IP Packet과 TCP/UDP Packet

*  네트워크의 탄생 배경
*  IP와 IP Packet을 이용한 통신 방법의 개념과 한계
*  IP Packet을 이용한 통신 방법의 한계를 보안하기 위한 TCP/UDP Packet

 

네트워크 흐름을 이해하기 위해서는 웹 통신을 가능하게 한 HTTP 통신의 흐름을 파악하는 것이 중요하다. 

• 해당 포스팅에서 자세히 다루겠지만, 우선 HTTP 통신은 애플리케이션 계층에 속해 있다.
• HTTP 통신을 깊이 이해하기 위해서는, TCP와 UDP 같이 보다 낮은 레벨의 프로토콜도 학습해야 한다.
• 이를 위해 IP를 시작으로 TCP/UDP 그리고 HTTP까지 이르는 전체 통신 흐름을 살펴보겠다.

 

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네트워크 탄생 배경

 

인터넷이 대중화되면서 네트워크는 컴퓨터 기술에서 빼놓을 수 없는 분야가 되었다. 

지금 우리가 사용하는 인터넷 프로토콜, 즉 IP 기반의 네트워크는 미 국방성에서 1969년 진행했던 아르파넷(ARPANET) 프로젝트에서 시작되었다.

• 이 프로젝트는 당시 냉전시대에서 핵전쟁을 대비하기 위한 통신망 구축을 위해 추진되었다.
• 이때 기존에 사용되었던 회선교환 방식이 아닌 패킷교환 방식으로 네트워크를 구축하게 되는데 이를 토대로 현재의 인터넷 통신 방식의 기반이 세워졌다.
• 그럼 패킷교환 이전에 사용되었던 회선교환 방식은 어떻게 통신을 했을까?

 

회선교환 방식

 

패킷교환 방식은 기존에 전화에서 사용했던 회선교환 방식의 단점을 보완한 방식이다.

 

그럼 회선교환 방식은 어떻게 연결을 했을까?

 

옛 모습을 배경으로 하는 영화 혹은 드라마에서 가끔 볼 수 있듯, 아래 사진의 여성분이 회선교환 중간에서 발신자와 수신자를 연결해 주는 전화교환원, 즉 오퍼레이터이다.

 

회선교환 방식은 발신자와 수신자 사이에 데이터를 전송할 전용선을 미리 할당하고 둘을 연결한다.

• 우리가 전화하는 방식을 떠올려보면 회선교환 방식에서 생길 수 있는 비효율을 이해할 수 있을 것이다.
• 내가 연결하고 싶은 상대가 다른 상대와 연결 중이라면, 상대방은 이미 다른 상대와의 전용선과 연결되어 있기 때문에 그 연결이 끊어지고 나서야 상대방과 연결할 수 있다.
• 또한 특정 회선이 끊어지는 경우에는 처음부터 다시 연결을 성립해야 한다.  

 

패킷교환 방식

 

회선이 사용 중이더라도 마냥 기다리지 않아도 되는 방법이 있을까?

 

아르파넷 프로젝트에서는 이 문제를 해결하기 위하여 패킷교환 방식의 네트워크를 고안했다.

 

• 패킷교환 방식은 패킷이라는 단위로 데이터를 잘게 나누어 전송하는 방식이다.
• 마치 소포를 보내는 것과 같다.
• 그래서 각 패킷에는 출발지와 목적지 정보가 있고 이에 따라 패킷이 목적지를 향해 가장 효율적인 방식으로 이동할 수 있다.
• 이를 이용하면 특정 회선이 전용선으로 할당되지 않기 때문에 빠르고 효율적으로 데이터를 전송할 수 있다.
• 그래서 인터넷 프로토콜, 줄여서 IP는 출발지와 목적지의 정보를 IP 주소라는 특정한 숫자값으로 표기하고 패킷단위로 데이터를 전송하게 되었다.

 

IP와 IP Packet

: 인터넷 통신의 기본이 되는 IP(인터넷 프로토콜)

 

복잡한 인터넷 망 속 수많은 노드들을 지나 어떻게 클라이언트와 서버가 통신할 수 있을까?
(여기서 노드는 하나의 서버 컴퓨터를 의미) 
출발지에서 목적지까지 데이터가 무사히 전달되기 위해선 규칙이 필요할 것이다.

 

 

 

그래서 흔히 말하는 IP(인터넷 프로토콜) 주소를 컴퓨터에 부여하여 이를 이용해 통신한다.

IP는 지정한 IP 주소(IP Address)에 패킷(Packet)이라는 통신 단위로 데이터 전달을 한다.

• IP 패킷에서 패킷은 pack과 bucket이 합쳐진 단어로 소포로 비유할 수 있다.
• IP 패킷은 이를 데이터 통신에 적용한 것이라고 보면 된다.
• IP 패킷은 우체국 송장처럼 전송 데이터를 무사히 전송하기 위해 출발지 IP, 목적지 IP와 같은 정보가 포함되어 있다.
• 패킷 단위로 전송을 하면 노드들은 목적지 IP에 도달하기 위해 서로 데이터를 전달한다.
• 이를 통해 복잡한 인터넷 망 사이에서도 정확한 목적지로 패킷을 전송할 수 있다.
• 서버에서 무사히 데이터를 전송받는다면 서버도 이에 대한 응답을 돌려줘야 한다. 

데이터를 무사히 전송 받은 서버 역시 IP 패킷을 이용해 클라이언트에 응답을 전달한다. 

 

 

정확한 출발지와 목적지를 파악할 수 있다는 점에서 인터넷 프로토콜은 적절한 통신 방법으로 보이지만 IP에도 아래와 같은 한계가 존재한다. 

 

비연결성

: 패킷을 받을 대상이 없거나 서비스 불능 상태여도 패킷 전송

• 클라이언트는 서버의 상태를 파악할 방법이 없기 때문에 패킷을 그대로 전송하게 된다. 

 

비신뢰성

: 중간에 패킷이 사라질 수 있음

• 중간에 있는 서버가 데이터를 전달하던 중 장애가 생겨 패킷이 중간에 소실되더라도 클라이언트는 이를 파악할 방법이 없다. 

: 패킷의 순서를 보장할 수 없음

• 전달 데이터의 용량이 클 경우 이를 패킷 단위로 나눠 데이터를 전달하게 되는데 이때 패킷들은 중간에 서로 다른 노드를 통해 전달될 수 있다.
• 이렇게 되면 클라이언트가 의도하지 않은 순서로 서버에 패킷이 도착할 수 있다. 

 

 

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TCP

: Transmission Control Protocol - 전송 제어 프로토콜

네트워크 계층 구조를 통해  IP 패킷의 한계를 어떻게 보완할 수 있을지 알아보자. 

• 네트워크 프로토콜 계층은 다음과 같이 OSI 7계층과 TCP/IP 4 계층으로 나눌 수 있다.
• IP 프로토콜 보다 더 높은 계층에 TCP 프로토콜이 존재하기 때문에 앞서 다룬 IP 프로토콜의 한계를 보완할 수 있다.
  • 참고) TCP/IP 4 계층은 OSI 7 계층보다 먼저 개발되었으며 TCP/IP 프로토콜의 계층은 OSI 모델의 계층과 정확하게 일치하지는 않는다. 실제 네트워크 표준은 업계표준을 따르는 TCP/IP 4 계층에 가깝다. 

 

채팅 프로그램에서 메시지를 보낼 때 어떤 일이 일어나는지 자세히 알아보자. 

• 먼저 HTTP 메시지가 생성되면 Socket을 통해 전달된다. 
  
  • 프로그램이 네트워크에서 데이터를 송수신할 수 있도록, “네트워크 환경에 연결할 수 있게 만들어진 연결부“가 바로 네트워크 소켓(Socket)이다.
• 그리고 IP 패킷을 생성하기 전 TCP 세그먼트를 생성한다. 
• 이렇게 생성된 TCP/IP 패킷은 LAN 카드와 같은 물리적 계층을 지나기 위해 이더넷 프레임 워크에 포함되어 서버로 전송된다.

 

 

TCP/IP 패킷

TCP 세그먼트에는 IP 패킷의 출발지 IP와 목적지 IP 정보를 보완할 수 있는 출발지 PORT, 목적지 PORT, 전송 제어, 순서, 검증 정보 등을 포함한다. 

 

 

TCP의 특징 

 

1.  연결 지향 ; TCP 3 way handshake (가상 연결)

• TCP는 장치들 사이에 논리적인 접속을 성립하기 위하여 3 way handshake를 사용하는 연결지향형 프로토콜이다. 
• 연결 방식은 다음과 같다. 
  
  • 먼저 클라이언트는 서버에 접속을 요청하는 SYN 패킷을 보낸다. 
  • 서버는 SYN요청을 받고 클라이언트에게 요청을 수락한다는 ACK 와 SYN가 설정된 패킷을 발송하고 클라이언트가 다시 ACK으로 응답하기를 기다린다.
  • 클라이언트가 서버에게 ACK을 보내면 이 이후로부터 연결이 성립되며 데이터를 전송할 수 있다. 
  • 만약 서버가 꺼져있다면 클라이언트가 SYN을 보내고 서버에서 응답이 없기 때문에 데이터를 보내지 않는다. 
• 현재에는 최적화가 이루어져 3번 ACK을 보낼때 데이터를 함께 보내기도 한다. 
  * SYN은 Synchronize, ACK는 Acknowledgment의 약자

 

2. 데이터 전달 보증

TCP는 데이터 전송이 성공적으로 이루어진다면 이에 대한 응답을 돌려주기 때문에 IP 패킷의 한계인 비연결성을 보완할 수 있다. 

 

3. 순서 보장

• 만약 패킷이 순서대로 도착하지 않는다면 TCP 세그먼트에 있는 정보를 토대로 다시 패킷 전송을 요청할 수 있다. 
• 이를 통해 IP 패킷의 한계인 비신뢰성(순서를 보장하지 않음)을 보완할 수 있다. 

 

 

4. 신뢰할 수 있는 프로토콜

TCP는 같은 계층에 속한 UDP에 비해 상대적으로 신뢰할 수 있는 프로토콜이며 그 이유는 아래에 있다.

 

 

UDP

: User Datagram Protocol - 사용자 데이터그램 프로토콜

 

UDP는 IP에 PORT, 체크섬 필드 정보만 추가된 단순한 프로토콜이다. 

 

* 체크섬(checksum)은 중복 검사의 한 형태로, 오류 정정을 통해, 공간(전자 통신)이나 시간(기억 장치) 속에서 송신된 자료의 무결성을 보호하는 단순한 방법

 

UDP의 특징 

 

1. 기능이 거의 없음

• HTTP3는 UDP를 사용하며 이미 여러 기능이 구현된 TCP보다는 하얀 도화지처럼 커스터마이징이 가능하다는 장점이 있다. 

 

2. 비 연결지향 - TCP 3 way handshake X, 데이터 전달 보증 X, 순서 보장 X

• 앞서 TCP 특징과 비교해 보면 신뢰성은 낮지만 3 way handshake 방식을 사용하지 않기 때문에 TCP와 비교해 단순하고 빠른 속도를 보장한다.
• 위와 같은 이유로 실시간 스트리밍 서비스 등의 연속성이 중요한 서비스에 많이 활용되고 있다. 

 

아직 TCP와 UDP의 차이가 잘 와닿지 않는다면, 좋은 기능이 다 들어있는 무거운 라이브러리와 필요한 기능만 들어있는 가벼운 라이브러리로 비교할 수 있겠다.