• 인터넷에서 컴퓨터들이 서로 정보를 주고받는 데 쓰이는 프로토콜의 집합
• 이를 TCP/IP 4계층 또는 OSI 7계층 모델로 설명하기도 함

2.2.1 계층 구조

• OSI 계층은 애플리케이션 계층을 세 개로 쪼개고 링크 계층을 데이터 링크 계층, 물리 계층으로 나눠서 표현하는 것이 다르며, 인터넷 계층을 네트워크 계층으로 부른다는 점이 차이

• 특정 계층이 변경되었을 때 다른 계층이 영향받지 않도록 설계 (ex. 전송 계층에서 TCP를 UDP로 변경했다고 해서 인터넷 웹 브라우저를 다시 설치해야 하는 것은 X. 유연하게 설계)

1. 애플리케이션 계층

• FTP, HTTP, SSH, SMTP, DNS 등 응용 프로그램이 사용되는 프로토콜 계층. 웹 서비스, 이메일 등 서비스를 실질적으로 사람들에게 제공하는 층

**FTP

• 장치와 장치 간의 파일을 전송하는데 사용되는 표준 통신 프로토콜

**SSH

• 보안되지 않은 네트워크에서 네트워크 서비스를 안전하게 운영하기 위한 암호화 네트워크 프로토콜

**HTTP

• World Wide Web을 위한 데이터 통신의 기초이자 웹 사이트를 이용하는 데 쓰는 프로토콜

**SMTP

• 전자 메일 전송을 위한 인터넷 표준 통신 프토로콜

**DNS

• 도메인 이름과 IP 주소를 매핑해주는 서버
• 예를 들어, www.naver.com에 DNS 쿼리가 오면 [Root DNS] -> [.com DNS] -> [.naver DNS] -> [.www DNS] 과정을 거쳐 완벽한 주소를 찾아 IP 주소를 매핑
• 이를 통해 IP 주소가 바뀌어도 사용자들에게 똑같은 도메인 주소로 서비스 가능

2. 전송 계층

• 전송 계층은 송신자와 수신자를 연결하는 통신 서비스를 제공하며 연결 지향 데이터 스트림 지원, 신뢰성, 흐름 제어를 제공
• 애플리케이션과 인터넷 계층 사이의 데이터가 전달될 때의 중계 역할
• TCP, UDP
• TCP는 패킷 사이의 순서를 보장하고 연결지향 프로토콜을 사용해서 연결을 하여 신뢰성을 구축해서 수신 여부를 확인하며 '가상회신 패킷 교환 방식' 사용
• UDP는 순서를 보장하지 않고 수신 여부를 확인하지 않으며 단순히 데이터만 주는 '데이터그램 패킷 교환 방식' 사용

**가상회선 패킷 교환 방식

• 각 패킷에는 가상회선 식별자가 포함되며 모든 패킷을 전송하면 가상회선이 해제되고 패킷들은 전송된 '순서대로' 도착하는 방식

**데이터그램 패킷 교환 방식

• 패킷이 독립적으로 이동하며 최적의 경로를 선택해 가는데, 하나의 메시지에서 분할된 여러 패킷은 서로 다른 경로로 전송될 수 있으며 도착한 '순서가 다를 수' 있는 방식

**TCP 연결 성립 과정 신뢰성 확보할 때, '3-웨이 핸드셰이크(3-way handshake)' 진행

클라이언트가 서버와 통신할 때 세 단계의 과정을 거침

1. SYN 단계

• 클라이언트는 서버에 클라이언트의 ISN을 담아 SYN을 보냄
• ISN은 새로운 TCP 연결의 첫 번째 패킷에 할당된 임의의 시퀀스 번호. 장치마다 다를 수 O

2. SYN + ACK 단계

• 서버는 클라이언트의 SYN을 수신하고 서버의 ISN을 보내며 승인번호로 클라이언트의 ISN+1을 보냄

3. ACK 단계

• 클라이언트는 서버의 ISN+1한 값인 승인번호를 담아 ACK를 서버에 보냄

**SYN

• SYNchronization의 약자. 연결 요청 플래그

**ACK

• ACKnowledgement의 약자. 응답 플래그

**ISN

• Initial Sequence Numbers의 약자. 초기 네트워크 연결을 할 때 할당된 32비트 고유 시퀀스 번호

**TCP 연결 해제 과정 '4-웨이 핸드셰이크(4-way handshake)' 진행

1. 1번

• 먼저 클라이언트가 연결을 닫으려고 할 때, FIN으로 설정된 세그먼트 보냄. 클라이언트는 FIN_WAIT_1상태로 들어가고 서버의 응답을 기다림

2. 2번

• 서버는 클라이언트로 ACK라는 승인 세그먼트를 보내고 CLOSE_WAIT 상태에 들어감
• 클라이언트가 세그먼트를 받으면 FIN_WAIT_2상태에 들어감

3. 3번

• 서버는 ACK를 보내고 일정 시간 이후 클라이언트에 FIN 세그먼트 보냄

4. 4번

• 클라이언트는 TIME_WAIT 상태가 되고 다시 서버로 ACK를 보내서 서버는 CLOSED 상태가 됨.
• 이후 클라이언트는 어느 정도 시간을 대기한 후 연결이 닫히고 클라이언트와 서버의 모든 자원의 연결이 해제

왜 굳이 일정 시간 뒤에 연결을 닫을까? (TIME_WAIT)

• 1. 지연 패킷이 발생할 경우 대비하기 위함. 패킷이 뒤늦게 도달하고 이를 처리하지 못하면 데이터 무결성 문제 발생
• 2. 두 장치가 연결이 닫혔는지 확인하기 위함. 만약 LAST_ACK 상태에서 닫히게 되면, 다시 새로운 연결을 하려 할 때 장치는 줄곧 LAST_ACK로 되어 있어 접속 오류가 나타날 것

**TIME_WAIT

• 소켓이 바로 소멸되지 않고 일정 시간 유지되는 상태. 지연 패킷 등의 문제점을 해결할 때 쓰임.
• CentOS6, 우분투는 60초. 윈도우는 4분
• OS마다 조금씩 다를 수 O

**데이터 무결성(data integrity)

• 데이터의 정확성과 일관성을 유지하고 보증하는 것

3. 인터넷 계층

• 장치로부터 받은 네트워크 패킷을 IP 주소로 지정된 목적지로 전송하기 위해 사용되는 계층
• IP, ARP, ICMP 등이 있고, 패킷을 수신해야 할 상대의 주소를 지정하여 데이터를 전달
• 상대방이 제대로 받았는지에 대해 보장하지 않는 비연결적인 특징

4. 링크 계층

• 전선, 광섬유, 무선 등으로 실질적으로 데이터 전달
• 장치 간에 신호를 주고받는 '규칙'을 정하는 계층
• 네트워크 접근 계층이라고도 함
• 이를 물리 계층과 데이터 링크 계층으로 나누기도 하는데, 물리 계층은 무선 LAN과 유선 LAN을 통해 0과 1로 이루어진 데이터를 보내는 계층을 말함
• 데이터 링크 계층은 '이더넷 프레임'을 통해 에러 확인, 흐름 제어, 접근 제어를 담당하는 계층

**이더넷 프레임

• 데이터 링크 계층에서 사용되는 전송 기본 단위.
• 프레임은 데이터를 담는 컨테이너라고 보면 됨

**유선 LAN(IEEE802.3)

• 유선 LAN을 이루는 이더넷은 IEEE802.3이라는 프로토콜을 따르며 전이중화 통신을 사용

**전이중화(full duplex) 통신

• 양쪽 장치가 동시에 송수신할 수 있는 방식. 송신로와 수신로로 나눠서 데이터를 주고받으며 현대의 고속 이더넷은 이 방식을 기반으로 통신함

**CSMA/CD

• 이전에는 유선 LAN에 '반이중화 통신'중 하나인 CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) 방식 사용.
• 데이터를 '보낸 이후' 충돌이 발생한다면 일정 시간 이후 재전송하는 방식
• 수신로와 송신로를 각각 둔 것이 아니고 한 경로를 기반으로 데이터를 보내기 때문에, 데이터를 보낼 때 충돌에 대비해야 함

**유선 LAN을 이루는 케이블

• TP 케이블이라 불리는 트위스트 페어 케이블과 광섬유 케이블이 대표적

1. 트위스트 페어 케이블

• 여덟 개의 구리선을 두 개씩 꼬아 묶은 케이블

• 케이블은 구리선을 실드 처리하지 않고 덮은 UTP 케이블과 실드 처리하고 덮은 STP로 나눠짐.

• 우리가 많이 볼 수 있는 케이블은 UTP 케이블로 흔히 LAN 케이블이라고 함

• 랜선을 꽂을 수 있는 커넥터를 RJ-45 커넥터라고 함

2. 광섬유 케이블

• 광섬유로 만든 케이블
• 레이저를 이용하여 통신하기 때문에 구리선과 비교할 수 없을 만큼 장거리 및 고속 통신 가능
• 보통 100Gbps 데이터 전송
• 광섬유 내부와 외부를 다른 밀도를 가지는 유리나 플라스틱 섬유로 제작해서 한 번 들어간 빛이 내부에서 계속적으로 반사하며 전진하여 반대편 끝까지 가는 원리 이용

• 빛의 굴절률이 높은 부분을 코어, 낮은 부분을 클래딩

****무선 LAN(IEEE802.11)

• 수신과 송신에 같은 채널을 사용하기 때문에 반이중화 통신 사용

**반이중화 통신(half duplex)

• 양쪽 장치는 서로 통신할 수 있지만, 동시에는 통신할 수 없으며 한 번에 한 방향만 통신할 수 있는 방식

• 일반적으로 장치가 신호를 수신하기 시작하면 응답하기 전에 전송이 완료될 때까지 기다려야함
• 둘 이상의 장치가 동시에 전송하면 충돌이 발생하여 메시지가 손실되거나 왜골될 수 있어서 충돌 방지 시스템 필요

**CSMA/CA

• 반이중화 통신 중 하나로 장치에서 데이터를 보내기 전에 캐리어 감지 등으로 사전에 가능한 한 충돌을 방지하는 방식을 사용

과정

1. 데이터를 손싱하기 전에 무선 매체를 살핌
2. 캐리어 감지 : 회선이 비어 있는지 판단
3. IFS(Inter FrameSpace) : 랜덤 값을 기반으로 정해진 시간만큼 기다리며, 만약 무선 매체가 사용 중이면 점차 그 간격을 늘려가며 기다림
4. 이후에 데이터 송신

• 이와 반대되는 전이중화 통신은 양방향 통신이 가능하므로 충돌 가능성이 없기 때문에 충돌을 감지하거나 방지하는 메커니즘 필요 x

**무선 LAN을 이루는 주파수

• 무선 LAN (WLAN, Wireless Local Area Network)은 무선 신호 전달 방식을 이용하여 2대 이상의 장치를 연결하는 기술
• 비유도 매체인 공기에 주파수를 쏘아 무선 통신망 구축.
• 주파수 대역은 2.4GHz 대역 또는 5GHz 대역 중 하나를 써서 구축
• 2.4GHz는 장애물에 강하지만 전자레인지나 무선 등 전파 간섭이 일어나는 경우가 많음
• 5GHz는 사용할 수 있는 채널 수도 많고 동시에 사용할 수 있어서 상대적으로 깨끗한 전파 환경을 구축할 수 O

**와이파이(wifi)

• 전자기기들이 무선랜 신호에 연결할 수 있게 하는 기술
• 흔히 공유기라고 하는 무선 접속 장치(AP, Access Point) 필요
• 이를 통해 유선랜에 흐르는 신호를 무선랜 신호로 바꿔주어 신호가 닿는 범위 내에서 무선 인터넷 사용 가능
• 무선랜은 와이파이뿐만 아니라 지그비, 블루투스 등 더 있음

**BSS(Basic Service Set)

• 기본 서비스 집합. 단순 공유기를 통해 네트워크에 접속하는 게 아닌 동일 BSS 내에 있는 AP들과 장치들이 서로 통신이 가능한 구조
• 근거리 무선 통신 제공, 하나의 AP만을 기반으로 구축이 되어 있어 사용자가 한 곳에서 다른 곳으로 자유롭게 이동하여 접속하는 것은 불가

**ESS(Extended Service Set)

• 하나 이상의 연결된 BSS 그룹
• 장거리 무선 통신을 제공. BSS보다 더 많은 가용성과 이동성 지원.
• 사용자는 한 장소에서 다른 장소로 이동하며 중단없이 네트워크에 계속 연결할 수 O

**MAC 주소

• 컴퓨터나 노트북 등 각 장치에는 네트워크에 연결하기 위한 장치(LAN 카드)가 있는데, 이를 구별하기 위한 식별번호. 6바이트(48비트)

계층간 데이터 송수신 과정

• HTTP를 통해 웹 서버에 있는 데이터를 요청한다면?

• 애플리케이션 계층에서 전송 계층으로 보내는 요청 값들이 캡슐화 과정을 거쳐 전달되고, 다시 링크 계층을 통해 해당 서버와 통신을 하고, 해당 서버의 링크 계층으로 부터 애플리케이션까지 비캡슐화 과정을 거쳐 데이터가 전송

**캡슐화 과정

• 상위 계층의 헤더와 데이터를 하위 계층의 데이터 부분에 포함시키고 해당 계층의 헤더를 삽입하는 과정

• 애플리케이션 계층의 데이터가 전송 계층으로 전달되며 '세그먼트' / '데이터그램'화 되며 TCP(L4) 헤더가 붙여짐.
• 인터넷 계층으로 가며 IP(L3) 헤더가 붙여지게 되며 '패킷'화
• 이후 링크 계층으로 전달되며 프레임 헤더와 프레임 트레일러가 붙어 '프레임'화

**비캡슐화 과정

• 하위 계층에서 상위 계층으로 가며 각 계층의 헤더 부분을 제거하는 과정

• 캡슐화된 데이터를 받게 되면 링크 계층에서부터 타고 올라오며 프레임화된 데이터는 다시 패킷화를 거쳐 세그먼트, 데이터그램화를 거쳐 메시지화가 되는 비캡슐화 과정이 일어남
• 최종적으로, 사용자에게 애플리케이션의 PDU인 메시지로 전달됨

2.2.2 PDU (Protocol Data Unit)

• 네트워크의 어떠한 계층에서 계층으로 데이터가 전달될 때 한 덩어리의 단위

• 제어 관련 정보들이 포함된 '헤더', 데이터를 의미하는 '페이로드'로 구성

• 계층마다 부르는 명칭이 다름

• 애플리케이션 계층 : 메시지

• 전송 계층 : 세그먼트(TCP), 데이터그램(UDP)

• 인터넷 계층 : 패킷

• 링크 계층 : 프레임(데이터 링크 계층), 비트(물리 계층)

• ex. 애플리케이션 계층은 '메시지'를 기반으로 데이터를 전달하는데, HTTP의 헤더가 문자열인 것

• PDU 중 아래 계층인 비트로 송수신하는 것이 모든 PDU 중 가장 빠르고 효율성이 높음
• 하지만, 애플리케이션 계층에서는 문자열을 기반으로 송수신을 하는데, 그 이유는 헤더에 authorization 값 등 다른 값들을 넣는 확장이 쉽기 때문

• 노드(서버, 라우터, 스위치 등 네트워크 장치)와 링크(유선 / 무선)가 서로 연결되어 있거나 연결되어 있지 않은 집합체

** 라우터 -> 논리적 / 물리적으로 분리된 망 사이를 지나는 패킷의 위치에 따라 최적화된 경로를 지정하는 기능을 수행하는 장비

** 스위치 -> 네트워크 회선과 서버 컴퓨터를 연결하는 네트워크 장비.

• 허브는 단순히 한 포트로 신호가 들어오면 그 신호를 다른 모든 포트로 전달하는 것에 비해, 스위치는 필요로 하는 포트로만 신호를 전달

• 스위치에서는 허브에 비해 불필요한 트래픽이 감소

2.1.1 처리량과 지연시간

좋은 네트워크 -> 많은 처리량을 처리할 수 있으며 지연 시간이 짧고 장애 빈도가 적으며 좋은 보안을 갖춘 네트워크

** 처리량(throughput) -> 링크를 통해 전달되는 단위 시간당 데이터양

• 단위는 bps(bits per second)
• 사용자들이 많이 접속할 때마다 커지는 트래픽, 네트워크 장치간의 대역폭, 네트워크 중간에 발생하는 에러, 장치의 하드웨어 스펙에 영향을 받음

** 대역폭 -> 주어진 시간 동안 네트워크 연결을 통해 흐를 수 있는 최대 비트 수

** 지연시간(latency) -> 요청이 처리되는 시간. 어떤 메시지가 두 장치사이를 왕복하는 데 걸린 시간

• 매체 타입(무선 / 유선), 패킷 크기, 라우터의 패킷 처리 시간에 영향을 받음

** 패킷 -> 네트워크에서 데이터를 주고받을 때 사용되는 데이터 조각

• 소포, 통이라는 정의를 가지고 있음

2.1.2 네트워크 토폴로지와 병목현상

** 네트워크 토폴로지(network topology) -> 노드와 링크가 어떻게 배치되어 있는지에 대한 방식이자 연결 형태

1. 트리 토폴로지

• 계층형 토폴로지. 트리 형태로 배치한 네트워크 구성
• 장점 : 노드의 추가, 삭제가 쉬움
• 단점 : 특정 노드에 트래픽이 집중될 때 하위 노드에 영향을 끼칠 수 o

2. 버스 토폴로지

• 중앙 통신 회선 하나에서 여러 개의 노드가 연결되어 공유하는 네트워크 구성
• 근거리 통신망(LAN)에서 사용
• 장점 : 설치 비용이 적음(케이블 사용량이 적음). 신뢰성이 우수. 중앙 통신 회선에 노드를 추가하거나 삭제하기 쉬움
• 단점 : 스푸핑이 가능

** 스푸핑 -> LAN상에서 송신부의 패킷을 송신과 관련 없는 다른 호스트에 가지 않도록 하는 스위칭 기능을 마비시키거나 속여서 특정 노드에 해당 패킷이 오도록 처리하는 것

• 스푸핑을 적용하면, 올바르게 수신부로 가야할 패킷이 악의적인 노드에 전달되게 됨

3. 스타 토폴로지

• 중앙에 있는 노드에 모두 연결된 네트워크 구성
• 장점 : 노드 추가 쉬움. 에러 탐지 쉬움. 패킷의 충돌 발생 가능성이 낮음. 장애 노드가 중앙 노드가 아닌 경우 다른 노드에 영향이 적음
• 단점 : 장애 노드가 중앙 노드인 경우, 전체 네트워크 사용 불가. 설치 비용이 높음

4. 링형 토폴로지

• 각각의 노드가 양 옆의 두 노드와 연결하여 전체적으로 고리처럼 하나의 연속된 길을 통해 통신을 하는 망 구성 방식
• 장점 : 노드 수가 증가되어도 네트워크 상의 손실이 거의 없음. 충돌이 발생되는 가능성이 적음. 노드의 고장을 쉽게 찾을 수 있음
• 단점 : 네트워크 구성 변경이 어려움. 회선에 장애가 발생하면 전체 네트워크에 영향을 크게 끼침

5. 메시 토폴로지

• 망형 토폴로지라고도 함. 그물망처럼 연결되어 있는 구조 장점 : 한 단말 장치에 장애가 발생해도 여러 경로가 존재하여 네트워크를 계속 사용 할 수 있음. 분산 처리도 가능. 단점 : 노드의 추가가 어렵고 구축 비용과 운용 비용이 고가

** 병목(bottleneck) 현상 -> 전체 시스템의 성능이나 용량이 하나의 구성 요소로 인해 제한 받는 현상. (ex. 병의 몸통보다 목 부분 내부 지름이 좁아서 물이 상대적으로 천천히 쏟아지는 것과 비슷)

• 서비스나 이벤트를 열었을 때 트래픽이 많이 생기고 그 트래픽을 잘 관리하지 못하면 병목 현상이 생겨 사용자는 웹 사이트로 들어가지 못함

EX) 만약, 병목 현상이 일어나서 사용자가 서비스를 이용할 때 지연 시간이 길게 발생하는 경우

• 관리자들이 지연 시간을 짧게 만들기 위해 대역폭을 크게 설정했음에도 성능 개선 X

• 관리자가 네트워크 구조 확인 후, 서버와 서버 간 그리고 게이트웨이로 이어지는 회선을 추가하여 병목 현상 해결.

• 네트워크가 어떤 토폴로지를 갖고 어떤 경로로 이루어져있는지 알아야 병목 현상에 올바르게 대처 가능

2.1.3 네트워크 분류

• 분류 기준은 규모

1. LAN (Local Area Network)

• 근거리 통신망. 사무실과 개인적으로 소유 가능한 규모
• 같은 건물이나 캠퍼스 같은 좁은 공간에서 운영
• 전송 속도가 빠르고 혼잡 x

2. MAN (Metropolitan Area Network)

• 서울시 등 시 정도의 규모
• 도시 같은 넓은 지역에서 운영
• 전송 속도는 평균, LAN보다는 더 혼잡

3. WAN (Wide Area Network)

• 광역 네트워크. 세계 규모
• 국가 또는 대륙 같은 넓은 지역에서 운영
• 전송 속도는 낮음, MAN보다 더 혼잡

2.1.4 네트워크 성능 분석 명령어

• 애플리케이션 코드 상에서는 문제가 없는데, 사용자가 서비스로부터 데이터를 가져오지 못하는 상황이 발생하기도 함.
• 네트워크 병목 현상일 가능성이 있다.

** 네트워크 병목 현상의 주된 원인?

• 네트워크 대역폭
• 네트워크 토폴로지
• 서버 CPU, 메모리 사용량
• 비효율적인 네트워크 구성

-> 네트워크 관련 테스트와 네트워크와 무관한 테스트를 통해 '네트워크로부터 발생한 문제점'임을 확인하고 네트워크 성능 분석을 해봐야 함 이때 아래와 같은 명령어들이 사용된다.

1. ping(Packet INternet Groper) 네트워크 상태를 확인하려는 대상 노드를 향해 일정 크기의 패킷을 전송하는 명령어.

• 해당 노드의 패킷 수신 상태와 도달하기 까지의 시간 등을 알 수 있고, 해당 노드까지 네트워크가 잘 연결 되어 있는지 알 수 o

• TCP/IP 프로토콜 중 ICMP 프로토콜로 동작

• 해당 프로토콜을 지원하지 않는 기기를 대상으로는 시행할 수 없거나 네트워크 정책상 ICMP나 traceroute를 차단하는 대상의 경우 ping 테스팅은 불가

• ping [IP 주소 / 도메인 주소] 로 실행 가능

• n=12 옵션을 넣어 12번 패킷 보내고 받는 모습

2. nestat 접속되어 있는 서비스들의 네트워크 상태를 표시하는 데 사용.

• 네트워크 접속, 라우팅 테이블, 네트워크 프로토콜 등 리스트를 보여줌
• 주로 서비스의 포트가 열려 있는지 확인할 때 사용

3. nslookup DNS에 관련된 내용을 확인하기 위해 사용

• 특정 도메인에 매핑된 IP 확인 가능

• google.com의 DNS를 확인하는 모습

4. tracert 윈도우에서는 tracert, 리눅스에서는 traceroute

• 목적지 노드까지 네트워크 경로를 확인할 때 사용하는 명령어
• 목적지 노드까지 구간들 중 어느 구간에서 응답 시간이 느려지는지 등을 확인 가능

이외에도 ftp(대형 파일 전송 테스팅), tcpdump(노드로 오고 가는 패킷을 캡처) 등 명령어 존재 네트워크 분석 프로그램으로는 wireshark, netmon 이 있음

2.1.5 네트워크 프로토콜 표준화

** 네트워크 프로토콜 -> 다른 장치들끼리 데이터를 주고받기 위해 설정된 공통된 인터페이스, 기업이나 개인이 발표해서 정하는 것이 아니라 IEEE / IETF라는 표준화 단체가 정함

EX) 웹접속시 쓰이는 HTTP

• IEEE 802.3은 유선 LAN 프로토콜

-> 만든 기업이 다른 장치여도 서로 데이터를 수신할 수 O

** IEEE -> 전기전자공학자협회

** IETF -> 국제 인터넷 표준화 기구

참고 면접을 위한 CS 전공지식노트 토스페이먼츠 개발자센터

• 안정화된 버전이라고 하여... 저 버전들을 채택

Node.js란?

• 브라우저 밖에서도 (서버를 구축하는 등의) 자바스크립트를 실행할 수 있게 해주는 런타임 환경

NPM (Node Package Manager)

• 자바스크립트를 위한 패키지 관리자
• node.js설치시 같이 설치됨

Node.js는 구글에 치면 운영체제에 맞게 다운로드가 가능함

• 다운로드 탭 클릭 -> 맞는 버전과 운영체제 선택, 다운로드 후 설치
• 다운로드 후 해당 명령어로 버전 확인 가능

node --version

• Node.js: 20.18.2 (LTS)
• React: 18.2.0 (안정화된 버전이라고 함)
• TypeScript: 5.1.6
• Next.js: 14.0.0

프로젝트 생성을 원하는 폴더까지 들어간 후

CRA 이용하여 프로젝트 생성

npx create-react-app front

• 여기서 계속 오류가 나서 ... yarn이라는 걸 사용해서 프로젝트를 생성함

yarn 설치

npm install -g yarn

• 만약 이걸로 했을 때 권한 문제로 설치가 안된다면, sudo로 설치

sudo npm install -g yarn

yarn 으로 리액트 프로젝트 생성

yarn create react-app front

프론트 폴더로 이동

cd front

생성한 프로젝트 실행

npm run start

(localhost:3000)

• 이 화면이 뜨면 리액트 실행이 되는 것
• 코드 편집은 파이썬과 동일하게 vscode로 진행

실행종료

ctrl + c

프론트 폴더로 이동후 이걸 써보면 리액트 버전을 알 수 있음

npm list react react-dom

만약 리액트가 18.2.0으로 설치되지 않았다면, 삭제후 재설치로 다운그레이드 작업하고 넘어가기

npm uninstall react react-dom
npm install react@18 react-dom@18.2.0

• 신경망의 가중치 매개변수의 기울기를 수치미분으로 구하는 것보다 훨씬 빠르다. (해석적인 방법)
• 노드와 엣지로 구정된 계산 그래프를 가지고 시각적으로 이해할 수 있다.
  • 연쇄법칙을 이용하여 계산

역전파 계산 방법

1. 덧셈 노드

• 상류의 값를 다음 노드로 그대로 출력 (미분이 1)

2. 곱셈 노드

• 상류의 값에서 입력 신호들의 값을 서로 바꾸어 곱하여 출력 (미분이 반대 입력 신호)

3. ReLU 계층

• 순전파때 입력신호가 0보다 크면 상류의 값을 그대로 보냄
• 순전파때 입력신호가 0보다 작으면 값을 보내지 않음

4. Sigmoid 계층

• 순전파의 출력을 y라고 하면, 상류의 값에 y(1-y)를 곱한 값을 보냄

5. Affine 계층

• Affine 변환이란?
  • 순전파때 수행하는 행렬의 곱
• 4번까지는 노드 사이에 스칼라값이 흘렀지만, 이젠 행렬이 흐름
• 상류의 값에 입력신호의 전치행렬이 서로 바뀌어 곱해져서 흐름 (순서 주의. 행렬곱을 해야해서 차원이 맞아야함)

![] (https://velog.velcdn.com/images/organic_mint/post/2022b8cd-3111-4d8f-bfb2-eced616dab98/image.png)

6.Softmax-with-Loss 계층

• 신경망 학습시 출력 결과를 정규화하기 위해 Softmax계층이 필요
• 역전파의 값은 softmax계층의 출력값 (y)에서 정답 레이블 (t)의 차분
• 깔끔하게 나오도록 교차 엔트로피 함수가 설계됨

• 위의 그림을 간소화한 버전

• 훈련 데이터로부터 가중치 매개변수의 최적값을 자동으로 획득하는 것
• 손실함수가 최소화되는 쪽으로 학습

• 선형 분리 가능 문제는 유한 번의 학습을 통해 풀 수있다는 사실이 퍼셉트론 수렴 정리로 증명됨

손실함수

1. 오차제곱합 (sum of squares for error, SSE)

• yk는 신경망이 추정한 값
• tk는 정답 레이블
• k는 데이터의 차원 수

2. 교차 엔트로피 오차 (cross entropy error, CEE)

• 로그의 밑은 e
• 구현시, 마이너스 무한대가 되지 않도록 yk에 아주 작은 값인 delta를 추가로 더해줌

미니 배치 학습

• 훈련 데이터가 너무 많을 때, 일부만 무작위로 골라 학습에 사용하는 방법

** 경사 하강법 (gradient descent method) **

• 에타는 학습률 (갱신되는 양)

• 학습률이 너무 크면 큰 값으로 발산해버리고, 너무 작으면 거의 갱신되지 않은 채 끝나버림

• 학습률은 하이퍼파라미터 ( 시험을 통해 최적의 값을 사람이 직접 설정해야 함)

• 매개변수의 값을 갱신하는 방법. 신경망 학습에서 사용

• 현위치에서 기울어진 방향으로 일정 거리만큼 이동

• 함수의 극소값을 찾기 위해 정해진 만큼 수행. (잘하면 최소값도 가능)

• f는 최적화하려는 함수 (손실함수)

  • 손실함수가 최소값이 되는 매개변수를 찾아야함

** 확률적 경사 하강법 (stochastic gradient descent, SGD)**

• 데이터를 미니 배치로 가져와서 경사하강법을 시행하는 것

• 단층 네트워크에서 계단함수를 활성화 함수로 사용한 모델

다층 퍼셉트론

• 신경망(여러 층으로 구성되고 시그모이드 함수 등의 매끈한 활성화 함수를 사용하는 네트워크)

** 시그모이드 vs 계단함수**

• 공통점
  • 입력값에 관계없이 출력은 0 ~ 1 사이
  • 비선형 함수
• 차이점
  • 매끈함..

활성화 함수를 비선형 함수를 사용하는 이유

• 선형 함수를 사용한다면 층을 깊게 하는 의미가 없어진다. 선형 함수만으로 층을 깊게 쌓아도, 어차피 선형 함수이다.

** 출력층에서 사용하는 활성화 함수 선택 기준 **

• 일반적으로 회귀에는 항등 함수
• 분류에는 소프트맥수 함수

** 소프트맥스 함수 **

• 소프트맥스 구현시 오버플로우에 주의 (익스퍼넨셜 )

• 분자에 올라가는 익스퍼넨셜 지수에서 입력의 최댓값을 빼줘서 구현

• 출력 총합이 1 이어서 확률로 해석이 가능

** 백색화 **

• 전체 데이터를 균일하게 분포시키는 것

• 퍼셉트론(뉴런..노드..)은 가중치와 편향을 매개변수로 가지고 출력값을 낸다.

• 학습이란 적절한 매개변수 값을 정하는 작업이다.

• AND, OR, NAND 게이트는 단층 퍼셉트론으로 표현이 되는 반면, XOR 게이트(한쪽이 1일 때만 1)는 표현이 되지 않는다.

• 단층 퍼셉트론을 쌓은(연산을 더하여) 다층 퍼셉트론으로 비선형 영역을 표현할 수 있다.

• 입력값에 대해 NAND, OR 게이트를 통과하고, 이 출력들을 AND 게이트에 입력하면 XOR 게이트를 구현할 수 있다.

• 다층 퍼셉트론으로는 이론상 컴퓨터를 표현할 수 있다.

  • NAND 게이트의 조합만으로 테트리스가 작동하는 컴퓨터는 만들 수 있다고 한다..
  • the elements of computing systems: building a modern computer from first principles

파이썬 내장 함수를 사용해도 수학 계산을 할 수 있지만, numpy를 사용하면 더 편리한 수학 계산 함수를 지원하여 짧은 코딩으로 구현이 가능하고 계산이 더 빠르다.

1. 더 편리한 수학 계산 함수 지원

• ex) list 요소들 곱셈시 반복문+ * / np.dot

2. 더 빠른 계산 속도

• 계산해야하는 수가 많을 수록, 파이썬 내장함수와의 계산 시간 차이가 크다.
• 백만까지는 10배 차이가 나지만, 천만부터는 100배이상 차이가나기 시작한다.

넘파이가 파이썬보다 빠른 이유

1. 파이썬의 순서형 데이터 객체들은 컴퓨터 메모리에 연속되지 않은 곳에 저장이 되지만, np.array는 컴퓨터 메모리에 연속되어 저장되기 때문에 메모리 접근 속도에서 차이가 있다.

2. 넘파이는 계산시 해야할 계산들을 복수개의 프로세스로 나눠서 병렬처리로 계산한다.

3. 넘파이 함수는 C/C++로 제작이 되어 파이썬 내장함수에 비해 실행되는 명령어가 적다.