[리눅스 네트워킹 프로그래밍] 네트워크의 개요

<서영진 님의 사물인터넷을 위한 리눅스 프로그래밍 with 라즈베리파이 서적을 참고해서 작성하였습니다 :-)>

 

⭐ 인터넷

사물 간의 통신을 위해서는 네트워크라는 기술을 사용한다

인터넷에서는 TCP/IP 프로토콜이 사용되는데 TCP와 UDP 로 나뉜다

TCP는 일상 생활의 전화와 같이 데이터를 안내원이나 전화 교환기 통해서 먼저 연결한 후 통신

UDP는 일반 우편과 같이 분실 우려가 있다

네트워크에서는 각각의 클라이언트들을 구분하기 위해서 IP주소와 도메인 주소, MAC 주소가 사용되고 서비스들을 구분하기 위해서 포트 번호가 사용된다

 

유닉스에서는 네트워크 프로그래밍을 위해 BSD 소켓을 이용

소켓을 이용해서 단말끼리의 연결을 수립하고 네트워크 통신을 수행한다

소켓은 네트워크 프로그래밍을 위한 기본 단위, 유닉스에서는 다른 디바이스와 같이 파일로 인식된다

웹 서비스는 HTTP와 HTML 을 이용하며 HTTP는 요청(Request)와 응답(Response) 방식을 통해 동작한다

 

⭐ 네트워크

통신을 위해 묶어놓은 단말(Terminal), 링크(Link), 노드(Node) 들의 집합

단말에는 컴퓨터나 스마트폰 같은 전자기기

링크는 이들의 연결

노드는 네트워크상의 특정 지점

네트워크의 기본 요소 단위인 하나의 LAN(Local Area Network)에 연결된 컴퓨터와 그 안에 속한 장비들

클라이언트(Client)는 사용자와 연결되어 있는 부분으로 서버가 제공하는 데이터나 서비스를 사용자에게 보여주는 역할

서버(Server)는 클라이언트가 요구한 서비스나 데이터를 공급하는 역할

서버와 클라이언트 사이에 서비스나 데이터를 주고받기 위해서는 네트워크를 통한 연결(링크) 필요함

 

⭐ 네트워크의 역사

1844년 미국의 발명가인 새뮤얼 모스가 짧은 발신 전류와 긴 발신 전류를 이용한 데이터 통신인 모스 부호 고안

1876년 미국의 알렉산더 그레이엄 벨에 의해 전화기 발명 & 전화기 특허

1885년 AT&T 가 설립 & 이탈리아 마르코니에 의해 무선 통신 시작

 

아파넷(ARPAnet) 등장 : 정보 교환을 위한 새로운 형태의 네트워크가 필요함

1983년 군사용인 밀넷(MILNET) 과 대학 등 연구망인 다르파(DARPA) 인터넷으로 분화

아파넷 초기에는 NCP(Network Control Program) 기반으로 하는 프로토콜 사용, 후에 TCP/IP 로 변경함

1960년 AT&T 벨 연구소에 의해 유닉스가 개발된 후 유닉스의 커널은 미국의 UC 버클리로 배포됨

빌 조이는 BSD의 핵심 커널 개발자로 일함

 

⭐ 인터넷

전 세계의 컴퓨터가 서로 연결되어 TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) 라는 통신 프로토콜을 이용해 정보를 주고받는 컴퓨터 네트워크

 

프로토콜(Protocol) : 컴퓨터 간 통신을 위해 필요한 상호 규약으로 TCP/IP, 토큰링, SNA 등 있다

컴퓨터 간 통신도 컴퓨터 사이의 공통 규약이 필요한데, 인터넷에서는 TCP/IP를 표준 프로토콜로 사용한다

 

⭐ OSI 7계층과 TCP/IP

OSI 7계층 (Open System Interconnection 7 Layer) 은 ISO (국제 표준화 기구) 에서 1984년 발표한 통신을 위한 이상적인 프로토콜 모델

 

☑️ OSI 7계층

레벨	계층	내용
7계층	응용 계층	사용자가 네트워크에 접근하기 위해 필요한 서비스(Service) 정의
6계층	표현 계층	네트워크를 통한 데이터를 사용자에게 표현(Presentation) 하기 위해 필요한 기능 정의
5계층	세션 계층	포트(Port) 의 연결로 통신 장치 간의 상호 작용을 설정 및 유지하고 동기화하기 위해 필요한 기능 정의
4계층	전송 계층	세그먼트(Segment) 를 이용해서 신뢰성 있는 통신을 위한 발신지와 목적지 간의 제어와 에러의 관리를 위해 필요한 기능 정의
3계층	네트워크 계층	다중 네트워크 링크에서 패킷(Packet) 단위로 데이터를 목적지에 확실하게 전송하기 위해 필요한 기능 정의
2계층	데이터링크 계층	네트워크에서 디바이스들 사이에 프레임(Frame) 단위로 데이터를 오류 없이 전송하기 위해 필요한 기능 정의
1계층	물리 계층	네트워크 카드나 케이블과 같은 물리적인 매체를 통한 비트(Bit) 단위의 데이터 전송을 위해 필요한 기능 정의

 

☑️ TCP/IP 프로토콜 계층

애플리케이션이 인터넷을 통해 통신을 수행하면 응용 계층, 전송 계층, 인터넷 계층, 링크 계층을 통해 실제 네트워크 케이블로 데이터가 전송되고 (위에서 아래), 상대방은 (아래에서 위) 데이터를 받는다

 

TCP/IP의 인터넷 계층인 IP는 데이터가 목적지에 제대로 도달하도록 한다

전송 계층은 송신자와 수신자를 연결하며, 크게 TCP(Transmission Control Protocol)와 UDP(User Datagram Protocol) 로 나뉜다

 

데이터는 TCP/IP 각 계층을 통해 전송되며 각 계층을 통과할 때마다 기존의 데이터에 별도의 데이터 (헤더) 가 추가되며, 네트워크의 각 요소들은 데이터가 목적지로 가는 동안 이 헤더들을 이용해서 전송과 관련된 처리를 수행한다

 

☑️ TCP

연결 지향의 신뢰성 있는 프로토콜로, 서버와 클라이언트 사이에 데이터를 주고받기 전에 3-Way Handshaking (신뢰성 있는 연결을 체결하기 전에 패킷을 3번 교환(SYN, SYN/ACK, ACK) 하여 확인하는 과정) 을 이용하여 연결을 수립한다

데이터가 목적지에 제대로 도착했는지와 순서대로 보내지는지 (바이트 순서 보장) 등을 검사하고 복구할 수 있는 알고리즘을 포함한다

 

통신을 위해 별도의 연결을 수립하고 오류나 중복에 대한 검사와 수정을 진행하므로 데이터에 문제가 생길 위험은 적지만 연결과 검사 과정 때문에 속도가 느리다

 

☑️ UDP

신뢰성이 없는 단순한 프로토콜로, 데이터를 보내고 난 이후에 데이터의 손실이나 도착 순서의 바뀜, 중복, 누락 등에 대한 검사와 오류 수정을 위한 별도의 검사가 없다

 

별도의 연결이나 검사 과정이 없으므로 속도는 빠르지만 데이터가 없어질 위험이 있기 때문에 신뢰성이 필요한 통신에는 사용하지않는다

계층	내용	내용
응용 계층	사용자가 실제로 사용하는 응용 프로그래램을 실행하기 위해 필요한 기능 정의	HTTP, SMTP, POP3, SIP 등
전송 계층	패킷의 오류를 검사하고 재전송 요구 등의 제어 및 응용 프로그램 간의 통신을 위한 기능 정의	TCP, UDP 등
인터넷 계층	IP 주소와 데이터 전송 경로 제어를 위해 필요한 기능 정의	IP (IPv4, IPv6), ICMP 등
링크 계층	네트워크 하드웨어 간의 전송 제어 및 서비스 제공을 위해 필요한 기능 정의	ARP, RARP 등

 

☑️ TCP/IP 주소 체계

네트워크는 단말 (호스트)들을 서로 구분하귀 위해 네트워크 주소를 사용한다

주소체계	내용	비고
MAC 주소	네트워크 카드나 라우터 같은 하드웨어들이 서로를 인식하기 위해 사용되는 주소	48비트
IP 주소	운영체제에서 네트워크 상의 다른 단말들을 구분하기 위해 사용하는 주소	32비트(v4), 64비트(v6)
도메인 네임	사람이 서버나 단말을구분하기 위해 사용하는 주소 숫자로 되어 있는 IP주소는 사람이 외우기 힘들기 때문에 이를 문자열로 대체	문자열

 

링크 계층에서 사용하는 주소 체계는 MAC (Media Access Control) 주소로 48 비트로 구성됨

LAN 에서 모든 네트워크 장비들은 고유한 MAC 주소를 가진다

24 비트는 제조사 식별 번호 (OUL, Organizational Unique Identier), 뒤에 24 비트는 시리얼 번호

MAC 주소는 네트워크 카드나 단말에서 서로를 구분하기 위해 사용되며, NIC (Network Interface Card) 주소라 불린다

 

IP 주소는 운영체제에서 네트워크 상의 다른 단말들을 구분하기 위해 사용된다

인터넷에 존재하는 모든 단말들은 고유 IP 주소를 가지는데, 현재 사용하고 있는 TCP/IP 는 IPv4의 32비트 주소 체계를 가진다

IP주소는 크게 네트워크 부분과 호스트 부분으로 구분한다

네트워크 부분은 회사나 망과 같은 네트워크의 구분을 위해 사용

호스트 부분은 한 회사의 컴퓨터처럼 네트워크 내의 단말들을 구분하기 위해 사용된다

IP 주소의 클래스 따라 사용할 수 있는 최대 네트워크와 호스트의 수가 차이가 있다

구분하는 이유는 IP 주소를 보다 효율적으로 분배하기 위함이다

네트워크에 많은 컴퓨터들이 연결되어 있는 곳은 A클래스

소규모 회사처럼 적은 수의 컴퓨터를 가지고 있는 곳은 C 클래스

 

IP 주소는 주로 운영체제에서 사용하며, 하드웨어를 제작할 때 고정적으로 기록되는 MAC 주소와 달리 사용하는 네트워크에 맞게 변경할 수 있다

 

운영체제에서 사용하는 IP 주소는 숫자로 이뤄지기 때문에 사람이 기억하기 어렵다

구글의 웹 사이트는 여러 IP 주소로 이루어져 있는데 이를 확인하고 싶은 경우에는 nslookup 명령어를 사용한다

IP 주소보다 쉽게 기억할 수 있는 것이 도메인 네임 (Domain Name)

숫자로 된 IP 주소를 쉽게 이해할 수 있는 문자 형태의 주소로 변경함

sudo apt-get isntall dnsutils
nslookup

 

☑️ 포트 번호

TCP/IP 기반의 네트워크는 주로 서버와 클라이언트의 구조로 됨

서버는 서비스를 공급해 주는 주체 (컴퓨터)

클라리언트는 사용자와 함께 서비스를 요구하는 단말 (컴퓨터(을 의미한다

보통 서버에는 메일, 웹, 도메인 서비스, FTP, TELNET 등 아주 많은 서비스들 수행됨

각각의 서버는 IP 주소나 도메인 네임 같은 주소 체계를 통해 찾을 수 있다

서버를 찾고 나면 사용할 서비스를 지정하는데, 바로 포트 번호다

 

각각의 서비스들을 구분하기 위해 사용되는 포트 번호는 정수형의 숫자 사용

잘 알려진 포트 번호는 0 ~ 1023 번 사이의 번호, 일반적으로 서비스를 제공하는 데몬 프로세스들이 이용함

이 포트 번호를 이용하기 위해서는 루트 권한 필요함

 

포트 번호는 /etc/services 파일 통해 알 수 있다

 

클라이언트는 포트 번호를 바인딩 (binding) 하지 않는다

클라이언트가 서버와의 통신을 시도할 때 커널이 자동으로 포트 번호를 지정하며, 이 번호는 서버와 통신하는 동안만 유효한 임시 번호다

서버는 항상 클라이언트의 요청에 응답해야 하므로 커널에 포트 번호를 등록해서, 실행되는 동안 고정된 포트 번호를 갖는다

 

☑️ 현재 시스템에 저장된 LAN 상의 호스트에 대한 MAC 주소

하드웨어, 기기들은 주기적으로 자기 IP와 MAC 주소를 주변에 알려주는데, 다른 기기들은 이를 받아서 저장해주고 IP 주소의 MAC 주소 변환에 이용한다

 

웹 서버는 보통 로컬이 아닌 외부에 위치한다

네트워크와 네트워크는 라우터 (게이트웨이) 라는 장비들을 통해 연결되어 있는데, 라우터 안의 네트워크를 LAN (Local Area Network) 이라고 한다

LAN들이 모여 넓은 의미의 WAN (Wide Area Network)

 

로컬에 위치하지 않은 서버로의 통신에서는 다음과 같이 데이터가 전송된다

단말은 라우터에게 데이터를 전송하고, 라우터는 다음에 연결되어 있는 라우터에 데이터를 전송한다

계속해서 라우터들을 통해서 데이터가 전송되며 웹 서버가 연결되어 있는 라우터를 만나면 이를 통해 LAN 안의 웹 서버에서까지 데이터가 전송된다

 

현재 위치에서 특정 서버까지의 경로를 알고 싶은 경우에는 traceroute 프로그램을 이용한다

중간에 있는 라우터의 IP 주소와 가는데 걸리는 시간 등의 정보가 표시된다

sudo apt-get install traceroute
traceroute google.com