[21.12.23] 네트워크 CS 정리 1일차(서적 참조)

참고

http://www.yes24.com/Product/Goods/58259041

킹 오브 네트워킹 KING of Networking - YES24

http://www.yes24.com/Product/Goods/93997435

IT 엔지니어를 위한 네트워크 입문 - YES24

 

목적

 

네트워크 CS 이론에 대해 머릿속에 다시 상기시켜보고자 해당 글을 작성한다.  

 

 

OSI 7계층이란?

OSI(Open System Interconnection, 개방형 시스템 상호연결) 참조 모델은 국제표준화기구(ISO)에서 만들었다. 쉽게 말해 컴퓨터 와 컴퓨터 간의 통신 단계를 7개 계층으로 분류하고, 각 계층별 기능을 정의해 놓은 것이다. 장비 간의 통신 단계는 사람 간의 의사소통 단계와 유사하다. 각 계층이 어떤 의사소통으로 하는지 통일을 해야 송신과 수신이 원활하게 진행된다. 

 

OSI 모델의 구성은 다음과 같다.

계층	계층 이름	역할	주요 프로토콜
7	응용 계층	응용 프로그램과 통신 프로그램 간의 인터페이스를 제공한다.	HTTP, FTP
6	표현 계층	데이터의 표현 및 암호화 방식을 정의한다.	ASCII, MPEG, SSL
5	세션 계층	세션의 시작 및 종료를 제어한다.	TCP Session
4	전송 계층	종단 프로그램 간의 데이터를 전달한다.	TCP, UDP
3	네트워크 계층	종단 장비 간의 데이터를 전달한다.	IP, ICMP, ARP
2	데이터링크 계층	인접 장비와 연결을 위한 논리적인 사양을 정의한다.	이더넷, PPP
1	물리 계층	인접 장비와 연결을 위해 물리적인 사양을 정의한다.	10/100/1000Base-T, V.35

 

 

물리계층의 동작범위는 인접한 장비까지이다. 장비와 장비 사이 케이블을 흔들었을 때 흔들리는 구간까지가 특정한 물리 계층의 동작 범위이다.

서버와 스위치 사이에 있는 100BASE-TX 라는 규격이 적용되며, 스위치와 라우터 사이에는 1000BASE-SX 라는 규격이 정해진다.

 

 

데이터링크계층은 라우터 내의 구분된 구간에서 프레임을 전달하는 역할을 담당한다. 데이터 링크 계층 프로토콜은 용도에 따른 프레임의 종류를 정의하며, 프레임 내 각 필드의 길이, 의미 등을 정의한다. 또한 링크 계층에서 사용하는 물리적 주소를 정의하고, 에러 확인 및 에러 복구도 수행한다. 대표적인 프로토콜은 이더넷2.0(Ethernet-2)이며 헤더 필드는 대략적으로 다음과 같다. 

 

(Preamble과 SFD(Start Frame Delimeter) 필드는 제외)

목적지 MAC(Media Access Control) 주소 (6바이트)	출발지 MAC 주소(6바이트)	이더타입(2바이트)	데이터(48~1500바이트)	에러체크FCS(4바이트) CRC 기반
001010....	001111...	1000	10011000...	01010

 

데이터링크 동작 구간은 다음과 같다.

 

 

네트워크계층은 통신의 최종 당사자들인 최종 출발지와 도착지와 같은 종단장비 간에 패킷(packet)을 전달하는 역할을 한다. 네트워크 계층에서는 Internet Protocol인 IP를 사용하며, IPv4와 IPv6가 있다.

 

물리 계층은 인접 장비 간에 동작을 하며, 데이터 링크 계층은 라우터에 의한 구분된 구간 내에서 동작하지만 네트워크 계층은 스위치, 라우터 등을 지나 종단 장비 간 동작한다.

 

 

전송계층은 종단장비에서 동작 중인 응용 계층 간 세그먼트로 데이터 묶음을 전달하는 역할을 한다. TCP와 UDP 가 있으며, 상위 프로토콜을 전달하기 위해 port라는 필드가 존재한다.

 

 

세션계층은 종단장비 간 세션(통신)의 시작과 절차, 유지, 종료 등을 정의한다. 대표적인 세션 프로토콜로 NETBIOS 와 TCP 세션 관리 절차가 있다.

 

 

표현계층은 상위 계층 프로토콜 응용 계층에 대해서 데이터 표현 방식의 변환이나 암호화 등의 서비스를 제공한다. 

 

 

응용계층은 응용프로그램과 통신 프로그램 간의 인터페이스를 제공하며 사람들이 그것을 쉽게 제어하기 위한 계층이다. HTTP라는 응용 계층 프로토콜은 응용 프로그램인 웹 브라우저에게 필요한 데이터를 송수신할 때 사용한다. 대표적인 응용계층 프로토콜은 텔넷, FTP, DNS, SMTP 등이 있다.

 

 

인캡슐레이션과 디캡슐레이션

각 프로토콜들의 동작에 필요한 정보들을 프로토콜 헤더라고 한다. 어떠한 동작 메카니즘을 실현시키기 위해 각 데이터의 출발지와 도착지가 있다. 예를 들어 이더넷-2 헤더에는 출발지 맥주소와 목적지 맥주소가 있고, IP에서는 출발지 IP와 목적지 IP가 기록되있는 것 처럼 말이다.

 

상위 계층 정보에 자신의 계층 헤더를 부착하는 것을 인캡슐레이션이라고 한다. 반면 수신측의 각 계층이 담당하는 헤더를 제거하는 것을 디캡슐레이션이라고 한다. 각 계층 프로토콜은 여러 종류의 상위 계층 프로토콜 데이터를 실어나를 수 있다. 따라서 자신의 필드 부분에 상위 계층 프로토콜 종류를 알고 있어야 상위 계층을 프로세스를 올릴 수 있는 디캡슐레이션 과정을 진행할 수 있다. 상위 계층 프로토콜을 기록하는 필드의 이름과 주요 값은 아래의 표와 같다. 

 

주로 사용하는 이더 타입 필드의 값

상위 계층 프로토콜	타입 필드 값
IPv4	0x0800
ARP	0x0806
IPv6	0x08DD

 

주로 사용하는 IP 프로토콜 필드 값 

상위 계층 프로토콜	프로토콜 필드 값
ICMP	1
IGMP	2
TCP	6
UDP	17
EIGRP	88
OSPF	89

 

주로 사용하는 TCP 포트의 필드 값

상위 계층 프로토콜	포트 필드 값
FTP	20, 21
텔넷	23
SMTP	25
DNS	53
HTTP	80
BGP	179

 

주로 사용하는 UDP 포트의 필드 값 

상위 계층 프토토콜	포트 필드의 값
DNS	53
DHCP	67, 68
TFTP	69
NTP	123
RIP	520

 

TCP/IP

인터넷에서 사용되는 여러가지 프로토콜을 통틀어서 TCP/IP 4계층이라고 한다. 계층이 많은 OSI 7계층보다 TCP/IP 4계층이 실무적으로 중점을 둔 프로토콜이기 때문에 TCP/IP 4계층을 많이 사용한다.

 OSI 7계층은 데이터 플로우 계층과 어플리케이션 계층으로 구분할 수 있다. 크게 이 두 계층은 데이터를 구현하는 어플리케이션 부분과 데이터를 잘 전달하는 데 집중하는 하부 계층으로 구분하는 것이 목적이었다. 이러니 자연스럽게 어플리케이션 개발자가 고려해야 될 부분과 서버 엔지니어나 네트워크 엔지니어가 고려해야 할 부분이 구분되었으며, TCP/IP 모델이 그 구분이 명확하게 정의되었다.

 

TCP/IP 계층별 주요 프로토콜 

계층	계층 이름	주요 프로토콜
4	어플리케이션	HTTP, 텔넷, FTP, SMTP, DNS
3	트랜스포트	TCP, UDP
2	인터넷	IP, ICMP, ARP
1	네트워크 액세스	Ethernet

 

홈 네트워크 vs 데이터센터 네트워크 

홈 네트워크

모바일 단말기의 증가와 노트북 사용이 보편화되면서 대부분의 가정에서는 공유기를 사용한다. 공유기에는 인터넷 접속에 필요한 다양한 기술이 사용되지만 전문가가 아닌 일반 사용자도 홈 네트워크를 게이트웨이 주소를 통해 구성 가능하다. 홈 네트워크를 구성하는데 모뎀, 공유기, 단말간의 유선과 무선 연결이 필요하다. 무선은 무선 랜 카드와 무선 신호를 보낼 수 있는 매체(주파수)가 필요하며 유선 연결은 유선 랜카드(NIC, 보통 마더보드에 내장되어 있다.), 랜 케이블이 필요하다.

 

 

데이터센터 네트워크

데이터 센터 네트워크는 안정적이며 빠른 대용량 서비스 제공을 목표로 구성한다. 안정적인 서비스를 위해 이중화기술을 사용해야 하고 많은 서버와 서비스가 한 네트워크에 연결되므로 높은 통신량을 수용해야 된다. 이러한 조건을 만족하기 위해서 10G, 25G, 40G, 100G, 400G와 같은 고속의 이더넷 기술을 사용한다.

 

처음 데이터 센터 구성은 Core - Distribution or Aggregation - Access의 형태인 3계층 구성이었지만 가상화 기술과 높은 대역폭을 요구하는 스케일 아웃 기반의 어플리케이션과 서비스가 등장하면서 2계층 구성인 Spine-Leaf 구구조로 데이터 센터 네트워크가 변화되었다.

 

일반 서버에 TOR(Top Of Rack) 스위치와 연결을 한다. 이 TOR 스위치는 Leaf 스위치가 된다. 이후 Leaf 스위치는 Spine 스위치와 연결하는데 40G, 100G의 Bandwidth로 연결되는 추세라고 한다.