💡 주요 내용

① 쿠키 & 웹 스토리지: 상태가 없는(Stateless) HTTP에서 사용자 정보를 기억하는 방법 ② HTTP 캐시: 서버를 거치지 않고 저장된 사본을 재사용하여 성능을 높이는 기술 ③ 캐시 재검사: 유효 기간이 지난 캐시가 아직 쓸만한지 확인하고 재사용(304)하는 과정 ④ 콘텐츠 협상: 클라이언트 환경에 맞는 최적의 자원(언어, 타입 등)을 골라 응답하는 방식 ⑤ HTTPS & TLS: 인증서와 암호화 키 교환을 통해 안전한 보안 연결을 맺는 원리 ⚠️ 모든 내용은 '이것이 취업을 위한 컴퓨터 과학이다 with CS 기술 면접' 책을 참고하였습니다.

1. 응용 계층 - HTTP의 응용

1-1. 쿠키 (Cookie)

HTTP는 기본적으로 모든 요청이 독립적인 메시지로 간주되는 스테이트리스(Stateless) 프로토콜이다.

하지만 실무에서는 '로그인 상태 유지'나 '3일간 보지 않기' 같은 기능이 필요하므로, 이를 위해 서버가 클라이언트에 저장하는 데이터가 바로 쿠키이다.

➡️ 즉, 쿠키는 HTTP의 스테이트리스한 특성을 보완하기 위해 서버에서 생성되어 클라이언트 측에 저장되는 <이름, 값> 쌍 형태의 데이터이다.

쿠키의 저장 위치

클라이언트는 서버로부터 받은 쿠키를 주로 웹 브라우저에 저장한다. 크롬 브라우저의 경우 [개발자 도구] - [Application] - [Storage] - [Cookies] 항목에서 이름(Name), 값(Value), 도메인(Domain) 등 상세 정보를 확인할 수 있다.

① 쿠키 전달 방식: Set-Cookie와 Cookie 헤더

쿠키는 서버와 클라이언트 사이에서 Set-Cookie,Cookie와 같은 헤더를 통해 주고받는다.

여기서 핵심은 "한 번 받은 쿠키는 이후 요청 시 자동으로 포함된다"는 점이다.

• 서버 → 클라이언트 (응답): Set-Cookie 헤더를 통해 쿠키를 생성하여 전달한다.

  응답 메시지 예시

  Set - Cookie: 이름 = 값
  Set - Cookie: 이름 = 값; 속성 1
  Set - Cookie: 이름 = 값; 속성 1; 속성 2

  Set-Cookie: name=minchul
  Set-Cookie: phone=100-100
  

• 클라이언트 → 서버 (요청): 전달받은 쿠키를 브라우저에 저장해 두었다가, 이후 동일한 서버에 요청을 보낼 때 자동으로 Cookie 헤더에 포함하여 보낸다.

  요청 메시지 예시

  Cookie: 이름 = 값; 이름 = 값;

  GET /next_page HTTP/1.1
  Cookie: name=minchul; phone=100-100
  

*개발자가 직접 코드로 넣지 않아도 브라우저가 알아서 챙겨 보내는 것이 특징이다. *여러 개의 쿠키를 보낼 때는 하나의 Cookie 헤더 안에 세미콜론(;)으로 각 <이름, 값> 쌍을 구분하여 나열한다.

② 쿠키의 주요 속성 (제약 조건)

쿠키는 단순한 값 외에도 안전한 관리를 위한 다양한 속성을 가진다.

💡 웹 스토리지(Web Storage) : 브라우저 내 저장 공간으로, 이는 로컬 스토리지와 세션 스토리지로 나뉜다.

쿠키보다 큰 데이터를 보관할 수 있고, 쿠키는 서버로 자동 전송되지만 웹 스토리지의 정보는 서버로 자동 전송되지 않아 네트워크 부하가 적다.

• 로컬 스토리지 (localStorage): 사용자가 직접 삭제하지 않는 한 데이터가 영구적으로 유지된다.
• 세션 스토리지 (sessionStorage): 브라우저 창이나 탭이 열려 있는 동안에만 정보가 유지된다. *개발자 도구(F12) → [Application] → [Storage] 메뉴에서 저장된 정보를 확인할 수 있다.

1-2. HTTP 캐시 (Cache)

캐시는 서버로부터 받은 자원의 사본을 임시 저장하여, 동일한 요청 시 서버를 거치지 않고 빠르게 재사용하는 기술이다.

캐시는 클라이언트(주로 웹 브라우저)에 저장되기도 하고, 클라이언트와 서버 사이에 위치한 중간 서버에 저장되기도 한다.

*Private Cache: 웹 브라우저 등 개인 기기에 저장되는 캐시 *Public Cache: 프록시 서버나 CDN 등 중간 서버에 저장되는 캐시

① 캐시의 유효 기간과 신선도

캐시 데이터는 원본과 일치해야 하기 때문에 신선도가 중요하다. 이를 위해 유효 기간을 명시한다.

응답 메시지

HTTP/1.1 200 OK
Date: Mon, 05 Feb 2024 12:00:00 GMT
Expires: Tue, 06 Feb 2024 12:00:00 GMT  // 절대적인 날짜로 만료 시점 명시
Cache-Control: max-age=1200             // 1200초 동안 유효함 (상대적 시간)

• Expires: 절대적인 만료 기한 지정
• Cache-Control: max-age: 상대적인 초 단위 유효 기간 (예: max-age=1200)

📍 캐시에 유효 기간이 부여되는 근본적인 이유

클라이언트가 캐시를 참조하는 사이 서버의 원본 데이터가 변경되어 원본 데이터와 캐시된 사본 데이터 간의 일관성이 깨질 수 있기 때문이다‼️

② 캐시 재검사(Validation): "아직 쓸만한가?"

캐시 유효 기간이 만료되어도 서버의 데이터가 변하지 않았다면 자원을 새로 받을 필요가 없다.

이때, 클라이언트는 조건부 요청을 보내 서버의 데이터 변경 여부를 확인하고 캐시를 재사용한다.

요청 메시지

GET /index.html HTTP/1.1
Host: www.example.com
If-Modified-Since: Fri, 23 Aug 2024 09:00:00 GMT

>

1. **If-Modified-Since (날짜 기반):**
> ```http
> **클라이언트의 조건부 요청 (날짜 기반)**
> GET /index.html HTTP/1.1
> If-Modified-Since: Mon, 05 Feb 2024 12:00:00 GMT
> 
> ```
* 클라이언트: "이 날짜 이후로 데이터가 변경되었나요?"
* 서버 (변경X): `304 Not Modified` 응답 (본문 없이 헤더만 보내 전송 효율 극대화)
* 서버 (변경O): `200 OK` + `새로운 자원`
`*이때, Last-Modified 헤더로 마지막 변경 시점을 함께 알릴 수 있다.`

2. **If-None-Match (ETag 기반):**
> ```http
> **클라이언트의 조건부 요청 (ETag 기반)**
> GET /index.html HTTP/1.1
> If-None-Match: "abc-123"
> 
> ```
* 클라이언트: "내가 가진 버전(ETag)인 **'abc'**와 지금 서버 버전이 다른가요?"
* 서버 (변경X, ETag 일치): `304 Not Modified` 응답 (기존 캐시 사용)
* 서버 (변경O, ETag 불일치): `200 OK` + `새로운 자원` (새 ETag 포함) 반환
* 서버 (자원 삭제): `404 Not Found` (자원이 존재하지 않음)

`*ETag(Entity Tag)는 자원의 버전을 식별하기 위한 고유 정보를 말한다. 자원이 변경되면 ETag 값도 변하기 때문에 이를 비교하여 변경 여부를 파악한다.`

> #### 📍 304 Not Modified
> : 자원이 변경되지 않았으니 기존에 가지고 있던 캐시를 그대로 사용해라.
> ```
> HTTP/1.1 304 Not Modified
> Last-Modified: Mon, 05 Feb 2024 12:00:00 GMT
> ETag: "abc-123"
> 
> ```
> `*메시지 본문(Body)을 생략하고 헤더만 보내기 때문에 네트워크 대역폭을 매우 효율적으로 사용하는 특징이 있다.`
> 

### 1-3. 콘텐츠 협상 (Content Negotiation)

똑같은 자원(URI)이라도 사용자의 환경에 따라 가장 적절한 **표현(Representation)**으로 응답하는 과정을 뜻한다.

#### 주요 협상 헤더
* `Accept`: 선호하는 미디어 타입 (html, json 등)
* `Accept-Language`: 선호하는 언어 (ko, en 등)
* `Accept-Encoding`: 지원하는 압축 방식 (gzip 등)

### 1-4. 보안: SSL/TLS와 HTTPS

오늘날 대부분의 웹 서비스는 HTTP에 보안을 더한 **HTTPS(HTTP over TLS, HTTP Secure)**로 동작한다.

> #### HTTPS 사용 유무 확인하는 법
> 브라우저 주소창에 있는 자물쇠 아이콘은 해당 사이트가 `HTTPS`를 사용하며, `브라우저와 서버 간에 암호화 통신`이 이루어지고 있음을 의미한다. 😎
>
![](https://velog.velcdn.com/images/w_dw_r/post/729b5754-9552-45b3-a8c0-740f13c8fef0/image.png)

#### ① SSL/TLS의 개념

: **HTTPS**는 `HTTP`에 SSL 혹은 TLS라는 `보안 프로토콜이 추가된 형태`이다.

초기 SSL 2.0, 3.0을 거쳐 현재는 이를 계승한 **TLS(Transport Layer Security)**가 사용되고 있으며, 최신 버전인 **TLS 1.2와 1.3**이 주로 쓰인다.

#### ② TLS 1.3 핸드셰이크 과정

TLS 1.3 기반 HTTPS 메시지는 크게 `TCP 쓰리 웨이 핸드셰이크`, `TLS 핸드셰이크`, `메시지 송수신 단계`를 거쳐 송수신 된다.

`TCP 쓰리 웨이 핸드셰이크`는 지난 시간에 설명했으니, **`TLS 핸드셰이크`** 위주로 살펴보면

<image src="https://velog.velcdn.com/images/w_dw_r/post/0bd26b6a-0ed1-49dc-8836-e40a87f6ccf2/image.png"
width=400/>

1. **TCP 쓰리 웨이 핸드셰이크**: 먼저 기반이 되는 TCP 연결을 수립한다.
2. **ClientHello**: 클라이언트가 서버에 암호화 통신을 위한 정보를 보낸다.
`*지원하는 TLS 버전, 클라이언트 난수, 암호 스위트(Cipher Suite) 등을 포함한다.`
3. **ServerHello**: 서버가 응답하며 암호화 방식을 결정한다.
`*선택된 TLS 버전, 암호 스위트, 서버 난수 등을 보낸다.`
4. **Certificate & CertificateVerify**: 서버는 자신의 **인증서**를 보내고, 해당 인증서의 내용이 올바른지 검증하기 위한 메시지를 보낸다.
5. **Finished**: 양측이 암호화에 사용할 키 획득을 완료하고, 서로가 틀림없음을 확인하면 핸드셰이크가 종료된다.
`*이후부터는 생성된 키를 기반으로 암호화된 애플리케이션 데이터(Application Data)를 주고받는다.`

#### ③ 암호 스위트 (Cipher Suite)

암호화 통신에 사용될 알고리즘들의 묶음을 말한다.

* **구성 예시**: `TLS_AES_128_GCM_SHA256`
* `TLS`: 프로토콜 종류
* `AES_128_GCM`: 암호화 알고리즘
* `SHA256`: 해시 함수

> #### 암호화와 복호화, 키(Key)
암호화 통신을 이해하려면 먼저 키의 역할을 알아야 한다.
>
* 암호화: 누구나 읽을 수 있는 **데이터(평문)**를 **알아볼 수 없는 형태(암호문)**로 만드는 것
* 복호화: **암호문**을 다시 원래의 **평문**으로 되돌리는 것
* 키(Key): 암호화와 복호화를 수행할 때 필요한 **비밀번호**와 같은 정보
`*이 키를 가진 호스트만이 데이터를 제대로 읽을 수 있다.`
![](https://velog.velcdn.com/images/w_dw_r/post/f54fc27c-469c-4c73-bb61-22674345833f/image.png)

#### ④ 공개 키 인증서 (Public Key Certificate)

**인증서**는 통신하는 상대방이 내가 의도한 대상(예: `www.hanbit.co.kr`)이 맞는지 보장하는 정보이다.

* **인증 기관(CA, Certification Authority)**: 인증서를 발급하고 검증하는 신뢰할 수 있는 제3의 기관이다.
* **검증 과정**: 브라우저는 서버가 보낸 인증서가 신뢰할 수 있는 CA에서 발급되었는지 확인하고 보안 경고 여부를 결정한다.

---

> #### 📍 총정리
> 
> 1. **쿠키**: Stateless한 HTTP에서 클라이언트의 상태를 관리하기 위한 `<이름, 값>` 형태의 데이터다.
> 2. **캐시**: 자원의 사본을 저장하여 대역폭 낭비를 막고 응답 속도를 높이며, `304 Not Modified`를 통해 효율적으로 재검사한다.
> 3. **HTTPS (SSL/TLS)**: 핸드셰이크를 통해 암호화 키를 교환하고 인증서로 상대를 검증해서 안전한 통신을 보장힌다.

💡 주요 내용

① DNS와 서버 연결: 도메인과 IP를 잇는 원리와 DNS 레코드 등록 과정 ② DNS 리졸빙: 계층적 질의를 통해 정답 IP를 찾아가는 과정 ③ URL 구조: 웹 자원을 식별하고 위치를 나타내는 상세 구성 요소 ④ HTTP 특징: 확장성을 위한 Stateless 방식과 효율적인 지속 연결 ⑤ HTTP 메시지 및 버전: 패킷의 규격화된 구조와 버전별(1.1~3.0) 특징 ⚠️ 모든 내용은 '이것이 취업을 위한 컴퓨터 과학이다 with CS 기술 면접' 책을 참고하여 작성하였습니다.

1. 응용 계층 - HTTP의 기초

응용 계층은 네트워크 참조 모델의 최상단 계층으로, 개발자가 가장 자주 접하게 되는 핵심 계층이다. HTTP를 이해하기 위해서는 DNS와 URI에 대한 배경지식이 필요하므로 아래에서 살펴보자❗️

1-1. 도메인 네임과 DNS

네트워크상의 호스트를 식별하기 위해 IP 주소를 사용한다.

➡️ 하지만, 숫자로 된 IP는 기억하기 어렵고 호스트의 특징을 나타내지 못하며 언제든 바뀔 수 있다는 단점이 있다.

그래서 사용하는 것이 도메인 네임이다.

• 도메인 네임(Domain Name): www.example.com과 같이 문자열 형태로 표현된 호스트 특정 정보이다.
• 네임 서버(DNS 서버): 도메인 네임과 그에 대응하는 IP 주소를 관리하는 특별한 서버이다.
• DNS(Domain Name System): 호스트가 네임 서버에 특정 도메인의 IP를 질의하고 응답받는 시스템을 의미하며, 이를 통해 IP 주소를 알아내는 과정을 '도메인 네임을 풀이(resolve)한다'고 한다.

1-2. 도메인 네임의 계층적 구조

도메인 네임은 점(.)을 기준으로 계층적인 트리 구조를 이룬다.

• 루트 도메인: 최상단에 위치하며 점(.)으로 표현된다. 보통 표기 시 생략한다.
• 최상위 도메인(TLD): com, net, org, kr 등 국가나 조직의 성격을 나타낸다.
• 2단계 도메인: TLD 하위의 도메인으로, 보통 서비스의 이름을 나타낸다.
• FQDN(Fully Qualified Domain Name): 루트 도메인까지 모두 포함하는 전체 도메인 네임이다.

참고: 서브 도메인(Subdomain) mail.example.com, www.example.com은 모두 example.com의 서브 도메인이다.

1-3. DNS 동작 원리와 레코드

DNS는 전 세계에 분산된 네임 서버들이 계층적으로 협력하여 동작한다. *DNS(Domain Name System): 호스트가 네임 서버에 특정 도메인의 IP를 질의하고 응답받는 시스템을 의미한다.

① 리졸빙(Resolving) 과정 - "누가 이 주소 알아?"

1. 로컬 네임 서버: 클라이언트가 가장 먼저 찾는 서버로, 주로 ISP가 제공한다. (공개 DNS: 8.8.8.8 등)
2. 계층적 질의: 로컬 서버가 주소를 모를 경우 루트 네임 서버 → TLD 네임 서버 → 책임 네임 서버 순으로 질의를 반복하여 최종 IP를 알아낸다.

📍 DNS는 주소를 찾아가는 여정과 같다.

사용자가 브라우저에 www.example.com을 입력했을 때, 컴퓨터 내부에서 일어나는 과정이다.

1. 로컬 네임 서버

가장 먼저 컴퓨터는 자신과 가장 가까운 로컬 네임 서버에게 "너 혹시 www.example.com IP 주소 알아?"라고 물어본다. 로컬 서버가 캐시에 정보가 있다면 바로 알려주지만, 없다면 로컬 서버가 대신해서 다른 서버들에게 물으러 다닌다.

2. 계층적 질의

• 루트 네임 서버: 로컬 서버가 루트에게 물으면, 루트는 "난 모르지만 .com 서버 주소는 알려줄 수 있어."라고 답한다.

• TLD 네임 서버: .com 서버에게 물으면, "난 모르지만 example.com의 관리를 맡은 네임 서버 주소는 알아!"라고 답한다.

• 책임 네임 서버(Authoritative Server): 드디어 해당 도메인을 직접 관리하는 서버에 도달한다. 여기서 최종적으로 "그 주소의 IP는 1.2.3.4야!"라는 답을 얻는다.

• 3. 결과 전달과 캐싱* 로컬 서버는 알아낸 IP를 클라이언트에게 전달하고, 다음에 똑같은 질문을 받으면 바로 답할 수 있도록 이 정보를 캐시에 저장한다.

② DNS 캐시와 TTL

반복적인 질의로 인한 트래픽을 줄이기 위해 네임 서버는 질의 결과를 임시 저장하는 DNS 캐시를 사용한다. 이때 캐시가 유지되는 시간을 TTL(Time To Live)이라고 한다.

③ 주요 DNS 레코드 타입

서버 배포: DNS 자원 레코드로 주소 연결하기

📍 내가 만든 서버를 사람들이 도메인 네임(예: boxbox.kr)으로 접속하게 만들려면 다음의 과정을 거쳐야 한다.

1. 도메인 구매 먼저 DNS 서비스 업체에서 원하는 도메인 네임을 구입한다.

2. 📍네임 서버에 등록 도메인만 산다고 바로 접속되는 것이 아니다‼️

"이 도메인은 이 IP 주소로 가세요"라는 정보를 네임 서버에 알려줘야 한다.

3. DNS 자원 레코드(DNS Resource Record) 추가 네임 서버에 저장하는 설정 정보를 DNS 레코드라고 부른다. 해당 레코드 안에는 특정 IP 주소가 어떤 도메인 네임에 대응되는지 등 도메인 관리에 필요한 각종 정보가 담긴다.

2. 자원과 URI/URL

웹상에서 정보를 주고받기 위해서는 식별을 위한 정보가 필요하다.

자원을 식별하기 위한 방식으로는 URI, URL, URN이 있고, 오늘날 인터넷 환경에서 더 많이 사용되는 방법은 URL이다. *자원: 네트워크 상의 메시지를 통해 주고받는 최종 대상을 의미한다.

2-1. URI / URL / URN

• URI(Uniform Resource Identifier): 자원을 식별하기 위한 통일된 방식의 총칭이다.
• 📍URL(Uniform Resource Locator): 자원의 위치를 기반으로 식별한다. 오늘날 가장 널리 쓰인다.
• URN(Uniform Resource Name): 위치와 상관없이 자원에 부여된 고유한 이름으로 식별한다. (예: urn:isbn:0451450523)

2-2. 📍URL의 구조

예시) 쿼리 문자열

쿼리 문자열은 물음표(?)로 시작되는 <키=값> 형태의 데이터로, 앰퍼샌드(&)를 사용해 여러 쿼리 문자열을 연결할 수 있다.![]

3. HTTP의 특징과 메시지 구조

HTTP의 목적은 데이터 형식에 구애받지 않고 다양한 애플리케이션 데이터를 네트워크를 통해 주고받는 것이다.

3-1. HTTP의 4가지 주요 특징

① 요청-응답 기반 프로토콜

HTTP는 기본적으로 요청 메시지를 보내는 클라이언트와 이에 대한 응답 메시지를 보내는 서버가 서로 상호작용하는 구조로 동작한다.

② 미디어 독립적 프로토콜 (MIME 타입)

데이터의 형식에 특별한 제한을 두지 않고, 주고받는 자원의 종류를 미디어 타입(MIME 타입)으로 명시하여 처리한다.

• 타입/서브타입 형식으로 구성된다.
• 대표 예시: text/html, image/png, application/json, video/mp4 등

③ 스테이트리스(Stateless) 프로토콜

서버가 클라이언트의 이전 상태를 기억하지 않는 방식이다.

• 서버가 클라이언트 상태를 관리할 부담이 적어 확장성(Scalability)과 견고성(Robustness)이 높다. *서버를 늘리기가 쉬워지고, 서버 하나가 고장 나도 서비스가 멈추지 않는다.
• 모든 요청은 독립적인 요청으로 간주되며, 필요한 경우 클라이언트가 상태 정보를 매번 포함하여 전송해야 한다.

➡️ 서버가 클라이언트를 기억할 필요가 없기 때문에, 언제든 서버를 쉽게 늘릴 수 있고(확장성), 특정 서버가 고장 나도 서비스가 멈추지 않는다(견고성).

스테이트리스의 단점과 해결책

Stateless는 모든 요청에 필요한 정보를 담아야 하기에 데이터 중복 전송과 개발의 번거로움이라는 단점을 가진다.

하지만 이를 통해 서버가 클라이언트를 기억할 필요가 없어져 서버 확장성과 시스템 견고성이라는 큰 이득을 얻을 수 있다.

기억력 부재로 인한 불편함은 쿠키, 세션, 토큰 기술을 도입해 보완함으로써, 프로토콜의 장점은 살리고 사용자의 편의성도 동시에 챙긴다.

④ 지속 연결 프로토콜

초기 HTTP(1.0 이하)는 쓰리 웨이 핸드셰이크를 통해 TCP 연결을 수립한 후, 요청-응답마다 연결을 맺고 끊는 비지속 연결을 제공했지만, 현대 HTTP는 효율을 위해 연결을 일정 기간 유지하는 지속 연결을 제공한다.

*킵 얼라이브(Keep-alive): 지속 연결의 다른 표현으로, 하나의 TCP 연결을 통해 여러 개의 요청과 응답을 처리하는 기술이다.

3-2. HTTP 버전별 특징

| 버전 | 기반 프로토콜 | 주요 특징 | | --- | --- | --- | --- | | HTTP 1.1 | TCP | 지속 연결 공식 지원, 메시지를 텍스트(평문)로 주고받음 |
| HTTP 2.0 | TCP | 바이너리 데이터 기반 송수신, 헤더 압축, 서버 푸시, 멀티플렉싱 지원 |
| HTTP 3.0 | UDP (QUIC) | TCP 대신 UDP 기반의 QUIC 프로토콜을 사용하여 연결 지연을 줄이고 속도를 개선 |
*HTTP 3.0은 비교적 가장 최근에 등장하여 사용 비중이 점차 높아지고 있는 프로토콜이다.

HTTP 2.0의 멀티플렉싱

여러 독립적인 스트림을 통해 요청/응답을 병렬로 처리하여, 앞선 요청이 지연될 때 뒤의 요청도 막히는 HOL 블로킹 문제를 완화한다.

3-3. HTTP 메시지 구조

HTTP 메시지는 크게 시작 라인, 필드 라인(헤더), 메시지 본문의 세 부분으로 구성된다.

① 시작 라인 (Start-line)

• 요청 라인(클라이언트→서버): 메서드 + 요청 대상(URL) + HTTP 버전으로 구성된다.
• 상태 라인(서버→클라이언트): HTTP 버전 + 상태 코드 + 이유 구문으로 구성된다.
• 예: HTTP/1.1 200 OK, HTTP/1.1 404 Not Found *여기서 +는 (공백)을 의미한다.

📍 요청 라인과 상태 라인

HTTP 메시지의 첫 번째 줄은 요청인지 응답인지에 따라 요청 라인 또는 상태 라인이 된다.

📍 이유 구문

이유 구문은 상태 코드의 의미를 사람이 읽기 쉽게 설명해 주는 역할을 한다.

• 성공 응답: HTTP/1.1 200 OK (요청이 성공적으로 처리되었을 때)
• 실패 응답: HTTP/1.1 404 Not Found (요청한 자원이 서버에 존재하지 않을 때)

② 필드 라인 (HTTP 헤더)

메시지 전송과 관련된 부가 정보(메타데이터)를 담고 있으며, 이름: 값의 쌍으로 구성된다.

• 예: Content-Type: text/html, Content-Length: 648

③ 메시지 본문 (Message Body)

실제로 전송하고자 하는 데이터가 담기는 부분으로, 없을 수도 있다.

📍총정리

1. DNS는 네트워크의 '전화번호부'이다. 사람이 이해하기 쉬운 문자를 컴퓨터가 이해하는 IP 주소로 바꿔주는 핵심 인프라이다. 2. 계층 구조가 성능과 관리를 보장한다. 도메인과 네임 서버가 계층적으로 분산되어 있어 전 세계적인 규모의 관리가 가능하며, 캐시와 TTL을 통해 효율적인 응답을 제공한다. 3. URL은 웹 자원의 '상세 주소'이다. 프로토콜(Scheme)부터 서버 위치(Authority), 상세 경로(Path), 상세 요청 정보(Query)까지 포함하여 웹상의 특정 정보를 명확히 식별한다. 4. HTTP는 '독립적'이다. 각 요청은 이전 기록에 얽매이지 않는 스테이트리스 방식을 취하며, 서버는 특정 클라이언트에 종속되지 않아 서버 확장이 용이하다. 5. HTTP는 '효율적'으로 진화했다. 텍스트 기반의 1.1에서 바이너리 기반의 2.0, 그리고 UDP를 활용한 3.0으로 발전하며 지연 시간을 줄이고 전송 효율을 극대화하는 방향으로 나아가고 있다. 6. 메시지는 '명확한 규격'을 가진다. 시작 라인을 통해 요청의 의도(메서드)나 결과(상태 코드)를 즉시 파악하고, 헤더를 통해 데이터의 성격(MIME 타입 등)을 규정하여 복잡한 자원도 안전하게 송수신한다.

💡 주요 내용

① 포트를 통한 프로세스 식별: 실제 프로세스를 찾아가기 위한 포트 번호의 종류와 역할 ② NAT과 NAPT: 사설 IP와 공인 IP 간의 주소 변환 원리 및 포트를 활용한 N:1 대응(NAPT) ③ TCP와 UDP의 비교: 신뢰성/연결형(TCP)과 비신뢰성/비연결형(UDP) 프로토콜의 패킷 구조 및 특징 ④ TCP의 신뢰성 보장: 확인 응답 번호(ACK)와 순서 번호(Seq)를 통한 데이터 전송 보장 원리 ⑤ TCP 연결 수립: 쓰리 웨이 핸드셰이크(3-way handshake)를 통한 신뢰할 수 있는 통로 구축 과정 ⚠️ 모든 내용은 '이것이 취업을 위한 컴퓨터 과학이다 with CS 기술 면접' 책을 참고하여 작성하였습니다.

1. TCP와 UDP

네트워크 계층에서 가장 중요한 프로토콜이 IP라면, 전송 계층에서 가장 중요한 프로토콜 TCP와 UDP이다.

📍 TCP와 UDP의 패킷 구조와 동작 원리를 이해하면 전송 계층의 핵심을 이해할 수 있다. 매우 중요한 프로토콜이므로 각각 어떤 목적과 특징이 있는지 잘 기억해 두는 것이 좋다.

1-1. 포트를 통한 프로세스 식별

IP 주소와 MAC 주소는 패킷을 송수신하는 호스트를 특정할 수 있다.

➡️ 그런데 사실 패킷의 최종 송수신 대상은 호스트가 아니라 호스트가 실행하는 프로세스이다.

Q. 네트워크 상에서 호스트가 실행하는 프로세스는 어떻게 식별할 수 있을까?

A. 포트 번호를 통해 식별할 수 있다.

네트워크 패킷을 주고 받는 프로세스에는 포트 번호가 할당되고, IP 주소와 포트 번호의 조합을 통해 '특정 호스트가 실행하는 특정 프로세스'를 식별할 수 있다.

*가령 하나의 호스트는 웹 브라우저, 게임, 채팅 프로그램 등 다양한 프로세스를 동시에 실행할 수 있고, 네트워크를 통해 주고 받는 패킷은 최종적으로 이러한 프로세스에 전달되어야 한다.

① TCP와 UDP의 헤더

전송 계층의 핵심 프로토콜인 TCP와 UDP는 포트를 통해 프로세스를 식별할 수 있다.

➡️ 따라서 TCP와 UDP 헤더를 살펴보면, 두 프로토콜 모두 포트 번호 필드인 송신지 포트 번호와 수신지 포트 번호를 포함하고 있다는 것을 알 수 있다.

② 포트 번호

개발자가 자주 다루는 정보 중 하나이므로 조금 더 자세히 알아두는 것이 좋다.

16비트로 표현할 수 있는 포트 번호의 총 개수는 216, 즉 65536개이다. *0번부터 할당되으로 0번부터 65535번까지의 포트 번호를 할당할 수 있다.

그리고 65536개의 포트 번호는 번호의 범위에 따라 3가지 종류로 나뉜다.

잘 알려진 포트 (well known port, 0 ~ 1023)

이름 그대로 가장 대중적으로 사용되는 애플리케이션을 위한 포트 번호이다. 범용적으로 사용되는 프로토콜이 주로 사용하는 포트 번호 목록이라고 보아도 무방하다.

등록된 포트 (registered port, 1024 ~ 49151)

등록된 포트는 잘 알려진 포트에 비해서는 덜 범용적이지만, 다음과 같이 흔하게 사용되는 애플리케이션 프로토콜에 할당하기 위한 포트 번호이다.

*잘 알려진 포트와 등록된 포트는 서버로 동작하는 프로그램 환경에서 자주 볼 수 있다.

동적 포트 (dynamic port/private port/ephemeral port, 49152 ~ 65535)

사설 포트 또는 임시 포트라고도 불리는 동적 포트로, 비교적 자유롭게 사용 가능한 포트 번호이다.

서버로서 동작하는 프로그램의 경우 주로 잘 알려진 포트와 등록된 포트가 할당되는 경우가 많지만, 클라이언트로서 동작하는 프로그램의 경우에는 동적 포트 번호 중에서 임의의 번호가 할당되는 경우가 많다.

그 대표적인 예시가 웹 브라우저이다.

웹 브라우저를 통해 특정 웹 사이트에 접속하는 경우는 웹 브라우저 프로그램과 서버 프로그램이 서로 패킷을 주고받는 상황과 같다.

➡️ 이 경우, 웹 브라우저 프로그램에는 동적 포트 내 임의의 포트 번호가 자동으로 할당 된다.

포트 활용 예시 1) MySQL 데이터베이스 서버 연결

포트 활용 예시 2) 아파치 HTTP 서버의 설정 파일

*HTTP 프로토콜로 패킷을 송수신 할 경우 80번 포트를 이용하고, HTTPS 프로토콜로 패킷을 송수신 할 경우 443 포트를 이용한다

③ NAT과 NAPT (주소 변환)

• NAT (Network Address Translation) : 📍 네트워크 내부에서 사용하는 사설 IP 주소와 외부 네트워크에서 사용하는 공인 IP 주소 간의 주소를 변환해 주는 기술이다.

  • 외부로 나갈 때: 사설 IP 주소 → 공인 IP 주소로 변환
  • 내부로 들어올 때: 공인 IP 주소 → 사설 IP 주소로 변환
  • 기본적으로 IP 주소 간의 일대일(1:1) 대응을 원칙으로 한다.
  • 📍 사설 IP 개수만큼 공인 IP가 필요하므로, IP 주소 부족 문제를 완전히 해결하기 어렵다.

• NAPT (Network Address Port Translation) : IP 주소뿐만 아니라 포트 번호까지 함께 고려하여 변환하는 기술로, 오늘날 대부분의 공유기에서 사용하는 방식이다.

  • 📍 서로 다른 사설 IP를 가진 호스트들이 동일한 공인 IP를 공유하되, 서로 다른 포트 번호를 할당받아 구분한다.
  • 하나의 공인 IP로 여러 개의 사설 IP 호스트를 처리하는 다대일(N:1) 대응을 원칙으로 한다.
  • 📍 공인 IP가 같더라도 포트 번호(예: 6200, 6201)가 다르면 내부의 어떤 호스트인지 특정할 수 있다.
  • 한정된 공인 IP 주소 자원을 매우 효율적으로 사용할 수 있어 IP 주소 부족 문제를 개선한다.

• 📍 NAT vs NAPT

• 구분	NAT (기본형)	NAPT (포트 기반)
  변환 대상	IP 주소	IP 주소 + 포트 번호
  대응 관계	1:1 대응	N:1 대응
  IP 절약 효과	낮음	매우 높음
  주요 용도	단순 주소 변환	공유기 등 다수 호스트 연결

즉, NAT과 NAPT를 통해

주소 부족 문제를 해결하고, 내부 기기들을 외부 공격으로부터 보호하며, 네트워크 관리를 편하게 하기 위해 주소 변환을 수행한다.

1-2. (비)신뢰성과 (비)연결형

TCP
 ├── 신뢰할 수 있는 통신 ─ 상태 관리, 흐름 제어, 오류 제어, 혼잡 제어 제공 🅾️
 └── 연결형 통신 ─────── 연결 수립, 종료 과정 🅾️ 

 UDP
 ├── 신뢰할 수 없는 통신 ─ 상태 관리, 흐름 제어, 오류 제어, 혼잡 제어 제공 ❎
 └── 연결형 통신 ─────── 연결 수립, 종료 과정 ❎

전송 계층에서 프로토콜을 선택할 때,

패킷의 유실 없는 송수신을 원한다면 UDP보다 TCP를 선택하는 것이 유리하고, 비교적 빠른 송수신을 원한다면 TCP보다 UDP를 선택하는 것이 유리하다.

*신뢰할 수 있는 연결형 송수신에는 시간과 연산이 소요되기 때문에 일반적으로 TCP가 UDP에 비해 송수신 속도가 느리다.

① 헤더로 살펴보는 TCP와 UDP의 특징

• 송신지 포트: 송신 프로세스가 할당된 포트 번호
• 수신지 포트: 수신 프로세스가 할당된 포트 번호
• 길이: 헤더를 포함한 UDP 패킷(UDP 데이터그램)의 바이트 크기
• 체크섬: 송수신 과정에서의 데이터그램 훼손 여부를 알 수 있는 정보

• 📍 순서 번호: TCP 패킷(TCP 세그먼트)의 올바른 송수신 순서를 보장하기 위해 세그먼트 첫 바이트에 매겨진 번호 *순서 번호를 통해 현재 주고받는 TCP 세그먼트가 송수신하고자 하는 데이터의 몇 번째 바이트에 해당하는지 알 수 있다.
• 📍 확인 응답 번호: 상대 호스트가 보낸 세그먼트에 대한 응답으로, 다음으로 수신하길 기대하는 순서 번호 (일반적으로 올바르게 수신한 순서번호 + 1 값으로 설정) *순서 번호 필드와 확인 응답 번호 필드는 함께 사용되므로 한 쌍처럼 기억해 두는 것이 좋다.
• 📍 제어 비트(플래그 비트): 현재 세그먼트에 대한 부가 정보를 나타내는 정보로, 각 자리의 비트가 각기 다른 의미를 가진다. (기본적으로 8비트로 구성)
  • ACK : 세그먼트의 승인을 나타내기 위한 비트
  • SYN : 연결을 수립하기 위한 비트
  • FIN : 연결을 종료하기 위한 비트

② TCP의 신뢰성 보장: 확인 응답(ACK)

TCP 통신에서는 데이터를 단순히 보내는 데 그치지 않고, 📍 상대방이 잘 받았는지 확인하는 과정을 거친다.

이때 핵심 역할을 하는 것이 확인 응답 번호와 ACK 플래그다.

• TCP 패킷(세그먼트)이라는 봉투 안에는 여러 칸이 있는데, 그중 ACK 플래그 칸과 확인 응답 번호 칸이 따로 있다.

• 확인 응답 번호의 +1은 다음에 받을 데이터의 번호이다.
• ACK 플래그 = 1은 지금 이 패킷에 답장 정보가 들어있다는 신호를 이분법적으로 나타낸 것이다. (0/1)

1-3. TCP의 연결 수립

TCP는 UDP와 달리 송수신 이전에 연결을 수립하고, 송수신 이후에는 연결을 종료한다. *송수신 전후로 상태라는 값을 관리하기도 한다.

📍 TCP와 UDP의 차이는 '전화'와 '우편'의 차이와 같다.

TCP (전화 방식): 상대방과 먼저 통화를 연결(연결 수립)하고, 상대가 "여보세요"라고 확인한 뒤에야 말을 시작한다. (연결이 끊기면 대화도 중단됨)

UDP (우편 방식): 상대방이 집에 있는지, 편지를 받을 준비가 되었는지 확인하지 않는다. (그냥 봉투에 목적지 주소만 써서 우체통에 던져 넣는 식)

📍 TCP의 연결 수립은 쓰리 웨이 핸드셰이크를 통해 이루어진다.

이는 쓰리 웨이라는 이름처럼 세 단계로 이루어진 TCP의 연결 수립 과정을 뜻한다.

가령 호스트 A가 호스트 B에게 처음 연결 요청을 보낸다고 가정했을 때 각각의 단계는 다음과 같다.

• 액티브 오픈: 호스트 A처럼 처음 연결을 시작하는 과정
• 패시브 오픈: 호스트 B처럼 연결 요청을 수신한 뒤 그에 대한 연결을 수립하는 과정 *ACK : 세그먼트의 승인을 나타내기 위한 비트 *SYN : 연결을 수립하기 위한 비트

① 1단계: 연결 요청 (SYN)

"저기요, 대화 가능할까요? 제 번호표는 3588415412번부터 시작할게요!"

보내는 사람: 192.168.0.1 (포트: 49859 - 임의의 동적 포트) 받는 사람: 10.10.10.1 (포트: 80 - HTTP 서버)

주요 정보:

• Flags: SYN = 1 (연결을 시작하겠다는 신호)
• 순서 번호(Sequence Number): 3588415412 (생성된 난수값)

② 2단계: 요청 수락 및 맞요청 (SYN + ACK)

"네, 잘 들려요! 방금 주신 건 잘 받았고요(3588415413번 주세요). 저도 대화하고 싶어요, 제 번호표는 697411256번부터예요!"

보내는 사람: 10.10.10.1 (서버) 받는 사람: 192.168.0.1 (클라이언트)

주요 정보:

• Flags: SYN = 1, ACK = 1 (수락과 동시에 나도 연결하겠다는 뜻)
• 순서 번호: 697411256 (서버가 정한 시작 번호)
• 확인 응답 번호(Acknowledgment Number): 3588415413 (상대가 보낸 번호, 3588415412 + 1)

③ 최종 확인 (ACK)

"알겠습니다! 서버님 번호표도 잘 확인했어요(697411257번 주시면 되죠?). 이제 진짜 시작합니다!"

보내는 사람: 192.168.0.1 (클라이언트) 받는 사람: 10.10.10.1 (서버)

주요 정보:

• Flags: ACK = 1 (최종 승인)
• 순서 번호: 3588415413 (아까 서버가 달라고 했던 번호)
• 확인 응답 번호: 697411257 (서버가 보낸 번호 697411256 + 1)

지금까지의 과정을 그림으로 표현하면 다음과 같다.

➡️ TCP가 이 복잡한 과정을 거치는 진짜 이유는 "상대방과 대화할 준비가 완벽히 되었는지 확인"하고, "데이터가 중간에 유실되지 않도록 순서 번호를 맞추기 위해서"이다.

내용이 복잡해서 총정리를 해보자면...

1. 포트(Port): "누구에게 전달할 것인가?" IP 주소가 아파트 주소라면, 포트 번호는 호스트 내 특정 프로세스(동·호수)를 찾아가는 이표이다.

NAPT 기술은 이 포트 번호를 활용해 하나의 공인 IP를 여러 사설 IP가 공유할 수 있게 해서 IP 부족 문제를 해결한다.

2. TCP vs UDP: "어떤 방식으로 보낼 것인가?" TCP(신뢰성/연결형): 전화처럼 먼저 연결을 확인하고 데이터를 주고받는다. 유실 없는 전송이 중요할 때 사용한다.

UDP(비신뢰성/비연결형): 우편처럼 일단 던지고 본다. 속도가 생명인 실시간 스트리밍이나 게임에 유리하다.

3. 쓰리웨이 핸드셰이크: "대화할 준비 됐나요?" TCP가 데이터 송수신 전에 거치는 3단계 연결 수립 과정이다.

📍 단순히 연결을 맺는 것을 넘어, 서로의 순서 번호(Sequence Number)를 동기화하고 데이터를 받을 준비가 되었는지 최종적으로 확인해서 전송의 신뢰성을 확보한다.

💡 주요 내용

① 공인 IP와 사설 IP ② IP 할당 방식: 정적 할당과 DHCP를 통한 동적 할당 ③ ICMP 프로토콜: IP의 비연결성을 보완하는 피드백 메시지와 TTL, 홉(Hop) ④ ARP 프로토콜: IP 주소를 기반으로 MAC 주소를 알아내는 방법과 ARP 테이블 ⚠️ 모든 내용은 '이것이 취업을 위한 컴퓨터 과학이다 with CS 기술 면접' 책을 참고하여 작성하였습니다.

1. 공인 IP 주소와 사설 IP 주소

호스트의 IP 주소는 네트워크 설정이나 명령어를 통해 확인할 수도 있고, 간단한 온라인 검색을 통해 확인할 수도 있다.

① Mac OS - ifconfig | grep 명령어 결과: inet 172.xx.x.x

② 온라인 검색 결과: 61.84.xx.x

그런데 나처럼 이 두 방식으로 확인한 IP 주소가 다른 사람들이 있을 것이다.

이에 대해 아래처럼 생각할 수도 있다.

호스트에 할당한 IP 주소가 유일하고 고유하지 않았던 걸까?

이 생각은 반만 맞는 말이다.

고유한 IP 주소도 있고, 고유하지 않은 IP 주소도 있다. 그리고 이 두 종류의 IP 주소는 함께 사용되는 경우가 많다.

1-1. 공인 IP 주소

전세계에서 고유한 IP 주소를 뜻하며, 인터넷을 비롯한 네트워크 간 통신에서 사용되는 IP 주소가 바로 공인 IP 주소이다.

📍 앞서 구글이나 네이버 등의 검색 사이트를 통해 확인했던 IP 주소가 바로 공인 IP 주소이다.

➡️ 검색 사이트의 서버와 패킷을 주고 받으려면 호스트가 속한 네트워크 밖에서 사용할 공인 IP 주소를 사용해야 하기 때문이다.

*공인 IP 주소는 ISP나 공인 IP 주소 할당 기관을 통해 할당받을 수 있다.

1-2. 사설 IP 주소

사설 네트워크에서 사용하기 위한 IP 주소를 뜻하며, 고유하지 않은 IP 주소이기도 하다.

*사설 네트워크: 외부 네트워크에 공개되지 않은 네트워크

사설 IP 주소는 일반적으로 라우터(공유기)를 통해 할당되므로, 라우터(공유기)를 중심으로 구성된 LAN 대부분은 사설 네트워크에 해당한다.

📍 IP 주소 공간 중에서 사설 IP 주소로 사용하도록 특별히 예약된 IP 주소 공간이 있다.

• 10.0.0.0/8 (10.0.0.0 ~ 10.255.255.255)
• 172.16.0.0/12 (172.16.0.0 ~ 172.31.255.255)
• 192.168.0.0/16 (192.168.0.0 ~ 192.168.255.255)
  *위의 예약 IP 주소 범위에 속하는 IP 주소는 사설 IP 주소로 간주하기로 약속된 주소이다.

➡️ 📍 사설 IP 주소는 해당 호스트가 속한 사설 네트워크 상에서만 유효한 주소이므로 얼마든지 다른 네트워크 상의 사설 IP 주소와 중복될 수 있다.

2. IP 주소의 할당

호스트에 IP 주소를 할당하는 방법으로는 정적 할당과 동적 할당이 있다.

정적 할당은 수작업을 통해 이루어지고, 동적 할당은 일반적으로 DHCP라는 프로토콜을 통해 이루어진다.

2-1. 정적 할당

직접 수작업으로 IP 주소를 부여하는 방식으로, 정적 할당을 통해 할당된 IP 주소를 정적 IP 주소(Static IP Address)라고 한다.

*모든 운영체제는 IP 주소를 수동으로 설정 가능하며, 일반적으로 부여하고자 하는 IP 주소와 서브넷 마스크, 게이트웨이(라우터) 주소, DNS 주소 등이 필요하다.

① Mac OS 예시

② Windows OS 예시

IP 할당에서의 게이트웨이(= 기본 게이트웨이)

기본 게이트웨이(Default Gateway): 컴퓨터가 다른 네트워크(인터넷 등)로 데이터를 보낼 때 거치는 관문 라우터

• 기본 게이트웨이는 네트워크 외부와 연결된 라우터(공유기)의 주소를 의미하는 경우가 많다.
• 호스트가 속한 네트워크의 외부로 나가기 위한 첫 기본 경로이기 때문이다.
  따라서 IP 할당의 맥락에서 사용되는 게이트웨이는 주로 기본 게이트 웨이를 의미하므로, 📍 게이트웨이(라우터) 주소에 기본 게이트웨이의 역할을 하는 라우터(공유기)의 주소를 적어주면 된다.
  *게이트웨이(Gateway): 일반적으로 서로 다른 네트워크를 연결하는 하드웨어적/소프트웨어적 수단

IP 할당에서의 DNS 주소

기본적으로 호스트끼리 패킷을 주고받기 위해서는 IP 주소가 사용되지만, 통신을 주고받는 모든 호스트의 IP 주소를 기억하기는 어렵다.

이런 이유에서 ≪도메인 네임, IP 주소≫ 쌍을 저장하는 DNS 서버(네임 서버)에 질의를 보내, 호스트가 도메인 네임을 토대로 이에 대응되는 IP 주소를 알 수 있도록 해야 한다.

📍 DNS 주소에 마땅히 적을 입력값이 없다면 누구나 사용할 수 있도록 공개된 대표적인 네임 서버 주소(8.8.8.8, 1.1.1.1 등)를 입력하면 된다.

*도메인 네임: '~.com', '~.co.kr'처럼 호스트를 식별하기 위해 IP 주소에 대응되는 기억할 수 있는 문자열 *DNS 주소: 호스트가 도메인 네임을 토대로 IP 주소를 알아내기 위해 질의하는 서버의 주소

2-2. 동적 할당 (DHCP)

동적 할당은 프로토콜을 통해 자동으로 IP 주소를 부여하는 방식이다. 이렇게 할당된 주소를 동적 IP 주소(Dynamic IP Address)라고 부른다.

일상적으로 동적 IP 주소가 많이 사용되는 만큼 , DHCP 또한 빈번히 사용된다.

① DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol)

: 네트워크상의 호스트(컴퓨터, 스마트폰 등)가 IP 주소를 요청하면, DHCP 서버가 관리 중인 IP 주소 목록 중에서 하나를 빌려주는 방식을 말한다.

➡️ 즉, 호스트와 서버가 메시지를 주고받으며 자동으로 IP 설정을 완료한다.

*DHCP 서버: 할당 가능한 IP 주소 목록을 관리하고 요청에 따라 배분하는 주체 *일반적으로 라우터/공유기가 DHCP 서버 역할을 수행

② 동적 IP 주소의 '임대'와 '갱신'

📍동적 할당 시 유의해야 할 점

동적 IP 주소에는 사용 가능한 기간(임대 기간)이 정해져 있다. 동적 IP 주소는 할당받을 때마다 이전과 다른 주소를 받을 수 있다.

DHCP를 통한 할당은 마치 집을 빌리는 것과 같아서 'IP 주소의 임대'라고 표현하기도 한다.

• 임대/반납: 사용되지 않거나 임대 기간이 만료된 IP 주소는 다시 DHCP 서버로 회수된다.

• 임대 갱신 (Lease Renewal): 임대 기간이 끝나기 전에 사용 기간을 연장하는 과정이다.

➡️ 보통 자동으로 두 차례 갱신을 시도하고, 만약 두 번의 갱신 시도가 모두 실패하면, 해당 IP 주소는 서버로 최종 반납된다.

3. ICMP (Internet Control Message Protocol)

IP는 기본적으로 '비연결형'이자 '신뢰할 수 없는' 프로토콜이다. 이는 성능(속도와 효율)을 위한 선택이지만, 때로는 전송 과정의 상태를 확인해야 할 필요가 있다.

이때 도움을 주는 것이 바로 ICMP이다!

ICMP는

• IP 패킷 전송 과정에서 발생하는 문제나 네트워크 상태에 대한 피드백 메시지를 전달한다.
• 📍 ICMP는 오류를 알릴 뿐, 전송 계층(TCP 등)처럼 데이터의 신뢰성을 완전히 책임지지는 않는다.
• IP의 가벼운 특성을 유지하면서도 최소한의 진단 기능을 제공한다.

ICMP 메시지의 주요 유형

① 오류 보고 (Error Reporting) ② 네트워크 진단 (Network Diagnostics)

3-1. 오류 보고 (Error Reporting)

패킷 전송 중에 아래와 같은 문제가 생겼을 때 송신 측에 이를 알린다.

3-2. 네트워크 진단 (Network Diagnostics)

Echo 요청/응답을 통해 네트워크 상태를 점검하고 정보를 수집한다.

*에코 요청/응답 (Echo Request/Reply): 상대방 호스트가 살아있는지 확인

3-3. 홉(Hop)과 TTL

📍 IP 패킷이 목적지를 찾지 못하고 네트워크 위를 영원히 떠돌게 된다면, 네트워크 자원은 금방 고갈될 것이다‼️

➡️ 이를 방지하기 위한 안전장치가 바로 TTL과 ICMP이다.

• 홉 (Hop): 패킷이 라우터나 호스트를 한 번 거쳐 전달되는 단위를 말한다.
• TTL (Time To Live): 무의미한 패킷이 네트워크상에 지속적으로 남아있는 것을 방지하기 위한 수명값이다.
• 라우터를 거칠 때마다 TTL 값이 1씩 감소한다.
• TTL이 0이 되면 패킷은 폐기되고 송신자에게 ICMP '시간 초과' 메시지가 전달된다.

쉽게 정리하면

• 홉은 네트워크 세계에서 패킷이 목적지를 향해 가는 👣(한 걸음)이고,
• TTL은 패킷의 💣(폭탄)같은 존재이고,
• ICMP는 그 폭탄이 터졌을 때 어디서 왜 터졌는지 알려주는 📑(보고서) 역할을 한다.

3-4. ICMP를 활용한 대표적인 명령어

네트워크 상태를 점검할 때 우리가 자주 사용하는 명령어들은 ICMP를 기반으로 작동한다❗️

4. ARP (Address Resolution Protocol)

통신 과정에서는 IP 주소와 MAC 주소가 함께 사용되지만, 📍 상대 호스트의 IP 주소는 알고 MAC 주소는 모르는 상황이 발생할 수 있다.

이때 IP 주소를 통해 MAC 주소를 알아내는 프로토콜이 바로 ARP이다.

ARP는

ARP는 ARP 요청(Request)과 ARP 응답(Reply) 과정을 통해 상대방의 주소를 식별한다.

• ARP 요청 (브로드캐스트): 네트워크 내의 모든 호스트에게 "이 IP 주소를 가진 호스트의 MAC 주소는 무엇인가요?"라고 외치는 과정이다. 이 메시지는 브로드캐스트 형식이므로 네트워크 내 모든 호스트가 수신한다.

• ARP 응답 (유니캐스트?): 요청 메시지에 포함된 IP 주소가 자신의 IP 주소와 일치하는 호스트만 자신의 MAC 주소를 담아 응답 메시지를 전송한다. 관련 없는 호스트들은 해당 메시지를 무시한다.

4-1. ARP 테이블 (ARP Table)

호스트는 매번 ARP 요청을 보내는 번거로움을 피하기 위해서 통신을 통해 알게 된 <IP 주소, MAC 주소> 쌍을 메모리에 기록해 둔다.

➡️ 이를 ARP 테이블이라고 한다.

• 한 번 통신한 상대의 정보를 기억해 두어 동일한 대상에게 패킷을 보낼 때 📍반복적인 ARP 요청을 방지한다.
• ARP 테이블의 항목은 일정 시간이 지나면 삭제되고, 필요에 따라 임의로 삭제할 수도 있다.

4-2. ARP 테이블 확인 방법

간단한 명령어를 통해 현재 내 컴퓨터에 저장된 ARP 테이블을 확인할 수 있다.

Mac / Windows OS - arp -a

위의 명령어를 사용하면 내 컴퓨터와 통신했던 대상들의 인터넷 주소(IP)와 그에 대응하는 물리적 주소(MAC), 그리고 할당 유형(동적/정적)을 볼 수 있다!

💡 주요 내용

① 무선 매체 전파와 Wi-Fi의 특징 (2.4GHz vs 5GHz) ② 네트워크 인터페이스(NIC)의 역할과 동작 원리 ③ 물리 계층의 장비: 허브(Hub)의 특성과 콜리전 도메인 ④ 데이터 링크 계층의 장비: 스위치(Switch)와 MAC 주소 학습 ⚠️ 모든 내용은 '이것이 취업을 위한 컴퓨터 과학이다 with CS 기술 면접' 책을 참고하여 작성하였습니다.

1. 무선 매체 - 전파와 Wi-Fi

네트워크에서 데이터를 실어 나르기 위해서는 통신 매체(통로)가 필요하다. 유선 LAN이 구리선(케이블)을 매체로 삼는다면, 무선 LAN은 전파를 매체로 삼는다.

무선 LAN에서 가장 대중적으로 활용되는 기술은 와이파이(Wi-Fi)이다.

• 전파(Radio wave):

  • 선이 없는 공간에서 데이터를 전달하는 물리적 통로
  • 약 3KHz부터 3THz 사이의 진동수를 갖는 전자 기파

• 무선 LAN(Wi-Fi): 전파라는 통로 위에서 데이터를 어떻게 주고받을지 약속한 표준 규격 IEEE 802.11을 따르는 기술

1-1. Wi-Fi 표준과 세대

와이파이는 4, 5, 6, 7 등 숫자로 세대를 구분하며, 세대에 따라 지원 규격(802.11n, 11ac, 11ax, 11be 등)과 최대 속도, 주파수 대역이 달라진다.

*SSID(Service Set Identifier): 서비스 셋 식별자로, 흔히 와이파이 이름으로 불리는 정보이다. AP(Access Point)를 중심으로 구성된 무선 네트워크를 식별한다.

1-2. 주파수 대역과 채널 (2.4GHz vs 5GHz)

와이파이에서 주로 사용되는 주파수 대역은 2.4GHz 혹은 5GHz이다.

• 2.4GHz 대역: 장애물 통과에 유리하지만, 여러 무선 네트워크가 같은 주파수를 사용할 경우 신호 간섭이 발생하기 쉽다. 성능 저하를 방지하려면 📍 1, 6, 11번처럼 중첩되지 않는 채널을 사용하는 것이 중요하다.
• 5GHz 대역: 2.4GHz에 비해 채널 간 간섭이 적고 더 넓은 대역폭을 제공하여 통신 성능이 우수하다.

*채널(channel): 동일한 주파수 대역을 사용하는 서로 다른 무선 네트워크를 구분하고 간섭 없이 통신하기 위해, 하나의 커다란 주파수 대역을 여러 개의 하위 주파수 대역으로 쪼개어 사용하는데, 이를 채널이라 일컫는다.

⚠️ 같은 주파수 대역을 사용하는 여러 무선 네트워크가 존재할 수 있다.

같은 지역 내에 2.4GHz 대역을 사용하는 무선 네트워크가 여러 개 존재하거나 5GHz 대역을 사용하는 무선 네트워크가 여러 개 존재할 수 있다.

대신 별개의 무선 네트워크는 같은 주파수 대역을 사용하더라도 서로의 신호에 간섭하지 않아야 한다‼️

2. 네트워크 인터페이스: NIC (Network Interface Controller)

네트워크상에서 노드와 통신 매체가 연결되는 지점을 네트워크 인터페이스라 하고, 이를 담당하는 하드웨어가 NIC이다.

2-1. NIC의 주요 기능

• 물리적 주소 할당: NIC마다 고유한 물리적 주소인 MAC 주소가 부여된다.
• 신호 변환: 통신 매체의 신호를 호스트가 이해하는 프레임으로 변환하거나, 그 반대의 역할을 수행한다.

• 입출력 방식: 패킷 송신은 '출력', 수신은 '입력'이라 부르며, 운영체제의 시스템 콜을 통해 작동한다. 대부분 DMA(Direct Memory Access)를 지원하여 CPU의 부하를 줄인다.

2-2. 티밍과 본딩

여러 개의 물리적인 NIC를 하나의 논리적인 NIC처럼 묶어 사용하는 기술이다.

• 티밍(Teaming): 주로 윈도우 운영체제에서 사용하는 용어이다.
• 본딩(Bonding): 주로 리눅스 운영체제에서 사용하는 용어이다.

➡️ 이를 통해 대역폭을 확장해 송수신 성능을 높이고, 하나의 NIC에 문제가 생겨도 안정적인 통신을 유지할 수 있다.

3. 물리 계층과 데이터 링크 계층의 네트워크 장비

3-1. 물리 계층의 허브 (Hub)

여러 대의 호스트를 연결하는 장치로, 리피터 허브 또는 이더넷 허브라고도 불린다.

전달받은 신호를 어떤 판단도 하지 않고 연결된 모든 포트로 단순 복제하여 내보낸다.

• 반이중(Half-duplex) 통신: 송신과 수신을 동시에 할 수 없고, 무전기처럼 한쪽이 송신할 때 다른 쪽은 수신만 가능하다.

  콜리전 도메인(Collision Domain)

  반이중 모드와 모든 포트 전송 방식 때문에 충돌이 발생할 수 있는 영역이다. 허브에 연결된 모든 호스트가 하나의 콜리전 도메인에 속하게 된다.

  

3-2. 데이터 링크 계층의 스위치 (Switch)

허브의 한계를 보완하기 위해 2계층에서 사용하는 장비로, L2 스위치라고도 한다.

*데이터 링크 계층의 상위 계층에서 사용되는 스위치는 L3 스위치, L4 스위치로 불린다.

① MAC 주소 학습 및 테이블 관리

스위치는 전달받은 신호를 원하는 포트에만 내보낼 수 있는데, 이는 스위치의 MAC 주소 학습 기능 덕분이다.

• MAC 주소 테이블 생성: 프레임 헤더에 명시된 MAC 주소를 보고, 어떤 포트에 어떤 호스트가 연결되어 있는지 파악해 '포트-MAC 주소' 대응 관계를 메모리(MAC 주소 테이블)에 저장한다.
• 📍 선택적 전달: 학습된 테이블을 참조하여 모든 포트가 아닌, 목적지 호스트가 연결된 포트로만 신호를 내보낸다.
• 송수신이 동시에 가능한 전이중(Full-duplex) 통신을 지원하고, 콜리전 도메인을 좁혀 네트워크 성능을 높인다.

② VLAN (Virtual LAN)

MAC 주소 학습 외에도 스위치는 VLAN이라는 가상 LAN 기능을 가지고 있다.

• 논리적 네트워크 분할: 물리적으로는 하나의 스위치에 연결되어 있더라도, 호스트들을 여러 개의 논리적인 네트워크로 나눌 수 있다.
• 브로드캐스트 제어: 서로 다른 VLAN에 속한 호스트끼리는 브로드캐스트 메시지가 도달하지 않아 네트워크를 격리할 수 있다.
• 통신 제약: VLAN1과 VLAN2처럼 서로 다른 네트워크로 간주되는 호스트 간에 통신을 하려면 네트워크 계층(L3) 이상의 장비가 반드시 필요하다.

💡 주요 내용

① 네트워크 참조 모델 (OSI vs TCP/IP 비교) ② 캡슐화와 역캡슐화의 메커니즘 ③ 계층별 주요 프로토콜 및 하드웨어 장비 ④ 응용 계층의 심화 기술 (HTTP, 보안, 안정성) ⚠️ 모든 내용은 '이것이 취업을 위한 컴퓨터 과학이다 with CS 기술 면접' 책을 참고하여 작성하였습니다.

1. 네트워크 참조 모델의 상세 구조

네트워크 통신 과정을 계층적으로 분리하여 관리하는 모델이다. 이론적 지침인 OSI 모델과 실제 구현 중심의 TCP/IP 모델로 나뉜다.

1-1. TCP/IP 4계층 모델

1. 응용 계층 (Application Layer): 사용자와 프로그램이 직접 맞닿는 계층으로, 서비스 구현에 필요한 프로토콜(HTTP, DNS 등)이 정의된다.
2. 전송 계층 (Transport Layer): 송수신 프로세스 간의 통신을 담당하며, 데이터의 신뢰성을 보장하거나(TCP) 빠른 전송(UDP)을 관리한다.
3. 인터넷 계층 (Internet Layer): 네트워크상에서 패킷을 목적지까지 전달하기 위한 경로 설정(Routing) 및 주소 지정(IP)을 수행한다.
4. 네트워크 액세스 계층 (Network Access Layer): 물리적인 네트워크 매체(케이블, 무선 신호)를 통해 데이터를 전송하며, 하드웨어적인 주소(MAC 주소)를 사용한다.

1-2. 참조 모델 간의 대응 관계

• TCP/IP 모델의 응용 계층은 OSI 7계층의 세션, 표현, 응용 계층을 통합한 기능을 수행한다.
• TCP/IP 모델의 네트워크 액세스 계층은 OSI의 물리 계층과 데이터 링크 계층을 합친 개념으로 이해된다.
• 책에서는 학습의 편의를 위해 TCP/IP 모델에 물리 계층을 추가한 'TCP/IP 모델 확장판'을 기준으로 설명하고 있다.

2. 캡슐화와 역캡슐화 (Encapsulation & Decapsulation)

2-1. 캡슐화: 데이터 전송의 원리

데이터를 송신할 때는 상위 계층에서 하위 계층으로 정보를 내려보낸다.

이때 각 계층은 상위 계층으로부터 받은 데이터를 페이로드(Payload)로 취급하고, 자신의 계층에서 필요한 정보(주소, 제어 정보 등)를 담은 헤더(Header)를 덧붙인다. 이를 캡슐화라고 한다.

2-2. 역캡슐화: 수신 및 복원 과정

데이터를 수신할 때는 하위 계층에서 상위 계층으로 정보를 올린다.

각 계층은 자신에게 해당하는 헤더를 확인하여 필요한 처리를 수행한 뒤 해당 헤더를 제거(Strip)한다. 이를 역캡슐화라고 하고, 최종적으로 수신측 응용 프로그램은 원래의 메시지만을 받게 된다.

2-3. 계층별 데이터 명칭 (PDU)

3. 네트워크 지도 (Network Map)

3-1. 하위 계층 (물리 & 데이터 링크)

• 이더넷(Ethernet): 오늘날 네트워크 환경의 근간이 되는 공통 기술이다.
• 장비: * NIC: 네트워크 연결을 위한 하드웨어 인터페이스.
• 허브(Hub): 물리 계층의 대표 장비로 신호를 복제/전달한다.
• 스위치(Switch): 데이터 링크 계층 장비로 MAC 주소를 기반으로 데이터를 전달한다.

3-2. 네트워크 계층

• IP 주소: 주소 체계(클래스풀, 클래스리스)와 서브넷 마스크를 통해 네트워크 규모를 관리한다.
• 할당 방식: 수동으로 부여하는 정적 할당과 서버가 자동으로 부여하는 DHCP(동적 할당)가 있다.
• 기타 프로토콜: 네트워크 상태를 확인하는 ICMP, IP 주소를 MAC 주소로 바꾸는 ARP 등이 있다.

3-3. 전송 계층

• TCP: 신뢰성을 중시한다. 연결 수립/종료, 오류·흐름·혼잡 제어 및 상태 관리를 수행한다.
• UDP: 신속성을 중시하며, TCP가 제공하는 복잡한 제어 기능 없이 단순한 전송을 담당한다.

4. 응용 계층 및 인프라 최적화

4-1. HTTP와 보안 (HTTPS)

• HTTP: 메시지 구조(메서드, 상태 코드, 헤더)를 기반으로 통신하며, 쿠키와 캐시, 콘텐츠 협상 기술을 사용하여 사용자 경험을 개선한다.
• HTTPS: 보안을 위해 SSL/TLS 프로토콜을 사용하여 HTTP 메시지를 안전하게 암호화하여 송수신한다.

4-2. 프록시와 트래픽 관리

네트워크의 안정성을 높이기 위해 서버와 클라이언트 사이에 중간 서버를 배치한다.

• 프록시 서버: 포워드 프록시와 리버스 프록시로 구분되어 보안 및 성능 향상에 기여한다.
• 가용성(Availability): 시스템이 중단 없이 돌아가는 정도를 뜻하며, 로드 밸런싱을 통해 트래픽을 분산하고, 스케일링(인업/아웃)을 통해 시스템 규모를 조절하여 이를 확보한다.

4-3. 네트워크 전체 구조

💡 주요 내용

① 이진 트리의 종류 (포화 이진 트리, 완전 이진 트리) ② 탐색과 힙 (이진 탐색 트리, 편향 트리, 최대/최소 힙) ③ 자가 균형 트리 (RB 트리의 조건, 왼쪽/오른쪽 회전, B/B+ 트리) ④ 그래프의 기초 (정점과 간선, 트리와의 차이, 실무 사례) ⑤ 그래프의 구현 (연결, 방향/가중치 그래프, 서브 그래프) ⚠️ 모든 내용은 '이것이 취업을 위한 컴퓨터 과학이다 with CS 기술 면접 책을 참고하여 작성하였습니다.

1. 이진 트리의 종류

이진 트리는 자식 노드의 개수와 배치 형태에 따라 다양하게 분류된다.

1-1. 포화 이진 트리 (Perfect Binary Tree)

리프 노드를 제외한 모든 노드들이 자식 노드를 2개씩 가지고 있고, 모든 리프 노드의 레벨이 동일한 이진 트리를 말한다.

• 모든 리프 노드의 레벨이 같아야 하므로, 트리가 완벽한 삼각형 형태를 띤다.

*리프 노드: 트리의 최하위 노드 , 자식 노드가 없는 노드

1-2. 완전 이진 트리 (Complete Binary Tree)

마지막 레벨을 제외한 모든 레벨이 2개의 자식 노드를 가지고 있으며, 마지막 레벨의 모든 노드들이 왼쪽부터 순서대로 존재하는 이진 트리를 말한다.

• 중요: 마지막 레벨이 다 채워지지 않아도 되지만, 빈틈없이 왼쪽부터 채워져야만 한다.

1-3. 포화 이진 트리 vs 완전 이진 트리

두 트리는 이름이 비슷해 보이지만, '노드가 채워지는 조건'에서 큰 차이가 있다.

📍 꼭 알아두기!

• 모든 포화 이진 트리는 완전 이진 트리이다? → YES! (왼쪽부터 꽉 차 있기 때문)
• 모든 완전 이진 트리는 포화 이진 트리이다? → NO! (마지막 레벨이 덜 찼을 수도 있기 때문)

💡 면접 Tip > "완전 이진 트리는 배열을 이용한 구현 시 인덱스 사이에 빈틈이 생기지 않는다는 점이 중요하고, 이는 힙(Heap) 자료구조의 구조적 기반이 됨을 뜻한다."

2. 탐색과 정렬: 이진 탐색 트리와 힙

2-1. 이진 탐색 트리 (BST, Binary Search Tree)

특정 노드의 왼쪽 서브트리에는 해당 노드보다 작은 값이, 오른쪽 서브트리에는 해당 노드보다 큰 값이 위치하는 구조이다.

• 장점: $O(\log n)$의 시간 복잡도로 원하는 값을 빠르게 찾을 수 있다.
• 예시: 만약 '15'를 찾는다면, 루트(8)보다 크므로 오른쪽으로, 그 다음 노드인 '10'보다도 크므로 다시 오른쪽으로 이동하며 효율적으로 탐색한다.

⚠️ 편향 트리 (Skewed Tree) 이진 탐색 트리(BST)에 데이터가 삽입될 때, 자가 균형 알고리즘이 없어 한쪽 방향으로만 치우쳐 자라는 트리를 말한다.

• 원인: 데이터가 정렬된 상태(예: 1, 2, 3, 4...)로 삽입될 경우
• 발생 형태: 모든 노드가 왼쪽 혹은 오른쪽 자식 노드만 가지는 선형 구조
• 탐색 속도: O(N)
  
  ➡️ 트리의 가장 큰 장점은 나누어 정복(Divide and Conquer)이지만, 편향 트리는 이러한 장점을 가지지 않는다.

• 일반적인 균형 트리는 한 번 비교할 때마다 탐색 범위가 절반($1/2$)씩 줄어들지만, 편향 트리는 구조적으로 연결 리스트(Linked List)와 동일해지기 때문이다.
• 데이터가 $n$개 있을 때, 가장 끝에 있는 데이터를 찾으려면 루트 노드부터 시작해 모든 노드를 하나씩 방문해야 하기 때문이다.

2-2. 힙 (Heap)

최댓값이나 최솟값을 빠르게 찾아내기 위해 고안된 완전 이진 트리이다.

• 최대 힙 (Max Heap): 부모 노드의 값이 자식보다 항상 크거나 같다.
• 최소 힙 (Min Heap): 부모 노드의 값이 자식보다 항상 작거나 같다.
• 탐색 속도: $O(\log n)$

💡 Tip > 노드 간 크기(크다/작다)의 비교는 숫자만 가능한 것이 아니다. 문자 간의 비교도 가능하고, 때때로 원하는 우선 순위를 직접 지정할 수도 있다.

우선순위 큐와 최대 힙의 관계

*우선순위 큐는 최대 힙으로 구현할 수 있다. 최대 힙을 구현하면 최상단 루트 노드는 언제나 우선 순위가 가장 높은 값을 가지게 되기 때문이다.

*우선순위 큐에 데이터가 어떤 순서로 저장되었든 우선 순위 큐에서 데이터를 빼낼 때는 우선 순위가 높은 데이터순으로 얻어낼 수 있다.

3. 자가 균형 이진 탐색 트리 (Self-Balancing BST)

이진 탐색 트리는 삽입과 삭제 연산을 반복하는 과정에서 편향 트리가 될 수도 있다.

➡️ 같은 노드의 집합으로 구성된 트리여도 연산의 순서에 따라 편향 트리가 될 수 있다.

이러한 편향성을 극복하기 위해, 삽입/삭제 연산 시 스스로 높이 균형을 맞추는 특별한 트리들이 등장했는데, 대표적으로 AVL 트리와 RB 트리(Red-Black Tree)가 있다.

3-1. RB 트리 (Red-Black Tree)

노드에 색상(Red/Black) 속성을 부여하여 특정 규칙을 강제함으로써 트리의 균형을 유지하는 트리를 말한다.

RB 트리는 노드에 색을 칠하는 규칙을 통해 왼쪽 서브 트리와 오른쪽 서브 트리의 높이 균형을 맞춘다. 이때 주의할 점은 RB 트리의 리프 노드(Leaf Node)에 대한 정의이다.

➡️ 즉, 노드에 색을 칠하는 규칙과 노드에 칠해진 색을 기준으로 왼쪽 서브 트리 높이와 오른쪽 서브 트리 높이의 균형을 맞춘다.

• NIL 노드: RB 트리에서 리프 노드는 실제 데이터가 저장되지 않는 가상의 노드인 NIL(Null Leaf) 노드로 간주한다. 트리의 끝을 명시적으로 나타내며, 균형을 계산하는 기준점이 된다.

3-2. RB 트리의 4가지 핵심 조건

1. 모든 노드는 레드(Red) 혹은 블랙(Black)이다.
2. 루트 노드와 리프 노드(NIL)는 항상 블랙이다.
3. 레드 노드의 자식은 반드시 블랙이다. (레드 노드가 연속해서 나타날 수 없다)
4. 임의의 노드에서 리프 노드에 이르는 경로상의 블랙 노드 수는 모두 같다.

4. 트리의 회전 (Rotation)

RB 트리나 AVL 트리에서 데이터 삽입/삭제로 인해 균형이 깨졌을 때 수행하는 핵심 연산이다.

• 왼쪽 회전 (Left Rotation): 기준 노드를 왼쪽 아래로 내리고, 오른쪽 자식을 부모 위치로 올린다.

• 오른쪽 회전 (Right Rotation): 기준 노드를 오른쪽 아래로 내리고, 왼쪽 자식을 부모 위치로 올린다.

5. 대용량 데이터를 위한 B 트리 (B-Tree)

이진 탐색 트리와 달리, 한 노드가 여러 개의 자식 노드를 가질 수 있는 다진 탐색 트리(Multi-way Search Tree)이다. 주로 데이터베이스와 파일 시스템에서 대량의 데이터를 관리할 때 사용된다.

5-1. M차 B-트리의 특징

한 노드가 가질 수 있는 최대 자식 노드의 개수가 개인 B-트리를 M차 B-트리라고 부른다. B-트리는 노드의 분열과 합병을 통해 균형을 유지하고, 다음과 같은 제약 조건을 가진다.

• 자식 노드의 수 (Degree)
• 최대 자식 수: $M$개
• 최소 자식 수: $\lceil M / 2 \rceil$개 (루트 노드와 리프 노드 제외)
• 예: 5차 B-트리라면, 중간 노드들은 최소 3개($\lceil 5 / 2 \rceil = 3$)의 자식을 가져야 한다.

• 키(Key)의 특징
• 각 노드에는 하나 이상의 키 값이 존재하며, 항상 오름차순으로 정렬되어 저장된다.
• 한 노드에 $k$개의 키가 있다면, 자식 노드의 수는 항상 $k+1$개여야 한다.
• 루트 노드에 key1, key2가 있다면 key1 < key2 관계를 유지한다.

5-2. 왜 B-트리를 사용할까?

B-트리는 모든 리프 노드들이 같은 레벨(높이)에 존재하도록 보장한다. 노드 하나에 여러 데이터를 담을 수 있어 트리의 높이를 낮게 유지할 수 있고, 대용량 데이터를 탐색할 때 디스크 접근 횟수를 획기적으로 줄여주는 장점이 된다.

방대한 데이터를 다루는 데이터베이스(Index)나 파일 시스템에서 핵심적으로 사용된다. 노드 하나가 가질 수 있는 자식의 수가 많아 트리의 높이를 낮게 유지할 수 있기 때문이다.

B 트리의 변형, B+ 트리

📍 실무 데이터베이스에서 가장 많이 쓰인다고 한다...!

• B트리와의 차이: 실질적인 데이터가 오직 최하위 리프 노드에만 위치한다.
• 연결 리스트: 리프 노드들이 서로 연결 리스트 형태로 이어져 있어, 범위 스캔(Range Scan) 연산 시 부모 노드로 돌아갈 필요 없이 옆 노드로 바로 이동할 수 있어 매우 효율적이다.

5-3. B-트리 vs B+ 트리

📍 B+트리는 내부 노드에 데이터를 중복해서 저장(인덱스로 활용)하기 때문에 B-트리보다 공간을 조금 더 차지하는 것은 맞다.

하지만 실무(특히 Database 인덱스, File System)에서 B+트리를 선호하는 이유는 그 단점을 압도하는 효율성 때문이다.

① 노드 당 더 많은 Key를 담을 수 있다 (높이 최소화)

B-트리와 B+트리의 결정적인 차이는 "데이터(Value)가 어디에 저장되는가"이다.

• B-트리: 내부 노드(Internal Node)가 Key와 Data를 모두 가진다.
• B+트리: 내부 노드는 Key(가이드 역할)만 가지고, 실제 Data는 오직 리프 노드에만 저장한다.

📍 이게 왜 중요할까? 하나의 노드(페이지) 크기는 고정되어 있다. B+트리의 내부 노드는 데이터가 없기 때문에 그만큼 더 많은 Key를 채울 수 있다.

결과적으로 트리의 분기 수(Fan-out)가 훨씬 커지며, 트리의 전체 높이(Height)가 낮아진다. 디스크 I/O가 성능의 병목인 시스템에서 높이가 1단계 낮아지는 것은 엄청난 성능 향상을 의미한다.

② 전체 탐색(Full Scan)과 범위 탐색(Range Scan)의 압도적 유리함

'인접 리스트' 개념이 바로 여기서 핵심적인 역할을 한다.

• B-트리: 모든 데이터를 순회하려면 트리를 타고 위아래로 왔다 갔다(In-order Traversal) 해야 한다. 이 과정에서 디스크 헤드가 계속 움직여야 하므로 매우 느리다.
• B+트리: 위 이미지에서 보듯 모든 리프 노드가 연결 리스트(Linked List)로 이어져 있다.
• "10번부터 50번까지 찾아줘"라고 하면 10번 위치만 찾은 뒤, 그다음부터는 옆으로 쭉 읽기만 하면 된다.
• 이 방식은 순차적 읽기(Sequential Read)에 최적화되어 있어 데이터베이스의 범위 조회에서 성능 차이가 극명하게 벌어진다.

③ 캐시 효율성 (Cache Hit)

내부 노드에는 데이터 없이 인덱스(Key) 정보만 있기 때문에, 메모리(RAM)의 한정된 공간에 더 많은 인덱스 정보를 올릴 수 있다. 이는 원하는 데이터가 메모리 안에 있을 확률(Cache Hit)을 높여주어, 느린 디스크로 직접 가는 횟수를 대폭 줄여준다.

Q. 그냥 '인접 리스트-인접 리스트'로 구성하면 안 될까?

단순히 모든 데이터를 인접 리스트(연결 리스트)로만 관리하면, 특정 데이터를 찾는 '탐색'이 $O(n)$이 된다. 100만 번째 데이터를 찾으려면 앞의 99만 개를 다 거쳐야 한다...

그래서 📍 B+트리는 "탐색은 트리 구조()로 빠르게 하고, 범위 출력은 리스트 구조(옆으로 이동)로 빠르게 하는" 두 자료구조의 장점을 결합한 형태라고 이해하면 된다.‼️

Q. 왜 B+트리일까?

"B+트리는 공간을 조금 더 사용하더라도, 디스크 I/O 횟수를 줄이고 범위 검색 성능을 극대화하기 위해 설계된 실무 지향적 자료구조이다."

6. 그래프 (Graph)

그래프는 사물이나 개념 간의 연결 관계를 표현하는 자료구조이다.

주로 네트워크, 운영체제 등 다양한 분야에서 범용적으로 사용된다 ❗️

6-1. 그래프의 정의와 트리와의 차이점

그래프는 정점(Vertex)이라 불리는 데이터와 이들을 잇는 간선(Edge) 혹은 링크(Link)로 연결된 형태를 말한다.

• 트리와의 차이: 트리는 사이클을 형성하지 않고 연결된 노드 간에 상하 관계를 갖는 반면, 그래프는 사이클을 형성할 수 있고 이웃한 정점끼리 상하 관계를 갖지 않는 더 일반적인 형태이다.
• 사이클(Cycle): 특정 정점에서 출발해 다시 처음 출발했던 정점으로 되돌아오는 경로를 의미한다.

6-2. 그래프의 실무 예시

우리가 일상에서 접하는 많은 연결 관계가 그래프로 표현될 수 있다.

• 지하철 노선도: 역을 정점으로, 역과 역 사이를 연결하는 경로를 간선으로 본다.
• 컴퓨터 네트워크: 다양한 통신 기기(정점)를 케이블이나 와이파이 같은 연결 매체(간선)로 연결한 형태이다.

6-3. 간선의 특징에 따른 그래프의 종류

간선이 어떤 형태로 정점을 연결하느냐에 따라 그래프의 유형이 달라진다.

참고자료

• 이진 트리(binary tree)와 이진 탐색 트리(binary search tree): https://chamdom.blog/binary-tree/
• [자료 구조] 힙 (Heap): https://chaeyami.tistory.com/174
• [자료구조/균형트리] B-트리, B+트리란?: https://suyeonme.tistory.com/102
• [MySQL] B-tree, B+tree란? (인덱스와 연관지어서): https://zorba91.tistory.com/293
• [자료구조] 간단히 알아보는 B-Tree, B+Tree, B*Tree: https://ssocoit.tistory.com/217

주요 내용

① 해시 테이블의 개념 (정의, 구조, 원리) ② 해시 함수 (특징, 활용 사례, 사용 이유) ③ 해시 충돌 (무결성 훼손, 데이터 위조, 체이닝, 개방 주소법) ⚠️ 모든 내용은 '이것이 취업을 위한 컴퓨터 과학이다 with CS 기술 면접' 책을 참고하여 작성하였습니다.

1. 해시 테이블

📍 해시 테이블은 운영체제 내부, 네트워크, 데이터베이스에서도 자주 사용된다. 개발 실무에서 반드시 접하거나 사용하게 될 개념이기 때문에 꼼꼼히 공부하자❗️

키 key와 값 value의 대응으로 이루어진 표(테이블)와 같은 형태의 자료구조를 말한다.

키는 해시 테이블에 대한 입력, 값은 키를 통해 얻고자 하는 데이터라고 볼 수 있다. 이러한 대응 관계를 갖는 데이터는 일상에서 쉽게 찾아볼 수 있다.

대표적인 예시로 전화번호부가 있다. 이름을 키로, 그에 대응되는 전화번호를 값으로 삼을 수 있다. 책도 마찬가지다. 책마다 부여받은 ISBN이라는 공유한 도서 번호를 키, 책 제목을 값으로 대응할 수 있다.

1-1. 해시 테이블의 구조

해시 테이블 구조
 ├── 키 (Key)
 ├── 해시 함수 (Hash Function)
 └── 버킷 배열 (Bucket Array)
     ├── 인덱스 (Index)
     └── 데이터 (value) 

• 키: 데이터를 검색하거나 저장하는 데 사용되는 입력 값
• 해시 함수: 키를 입력받아 버킷 배열 내의 유효한 인덱스를 계산
• 버킷 배열: 키를 통해 얻고자 하는 데이터를 버킷에 저장하는 역할
  • 인덱스 (Index): 해시 함수의 결과, 데이터가 저장될 배열의 위치
  • 데이터 (value): 해당 키와 연결되어 실제 저장되는 정보

➡️ 버킷은 여러 개 존재할 수 있고, 여러 버킷들이 모여 배열을 형성함

1-2. 해시 테이블의 원리

• 저장 과정: 키 $\xrightarrow{\text{해시 함수}}$ 인덱스 $\xrightarrow{\text{접근}}$ 버킷 $\xrightarrow{\text{저장}}$ 데이터(값)
• 검색 과정: 키 $\xrightarrow{\text{해시 함수}}$ 인덱스 $\xrightarrow{\text{접근}}$ 버킷 $\xrightarrow{\text{획득}}$ 데이터(값)
• 로드 팩터: (저장된 데이터 수) $\div$ (버킷 배열의 수)

*로드 팩터: 해시 테이블이 현재 얼마나 가득 차 있는지에 대한 지표, 로드 팩터가 클수록 해시 테이블의 성능이 떨어짐

2. 해시 함수 (Hash Function)

📍 임의의 길이를 지닌 데이터를 고정된 길이의 데이터로 변환하는 단방향 함수이다.

📍 단방향 함수이기 때문에 특정 입력 데이터를 고정된 길이의 해시 값으로 변환할 수는 있어도, 반대로 해시 값을 토대로 어떤 데이터가 입력되었는지를 도출하기는 어렵다.

해시 함수의 연산 방법은 해시 알고리즘(Hash Algorithm)이라고 한다. 해시 알고리즘은 대표적으로 MD5, SHA-1. SHA-256, SHA-512, SHA3, HMAC 등이 있다.

** 📍 같은 데이터라 하더라도 적용된 해시 알고리즘이 다르면 도출되는 해시 값의 길이나 값이 달라진다.**

2-1. 해시 함수의 주요 특징

📍 SHA-256 알고리즘으로 아래 문자열들을 해시한 결과

• 'hanbit' 문자열 3f5e2cf9fe54c5c8df8589d53f6f787f66b7cc556b1543d5cd002c29d8b12b28

• 'hanbit media' 문자열 f6c3a369cb093a0d8975b74a94035a75266f5c2032712b471443bf17e469a5ef

• 'hanbit media ' 문자열 7b860e4e58c1b4c86de890837b6a4653ba5a0a31ec6f4b66e1b6f438a26512ea

➡️ 문자열에 따라 해시 값이 아예 달라지는 것을 확인할 수 있다.

⚠️ 해시 값은 문자열이 한 글자만 달라져도 크게 달라질 수 있다. 'hanbit media' 문자열에 공백 하나를 추가해 'hanbit media ' 문자열에 대한 해시 값을 구하면 완전히 다른 결과가 나온다.

*눈사태 효과 (Avalanche Effect): 해시 함수에서 Input Data가 1bit만 차이를 보여도 Output Data는 다르게 나타난다.

📍 해시 함수는 이러한 특징으로 인해 무작위 값을 만들거나 단방향 암호를 만들 때, 데이터의 무결성을 검증하기 위해 사용되기도 한다.

2-2. 해시 함수의 활용 사례

1) 데이터 송수신

데이터를 전송하기 전에 송신하는 쪽에서 보낼 데이터에 대한 해시 값을 계산한 뒤, 이를 데이터와 함께 수신자에게 전달했다고 가정해보자.

그리고 수신하는 쪽에서 받은 데이터에 대한 해시 값을 계산한 뒤, 계산된 해시 값을 전달받은 해시 값과 비교해보자.

전송 당시의 해시 값과 수신된 데이터에 대한 해시 값을 비교했을 때, 두 값이 일치하면 바르게 전송되었다고 볼 수 있다.

반면, 전송 과정에서 조금이라도 정보가 왜곡되거나 훼손되었다면 전혀 다른 해시 값이 도출되므로 잘못된 데이터가 전송되었음을 쉽게 파악할 수 있다.

2) 웹 프레임 워크의 로그인 및 회원 정보 저장

해시 함수를 이용한 해시 값은 웹 프레임워크에서 비밀번호를 안전하게 저장할 때 핵심적으로 사용된다.

우리가 웹 서비스에 접속하여 아이디(또는 이메일)와 비밀번호를 입력할 때,

😱 대부분의 사람들은 웹 서비스 관리자가 자신의 비밀번호를 그대로 알 수 있을 것이라고 생각한다.

📍 그러나, 해당 웹 서비스의 관리자는 실제 사용자의 비밀번호를 알 수 없다.

➡️ 이는 비밀번호를 비롯한 개인 정보가 웹 사이트 데이터베이스에 저장될 때, 법적 규제와 보안 관행에 따라 단방향 암호화 (해시 함수 적용)를 거쳐 저장되기 때문이다.

• 실제로 서비스 배포를 했었던 boxbox 웹의 login 테이블

*이러한 비밀번호 암호화 용도로 사용되는 대표적인 해시 함수로는 bcrypt, PBKDF2, scrypt, argon2 등이 있다.

즉, 사용자가 입력한 비밀번호 원본(Plaintext)은 저장되지 않고, 오직 되돌릴 수 없는 해시 값(Hash Value)만 데이터베이스에 저장된다. 이로 인해 관리자나 해커가 데이터베이스에 접근하더라도 원본 비밀번호를 탈취하는 것이 거의 불가능하다.

2-3. 해시 테이블을 사용하는 이유

다시 해시 테이블 이야기로 돌아와서, 해시 테이블을 사용하는 이유는 명백하다.

빠른 검색 속도 때문이다.

📍 일반적인 상황에서 해시 테이블을 활용한 검색, 삽입, 삭제 연산의 시간 복잡도는 O(1)이다.

➡️ 이는 입력과 무관하게 항상 일정한 속도를 보장한다는 의미이며, 이례적일 정도로 뛰어난 성능이다.

Q. 그렇다면 해시 테이블은 모든 자료구조의 성능을 능가하는 최고의 자료구조일까? ❌

해시 테이블은 속도가 빠른 만큼 상대적으로 많은 메모리 공간이 소모된다.

데이터가 매우 많을 경우 공간 복잡도가 시간 복잡도만큼 우수하지 않다. 뿐만 아니라 아래 그림과 같은 📍 해시 충돌이라는 문제도 해결해야 한다.

3. 해시 충돌 (Hash Collaion)

서로 다른 키에 대해 같은 해시 값이 대응되는 상황을 의미한다.

이는 다른 이름에 같은 전화번호가 대응된 상황, 혹은 다른 ISBN에 같은 책이 대응된 상황과도 같다.

Q. 해시 충돌로 인해 어떤 문제가 발생할 수 있을까?

대표적인 해시 함수 중 하나인 SHA-1 해시 충돌 사례를 통해 생각해보자.

구글과 CWT 암스테르담 연구소는 SHA-1 해시 함수가 사용하는 알고리즘에 해시 충돌이 발생할 수 있음을 입증했는데,

shattered-1.pdf와 shattered-2.pdf는 분명 다른 Pdf 파일이지만, 두 파일 데이터에 대한 해시 값을 구해보면 다음과 같이 SHA-1 알고리즘에서만 동일한 해시 값이 도출된다.

➡️ 충돌이 발생한 것이다.

📍 해시 값은 데이터 무결성 검증에도 사용이 된다.

매우 드문 사례일 수 있지만, 이와 같은 해시 충돌이 발생할 경우 shattered-1.pdf와 shattered-2.pdf의 같은 해시 값을 토대로 두 파일을 같은 데이터라도 판단할 수 있다.

➡️ 이렇게 되면 전송 과정에서 데이터를 가로채서 바꾸는 보안상의 위험도 발생할 수 있다.

✏️ 보안 관점에서의 추가 설명

해당 사례는 해시 함수의 조건 중 📍 제 2 프리 이미지 저항성과 충돌 저항성에 위배되는 행위이다.

제 2 프리 이미지 저항성 (Second Pre-image Resistance)

• Input Data x가 주어졌을 때, 해시 값 z를 갖는 또 다른 Input Data x’의 발견이 어려워야 한다.

• 주어진 x, z에 대해 x를 h()에 적용한 z = h(x)가 있을 경우, z = h(x) = h(x’)인 x’를 찾기가 어려워야 한다.

  충돌 저항성 (Collision resistance)

  

  • 동일한 해시 값 z를 갖는 임의의 두 Input Data x, x'을 찾는 것이 어려워야 한다.

• 주어진 정보가 없을 때, 해시 값 z에 대한 h(x) = h(x') = z를 만족하는 (x, x')을 찾는 것이 어려워야 한다.

📍 해시 테이블에서 이와 같은 해시 충돌이 발생하면 2개 이상의 키에 같은 데이터가 대응되는 상황이 발생한다.

이를 해결하기 위한 방법으로는 체이닝과 개발 주소법이 대표적이다.

3-1. 체이닝 (Chaining)

체이닝은 충돌이 발생한 데이터를 연결 리스트로 추가하는 방식이다.

서로 다른 키가 같은 테이블 인덱스로 해시되더라도, 단순히 연결 리스트의 노드로 추가될 뿐이다.

➡️ 따라서 하나의 테이블 인덱스에 여러 데이터가 연결 리스트 형태로 존재할 수 있다.

• 장점: 구현이 단순하고, 테이블이 거의 가득 차더라도 데이터를 안정적으로 저장할 수 있다.
• 단점: 충돌이 자주 발생하여 리스트가 길어진다면, 해시 테이블의 장점인 $O(1)$ 속도를 살리지 못하고 탐색 성능이 $O(N)$으로 떨어질 수 있다.

3-2. 개방 주소법 (Open Addressing)

개방 주소법은 충돌이 발생했을 때, 충돌 위치가 아닌 다른 비어있는 인덱스(버킷)를 찾아 데이터를 저장하는 방법이다.

이때 비어있는 다른 버킷을 찾는 과정을 조사(Probing)라고 한다. 개방 주소법은 이 조사 방법에 따라 세부적으로 나뉜다.

1) 선형 조사법 (Linear Probing)

선형 조사법은 가장 단순한 조사 방법이다.

• 원리: 해시 값 f(key)에서 충돌이 발생하면, 다음 인덱스 f(key) + 1, f(key) + 2, f(key) + 3, ... 순으로 순차적으로 가용한 인덱스를 찾아 나선다.

• 문제점: 데이터의 군집화(Clustering) 현상이 발생한다. 해시 충돌이 발생하는 인덱스 인근에 여러 데이터가 몰리면서 순차 탐색이 길어지고 성능이 악화된다.

이차 조사법 (Quadratic Probing)

이차 조사법은 선형 조사법의 군집화 문제를 완화하는 방법 중 하나이다.

• 원리: 충돌이 발생한 인덱스에서 제곱수만큼 떨어진 거리에 위치한 인덱스를 찾는다. 즉, f(key) + 1^2, f(key) + 2^2, f(key) + 3^2, ... 순으로 가용한 버킷 인덱스를 탐색한다.
• 선형 조사법보다는 군집화 문제를 완화할 수 있지만, 제곱수의 규칙성 때문에 여전히 근본적인 해결 방법이라고 보기는 어렵다.

2) 이중 해싱 (Double Hashing)

이중 해싱(double hashing)은 가장 효과적으로 군집화 문제를 피하는 방법 중 하나이다.

• 원리: 2개의 해시 함수를 사용한다. 충돌이 발생하면, 기본 해시 함수 f(key)에 보조 해시 함수 g(key)의 값을 더해서 다음 탐색 인덱스를 결정한다.
• 탐색 순서: f(key) + g(key), f(key) + 2g(key), f(key) + 3g(key), ... 순으로 인덱스를 찾는다.
• 장점: 해시 함수를 통해 무작위로 인덱스가 생성되는 효과를 얻을 수 있어, 선형 조사법의 군집화 문제를 상당 부분 해소할 수 있다.

3-3. 프로그래밍 언어별 해시 테이블 구현

많은 프로그래밍 언어에서 해시 테이블은 표준 라이브러리로 제공된다.

학부생 시절 작성했던 네트워크 보안 과목의 요약 일부분,,,

주요 내용

① 가상 메모리 ② 논리 주소 / 물리 주소 ③ 페이징 (페이지 테이블, TLB, 계층적 페이징) ④ 세그먼테이션 ⑤ 요구 페이징 (페이지 교체, 스레싱) ⚠️ 모든 내용은 '이것이 취업을 위한 컴퓨터 과학이다 with CS 기술 면접' 책을 참고하여 작성하였습니다.

1. 가상 메모리: 운영체제의 메모리 관리 기법

CPU와 프로세스는 메모리 몇 번지에 무엇이 저장되어 있는지까지 다 일일이 알고 있지는 않다. 이를 알기 위해서는 CPU 내부의 저장 공간(레지스터)이 메모리만큼 커야 할 텐데, 실제로는 그보다 훨씬 작은 용량을 갖고 있기 때문이다.

게다가 새로운 프로세스는 새롭게 메모리에 적재되고, 사용되지 않는 프로세스는 메모리에서 삭제된다.

➡️ 메모리 정보는 시시 때때로 변경될 수 있다는 의미이다.

메모리에 적재된 모든 프로세스와 CPU가 이렇게 실시간으로 바뀌는 정보를 모두 기억하고 있기는 어렵다.

📍 그렇다면 CPU는 어떻게 메모리에 적재된 프로세스의 주소를 인식하고 관리할까?

1-1. 가상 메모리 (Virtual Memory)

운영체제의 메모리 관리 기법 중 하나로, 실제 메모리(RAM)보다 더 큰 프로그램을 실행할 수 있도록 해주는 기술이다.

• 사용 환경: 프로그램(프로세스)의 크기가 실제 물리 메모리 크기보다 클 때 주로 사용된다. (예: 4GB RAM에서 4GB 이상의 프로그램 실행)
• 작동 방식: 프로그램의 전체가 아닌 일부만 실제 메모리에 적재하고, 나머지는 보조 기억 장치(하드 디스크 등)에 저장하여 메모리가 실제보다 크게 보이게 한다.

논리 주소 공간(Virtual Address Space): 가상 메모리 기법으로 인해 생성된 주소 공간

1-2. 물리 주소와 논리 주소

📍 CPU와 프로세스는 실제 메모리 주소인 물리 주소가 아닌, 운영체제가 부여한 논리 주소를 사용하여 메모리에 접근한다.

• 논리 주소 (Logical Address): 프로세스마다 0번지부터 시작하여 부여되는 가상의 주소 ➡️ 즉, CPU나 프로세스가 메모리에 접근할 때 이용하는 주소이다.

• 물리 주소 (Physical Address): 실제 메모리(RAM)에 있는 정보가 실제로 저장된 주소

• MMU (Memory Management Unit): CPU와 메모리 사이에 위치하며, CPU가 사용하는 논리 주소를 메모리가 이해하는 물리 주소로 변환하는 장치 ➡️ CPU는 논리 주소로 이야기하는데, 메모리가 물리 주소로 이야기한다면 서로 원활하게 통신하기 어렵기 때문이다.

⚠️ 중복 가능한 논리 주소의 번지수

CPU와 프로세스가 사용하는 주소 체계는 물리 주소가 아니라 논리 주소이기 때문에 📍 중복되는 물리 주소의 번지수는 존재하지 않지만, 중복되는 논리 주소의 번지수는 얼마든지 존재할 수 있다.

1-3. 스와핑 (Swapping)

메모리에 적재된 프로세스 중 현재 사용되지 않는 프로세스를 보조 기억 장치인 스와프 영역 (Swap Space)으로 내보내고, 그 빈 공간에 새 프로세스를 적재하는 메모리 관리 방식이다.

• 스와프 아웃 (Swap Out): 사용되지 않는 프로세스를 메모리에서 스와프 영역으로 옮기는 작업
• 스와프 인 (Swap In): 스와프 아웃되었던 프로세스가 다시 메모리로 돌아오는 작업

스와프 아웃 되었던 프로세스가 다시 스와프 인 될 때는 스와프 아웃 되기 전의 물리 주소와는 다른 주소에 적재될 수 있다.

📍 그런데 만약 메모리 내 빈 공간이 여러 개라면 어디에 프로세스를 배치해야 할까?

2. 메모리 할당의 문제점

가상 메모리 기법이 등장하게 된 배경에는 기존의 메모리 할당 방식에서 발생하는 비효율적인 문제가 있었기 때문이다.

2-1. 연속 메모리 할당 (Contiguous Memory Allocation)

프로세스를 메모리에 연속적인 공간에 할당하는 방식이다.

언뜻 보기에는 당연하고 보편적인 방식이라고 느껴질 수 있지만, 사실 연속 메모리 할당은 메모리를 효율적으로 사용하는 방법은 아니다.

2-2. 외부 단편화 (External Fragmentation)

아래 그림과 같은 상황을 가정해 보자!

현재 이 메모리에 새로운 프로세스가 적재될 수 있는 빈 공간은 총 50MB이다.

하지만 남아있는 빈 공간의 총합이 50MB라고 하더라도 크기가 50MB인 프로세스를 적재하는 것은 불가능하다.

➡️ 메모리에 남아있는 공간이 각각 30MB와 20MB으로 연속된 공간으로 존재하지 않고, 분산되어 있다.

2-3. 스와핑과 연속 메모리 할당이 내포하는 2가지 문제

• 외부 단편화: 프로세스가 실행과 종료를 반복하며 프로세스 사이에 크고 작은 빈 공간이 생기고, 이 빈 공간들의 합은 충분하더라도 하나의 큰 프로세스를 적재할 연속된 공간이 없어 메모리 낭비가 발생하는 현상
• 큰 프로그램 실행 불가: 프로그램이 메모리보다 크면 연속적인 할당 공간을 찾을 수 없어 실행할 수 없다.

3. 가상 메모리의 주요 기법

외부 단편화 문제를 해결하고 메모리보다 큰 프로세스도 실행 가능하게 하는 가상 메모리의 대표적인 기법은 페이징과 세그먼테이션이다.

3-1. 페이징 (Paging)

논리 주소 공간을 일정한 크기의 페이지 (Page)로 나누고, 물리 주소 공간을 페이지와 동일한 크기의 프레임 (Frame)으로 나누어 프로세스를 메모리에 할당하는 기법이다.

• 핵심 원리: 프로세스를 구성하는 페이지들을 물리 메모리 내부에 불연속적으로 배치할 수 있다.

• 장점: 프로세스가 불연속적으로 배치될 수 있기 때문에 외부 단편화가 발생하지 않는다. ➡️ 이로 인해 연속 메모리 할당처럼 프로세스 바깥에 빈 공간이 생길 일이 없다.

• 페이징에서의 스와핑: 페이징을 사용하는 시스템에서는 프로세스 전체가 아닌 페이지 단위로 스와프 인/아웃이 일어난다. (페이지 아웃/인)

📍 같은 프로세스를 이루는 페이지 중 일부만 페이지 아웃/인이 된다면?

📍 불연속적 배치가 야기하는 또다른 문제

앞서 페이지는 물리 메모리 내에 불연속적으로 배치될 수 있다고 설명했다.

그런데, 물리 메모리 내에 페이지가 불연속적으로 배치되어 있다면, CPU 입장에서는 다음으로 실행할 페이지의 위치를 찾기가 어렵다.

CPU가 프로세스를 이루는 어떤 페이지가 어떤 프레임에 적재되어 있는지를 모두 알고 있기는 어렵기 때문이다.

1) 페이지 테이블 (Page Table)

프로세스의 페이지 번호와 해당 페이지가 실제 물리 메모리의 어느 프레임에 적재되었는지를 짝지어 기록하는 정보이다.

• 역할: CPU가 논리 주소를 물리 주소로 변환하기 위해 페이지 테이블을 참조하여 페이지가 실제 메모리의 어느 프레임에 위치하는지를 찾는다.

• 논리 주소 구성: 기본적으로 <페이지 번호, 변위> 형태로 이루어진다.
  • 페이지 번호: 몇 번째 페이지에 접근하는지
  • 변위 (Offset): 페이지의 시작 번지로부터 얼마나 떨어져 있는지

📍 페이지 테이블의 위치를 가리키는 레지스터 (PTBR)

각 프로세스의 페이지 테이블은 메모리에 적재되어 있으며, 운영체제는 이 페이지 테이블의 위치를 관리해야 한다.

PTBR (Page Table Base Register): 특정 프로세스의 페이지 테이블이 메모리에 적재된 시작 위치 (베이스 주소)를 가리키는 특별한 레지스터이다.

Q. CPU가 논리 주소 <5,2>에 접근한다면 실제로 CPU가 접근하게 될 물리 주소는?

2) 페이지 테이블 엔트리 (PTE)

페이지 테이블의 각 행을 뜻하며, 페이지 번호와 프레임 번호 외에 제어 정보를 포함한다.

3) 페이징이 야기하는 문제 1️⃣ - 내부 단편화 (Internal Fragmentation)

페이징은 프로세스의 논리 주소 공간을 일정한 크기의 페이지 단위로 나누는 방식이다. 하지만 프로세스의 크기가 페이지 크기의 정확한 배수가 아닐 경우 문제가 발생한다.

• 원인: 프로세스의 마지막 페이지가 페이지 크기보다 작을 경우, 그 페이지가 할당되는 프레임 전체는 해당 프로세스에게 배정되지만, 실제로 사용되는 공간은 페이지 크기보다 작아 남는 공간이 발생한다.
• 결과: 이처럼 할당된 공간 내부에 사용되지 않고 남는 메모리 조각이 생기는 것을 내부 단편화라고 한다.
• 예시: 페이지 크기가 10KB인데 프로세스의 크기가 107KB인 경우, 마지막 페이지는 7KB만 사용하고 3KB의 메모리가 낭비된다.

📍 페이지 크기는 내부 단편화와 반비례한다. 페이지 크기가 작을수록 내부 단편화도 줄어든다.

4) 페이징이 야기하는 문제 2️⃣ - 메모리 접근 횟수 문제 (TLB Miss)

CPU가 메모리에 접근할 때 페이지 테이블을 참조해야 하므로 메모리 접근 횟수가 증가하는 문제가 발생한다.

메모리 접근 횟수 증가 원리

CPU가 메모리에 접근할 때 페이지 테이블을 참조해야 하기 때문에, 메모리 접근 횟수가 증가하는 문제가 발생한다.

⬇️ CPU가 논리 주소를 물리 주소로 변환하기 위해 필요한 단계

① 페이지 테이블 접근: 페이지 테이블에서 페이지 번호에 해당하는 프레임 번호를 찾기 위해 메모리에 접근한다. ② 실제 데이터 접근: 찾아낸 프레임 번지를 이용해 실제 데이터에 접근하기 위해 메모리에 다시 접근한다. 📍 결과: 메모리 접근 횟수가 두 배로 늘어나 성능이 저하된다.

📍 TLB (Translation Look-Aside Buffer)

이 문제를 해결하기 위해 도입된 것이 TLB이다. TLB는 페이지 테이블의 캐시 메모리로, 최근에 자주 사용된 참조 영역의 내용을 저장한다.

• TLB 히트 (TLB Hit): CPU가 요청한 페이지 번호가 TLB에 있는 경우를 말한다. 이 경우 TLB에서 곧바로 프레임 번호를 알 수 있어 한 번만 메모리에 접근하면 된다.
• TLB 미스 (TLB Miss): CPU가 요청한 페이지 번호가 TLB에 없는 경우를 말한다. 이 경우 TLB를 통해 프레임 번호를 알 수 없으므로, 결국 메모리 내의 페이지 테이블에 접근해야 한다. TLB 미스 시에는 추가적인 메모리 접근이 필요하다.

5) 페이징이 야기하는 문제 3️⃣ - 메모리 용량 문제 (페이지 테이블 크기)

프로세스의 크기가 커질수록 해당 프로세스의 페이지 테이블 크기 또한 커지게 된다.

페이지 테이블 전체를 메모리에 적재하는 것은 큰 메모리 낭비로 이어진다.

📍 계층적 페이징 (Hierarchical Paging)

페이지 테이블을 나누어 메모리 낭비를 줄이는 기법이다.

• 원리: 페이지 테이블을 페이지처럼 나누어 여러 단계의 페이지를 두는 방식이다.
• 구조: 페이지 테이블을 Outer 페이지 테이블과 Inner 페이지 테이블 등으로 계층화하여 구성한다.
  • Outer 페이지 테이블: CPU와 가까운 쪽에 위치하며, 항상 메모리에 유지된다.
  • Inner 페이지 테이블 (장기 페이지 테이블): Outer 페이지 테이블의 엔트리가 가리키는 페이지 테이블로, 전체가 메모리에 유지될 필요는 없다. 자주 사용되지 않는 Inner 페이지 테이블의 일부는 보조 기억 장치에 둘 수 있다.
• 장점: 페이지 테이블 전체를 메모리에 유지할 필요가 없어 메모리 용량을 절약할 수 있다.

3-2. 세그먼테이션 (Segmentation)

페이징이 일정한 크기의 페이지로 나누는 반면, 세그먼테이션은 코드를 이루는 의미 있는 논리적 단위인 세그먼트 (Segment)로 프로세스를 나누어 메모리에 할당하는 기법이다.

• 세그먼트 예시: 코드 영역, 데이터 영역, 스택 영역 등
• 특징: 세그먼트의 크기는 가변적이다.
• 단점: 세그먼트의 크기가 일정하지 않기 때문에 외부 단편화가 발생할 수 있다.

3-3. 요구 페이징 (Demand Paging)

프로세스를 구성하는 모든 페이지를 메모리에 적재하지 않고, 실제로 CPU가 요구하는 (필요로 하는) 페이지들만 메모리에 적재하는 기법이다.

• 페이지 폴트 (Page Fault): CPU가 특정 페이지에 접근하라는 명령을 내렸는데, 해당 페이지가 현재 메모리에 없는 경우 (유효 비트=0) 발생하는 예외
  • 처리 과정: 페이지 폴트가 발생하면, 페이지 폴트 처리 루틴이 해당 페이지를 보조 기억 장치에서 메모리로 가져와 적재하고 유효 비트를 1로 변경한 후, 메모리에 적재된 프로세스를 다시 실행한다.
• 장점: 필요한 페이지만 메모리에 올리므로, 물리 메모리보다 훨씬 큰 프로세스를 실행할 수 있게 되고, 시스템의 다중 프로그래밍 정도(Multiprogramming Degree)를 높일 수 있다.

1) 📍 페이지 교체 알고리즘 (Page Replacement Algorithm)

메모리가 가득 찬 상태에서 새로운 페이지를 적재해야 할 때, 메모리에서 내보낼 페이지(스와프 아웃)를 선택하는 알고리즘이다.

• FIFO (First-In, First-Out): 메모리에 가장 먼저 적재된 페이지를 스와프 아웃한다.
• OPT (Optimal Page Replacement): 앞으로 가장 오랫동안 사용되지 않을 페이지를 스와프 아웃한다. *최적의 알고리즘이지만, 미래 예측이 불가능하여 실제 구현은 어렵다.
• LRU (Least Recently Used): 가장 오랫동안 사용하지 않은 페이지를 스와프 아웃한다. (페이지 교체 알고리즘의 원형이다)

2) 스레싱 (Thrashing)

• 스레싱 (Thrashing): 페이지 교체가 너무 빈번하게 발생하여 CPU가 실제 작업보다 페이지 폴트 처리에 더 많은 시간을 보내 성능이 저하되는 문제이다.

참고하면 좋은 블로그

• 페이징①: https://charles098.tistory.com/106
• 페이징②: https://ddongwon.tistory.com/49
• 페이지 교체 알고리즘①: https://rob-coding.tistory.com/37
• 페이지 교체 알고리즘②: https://wishlee0204.tistory.com/335

주요 내용

① 공유 자원과 임계 구역: 경쟁 상태 ② 동기화: 동기화의 목적, 기법 ⚠️ 모든 내용은 '이것이 취업을 위한 컴퓨터 과학이다 with CS 기술 면접' 책을 참고하여 작성하였습니다.

1. 공유 자원와 임계 구역

1-1. 공유 자원 (Shared Resource)

프로세스 혹은 스레드가 공유하는 자원이다.

공유 자원은 메모리나 파일이 될 수도 있고, 전역 변수나 입출력장치가 될 수도 있다.

➡️ 공유 자원을 두고 동시다발적으로 실행되는 다수의 프로세스 혹은 스레드가 마구잡이로 실행되면 문제가 발생할 수도 있다.

1-2. 임계 구역 (Critical Section)

공유 자원에 접근하는 코드 중 동시에 실행했을 때 문제가 발생할 수 있는 코드 영역을 의미한다.

➡️ 동시에 실행되는 프로세스나 스레드가 동시에 임계 구역에 진입하여 실행되면 문제가 발생할 수 있다.

1-3. 경쟁 상태 (Race Condition)

임계 구역에 대한 동시 접근 시, 실행 순서에 따라 최종 결과가 달라져 데이터의 일관성이 깨지거나 손상될 수 있는 상황을 말한다.

⚠️ 순차 실행과 제어권 전환의 함정

• 📍단일 CPU 환경에서는 멀티 프로세스와 멀티 스레드 모두 물리적으로 동시에 실행되지 않는다.

• 대신, 운영체제는 CPU 제어권을 계속해서 전환(Context Switching)하며 📍순차적으로 번갈아 가며 실행한다.

• 이 제어권 전환이 임계 구역 작업의 중간에 발생하면서 데이터 유실, 데이터 불일치 같은 문제를 야기한다.

🚨 주의사항

아래 그림들은 경쟁 상태(Race Condition)의 원리를 설명하고자 만들어진 논리적/개념적 자료이기 때문에, 📍 실행 시간과 흐름으로 물리적으로 받아들이면 안 된다!

1) 멀티프로세스의 경우 - 실행 순서 제어 동기화 필요

해당 그림은 문맥 교환으로 인해 프로세스 간의 공유 자원 접근 순서가 엇갈리면서 데이터 불일치가 발생하는 경쟁 상태(Race Condition)를 보여준다.

➡️ 예시처럼 제어권 전환이 임계 구역 작업 중간에 발생하면 의도치 않은 데이터 접근이나 결과 불일치가 발생한다.

문맥 교환(Context Switching)

• 운영체제가 하나의 CPU에서 여러 프로세스 또는 스레드를 번갈아 가며 실행하기 위해 현재 실행 중인 프로세스의 상태를 저장하고, 다음에 실행할 프로세스의 상태를 불러오는 작업
• CPU가 하나뿐인 환경에서 멀티태스킹(Multitasking)을 구현하는 핵심 원리

2) 멀티스레드의 경우 - 실행 순서 동기화 필요 확장 버전

각 스레드들이 파일을 수정하는 과정은 읽기, 계산, 쓰기의 세 단계로 쪼개진다:

❶ 파일을 읽어 들이고 (읽기) ❷ 원하는 내용을 작성한 뒤 (계산) ❸ 작성한 내용을 저장한다 (쓰기)

➡️ 이 단계들이 엇갈리면 다음과 같이 데이터가 훼손된다.

그런데, 다음과 같이 스레드 A와 B가 동시에 수행될 경우, 스레드 A의 작업 내역은 반영되지 않을 수 있다.

• 최종 결과: 최종적으로 파일에는 스레드 B가 저장한 "first thread B"만 남게 된다.
• 유실된 데이터: 스레드 A가 저장했던 "first thread A"는 스레드 B의 저장 작업에 의해 덮어씌워져 유실된다.

Q. 왜 이런 현상이 일어날까?

동작 원리

• 원인: 스레드 A가 읽기-계산-쓰기의 세 단계를 원자적(Atomic)으로 완료하기 전에 문맥 교환이 발생하여 스레드 B가 A의 중간 과정을 무시한 채 작업했기 때문이다.
• 해결: 이 세 단계를 임계 구역으로 지정하고, 뮤텍스나 세마포어 같은 동기화 기법을 사용하여 한 번에 하나의 스레드만 접근하도록 상호 배제를 적용해야 한다.

🚨 주의사항

166쪽 파일 수정 예시는 책에서는 실행 순서 제어가 필요하다고 분류하지만, 근본적으로는 파일 수정 임계 구역에 대한 상호 배제가 가장 확실한 해결책이다.

3) 자바 코드로 살펴보는 경쟁 상태 - 상호 배제 동기화 필요

public class Race {

    // 0. 공유 데이터 (초기값 0)
    static int sharedData = 0;

    // 1. Increment 스레드: 공유 데이터를 100,000번 증가시킴
    static class Increment implements Runnable {
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 100000; i++) {
                // sharedData++ 는 '읽기-계산-쓰기' 3단계로 이루어져 원자성이 보장되지 않음
                sharedData++; // 공유 데이터 증가
            }
        }
    }

    // 2. Decrement 스레드: 공유 데이터를 100,000번 감소시킴
    static class Decrement implements Runnable {
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 100000; i++) {
                // sharedData-- 또한 원자성이 보장되지 않음
                sharedData--; // 공유 데이터 감소
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        // Increment 작업을 수행하는 스레드 생성
        Thread thread1 = new Thread(new Increment());
        // Decrement 작업을 수행하는 스레드 생성
        Thread thread2 = new Thread(new Decrement());

        // 두 스레드 시작
        thread1.start(); // 첫 번째 스레드 시작
        thread2.start(); // 두 번째 스레드 시작

        try {
            // 메인 스레드는 두 스레드가 작업을 완료할 때까지 대기
            thread1.join(); // 첫 번째 스레드 종료 대기
            thread2.join(); // 두 번째 스레드 종료 대기
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        // 최종 공유 데이터 값 출력 (예상값은 0이지만, 경쟁 상태로 인해 다른 값이 나옴)
        System.out.println("Final value of sharedData: " + sharedData);
    }
}

이 코드에서 0이 출력될 것을 기대할 수 있지만, 실제로는 아래와 같이 일정하지 않은 결과가 도출되는 것을 확인할 수 있다.

출력 결과

$ java Race
Final value of sharedData: -3394
$ java Race
Final value of sharedData: -3457
$ java Race
Final value of sharedData: 1848

_➡️ 레이스 컨디션(경쟁 상태) 발생 _

Q. 왜 이런 현상이 일어날까?

1) 레이스 컨디션이 발생하지 않았다면

• 스레드 1 (Increment): sharedData++ 연산을 100,000번 수행한다.
  • 총 증가량: $+100,000$
• 스레드 2 (Decrement): sharedData-- 연산을 100,000번 수행한다.
  • 총 감소량: $-100,000$

sharedData 변수의 초기값은 $0$ 이다.

$$ \text{최종 값} = \text{초기값} + \text{총 증가량} + \text{총 감소량} $$

$$ \text{최종 값} = 0 + (+100,000) + (-100,000) = 0 $$

논리적으로나 수학적으로, 100,000번의 $+1$ 연산과 100,000번의 $-1$ 연산이 어떤 순서로든 수행되더라도 최종 결과는 반드시 $0$이 되어야 한다.

2-1) 레이스 컨디션이 발생했다면

사실 이 코드는 스레드 A가 값을 읽고 저장하기 직전에 문맥 교환이 일어나 B의 감소 작업이 유실되는 경우를 보여준다.

• 공유 자원: sharedData (초기값: 0)
• 스레드 A 목표: sharedData++ (읽기 $\to$ +1 계산 $\to$ 쓰기)
• 스레드 B 목표: sharedData-- (읽기 $\to$ -1 계산 $\to$ 쓰기)

• 참고: 위 표는 경쟁 상태를 설명하기 위한 가상의 시나리오이며, 실제로는 OS의 스케줄링에 따라 무수히 많은 순서가 가능하다.

두 스레드가 모두 100,000번의 증감 연산을 수행했으므로 최종적으로 0이 되어야 하지만, 경쟁 상태 때문에 다음과 같은 상황이 반복되어 최종 결과가 0에서 크게 벗어난다.

결국 10만 번의 반복 중 문맥 교환으로 인해 유실된 증가 연산과 감소 연산의 개수 차이만큼 최종 값이 0에서 벗어나게 되어, 실행할 때마다 1848, -3394 등 일정하지 않은 결과가 도출되는 것이다.

2-2) 레이스 컨디션을 유발한 코드는 어느 부분일까?

// Increment 스레드의 run() 메서드 내부
for (int i = 0; i < 100000; i++) {
    📍 sharedData++; // <-- 💥 여기가 임계 구역
    // 공유 데이터 증가
}

// Decrement 스레드의 run() 메서드 내부
for (int i = 0; i < 100000; i++) {
    📍 sharedData--; // <-- 💥 여기가 임계 구역
    // 공유 데이터 감소
}

위의 자바 코드에서 임계 구역(Critical Section)에 해당하는 코드는 공유 변수 sharedData에 접근하여 증가/감소 연산을 수행하는 부분이다.

*임계구역: 공유 자원에 접근하는 코드 중 동시에 실행했을 때 문제가 발생할 수 있는 코드 영역

2. 동기화

2-1. 동기화의 목적

레이스 컨디션을 방지하면서 임계 구역을 관리하기 위해서는 프로세스와 스레드가 동기화 되어야 한다.

프로세스 혹은 스레드의 동기화란 다음의 2가지 조건을 준수하며 실행하는 것을 의미한다.

동기화의 종류
 ├── 실행 순서 제어를 위한 동기화
 └── 상호 배제를 위한 동기화      

• 실행 순서 제어: 프로세스 및 스레드를 올바른 순서로 실행하기
• 상호 배제: 동시에 접근해서는 안 되는 자원에 하나의 프로세스 및 스레드만 접근하기

추가 설명

• 166p 멀티프로세스 예시에서 발생했던 레이스 컨디션의 문제는 프로세스들이 공유 자원을 두고 올바른 순서로 실행되지 않았던 것이 원인 (실행 순서 제어를 위한 동기화가 필요한 경우)
• 166p 멀티스레드 예시에서 발생했던 레이스 컨디션의 문제는
• 원자성이 깨진 작업 중간에 문맥 교환이 발생한 것이 원인* (📍 책에선 실행 순서 제어로 분류하지만 일반적으로는 상호 배제 동기화에 해당함)
  즉, A가 작업을 끝내기 전에 B가 작업을 시작하지 못하도록 순서를 제어하지 않았던 것이 원인
• 167p C++/Java 코드 예시에서 발생했던 레이스 컨디션의 문제는 동시에 공유 자원에 접근했던 것이 원인 (상호 배제를 위한 동기화가 필요한 경우)

2-2. 동기화의 기법

이제부터 설명할 동기화 기법은 많은 프로그래밍 언어에서 제공하고 있는 기능이라는 점에서 유의하며 학습을 이어나가길 바란다...

1-1) 뮤텍스 락 (Mutex Lock)

뮤텍스는 동시에 접근해서는 안 되는 자원에 동시 접근이 불가능하도록 상호 배제를 보장하는 도구이다.

임계 구역에 접근하고자 한다면 반드시 락(lock)을 획득(acquire)해야 하고, 임계 구역에서의 작업이 끝났다면 락을 해제(release)해야 한다.

• 상호 배제 (Mutual Exclusion): 뮤텍스의 기본 원리는 lock (잠금)과 release (해제)를 통해 상호 배제를 구현하는 것이다.
• 작동 방식:
  1. 프로세스나 스레드는 임계 구역 진입 전에 lock.acquire() 함수를 호출하여 락을 획득한다.
  2. 락을 획득한 스레드만 임계 구역에 진입할 수 있으며, 다른 스레드는 락이 해제될 때까지 대기한다.
  3. 임계 구역 내의 작업이 끝나면 lock.release() 함수를 호출하여 락을 해제한다. 대기 중이던 스레드는 락을 획득하고 임계 구역에 진입하게 된다.

공유 자원은 1개이고, P1, P2가 공유 자원에 접근하려는 프로세스라고 할 때 P1, P2의 순서로 임계 구역에 접근한다고 가정해보자. 뮤텍스 락을 사용하면 위와 같은 순서로 프로세스가 실행되게 된다.

1-2) 자바 코드로 살펴보는 뮤텍스 락

아래 코드는 위에서 경쟁 상태가 발생했던 자바 코드에 뮤텍스 락을 추가한 경우이다.

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class MutexRace {

    // 0. 공유 데이터 (초기값 0)
    static int sharedData = 0;

    // 1. 뮤텍스 락 객체 생성 (ReentrantLock 사용)
    static Lock lock = new ReentrantLock(); // 락 선언

    // Increment 스레드: 공유 데이터를 100,000번 증가시킴
    static class Increment implements Runnable {
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 100000; i++) {
                // 📍 임계 구역 진입 전에 락 획득 (lock())
                lock.lock(); 
                try {
                    // 💥 여기가 임계 구역: 한 번에 하나의 스레드만 접근 가능
                    sharedData++; // 공유 데이터 증가
                } finally {
                    // 📍 임계 구역을 벗어날 때 락 해제 (unlock())
                    lock.unlock(); 
                }
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Thread thread1 = new Thread(new Increment());
        Thread thread2 = new Thread(new Decrement());

        thread1.start(); 
        thread2.start(); 

        try {
            // 메인 스레드는 두 스레드가 작업을 완료할 때까지 대기
            thread1.join(); 
            thread2.join(); 
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

         // 📍 최종 공유 데이터 값 출력 (예상값 0이 출력됨)
        System.out.println("Final value of sharedData: " + sharedData);
    }
}

2-1) 세마포/세마포어 (Semaphore)

세마포
 ├── 바이너리 세마포 (Binary Semaphore)
 └── 카운팅 세마포 (Counting Semaphore)

세마포는 뮤텍스와 비슷하지만, 공유 자원의 개수가 하나 이상일 때도 동기화를 구현할 수 있는 도구이다.

이는 정수형 변수 S와 두 가지 함수 wait(P)와 signal(V)로 구성된다.

wait()
// 임계 구역
signal()

• 
• wait(): 임계 구역 진입 전에 호출되며, 사용 가능한 공유 자원의 개수를 1 감소시킨다. 값이 0보다 작아지면 프로세스/스레드는 대기 상태가 된다.
• 
• signal(): 임계 구역 작업 후 호출되며, 자원의 개수를 1 증가시키고 대기 중이던 프로세스/스레드를 깨워준다.

동작 원리

2-2) 자바 코드로 살펴보는 세마포

세마포도 역시 뮤텍스 락처럼 여러 프로그래밍 언어에서 지원하고 있다.

다음 코드를 살펴보면 세마포의 사용 방식도 뮤텍스 락과 유사하다는 것을 확인할 수 있다.

import java.util.concurrent.Semaphore;

public class Sem {

    static int sharedData = 0; // 공유 데이터 
    // 세마포어 객체 생성 및 공유 자원 개수 1개로 초기화
    static Semaphore semaphore = new Semaphore(1); // 세마포어 선언, 공유 자원 개수 1개

    public static void main(String[] args) {
        Thread thread1 = new Thread(new ThreadIncrement());
        Thread thread2 = new Thread(new ThreadDecrement());

        thread1.start(); 
        thread2.start(); 

        try {
            // 메인 스레드는 두 스레드가 작업을 완료할 때까지 대기
            thread1.join(); 
            thread2.join(); 
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        // 최종 공유 데이터 값 출력 (경쟁 상태가 해소되어 0이 출력됨)
        System.out.println("Final value of sharedData: " + sharedData);
    }

    static class ThreadDecrement implements Runnable {
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 100000; i++) {
                try {
                    // 세마포어 획득 (wait() 또는 acquire() 역할)
                    semaphore.acquire(); // 세마포어 획득

                    // 💥 임계 구역
                    sharedData--; // 공유 데이터 감소
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    // 세마포어 해제 (signal() 또는 release() 역할)
                    semaphore.release(); // 세마포어 해제
                }
            }
        }
    }
}

2-3) 세마포 종류

3) 뮤텍스 락과 세마포의 차이점

주요 내용

① 멀티프로세스와 멀티스레드 ② 프로세스 간 통신: 공유 메모리 / 메시지 전달 / 시그널 ⚠️ 모든 내용은 '이것이 취업을 위한 컴퓨터 과학이다 with CS 기술 면접' 책을 참고하여 작성하였습니다.

1. 멀티프로세스와 멀티스레드

한 프로세스를 구성하는 코드를 동시에 실행하는 방법에는 멀티프로세스와 멀티스레드가 있다.

1-1. 멀티프로세스: 동시에 여러 프로세스가 실행되는 것

• 독립적인 실행: 각기 다른 프로세스는 기본적으로 자원을 공유하지 않고, 독립적으로 실행된다.
• PID 및 자원 할당: 같은 작업을 수행하더라도 각각 고유한 PID(프로세스 ID) 값을 가진다. 또한, 프로세스별로 파일, 메모리, 입출력 장치 등의 자원이 독립적으로 할당된다.
• 영향 최소화: 이러한 독립성 덕분에 한 프로세스의 실행 과정에서 문제가 발생하더라도 다른 프로세스에 직접적인 영향을 거의 끼치지 않는다.

➡️ 이는 프로세스가 서로 남남처럼 실행되는 특성 때문이다.

Ex) 웹 브라우저 탭

1-2. 멀티스레드: 프로세스 내에서 동시에 실행되는 여러 스레드

스레드
 ├── 스레드 ID (고유 식별 정보)
 ├── 프로그램 카운터 (다음에 실행할 명령어 주소)
 ├── 레지스터 값 (연산 과정의 임시 저장 값)
 └── 스택 (함수 호출 정보 등)

• 독립된 정보: 스레드마다 각각의 프로그램 카운터 값과 스택을 가지고 있기 때문에, 스레드별로 다음에 실행할 주소를 가질 수 있고, 연산 과정의 임시 저장 값을 가질 수 있다.

Ex) 멀티스레드

// 함수 foo, bar, baz에 해당하는 작업을 정의하는 클래스 (Runnable 구현)
class Task implements Runnable {
    private String taskName;
>
>    public Task(String name) {
        this.taskName = name;
    }
>
    // 각 스레드가 실행할 로직
    @Override
    public void run() {
        // 1. 현재 프로세스의 ID(PID)를 가져온다.
        // ProcessHandle은 Java 9 이상에서 사용 가능
        long pid = ProcessHandle.current().pid();
>
        // 2. 현재 스레드의 ID(TID)를 가져온다.
        long tid = Thread.currentThread().getId();
>
        System.out.println(
                String.format("%s: PID={%d}, Thread ID={%d}", taskName, pid, tid)
        );
    }
}
>
public class MultiThreadingExample {
    public static void main(String[] args) {
>
        // 1. 첫 번째 스레드 생성, 실행할 함수는 foo (Task("foo")에 해당)
        Thread thread1 = new Thread(new Task("foo"));
        // 2. 두 번째 스레드 생성, 실행할 함수는 bar (Task("bar")에 해당)
        Thread thread2 = new Thread(new Task("bar"));
        // 3. 세 번째 스레드 생성, 실행할 함수는 baz (Task("baz")에 해당)
        Thread thread3 = new Thread(new Task("baz"));
>
        // 첫 번째 스레드 실행
        thread1.start();
        // 두 번째 스레드 실행
        thread2.start();
        // 세 번째 스레드 실행
        thread3.start();
>
        // main 스레드의 PID와 TID를 출력하려면 다음과 같이 추가할 수 있습니다.
        long mainPid = ProcessHandle.current().pid();
        long mainTid = Thread.currentThread().getId();
        System.out.println(
                String.format("main: PID={%d}, Thread ID={%d}", mainPid, mainTid)
        );
    }
}
>

foo: PID={6510}, Thread ID={21}
baz: PID={6510}, Thread ID={23}
main: PID={6510}, Thread ID={1}
bar: PID={6510}, Thread ID={22}
>
Process finished with exit code 0

1-3. 멀티프로세스와 멀티스레드의 차이점

2. 프로세스 간 통신: IPC

프로세스는 기본적으로 자원을 공유하지 않지만, 필요에 따라 프로세스 간에도 자원을 공유하고 데이터를 주고받을 수 있는 방법이 있다.

이를 IPC (Inter-Process Communication)라고 한다.

IPC (Inter-Process Communication)
 ├── 공유 메모리 (Shared Memory)
 ├── 메시지 전달 (Message Passing)
 └── 시그널 (Signal) - 비동기 통신

2-1. 공유 메모리 (Shared Memory)

공유 메모리 기반 IPC는 프로세스들이 공유하는 메모리 영역을 통해 데이터를 주고받는 통신 방식이다.

• 원리:

  • 통신할 프로세스들이 공통적으로 사용할 메모리 영역을 할당하여, 이 영역을 통해 직접 데이터를 읽고 쓰면서 통신을 수행한다.

  • 이는 프로세스 A가 자신에게 할당된 메모리 공간을 떼어내어 프로세스 B에게 할당된 메모리 공간에 매핑(Mapping)시킨 것과 같다.

• 특징:

  • 데이터를 주고받는 과정에 커널의 개입이 최소화되므로, 데이터 전송 속도가 빠르다.
  • 데이터 일관성 문제인 경쟁 상태(Race Condition)가 발생할 수 있어, 동기화가 필수적으로 요구된다.

2-2. 메시지 전달 (Message Passing)

메시지 전달 기반 IPC는 데이터를 메시지의 형태로 주고받는 방식이다.

• 원리:
  • 데이터를 주고받을 프로세스들이 시스템 콜을 통해 커널에 접근하여 통신을 수행한다.
  • 일반적으로 메시지를 보내는 시스템 콜 send()와 메시지를 받는 시스템 콜 recv() 등을 이용해 통신한다.
• 특징:
  • 데이터 전달을 커널이 대신 처리해 주기 때문에 복잡한 동기화 문제를 고민할 필요가 없다.
  • 커널의 개입으로 인한 오버헤드가 발생하므로, 공유 메모리 기반 IPC보다 속도가 느리다.
  • 파이프(Pipe), 메시지 큐(Message Queue), 원격 프로시저 호출(RPC) 등이 대표적인 통신 수단이다.

공유 메모리 vs 메시지 전달

2-3. 시그널 (Signal)

시그널은 프로세스에게 특정 이벤트가 발생했음을 알리는 비동기식 신호이다.

IPC 기법 중 하나로, 메시지를 직접 주고받지는 않지만 통신을 수행하는 역할을 한다.

• 작동 방식: 시그널이 프로세스에 전달되면, 프로세스는 하던 일을 잠시 멈추고 시그널을 처리하는 시그널 핸들러를 실행한다.
• 비동기적 통신: 시그널은 비동기적으로 동작하는 통신 수단이며, 프로세스 간에 원하는 동작을 수행하도록 간접적인 통신을 수행할 수 있다.

주요 시그널 예시

(1) 시그널 핸들러 (Signal Handler)

• 프로세스는 특정 시그널이 발생했을 때 미리 정의해둔 동작을 수행하도록 시그널 핸들러를 지정할 수 있다.

  

• 예를 들어, **signal(SIGINT, handler)**와 같이 설정하여 SIGINT가 발생했을 때 기본 동작(종료) 대신 특정 handler 함수가 실행되도록 재정의할 수 있다.

(2) 코어 덤프 (Core Dump)

• SIGSEGV나 SIGILL 등 치명적인 오류가 발생하면, 대부분 코어 덤프를 생성하며 종료한다.
• 코어 덤프는 프로그램이 비정상적으로 종료되었을 때, CPU 레지스터 값, 메모리 상태 등 오류 발생 시점의 메모리 정보를 파일로 기록한 것으로, 이는 디버깅 목적으로 사용된다.

면접 예상 질문

Q1. 공유 자원 접근

Q. 멀티스레드 환경에서 공유 자원 접근 시 발생하는 문제와 이를 해결하는 동기화 기법에 대해 설명해 주십시오.

• 발생하는 문제: 둘 이상의 스레드가 동시에 접근해서는 안 되는 코드 영역을 임계 영역(Critical Section)이라고 하는데, 여기에 동시에 접근할 때 경쟁 상태(Race Condition)가 발생하여 데이터의 일관성이 깨질 위험이 있다.
• 해결 방법: 동기화(Synchronization) 기법. 동기화는 여러 스레드가 동시에 임계 영역에 접근하는 것을 막는 기법이다.

꼬리 질문) 동기화 기법 종류

• 뮤텍스(Mutex): 상호 배제를 통해 오직 하나의 스레드만 임계 영역에 접근하도록 허용하는 도구이다. ➡️ 임계 영역의 접근을 잠그는 자물쇠와 같은 역할
• 세마포어(Semaphore)는 임계 영역에 접근할 수 있는 스레드의 수를 특정 개수(카운트)로 제한하는 도구이다. ➡️ 주차장의 빈자리 카운트와 유사하게 동작한다.

Q2. 데드락

Q. 데드락(Deadlock, 교착 상태)은 무엇인지 설명해 주십시오.

• 정의: 데드락이란 두 개 이상의 스레드가 각자 다른 스레드가 점유하고 있는 자원을 서로 기다리면서 무한히 대기하는 상태를 말한다. ➡️ 병목 현상 발생

꼬리 질문) 데드락 발생 필수 조건 4가지

• 상호 배제 (Mutual Exclusion): 자원은 한 번에 하나의 프로세스(스레드)만이 사용할 수 있어야 한다.
• 점유와 대기 (Hold and Wait): 자원을 최소한 하나 점유한 상태에서 다른 프로세스(스레드)가 점유하고 있는 자원을 얻기 위해 대기해야 한다.
• 비선점 (No Preemption): 다른 프로세스(스레드)에게 할당된 자원은 해당 프로세스가 사용을 끝낼 때까지 강제로 뺏을 수 없어야 한다.
• 환형 대기 (Circular Wait): 자원을 기다리는 프로세스들이 순환 형태로 자원을 기다리고 있어야 한다.

주요 내용

① 데이터 표현 및 인코딩: 부동 소수점 및 UTF-8 ② CPU 제어 및 성능: 명령어 사이클, 인터럽트, 명령어 병렬 처리, CPU/GPU 비교 ③ 메모리 전략: 캐시 계층 구조 및 히트/미스 ④ 보조기억장치: RAID 및 입출력 제어 방식 ⚠️ 모든 내용은 '이것이 취업을 위한 컴퓨터 과학이다 with CS 기술 면접' 책을 참고하여 작성하였다.

1. 데이터 표현의 기초 및 인코딩

1-1. 부동 소수점 (Floating Point)

부동 소수점은 소수점이 고정되지 않고 이동할 수 있는 방식으로 $m \times 2^n$ 형태로 표현하는 방식이다. IEEE 754 표준에 따라 부호 비트, 지수부, 가수부로 구성된다.

➡️ 가수부의 정밀도 한계 때문에 오차가 발생한다.

1-2. 인코딩 방식

인코딩은 다국어를 표현하고, 인터넷 환경에서 효율적으로 데이터를 전송하기 위함해 사용된다.

2. CPU의 동작 및 제어

2-1. 명령어 사이클과 레지스터의 역할

명령어 사이클은 CPU가 프로그램을 실행하는 정형화된 흐름 (인출 → 해석 → 실행 → 결과 저장)이고, 그 흐름은 레지스터가 제어한다.

2-2. 인터럽트의 이해

인터럽트는 CPU의 정상적인 실행 흐름을 일시 중단시키는 신호이다.

동기 인터럽트(예외, System Call)와 비동기 인터럽트(하드웨어 I/O)가 있다.

• Context Switching: CPU가 다른 프로세스/스레드로 제어권을 넘기기 위해 현재 실행 중인 상태(Context)를 저장하고 복원하는 작업이다.
• ISR (Interrupt Service Routine): 인터럽트 처리를 위한 프로그램이다.
• 인터럽트 벡터: 인터럽트 서비스 루틴의 시작 주소를 식별하기 위한 정보이다.

2-3. 파이프라이닝을 통한 명령어 병렬 처리

파이프라이닝은 CPU 성능 향상 기법 중 하나로, 명령어를 여러 단계로 쪼개어 각 단계를 겹쳐서 동시에 처리하여 CPU의 처리 성능을 높이는 기술이다.

• 명령어 병렬 처리 (ILP, Instruction-Level Parallelism): 여러 명령어를 동시에 처리하여 CPU를 쉬지 않고 작동하게 함으로써 성능을 높이는 기법이다.

2-4. CPU와 GPU의 차이

CPU는 범용성(Latency)에, GPU는 병렬성(Throughput)에 초점을 맞춘 아키텍처이다.

• Latency: 작업 하나를 완료하는 데 걸리는 시간이다.
• Throughput: 단위 시간당 처리할 수 있는 작업의 양이다.
• SIMD (Single Instruction Multiple Data): 하나의 명령어로 여러 데이터를 동시에 처리하는 병렬 처리 방식이다.

3. 메모리 및 캐시 전략

3-1. 메모리 계층 구조와 참조 지역성

메모리 계층 구조는 속도와 비용 효율성을 위해 레지스터부터 보조기억장치까지 계층적으로 메모리를 구성하는 방식이다.

참조 지역성(시간적/공간적)을 활용해 상위 계층 메모리(캐시)를 효율적으로 사용한다.

3-2. 캐시 메모리 및 히트/미스

캐시 메모리는 CPU에 가까운 고속 메모리로, 캐시 히트(Hit)와 미스(Miss) 발생에 따라 성능이 결정된다.

• 캐시 히트: CPU가 원하는 데이터가 캐시에 존재하는 경우이다.
• 캐시 미스: CPU가 원하는 데이터가 캐시에 존재하지 않아 메인 메모리에 접근해야 하는 경우이다.
• 집합-연관 매핑: 캐시를 여러 집합으로 나누고, 특정 메모리 블록이 해당 집합 내의 아무 위치에나 저장될 수 있도록 하는 방식이다.

4. 보조기억장치 및 입출력

4-1. 보조기억장치 RAID

RAID는 여러 개의 디스크를 묶어 데이터의 안정성(Fault Tolerance)과 성능(Performance)을 높이는 기술이다.

• 스트라이핑 (Striping): 데이터를 여러 디스크에 분산하여 저장하는 방식이다.
• 미러링 (Mirroring): 데이터를 디스크에 복사하여 이중화하는 방식이다.
• 패리티 (Parity): 오류 검증을 위한 정보이다.

4-2. 보조기억장치 입출력 제어 방식

보조기억장치 입출력 제어 방식은 CPU와 입출력 장치 간의 통신 방식을 제어하여 CPU의 개입 정도와 효율성을 결정한다.

• DMA (Direct Memory Access): CPU의 개입 없이 입출력 장치가 메모리에 직접 데이터를 전송하는 방식이다.
• 폴링 (Polling): CPU가 주기적으로 입출력 장치의 상태를 확인하는 방식이다.
• 인터럽트 기반 I/O: 입출력 장치가 작업 완료 시 CPU에 신호를 보내는 방식이다.

주요 내용

① 레지스터: CPU의 데이터 저장 및 제어 ② 인터럽트: CPU 실행 흐름의 전환과 관리 ③ 성능 향상 설계: CPU 클럭 및 멀티코어/스레드 ④ 파이프라이닝: ILP 구현과 RISC/CISC 비교 ⚠️ 모든 내용은 '이것이 취업을 위한 컴퓨터 과학이다 with CS 기술 면접' 책을 참고하여 작성하였습니다.

1. 레지스터

레지스터는 CPU 안에 있는 작은 임시 저장 장치이다. CPU 내부에는 다양한 레지스터들이 있고, 각기 다른 이름과 역할이 있다.

1-1. 프로그램 카운터 (명령어 포인터)

메모리에서 다음으로 읽어들일 명령어의 주소를 저장한다.

일반적으로 프로그램 카운터는 1씩 증가하며, 이는 다음으로 읽어들일 메모리 주소가 1씩 증가하는 것과 같다. ➡️ 이로 인해 메모리에 저장된 프로그램이 순차적으로 실행될 수 있다.

🚨 프로그램 카운터가 언제나 증가만 하는 것은 아니다.

• 조건이 참이 되거나, 리턴문을 실행하는 경우에는 프로그램이 순차적으로 실행되지 않는다. ❌
• 이때, 프로그램 카운터 값은 임의의 위치로 변경된다.

1-2. 명령어 레지스터

메모리에서 방금 읽어들인 명령어(해석할 명령어)를 저장한다.

명령어를 해석한 뒤에 ALU로 하여금 연산하도록 시키거나, 다른 부품으로 제어 신호를 보내 해당 부품을 작동시킨다. *ALU: 사칙 연산, 논리 연산과 같은 연산을 수행할 회로로 구성되어 있는 일종의 계산기이다.

1-3. 범용 레지스터

다양하고 일반적인 상황에서 자유롭게 사용 가능하며, 데이터와 명령어, 주소를 모두 저장한다.

일반적으로 CPU 안에는 여러 개의 범용 레지스터가 존재한다.

1-4. 플래그 레지스터

연산의 결과 혹은 CPU 상태에 대한 부가 정보인 플래그 값을 저장한다. *플래그: CPU가 명령어를 처리하는 과정에서 반드시 참조해야 할 상태 정보를 의미하는 비트이다.

1-5. 스택 포인터

메모리 내 스택 영역의 최상단 스택 데이터 위치를 가리키는 특별한 레지스터이다. 스택 포인터는 마지막으로 저장된 데이터의 위치를 가리키는 레지스터이자, 스택이 채워진 정도를 나타내는 레지스터이다.

*메모리에는 실행 중인 프로그램들이 적재되어 있고, 실행 중인 각 프로그램들은 스택과 같은 형태로 사용 가능한 주소 공간을 하나 이상 가지고 있다.

즉, 스택에서 데이터를 꺼낸다면 가장 꼭대기에 있는 스택 데이터를 꺼내고, 스택 포인터는 그 다음 스택 데이터가 저장된 주소를 가리킨다.

2. 인터럽트: CPU의 작업을 방해하는 신호

CPU가 수행 중인 작업은 방해를 받아 잠시 중단될 수 있다. 이때, CPU의 작업을 방해하는 신호를 보내는 게 인터럽트이다.

인터럽트
 ├── 동기 인터럽트 (예외) 
 └── 비동기 인터럽트 (하드웨어 인터럽트)
      ├── 마스크 가능 인터럽트 (Maskable Interrupt, MIR)
      └── 마스크 불가능 인터럽트 (Non-Maskable Interrupt, NMI)

2-1. 동기 인터럽트 (예외)

CPU에 의해 발생하는 인터럽트이다. 가령 CPU가 프로그래밍 오류와 같은 예외적인 상황을 마주쳤을 때 발생한다.

동기 인터럽트 (예외, Exception)
 ├── 폴트 (Fault)
 ├── 트랩 (Trap)
 ├── 중단 (Abort)
 └── 소프트웨어 인터럽트 (Software Interrupt)

• 폴트: 예외를 처리한 직후에 예외가 발생한 명령어부터 실행을 재개하는 예외이다.

• 트랩: 예외를 처리한 직후에 예외가 발생한 명령어의 다음 명령어부터 실행을 재개하는 예외이다.

• 중단: CPU가 실행 중인 프로그램을 강제로 중단시킬 수밖에 없는 심각한 오류를 발견했을 때 발생하는 예외이다.

• 소프트웨어 인터럽트: 시스템 콜이 발생했을 때 발생하는 예외이다.

2-2. 비동기 인터럽트 (하드웨어 인터럽트)

주로 입출력 장치에 의해 발생하는 인터럽트이다.

작업이 끝나기를 마냥 기다릴 필요 없이 작업이 진행되는 동안 온전히 다른 작업을 처리할 수 있다. ➡️ CPU 사이클 낭비 최소화 + 효율적 명령어 처리

쉽게 말해 비동기 인터럽트는 알림의 역할을 한다. (예: 세탁기의 세탁 완료 알림, 프린터의 작업 완료 알림 등)

(1) 인터럽트 요청 신호

인터럽트 하기 전에 CPU에게 인터럽트의 가능 여부를 확인하는 과정이다.

이 과정이 필요한 이유는, 인터럽트 처리는 결국 CPU의 정상적인 실행 흐름을 끊는 것이기 때문이다.

(2) 인터럽트 플래그

하드웨어 인터럽트를 받아들일지, 무시할지를 결정하는 플래그이다.

CPU가 인터럽트 요청을 수용하기 위해서는 플래그 레지스터의 인터럽트 플래그가 활성화되어 있어야 한다. ⚠️ 만약 비활성화 되어 있을 시, CPU는 해당 요청을 무시하니 유의해야 한다.

🚨 다만, 모든 하드웨어 인터럽트를 인터럽트 플래그로 막을 수 있는 것은 아니다.

인터럽트 플래그가 불가능(비활성화)으로 설정되어 있더라도 무시할 수 없는 인터럽트 요청도 있다. (가장 우선 순위가 높고, 가장 먼저 처리해야 하는 정전이나 하드웨어 고장으로 인한 인터럽트는 무시할 수 없다.)

(3) 인터럽트 서비스 루틴 (ISR)

인터럽트를 처리하기 위한 프로그램이다.

어떤 인터럽트가 발생했을 때 해당 인터럽트를 어떻게 처리하고 작동해야 할지에 대한 정보(설명서) 를 나타낸다.

인터럽트는

1) 인터럽트 서비스 루틴을 실행하고 2) 본래 수행하던 작업으로 다시 돌아오는 방식으로 작동된다.

📑 가구마다 조립 설명서가 다르듯이, 입출력 장치마다 인터럽트를 처리하기 위한 동작이 다르기 때문에, 입출력 장치들은 각기 다른 서비스 루틴을 가진다.

(4) 인터럽트 벡터

인터럽트 서비스 루틴을 식별하기 위한 정보이다. 어떤 입출력 장치에서 인터럽트가 발생한 건지, 그 장치의 인터럽트 서비스 루틴은 뭔지 알 수 있다.

*CPU가 인터럽트 서비스 루틴을 실행하려면 인터럽트 서비스 루틴의 시작 주소를 알아야 하며, 이는 인터럽트 벡터를 통해 알 수 있다.

🚨 만약 CPU가 작업을 수행하는 도중에 프린터에서 인터럽트가 발생하면

• CPU는 전달받은 인터럽트 벡터를 참조하여 프린터의 인터럽트 서비스 루틴의 시작 주소를 알아낸다.
• 그 다음 서비스 루틴의 시작 주소부터 실행하면서 프린터의 인터럽트 서비스 루틴을 실행한다.

3. CPU 성능 향상을 위한 설계

3-1. CPU 클럭 속도

• 클럭: 컴퓨터의 부품을 움직일 수 있게 하는 시간의 단위이다.
• 클럭 속도: 클럭이 1초에 몇 번 반복되는지를 헤르츠 단위(Hz)로 나타낸다.

클럭 속도 ⬆️ ➡️ 명령어 사이클 반복 속도 ⬆️ ➡️ 다른 부품들의 동작 속도 ⬆️

실제로 클럭 속도가 높은 CPU는 일반적으로 성능이 높다. 클럭 속도는 CPU 속도의 단위로 간주되기도 한다.

3-2. 멀티 코어와 멀티 스레드

• 코어 (Core): CPU 내에서 명령어를 읽어들이고, 해석하고, 실행하는 부품을 의미한다. *원칙적으로 CPU는 하나만 존재할 수 있었지만, 기술 발전으로 코어가 여러 개 존재할 수 있게 되었다.

어떤 CPU를 설명하는 글에 코어가 8개라고 명시되어 있다면 CPU가 8개라는 이야기이다.

• 스레드 (Thread): 실행 흐름의 단위이다.
• 하드웨어 스레드 (논리 프로세서): 하나의 코어가 동시에 처리하는 명령어의 단위이다.
• 멀티 스레드 프로세서 / 멀티 스레드 CPU: 하나의 코어로 여러 명령어를 동시에 처리하는 CPU이다.

• CPU가 한 번에 하나의 명령어를 처리 ➡️ 1코어 1스레드 CPU
• CPU 2개가 한 번에 4개의 명령어를 처리 ➡️ 2코어 4 스레드 CPU

하드웨어 스레드 입장에서는 한 번에 하나의 명령어를 처리하는 1개의 CPU와 다를 바 없다. "1개의 CPU" 는 코어 전체나 물리적인 CPU 칩을 뜻하는 것이 아니라, "실행 주체(Execution Unit)" 를 비유적으로 표현한 것이다!

마찬가지로 2코어 4스레드 CPU는 메모리 입장에서는 한 번에 하나의 명령어를 처리하는 4개의 CPU가 있는 것처럼 보인다. "2코어 4스레드 CPU"에서 4라는 숫자는 "CPU가 외부에 약속하는, 동시에 명령어를 받아 처리할 수 있는 실행 흐름의 총 개수" 를 의미한다. 그래서 메모리(OS) 입장에서는 4개의 CPU가 있는 것처럼 보이는 것이다. 실제 CPU의 수를 뜻하는 게 아니다. X

• 소프트웨어 스레드: 하나의 프로그램에서 독립적으로 실행되는 단위이다.

하드웨어 스레드 vs 소프트웨어 스레드

프로세스와 소프트웨어 스레드의 관계

프로그램 vs 프로세서 vs 프로세스

• 스레드의 사전적 정의만을 암기했다면 "1코어 1스레드 CPU가 여러 스레드로 만들어진 프로그램을 실행할 수 있다"는 말을 납득하기 어려울 것이다.
• 아래 사진은 메모리 공간 내에 실행 흐름(스레드)이 존재하거나, 여러 흐름이 존재하는 프로세스 내부의 실행 단위인 소프트웨어 스레드를 시각적으로 표현한 것
• 따라서, 하드웨어적인 스레드와 소프트웨어적인 스레드의 의미를 구분해서 기억해 두는 것이 좋다.

4. 파이프라이닝을 통한 명령어 병렬 처리

4-1. 명령어 병렬 처리 (ILP, Instruction-Level Parallelism)

여러 명령어를 동시에 처리하여 CPU를 쉬지 않고 작동하게 함으로써 성능을 높이는 기법이다.

이 ILP를 구현하는 핵심 기술이 바로 명령어 파이프라이닝이다.

4-2. 명령어 파이프라이닝 (Instruction Pipelining)

명령어 파이프라이닝은 공장의 생산 라인처럼 명령어를 여러 단계로 쪼개어 각 단계를 겹쳐서 동시에 처리하는 기법이다.

하나의 명령어가 처리되는 과정은 일반적으로 네 단계로 나뉜다.

핵심 원리: 같은 단계만 겹치지 않는다면, CPU는 이 단계를 동시에 실행할 수 있다. 예를 들어, 명령어 1이 실행 단계일 때, 명령어 2는 해석 단계, 명령어 3은 인출 단계에 들어갈 수 있다.

4-3. 슈퍼스칼라 (Superscalar)

파이프라이닝이 하나의 생산 라인이라면, 슈퍼스칼라는 여러 개의 생산 라인(파이프라인) 을 동시에 두는 구조를 말한다.

*대부분의 현대 CPU는 여러 개의 파이프라인을 내부에 포함하는 "슈퍼스칼라 구조"를 채택하여, 명령어 처리량을 극대화한다.

4-4. CISC vs. RISC

명령어 병렬 처리에 최적화된 구조를 논할 때, 명령어 집합의 유형인 CISC와 RISC의 차이가 중요하다.

4-5. 파이프라인 위험 (Pipeline Hazard)

파이프라이닝은 성능을 높이지만, 명령어들이 겹쳐 실행되면서 문제가 발생할 수 있다.

(1) 데이터 위험 (Data Hazard)

• 원인: 명령어 간의 데이터 의존성 때문에 발생한다.
• 상황: 이전 명령어의 결과가 다음 명령어의 입력으로 사용되어야 하는데, 다음 명령어가 이전 명령어가 결과를 저장하기 전에 먼저 실행되려고 할 때 발생한다. *예시: 명령어 2가 명령어 1의 결과(R1)를 필요로 할 때, 명령어 2는 명령어 1이 "결과 저장(WB)"을 완료할 때까지 기다려야 한다.*

(2) 제어 위험 (Control Hazard)

• 원인: 프로그램 카운터(PC) 의 흐름이 갑작스럽게 변경될 때 발생한다.
• 상황: JUMP나 인터럽트 등으로 인해 실행 흐름이 바뀌면, 이미 파이프라인에 인출되거나 해석 중이던 명령어들은 모두 쓸모없어지며 버려진다.

(3) 구조적 위험 (Structural Hazard)

• 원인: 서로 다른 명령어들이 같은 CPU 부품을 동시에 사용하려고 할 때 발생한다. (자원 위험이라고도 한다.)
• 상황: 명령어 1이 레지스터에 결과를 저장하는 단계인데, 명령어 2가 동시에 레지스터를 읽으려고 할 때 충돌한다.