제정

• 클라이언트와 서버가 대화형으로 통신 가능

Telnet(텔넷, 23)

• 사용자가 원격에 있는 서버에 로그인하도록 TCP 연결을 설정

• 단말기가 원격 컴퓨터 바로 옆에 있는 것처럼 직접 조작할 수 있게 해줌.

POP3 & IMAP(110, 143)

• POP3(110): 메일 서버로 전송된 메일을 확인할 때 사용하는 프로토콜

• IAMP(143): POP3와 기본적으로 같으나, 메일을 읽은 후 메일이 서버에 남음.

SMTP(Simple Mail Transfer Protocol, 25)

• 메일 서비스

DNS(Domain Name System, 53)

• 도메인 이름 주소를 통해 IP 주소를 확인할 수 있는 프로토콜

TFTP(Trivial File Transfer Protocol, 69)

• 파일을 전송하는 프로토콜

• UDP 패킷을 사용하고, 인증 기능을 제공하지 않음.

HTTP(HyperText Transfer Protocol, 80)

• 인터넷을 위해 사용하는 가장 기본적인 프로토콜

프로토콜에 대한 이해

• 본래 의미는 외교에서 의례 또는 의정서

  톰 마릴이 '컴퓨터와 컴퓨터 사이에서 메시지를 전달하는 과정'이라 정의

프로토콜의 3요소

• 구문(Syntax): 데이터의 구조나 포맷

• 의미(Semantics): 전송되는 데이터의 각 부분이 무엇을 뜻하는 지를 알 수 있게 미리 정해둔 규칙 (데이터 자체뿐만 아니라 오류 제어, 동기 제어, 흐름 제어를 포함)

• 순서(Timing): 어떤 데이터를 보낼 것인지와 얼마나 빠르게 보낼 것인지 를 정의

프로토콜의 기능

• 주소 설정(Addressing): 서로 다른 시스템의 두 개체가 통신을 하는 경우 필요

• 순서 제어(Sequence Control): 프로토콜 데이터 단위를 전송할 때 보내는 순서를 명시하는 기능(연결 지향형 (Connection-Oriented)에만 사용)

• 데이터 대열의 단편화 및 재조합(Fragmentation & Reassembly): 대용량 파일을 전송할 때 전송 효율이 높은 작은 단위로 나누어 전송한 뒤 전송받은 시스템에서 이를 재조합 해야 함.

• 캡슐화(Encapsulation): 데이터에 제어 정보를 추가

• 연결 제어(Connection Control): 연결 설정, 데이터 전송, 연결 해제에 대한 통제 수행

• 흐름 제어(Flow Control): 송신측 개체로부터 오는 데이터의 양이나 속도를 조절하는 기능. 송신측과 수신측의 속도 차이 등으로 인한 정보 유실을 방지.

• 오류 제어(Error Control): 두 개체에서 데이터를 교환할 때 오류가 발생할 경우, 이를 제어하는 기법. 순서를 검사하거나 특정 시간 안에 받지 못하면 재전송을 요구하는 방식으로 이루어짐.

• 동기화(Synchroniztion): 두 개체 간에 데이터를 전송할 때 각 개체는 특정 타이머 값이나 윈도우 크기 등을 통해 동시에 정의된 인자 값을 공유하는 것.

• 다중화(Multiplexing): 통신 선로 하나에서 여러 시스템을 동시에 통신할 수 있는 기법

• 전송 서비스: 우선순위 결정, 서비스 등급과 보안 요구 등을 제어하는 서비스

뒤에서 각 계층의 프로토콜을 공부한 뒤, 다시 보는 것이 좋다.

네트워크 보안의 영역

• 어떻게 나쁜 사람들이 컴퓨터 네트워크를 공격하는가
• 어떻게 우리가 공격에 맞서 네트워크를 막을 수 있는가
• 어떻게 공격에 면역이 되도록 구조를 디자인할 수 있는가

네트워크 보안의 필요성

인터넷은 원래 보안 요소가 설계되지 않았었다.

하지만 나쁜 마음을 먹은 사름들이 생기면서 보안 고려사항은 모든 계층에 적용되었다!

호스트를 통한 공격

malware가 침입하는 방법

• 바이러스(virus): 수신/수신 대상(예: 전자 메일 첨부)에 의한 자가 감염
• 웜(worm): 스스로 실행되는 개체를 수동적으로 수신하여 자가 감염

spyware malware

스파이웨어 악성 프로그램은 키 입력, 방문한 웹 사이트, 업로드 등을 수집 사이트에 저장할 수 있다.

botnet

호스트를 감염시켜 botnet으로 등록시킬 수 있다.

이 방법은 스팸 전송이나 디도스(DDos) 공격에 사용된다.

서버와 네트워크 인프라에 대한 공격

도스(Denial of Service): 공격자는 가짜 트래픽으로 리소스를 압도하여 합법적인 트래픽에 리소스(서버, 대역폭)를 사용할 수 없게 만든다.

스니핑(Sniffing)

• 브로드캐스트 방법에서 사용된다.
• 공격자가 모든 패킷을 읽고, 기록할 수 있다.

IP 스푸핑(IP spoofing)

공격자가 송신지 주소를 속여 패킷을 전송한다.

보안 계층

보안 계층은 이처럼 인터넷 계층 전부에 적용되어 있다!

참고자료: Wireshark

오픈소스 기반 네트워크 패킷 모니터링 툴이다. 패킷의 송수신을 확인할 수 있다.

프로토콜 "계층"

네트워크는 복잡하고, 많은 구성요소들로 이루어져 있다.

• 호스트
• 라우터
• 다양한 매체의 링크
• 어플
• 프로토콜
• 하드웨어 및 소프트웨어

왜 계층화 하는가?

복잡한 시스템을 다루기 위해서!

• 명시적 구조는 복잡한 시스템 조각의 식별과 관계를 가능하게 한다.
• 모듈화를 통해 시스템 유지 보수 및 업데이트 용이해진다.

인터넷 프로토콜 구조

• Application: 네트워크 응용 프로그램 지원

  Ex) FTP, SMTP, HTTP

• Transport: 프로세스와 프로세스 간 데이터 전송

  Ex) TCP, UDP

• Network: 원본에서 대상으로 datagram 라우팅

  Ex) IP, 라우팅 프로토콜

• Link: 인접 네트워크 요소 간의 데이터 전송

  Ex) 이더넷, WiFi

• Physical: "전선상의" 비트

OSI와 실제 인터넷 프로토콜의 차이점

OSI는 7계층으로 표현 계층과 세션 계층이 추가되어 있다!!

하지만, 실제 인터넷에서는 이 두가지를 Application 계층에서 해결한다!

캡슐화 과정

어떻게 지연과 손실이 발생하는가?

라우터 버퍼 안에 패킷 대기열을 생각해보자.

• 패킷들이 링크에 도착하는 속도가 출력 링크 용량보다 클 경우 지연이 발생한다.

• 대기열에 있는 패킷들은 자신의 순서를 기다린다.

패킷 지연의 요소 - 4가지

전체 노드 지연은

1) 노드 처리 지연(nodal processing delay) 2) 큐 지연(queueing delay) 3) 전송 지연(transmission delay) 4) 전파 지연(propagation delay)

이 네 요소의 합으로 이루어진다.

노드 처리 지연(nodal processing delay)

• 비트 에러를 체크
• 출력 링크를 결정
• 일반적으로 매우 짧다.

큐 지연(queueing delay)

• 출력 링크에서 전송을 위해서 기다리는 시간
• 라우터의 성능에 따라 달라진다.

전송 지연(transmission delay)

• L: packet length (bits)
• R: link bandwidth (bps)
• 전송 지연 = L/R

전파 지연(propagation delay)

• d: 물리적 링크의 길이
• s: 전파 속도 (통신 매체에 따라 다름)
• 전파 지연 = d/s

전송(transmission) 지연 vs 전파(propagation) 지연

큐 지연

• R: 링크 대역폭 (bits/sec)

• L: 패킷 길이 (bits)

• a: 평균 패킷 도착 속도 (packets/sec)

• La/R: traffic intensity(큐가 무한하다고 가정할 때)

• La/R이 0에 가까울 경우, 큐 지연이 작다.

• La/R이 1에 가까울 경우, 큐 지연이 크다.
• La/R > 1, 평균 지연이 무한대이다.

패킷 손실

실제로 링크 앞에 있는 대기열은 용량이 유한하다.

그래서 패킷 딜레이는 무한대까지 도달하지 않는다. 대신 패킷 손실이 발생한다!

큐가 꽉차있는 곳에 패킷이 도착할 경우, 라우터는 패킷을 버린다. 이때, 패킷이 손실되는 것이다.

• 손실된 패킷은 이전 노드, 소스 엔드 시스템에 의해 재전송되거나 전혀 전송되지 않을 수 있다.

처리량

정의: 송신자/수신자 간에 비트가 전송된 속도(bits/time unit)

처리량과 관련된 문제

네트워크의 각 link의 capacity가 다를 수 있다! 이런 상황에서 자기가 가지고 있는 capacity를 낭비하거나 패킷이 버려지게 된다.

*그렇다면 어떻게 해결해야 할까? *

가장 좁은 길을 파악해서 그 좁은 길의 용량만큼 보내야 한다. 가장 좁은 길(가장 성능 낮은 link)을 bottleneck이라고 한다. 결국 이 bottleneck link가 전체 성능을 좌지우지한다.

위 그림에서는 각각 순서대로 Rs link와 Rc link가 bottleneck이다.

인터넷 시나리오

보통 R이 Rc와 Rs보다 큰 경우가 많기 때문에, Rc나 Rs가 주로 bottleneck이 된다.

라우터들의 연결들로 구성되어 있다.

네트워크에서 데이터가 움직이는 것은 패킷 교환과 회로 교환 두 가지 방법이 존재한다!

패킷 교환

패킷이란?

네트워크 어플에서 종단 시스템은 서로 메시지를 교환한다.

• 호스트는 긴 메시지를 패킷이라 불리는 작은 데이터의 모임들로 나눈다.

각 패킷은 통신 연결과 패킷 스위치 사이를 떠돌아다닌다.

패킷: 데이터 통신의 단위!

패킷 교환: 저장-전달

대부분의 패킷 스위치는 저장-전달 기법을 전송에 사용한다.

저장 전달 기법

• 패킷 스위치는 패킷의 처음 비트를 보내기 전에 무조건 전체 패킷을 수신해야 한다.

End to End Delay = 2 * (L/R)

3개의 패킷이 전송되는 데 걸리는 시간

• L/R일 때, 라우터는 첫 번째 패킷을 보내기 시작한다.
• 2L/R일 때, 목적지에서 첫 번째 패킷을 받고, 라우터는 두 번째 패킷을 받는다.
• 3L/R일 때, 목적지에서 두 번째 패킷을 받고, 라우터는 세 번째 패킷을 받는다.
• 4L/R일 때, 목적지에서 세 개의 모든 패킷을 받았다.

패킷 교환: 대기열 지연 및 패킷 손실

각각의 패킷 스위치는 여러 개의 링크가 연결되어 있다.

각각의 링크에 대해 패킷 스위치는 출력 버퍼(출력 대기열)를 가지고 있다.

대기열과 지연

• 패킷의 도착 속도 > 패킷의 전송 속도: 패킷은 대기열에 머무르게 되고, 전송되기를 기다린다.
• 버퍼가 가득 찼을 때, 패킷은 손실될 수 있다.

패킷 교환: 전달 및 라우팅

• 전달: 라우터의 입력에서 적절한 라우터 출력으로 패킷이 이동한다.

• 라우팅: 라우팅 알고리즘을 통해 소스-대상 경로를 결정한다.

회로 교환

회로 교환에서는 통신 기간 동안 리소스(리소스, 링크 전송 속도)가 예약되어있다.

• Ex) 전화 네트워크

  패킷 교환에서는 리소스들이 예약되어 있지 않다!

회로 교환의 종류: FDM, TDM

링크의 회로는 주파수 분할 다중화(FDM) 또는 시분할 다중화(TDM)로 구현된다.

FDM

TDM

TDM은 하나의 전송로 대역폭을 시간 슬롯(Time Slot)으로 나누어 채널에 할당함으로써 몇 개의 채널들이 한 전송로의 시간을 분할하여 사용한다.

패킷 교환 vs 회로 교환

패킷 교환은 회로 교환보다 더 많은 사용자를 유치할 수 있다.

각 사용자가 활동할 확률이 있고, 활동을 할 때만 네트워크를 사용하기 때문이다!

패킷 교환에서의 주의사항

하지만 패킷 교환에서는 과도한 혼잡(패킷 딜레이 및 손실)이 가능하다

안정적인 데이터 전송, 혼잡 제어를 위해 프로토콜이 필요된다!!

네트워크들의 네트워크

종단 시스템은 접속 ISP를 통해 인터넷으로 연결된다.

어느 호스트끼리든 송수신을 할 수 있도록 접속 ISP들은 모두 다 서로 연결되어 있어야 한다!

접속 ISP들끼리 연결

하나의 글로벌 전송 ISP에 연결

여러 개의 글로벌 전송 ISP에 연결(IXP의 필요)

글로벌 전송 ISP는 비즈니스적으로 사업이 되기에 여러 기업들이 경쟁자로 존재할 수 있다.

그리고 글로벌 전송 ISP들끼리도 연결되어야 하기에 IXP(Internet eXchange Point)가 존재한다.

지역 네트워크에서 글로벌 전송 ISP로 연결

ISP에 접속망을 연결하기 위해 지역 네트워크가 발생할 수 있다.

콘텐츠 제공자 네트워크

구글과 같은 콘텐츠 제공자가 종단 사용자들과 가깝게 서비스와 콘텐츠를 제공하기 위해서 네트워크를 독자적으로 가동할 수도 있다.

네트워크 구조를 자세하게 살펴보자

1) 종단 시스템(Network edge)

호스트: 클라이언트와 서버

2) 접속 네트워크(Access networks)

집, 기업, 모바일 등

3) 물리적 매체(Physical media)

선으로 연결되있거나, 무선으로 되어있는 것들

접속 네트워크와 물리적 매체

종단 시스템과 라우터들이 어떻게 연결될 수 있을까?

• 집 접속 네트워크

• 기관 접속 네트워크
• 모바일 접속 네트워크

유의해야 될 사항

• 접속 네트워크의 대역폭

• 공유(shared)되는가? 아니면 전담 마크(dedicated)되는가?

집 접속: DSL

Digital Subscriber Line (DSL)

중앙 사무실 DSLAM에 기존 전화선을 사용하는 방법

• 데이터는 DSL 라인을 따라 인터넷으로 가고,

• 음성은 DSL 라인을 따라 전화 네트워크로 간다.

• 전송 속도 < 2.5 Mbps (대체적으로 1 Mbps 이하)

• 다운 속도 < 24 Mbps (대체적으로 10 Mbps 이하)

집 접속: Cable Internet Access

HFC(Hybrid Fiber Coax): 동축 및 광섬유 케이블의 혼용

• 집들은 cable head end에 대한 접속 네트워크를 공유한다.

• DSL과 달리, 중앙 사무실에 전용 접근 권한을 가진다.

• 전송 속도: 2 Mbps

• 다운 속도: 30 Mbps

집 접속: FTTH

FTTH(Fiber to the home)

• 광섬유 연결을 중앙 사무실에서 집까지 보장한다.

인터넷 접속 속도를 Gbps로 제공한다.

기업 접속: Ethernet

• 주로 회사, 대학 등에서 사용한다
• 전송 속도: 10 Mbps, 100Mbps, 1Gbps, 10Gbps

  오늘날, 종단 시스템은 대체적으로 이더넷 스위치에 연결되어 있다.

물리적 매체

비트는 물리적 매체에 전자파 또는 광학 펄스를 전파하여 전송된다.

전파는 송수신자가 같은 타입의 전송 방법일 필요는 없다!

물리적 매체의 종류

• 유도 매체(guided media): 신호가 견고한 매체를 통해 전달된다. Ex) 구리, 동축 케이블, 광섬유 등

• 비유도 매체(unguided media): 신호가 자유롭게 전달된다. Ex) 라디오

물리적 매체: 두 쌍의 꼬인 구리 선

Twisted-Pair Copper Wire

두 개의 절연 구리선

UTP(Unshielded twisted pair)

UTP는 컴퓨터 네트워크에 주로 쓰인다. 대표적인 것이 LAN이다.

데이터 속도의 영향 요소

• 와이어의 굵기
• 송수신자간의 거리

• Category 5: 100Mbps, 1Gbps Ethernet

• Category 6: 10Gbps

STP Cable은 쉴드로 덮여있는 케이블이다

물리적 매체: 동축 케이블

트위스트 페어처럼 동축 케이블은 두 개의 구리 도체로 구성된다. 하지만 두 도체는 평행하기보다는 동심원형이다.

케이블 TV에서 주로 보인다

물리적 매체: 광섬유

• 광섬유는 빛의 펄스를 전도하는 얇고 유연한 매체로, 각각의 펄스는 비트를 나타낸다.

  광섬유는 전자기 간섭에 면역이 되어 있어 장거리 연결에 사용된다

물리적 매체: 라디오

• 신호가 전자기 스펙트럼을 통해 전달된다.
• 물리적인 선이 없다.

Ex) LAN (Wifi), Celluar, Satellite

전송에 영향을 주는 환경 요소

• 반사

• 장해물
• 간섭요소

구성요소

1) 수많은 연결된 컴퓨터 기계

• hosts = end systems
• 작동하는 네트워크 앱들

2) 통신 연결

• 섬유, 구리, 라디오, 위성
• 전송 속도: 대역폭

3) 패킷, 스위치

• 라우터와 스위치

4) 인터넷: 네트워크들의 네트워크

• 연결된 ISP들

5) 메시지들의 송수신을 컨트롤하는 프로토콜

• Ex)TCP, IP, HTTP, ...

  프로토콜이란?

  프로토콜은 메시지 송수신간에 수행된 작업, 네트워크 개체들간의 메시지들이 오고 가는 것의 순서, 형식들을 규정한다

6) 인터넷 기준

• Internet Engineering Task Force(IETF)에서 Request for comment(RFC)라는 표준 문서들을 개발함

서비스의 종류

1) 앱들에게 서비스를 제공하는 인프라

• Ex) Web, VoIP, email, games, e-commerce, social nets, ...

2) 소켓 인터페이스

• 인터넷에 연결할 수 있도록 앱들에게 송수신을 허락한다
• 우편 서비스와 유사한 서비스 옵션을 제공한다