컴퓨터 네트워크 1. 개요

서론

데이터 통신과 네트워크는 현대 사회에서 핵심적인 역할을 담당하는 분야로, 정보를 주고받고 기기들이 상호 연결되는 기반을 제공한다. 이는 컴퓨터 및 기타 디지털 기기들이 서로 통신하고 데이터를 교환할 수 있는 방법을 제공하며, 인터넷을 비롯한 다양한 네트워크 시스템을 구축하는 핵심 개념들을 포함한다. 데이터 통신과 네트워크는 정보의 전송 속도와 신뢰성, 보안 등을 고려하여 데이터의 원활한 이동을 보장하고, 다양한 서비스 및 애플리케이션들을 지원한다. 이를 위해 프로토콜, 라우팅, 스위칭 등 다양한 기술과 방법이 사용되며, 전세계적인 컴퓨터 네트워크의 발전은 현대 사회의 정보화와 글로벌 커뮤니케이션의 핵심 요소로 인식되고 있다.

데이터 통신

데이터(data)는 데이터를 만들어 사용하는 사용자 간에 합의된 형태로 표현된 정보를 말한다. 데이터 통신(data communitcation)은 전선과 같은 특정 형태의 전송 매체를 통해 두 장치 간에 데이터를 교환하는 것이다. 효과적인 데이터 통신 시스템은 아래와 같은 4 가지 특성을 가진다.

전달성(delivery): 시스템은 정확히 목적지에 데이터를 전달해야 한다. 데이터는 반드시 원하는 장치나 사용자에게 전달되어야 한다.
정확성(accuracy): 시스템은 데이터를 정확하게 전달해야 한다. 전송 도중에 변형되어 변경된 데이터는 사용할 수 없다.
적시성(timeliness): 시스템은 적시에 데이터를 전송해야 한다. 화상이나 오디오 및 음성의 경우 적정 시간에 이루어진 전송이란 데이터가 만들어진 그대로, 만든 순서대로, 그리고 과도한 지연 없이 전송된다는 것을 뜻한다. 이와 같은 전송을 실시간(real-time) 전송이라 한다.
파형 난조(jitter): 파형 난조란 패킷 도착 시간이 조금씩 다른 것을 말한다. 음성이나 동영상 패킷이 전달될 때 고르지 않게 전달되는 것이다.

구성 요소

데이터 통신 시스템은 다섯 가지 구성요소를 갖는다.

메시지(message)는 통신의 대상이 되는 정보, 즉 데이터이다. 텍스트, 숫자, 그림, 소리, 화상, 또는 이들의 조합으로 만들어진다.
송신자(sender)는 메시지를 보내는 장치로써 컴퓨터, 전화기, 비디오 카메라 등이 될 수 있다.
수신자(receiver)는 메시지를 받는 장치로써 컴퓨터, 전화기, TV 등이 될 수 있다.
전송 매체(transmission medium)는 메시지가 송신자에서 수신자까지 이동하는 물리적인 경로이다. 전송 매체에는 꼬임쌍선, 동축 케이블, 광섬유 케이블, 라디오파 등이 있다.
프로토콜(protocol)은 데이터 통신을 통제하는 규칙의 집합이다. 프로토콜은 통신하고 있는 장치들 사이의 상호합의를 나타낸다. 프로토콜이 없다면 마치 일본어로 얘기하는 것을 프랑스인이 이해하지 못하는 것처럼, 통신장비가 연결되어 있어도 서로 통신할 수 없게 된다.

메시지

오늘날 정보는 문자, 숫자, 화상, 음성 및 동영상과 같이 다양한 형태로 전달된다.

문자(text)는 비트 패턴, 즉 0과 1로 된 비트들의 순서인 비트 패턴으로 표현된다. 서로 다른 비트 패턴을 사용하여 문자 기호들을 표현하도록 설계되었다. 이와 같은 각 비트 패턴의 집합을 코드(code)라고 부르며 기호를 표현하는 과정을 부호화(coding, 코딩)라고 한다.
숫자(number) 또한 비트 패턴을 사용하여 나타낸다. 숫자는 수학적인 연산을 간단하게 하기 위해 그리고 곧바로 2진수로 전환이 가능하기에 Unicode와 같은 코드는 숫자를 나타내는 데 사용하지 않는다.
영상(image) 역시 비트 패턴에 의해 표현된다. 가장 간단한 형태의 영상은 화소(pixel, 픽셀)라는 작은 점들의 행렬로 구성된다. 화소의 크기는 해상도(resolution)에 따라 다르다. RGB 혹은 YCM과 같은 방법으로 색깔을 표현한다.
오디오(audio)는 소리나 음악을 기록하거나 방송하는 것을 말한다. 오디오는 연속적이지 이산적이지 않다. 목소리나 음악을 마이크로폰을 사용하여진 거 신호로 바꿀 때에도 연속 신호를 사용한다.
비디오(video, 동영상)는 그림이나 영화 같은 것을 기록하거나 방송하는 것을 말한다. 동영상은 연속적인 것에 의해 만들어질 수 있고 각각은 이산적인 개체이지만 여러 화상을 합해서 움직이는 느낌을 갖도록 만들 수도 있다.

데이터 전송 방향

단방향(simplex mode)에서 통신은 일방통행로처럼 한쪽 방향으로만 일어난다. 하나의 링크에 연결되어 있는 두 장치 간에 한쪽은 전송만 할 수 있고, 다른 쪽으 수신만 할 수 있다. e.x) 키보드와 모니터
반이중(half-duplex mode)에서 각 지국은 송신과 수신이 가능하지만, 동시에는 할 수 없다. 한 장치가 송신하면 다른 장치는 수신만 할 수 있고, 그 역도 마찬가지이다. e.x) 무전기
전이중(full-duplex)에서는 양족 지국이 동시에 송신과 수신을 할 수 있다. 전이중 방식은 동시에 양방향으로 통행이 가능하다. e.x) 통화

네트워크

네트워크(network)는 통신이 가능한 서로 연결된 장치의 모임이다. 이 정의에서는 큰 컴퓨터, 데스크톱, 랩톱, 워크스테이션, 휴대폰, 보안 시스템과 같은 호스트(host)가 될 수 있다. 장치는 서로 다른 네트워크를 연결하는 라우터, 장치를 서로 연결하는 교환기, 데이터의 형태를 변환하는 모뎀(변복조기) 등과 같은 연결 장치(connecting device)가 될 수 있다.

네트워크 평가 기준

성능(performance)은 전달시간이나 응답시간을 측정하는 등 여러 가지 방법으로 측정할 수 있다. 전달 시간(transit time)은 메시지가 한 장치에서 다른 장치로 이동하는 데에 걸리는 시간이며, 응답시간(response time)은 요구와 응답에 경과된 시간이다. 성능은 흔히 처리율(throughput)과 지연(delay)이라는 두 가지 척도로 평가된다.
신뢰성(reliability)과 정확성은 고장의 빈도수와 고장이 나서 링크를 복구하는 데 소요되는 시간, 그리고 재난 발생 시 네트워크의 안전성 등에 의해 측정된다.
보안(security) 시스템은 불법적인 접근으로부터 데이터 보호, 손상으로부터 데이터 보호, 개발, 정책 구현, 침해나 데이터 손실로부터 복구 절차 등을 포함한다.

물리적 구조

연결 유형

네트워크는 링크를 통하여 2개 이상의 장치가 연결된 것이다. 링크는 한 장치로부터 다른 장치로 데이터를 전달하는 통신 선로이다. 통신을 하려면 두 장치는 동시에 같은 링크에 연결되어 있어야 한다.

점대점 연결(point - to - point connection)은 두 장치 간의 전용 링크를 제공한다. 채널의 전체 용량은 두 기기 간의 전송을 위해서만 사용된다. 대부분의 점대점 연결은 양쪽 끝에 연결된 케이블이나 전선을 사용한다.
다중점 연결(multipoint connection, 멀티드롭(multidrop))은 3개 이상의 특정 기기가 하나의 링크를 공유하는 방식이다. 다중점 환경에서 채널의 용량은 공간적, 혹은 시간적으로 공유된다. 여러 기기가 동시에 링크를 사용한다면, 이는 회선의 공간적 공유이다. 만일 사용자가 순서에 따라 링크를 사용한다면, 이는 회선의 시간적 공유이다.

물리적 접속 형태

물리적 접속형태(physical topology, 토폴로지)라는 용어는 물리적, 혹은 논리적인 네트워크 배치방식을 말한다. 2개 이상의 장치가 하나의 링크에 연결되며, 2개 이상의 링크로 하나의 접속 형태를 이룬다. 네트워크의 접속형태는 링크와 연결된 장치[노드(node)] 간의 관계에 대한 기하학적 표현이다. 기본적이 접속형태에는 아래 4가지가 있다.

그물형 접속형태(mesh topology)에서 모든 장치는 다른 장치에 대해 전용의 점대점 링크를 갖는다. 전용이라는 것은 연결되어 있는 두 장치 간의 통신만 담당하는 링크가 있음을 의미한다. n개의 노드로 이루어진 완전히 연결된 그물형 네트워크에서 물리 링크의 수는 n(n-1) 개가 필요하다. 그렇지만 각 링크가 양방향 통신(전이중 모드)을 허용한다면 n(n-1)/2개의 전이중 모드 링크가 필요하다고 할 수 있다.

성형 접속형태(star topology)에서 각 장치는 일반적으로 허브(hub)라 불리는 중앙 제어장치(central controller)와 전용 점대점 링크를 갖는다. 각 장치는 서로 직접 연결되어 있지 않다. 각 장치 간의 직접적인 통신을 할 수 없으며, 제어장치가 교환 역할을 한다.

버스형 접속형태(bus topology)은 다중점 형태로써, 하나의 긴 케이블이 네트워크상의 모든 장치를 연결하는 백본(backbone) 네트워크 역할을 한다. 노드는 탭(tap)과 유도선(drop line)에 의해 버스에 연결된다. 유도선은 주케이블과 장치를 연결하는 선이며, 탭은 주케이블의 연결장치나 전선의 금속심에 연결하기 위해 케이블의 피복에 구멍을 낸 것이다.

링형 접속형태(ring topology)에서 각 장치는 단지 자신의 양쪽에 있는 장치와 전용으로 점대점 연결을 이룬다. 신호는 링을 따라 한 방향으로만 목적지에 도달할 때까지 전송된다. 링형 네트워크에 있는 각 장치는 중계기(repeater)를 포함한다. 다른 기기가 보낸 신호를 받으면 중계기는 이를 재생하여 전달한다.

네트워크 유형

근거리 통신망(LAN)

근거리 통신망(LAN, local area metwork)은 개인 소유이거나 단일 사무실, 건물 혹은 학교 등에 있는 호스트들을 연결한다. LAN에 있는 각 호스트는 LAN에서 호스트를 유일하게 구분하는 식별자인 주소를 갖는다. 한 호스트에서 다른 호스트로 보내지는 패킷은 발신지 호스트 주소와 목적지 호스트 주소를 같이 보낸다.

광역 통신망(WAN)

광역 통신망(WAN, Wide Area Network)도 통신이 가능한 장치들의 상호 연결이다. 그러나 LAN과 WAN 사이에는 몇 가지 차이점이 있다. LAN은 일반적으로 제한된 크기의 작은 사무실 건물 또는 캠퍼스에 사용되지만, WAN은 넓은 지리적인 크기를 갖는 도시나 주, 국가, 또는 세계에 사용된다. LAN은 호스트 간의 상호 연결을 하고, WAN은 교환기, 라우터 또는 모뎀과 같은 연결 장치를 사용하여 장비를 연결한다. LAN은 일반적으로 개인이 사적으로 활용하는 경우 사용하지만, WAN의 서로 다르 두 가지 예인 점대점WAN과 교환형WAN을 살펴본다.

점대점 WAN: 점대점(point-to-point) WAN은 전송 매체(케이블 또는 공기)를 통해 두 통신 장치를 연결하는 네트워크이다.
교환형 WAN: 교환형(switched) WAN은 2개보다 더 많은 종단점을 가진 네트워크이다.
네트워크 간 연결: LAN이나 WAN이 독립적으로 분리되어 있는 경우는 거의 없고, 보통 이들은 서로 연결되어 있다. 2개 이상의 네트워크가 연결될 경우, 인터넷(internet) 또는 네트워크 간 연결(internetwork)을 구성한다.

인터넷

인터넷(internet, 소문자 i)은 서로 통신할 수 있는 둘 또는 그 이상의 네트워크 집합이다. 그 중 가장 대표적인 것이 인터넷(Internet, 대문자 I)으로 수천 개의 상호 연결되어 있는 네트워크들로 이루어져 있다.

인터넷 접속

오늘날의 인터넷은 네트워크 간 상호 연결이며, 사용작들이 그 일부가 되게 한다. 하지만 사용자들은 물리적으로 ISP에게 연결되어야 한다. 이러한 물리적인 연결은 보통 점대점 WAN에 의해 이루어진다.

전화망 이용: 전화망과 연결되어 전화 서비스를 이용한다. 대부분의 전화망들이 인터넷에 연결되어 있기 때문에, 가정이나 직장에서 인터넷에 연결하기 위한 방법은 음성 회선을 점대점 WAN으로 바꾸는 것이다. 이것은 전화 정보 서비스 혹은 디지털 가입자 회선 서비스를 통해 이루어진다.

전화 정보 서비스: 전화선에 데이터를 음성으로 변환할 수 있는 모뎀을 설치하는 것이다. 컴퓨터에 설치된 소프트웨어가 ISP를 호출하고 전화 연결처럼 만든다.

디지털 가입자 회선 서비스: 인터넷의 출현으로, 몇몇 전화 회사들은 가정과 직장에 보다 빠른 인터넷 서비스를 제공하기 위해 전화선을 업그레이드시켰다. 디지털 가입자 회선 서비스(DSL, Digital Sibscriber Line)는 음성 통신과 데이터 통신이 동시에 가능하도록한다.

케이블망 이용: TV 방송이 안테나에서 케이블 서비스로 전환되어 지난 20년간 서비스되었다. 케이블 회사들으 ㄴ자신드르이 케이블망(cable network)을 업그레이드하여 인터넷에 연결하였다. 가정이나 직장에서는 이러한 서비스를 이용하여 인터넷에 연결될 수 있다. 이러한 서비스는 보다 빠른 연결을 제공하지만, 같은 케이블을 이용하는 이용자의 수에 따라 속도가 변한다.
무선망 이용: 무선(wirelsee) 연결성은 최근에 들어 대중화되고 있다. 가정과 직장에서는 무선과 유선 연결을 결합하여 인터넷에 접속할 수 있다. 무선 WAN 접속이 성장함에 따라, 가정이나 직장에서 무선 WAN을 통해 인터넷에 연결될 수 있다.
인터넷에 직접 연결: 큰 조직이나 회사들은 그 자체가 하나의 지역(local) ISP가 되어 인터넷에 연결될 수 있다. 이것은 조직이낭 회사가 서비스 제공자로부터 고속 WAN을 임대하여 지구(regional) ISP에 연결할 때 이루어진다.

프로토콜 계층화

데이터 통신과 네트워킹에서 프로토콜은 송신자와 수신자, 그리고 모든 중간 장치들이 효과적으로 통신하기 위하여 따량 하는 규칙이라고 정의하였다. 통신이 간단할 때는 단지 간단하게 하나의 프로토콜이 필요할 수 있다. 통신이 복잡할 때는 각 계층마다 프로토콜이 필요한 경우처럼, 또는 프로토콜 계층화(protocal layering)로 서로 다른 계층 간에 임무를 나눌 수 있다.

프로토콜 계층화의 원칙

첫번째 원칙: 만약 우리가 양방향 통신을 원한다면, 각 계층이 각 방향으로 한 가지씩, 상방되는 두 가지 작업을 수행할 수 있도록 만들어야 한다는 것이다. 예를 들어, 세 번째 계층의 작업은 듣기(한쪽 방향)와 말하기(다른 쪽 방향)를 해야한다. 두 번째 계층은 암호화와 복호화를 해야 한다. 첫 번째 계층은 편지를 주고받아야한다.
두번째 원칙: 우리가 프로토콜 계층화에서 따라야 할 두 번째 중요한 원칙은 양측의 각 계층에 있는 객체는 서로 동일 햐야 한다는 점이다. 예를 들어, 양측에 잇는 3계층의 객체는 모두 평문이어야한다. 양측에 있는 2계층의 객체는 모두 암호문이어야 한다. 양측에 있는 1계층의 객체는 모두 편지의 일부이어야한다.

논리적 연결

위의 두 원칙을 따른 후에, 각 계층 간의 논리적 연결(logical connection)에 대해 생각해 볼 수 있다. 이것은 계층 대 계층 통신을 갖는다는 것을 의미한다. 마리아와 앤은 각 계층에 그 계층에서 생성된 객체가 통과할 수 있는 논리적 연결이 있다고 생각할 수 있다. 논리적 연결에 대한 개념이 우리가 데이터 통신에서 만나게 될 계층화 작업에 대해 더 잘 이해할 수 있도록 돕는다는 것을 알게 될 것이다.

TCP/IP 프로토콜 그룹

TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)는 현재의 인터넷에서 사용하는 프로토콜 그룹(여러 계층에서 조직된 프로토콜 집합)이다. 그것은 상호 작용하는 모듈로 이루어진 계층적 프로토콜인데, 각 모듈은 특정한 기능을 제공한다. 계층적(hierarchical)이라는 말은 각 상위 계층 프로토콜은 1개 이상의 하위 계층 프로토콜로부터 제공되는 서비스들의 자원을 받는다는 의미이다.

계층적 구조

TCP/IP 프로토콜 그룹의 계층들이 어떻게 두 호스트 간의 통신에 관련되어 있는 지 보여주기 위해 링크층 교환기를 갖는 3개의 LAN(링크)으로 이루어진 작은 인터넷 안의 그룹을 사용한다고 가정한다. 또한 이 링크들이 하나의 라우터에 연결된다.

각 계층에 대한 설명

물리층(Physical): 물리층은 프레임의 각 비트(bit)들을 링크를 따라 전달하는 책임이 있다. 물리층은 TCP/IP 프로토콜 그룹에서 가장 낮은 계층이다. 하지만 물리층 아래에 숨겨진 계층인 전송 매체가 있기 때문에 물리층에서 두 장치 사이의 통신은 여전히 논리적 통신이다.
데이터 링크층(Data link): 인터넷이 라우터들에 의해 연결된 여러 개의 링크들(LAN/WAN)로 구성되어 있다는 것을 보았다. 라어투에 의해 전송할 다음 링크가 결정되면 데이터 링크층은 데이터그램(datagram)을 받아 해당 링크로 전송할 책임이 있다.
네트워크층(Network): 발신지 컴퓨터와 목적지 컴퓨터 사이의 연결을 생성하기 위한 책임을 가진다. 네트워크층의 통신은 호스트 대 호스트(host - to -host)이다.
전송층(Transport): 논리적 연결도 종단 대 종단(end - to - end)이다. 발신지 호스트의 전송층은 응용층으로부터 메시지를 받아 전송층 패킷으로 캡슐화한 후(다른 프로토콜들에서는 세그먼트(segment)와 데이터그램(datagram)이라 부른다.), 목적지 호스트의 전송층에 논리적 연결을 통해 목적지 호스트의 대응하는 응용에 전송하는 일을 하는, 즉 응용층에 서비스를 제공하기 위한 책임이 있다.
응용층(Application): 두 응용층 사이의 논리적 연결은 종단 대 종단이다. 두 응용층은 두 계층 사이에서 서로 메시지(message)들을 교환한다. 그러나 모든 계층을 통과해서 이루어졌다는 사실을 알아야만 한다. 응용층의 통신은 두 프로세스 사이에 있다. 통신을 위해 하나의 프로세스는 다른 프로세스에 요청 메시지를 전송하고 응답 메시지를 수신한다. 프로세스간 통신(process-to-process communication)은 응용층의 역할이다.

OSI 모델

TCP/IP 프로토콜 그룹은 유일하게 정의된 프로토콜 그룹이 아니다. 국제 표준화 기구(ISO, International Organization for Standardization)는 세계적으로 인정받는 국제 표준을 제정하는 다국적 기관이다. 네트워크 통신을 전체적으로 다루고 있는 ISO 표준은 개방 시스템 상호작용(OSI, Open System Interconnection) 모델이다. 개방 시스템(open system)은 기반 구조와 관계없이 서로 다른 시스템 간의 통신을 제공하는 프로토콜의 집합이다. OSI 모델은 하드웨어나 소프트웨어 기반의 논리적인 변화에 대한 요구 없이 서로 다른 시스템 간의 통신을 원활하게 하는 데 그 목적이 있다. OSI 모델은 프로토콜이 아니다. 유연하고 안전하며, 상호 연동이 가능한 네트워크 구조를 이해하고 설계하기 위한 모델이다. OSI 모델은 OSI 스택(stack)에 있는 프로토콜의 생성에 기초가 된다.

OSI 모델은 모든 종류의 컴퓨터 시스템 간 통신을 가능하게 하는 네트워크 시스템 설계를 위한 계층적 구조이다. 이 모델은 서로 연관된 7개의 계층으로 구성되어 있고, 각 계층에는 네트워크를 통해 정보를 전송하는 일련의 과정이 규정되어 있다.

OSI vs TCP

두 모델을 비교할 때, TCP/IP 프로토콜 그룹에는 2개의 계층인 세션(session)과 표현(presentaion)이 없다는 것을 알 수 있다. 이들 두 계층은 OSI 모델의 발표 후 TCP/IP 프로토콜 그룹에 추가되지 않았다. TCP/IP 그룹의 응용층은 OSI 모델의 3개 계층의 결합으로 여겨진다. 이 결정에 대한 두 가지 이유가 거론된다.

TCP/IP는 하나 이상의 전송층 프로토콜을 가지고 있다. 세셰층의 일부 기능은 일부 전송층 프로토콜에서 가능하다.
응용층이 단순히 소프트웨어의 한 부분만은 아니다. 많은 응용들이 이 계층에서 개발될 수 있다.

OSI 모델의 실패

TCP/IP이후 등장한 OSI 모델은 아쉽게도 실패하였다. 그러한 이유에는 아래와 같은 세 요인이 있다.

OSI는 TCP/IP가 완전히 자리잡고, 많은 돈과 시간이 TCP/IP 그룹을 위해 투자되었을 때 완성되었다. 다른 모델로의 변경은 많은 비용이 든다.
OSI 모델의 일부 계층은 완전히 정의되지 않았다. 그리고 대응하는 소프트웨어가 완전히 개발되지도 않았다.
OSI가 다른 응용의 협회에 의해 구현되었을 때 그것은 TCP/IP 프로토콜로부터 OSI 모델로의 전환을 위해 인터넷 당국을 끌어들이기 위한 충분히 높은 수준의 성능을 보여주지 못 했다.

주섬주섬

컴퓨터 네트워크 시리즈 내용은 아래 내용을 주로 참고하여 작성되었다.

참고

"데이터통신과 네트워킹:TCP/IP 프로토콜 기반" 6판<Behrouz A. Forouzan 저자, 한티미디어>

데이터통신과 네트워킹:TCP/IP 프로토콜 기반

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