[네트워크] 네트워크 기초

본 게시글은 [면접을 위한 CS 전공지식 노트]를 기반으로 개인 학습 내용을 정리한 글입니다.

네트워크 기초

네트워크란

노드(node)와 링크(link)가 서로 연결되어 있으며, 리소스를 공유하는 집합
여러 개의 장치가 서로 연결되어 데이터를 주고 받을 수 있도록 구성된 시스템
노드 : 서버, 라우터, 스위치 등 네트워크 장치
링크 : 유선 또는 무선

처리량과 지연시간

좋은 네트워크란, 많은 처리량 처리 & 짧은 지연시간 & 적은 장애 빈도 & 좋은 보안을 갖춘 네트워크

처리량 (Throughput) : 링크 내에서 일정 시간 동안 성공적으로 전달된/전달가능한 데이터의 양, 얼만큼의 트래픽을 처리했는지

• ‘많은 트래픽을 처리한다’ = ‘많은 처리량을 가진다’
• 단위 : bps(bits per second), MB/s(Megabytes per second) 등
• 특징
  • 실측값: 네트워크 속도 측정 프로그램/성능테스트로 확인 가능
  • 환경에 따라 달라짐 : 장비 성능, 네트워크 혼잡 오류율, 프로토콜 오버헤드 등에 영향을 받음
  • 대역폭 $\geq$ 처리량: 실제 처리량은 항상 최대 대역폭 이하

지원 시간(Latency) : 요청이 처리되는 시간, 어떤 메시지가 두 장치 사이를 왕복하는데 걸린 시간

• 단위 : 밀리초(ms), 마이크로초( $\mu$ s )
• 특징
  • 지연시간이 짧을수록 시스템 반응이 빠르다고 느껴짐
  • 매체 타입(유선/무선), 패킷 크기, 라우터의 패킷 처리 시간에 영향을 받음

용어

패킷 : 네트워크에서 데이터를 잘게 나눈 작은 조각

• 각 패킷에 번호가 있어서, 받는 쪽에서 순서대로 다시 조립
• 각 패킷은 헤더(출발지/목적지 주소, 순서정보, 오류검출 정보 등)와 데이터(실제 보내고 싶은 내용의 일부)로 구성

라우터 : 네트워크에서 패킷을 목적지까지 전달하는 경로를 결정하고 전송하는 장비
주요 역할

• 패킷 수신 : 다른 라우터/컴퓨터/서버등에서 패킷 받음
• 경로 결정 : 목적지 주소(IP 주소)를 보고 어디로 보낼지 판단
• 패킷 전달 : 다음 라우터나 목적지로 전송

네트워크 토폴로지와 병목현상

네트워크 토폴로지(Network Topology)란
네트워크에서 컴퓨터, 서버, 라우터 같은 장치들이 어떻게 연결되어 있는지 나타낸 구조
노드와 링크가 어떻게 배치되어 있는지에 대한 방식/연결 형태

형태	설명	장점	단점
버스형(Bus)	모든 장치가 하나의 메인 케이블에 연결	설치 비용 저렴, 구조 단순, 노드 추가/삭제 쉬움	한 장치 문제 시 전체 영향, 대역폭 공유, 트래픽 증가 시 속도 저하, 스푸핑 가능
스타형(Star)	중앙 허브/스위치에 각 장치가 개별 연결	문제 격리 쉬움, 성능 안정적	허브/스위치(중앙) 장애 시 전체 다운, 케이블 많이 필요, 설치비용 고가
링형(Ring)	장치들이 원형으로 연결	네트워크상의 손실 적음, 충돌 적음, 노드 고장 쉽게 발견	한 지점 장애 시 전체 영향, 네트워크 구성 변경 어려움
메시형(Mesh)	모든 장치가 서로 연결 (Full/Partial)	안정성 높음, 경로 다양	설치·유지 비용 높음, 노드 추가 어려움
트리형(Tree)	스타형 + 버스형 결합	확장성 좋음	중심선 장애 시 영향 큼
하이브리드형(Hybrid)	여러 구조 혼합	장점 조합 가능	설계 복잡

버스형 토폴로지 하나의 메인 케이블(백본 케이블)을 중심으로 모든 장치가 직접 연결되는 구조

• 한 버스 노선에 여러 정류장이 있는 모습 → 노선 끊기면 전체 마비
• 긴 중앙 케이블(버스)이 네트워크의 주축 역할
• 모든 노드(장치)는 T-커넥터 등을 사용해 버스에 연결 예) 근거리 통신망(LAN)에서 사용

스푸핑

네트워크에서 자신을 다른 사람(장치)로 위장해 속이는 행위
LAN상에서 송신부의 패킷을 송신과 관련없는 다른 호스트에 가지 않도록 스위치 기능을 마비/속여서 특정 노드에 해당 패킷이 오도록 처리

스푸핑 종류	설명	예시
IP 스푸핑	패킷의 출발지 IP 주소를 위조	공격자가 은행 서버 IP인 척 하여 접근 시도
MAC 스푸핑	네트워크 카드의 MAC 주소를 위조	네트워크 접근 제한을 무력화
DNS 스푸핑	DNS 응답을 조작해 가짜 IP 제공	사용자를 피싱 사이트로 유도
이메일 스푸핑	발신자 주소를 위조	유명 회사 메일인 척 하여 악성 링크 발송
ARP 스푸핑	로컬 네트워크에서 ARP 응답을 조작	데이터 중간 탈취(Man-in-the-Middle)

스타형 토폴로지
중앙에 있는 노드에 모두 연결된 네트워크 구성
모든 장치가 중앙 장치(허브/스위치/라우터)에 개별적으로 연결되는 네트워크 구조

• 장치 간 데이터 통신은 반드시 중앙 장치를 거쳐 전달
• 중앙 장치(Central Device)가 네트워크의 허브 역할.

링형 토폴로지
모든 장치가 고리(원) 형태로 연결된 네트워크 구조

• 각 장치는 양 옆의 장치와만 연결 (앞뒤 두개의 연결 포트)
• 한 방향/양방향으로 순차적으로 전달
• 마지막 장치는 첫 번째 장치와 연결되어 폐쇄 회로(고리)가 됨

메시 토폴로지
= 망형 토폴로지
네트워크의 모든 장치가 서로 직접 연결되는 구조
그물망처럼 연결되어 있는 구조

• 하나의 경로가 끊겨도 다른 경로를 통해 통신이 가능해 신뢰성과 안정성이 매우 높은 구조 종류
• 풀메시 : 모든 장치가 모든 다른장치와 직접 연결됨
• 부분 메시 : 일부 장치가 서로 직접 연결, 나머지는 간접 연결

트리 토폴로지
=계층형 토폴로지
트리 형태로 네트워크 구성

• 특정 노드에 트래픽이 집중될 때 하위 노드에 영향을 끼칠 수 있음

네트워크 구조가 왜 중요한가?
=> 병목현상을 찾을때 중요한 기준!
병목현상이란?
전체 시스템의 성능/용량이 하나의 구성요소로 인해 제한 받는 현상

• 서비스에서 이벤트를 열었을때, 트래픽이 많이 생기고, 그 트래픽을 잘 관리하지 못하면 병목현상이 생겨, 사용자는 웹 사이트로 들어가지 못함

네트워크 분류

LAN(Local Area Network)
= 근거리 통신망
같은 건물/캠퍼스/가정/사무실과 같은 좁은 공간에서 운영

• 전송속도 빠르고 혼잡하지 않음
• 보안 통제 비교적 쉬움

MAN(Metropolitan Area Network) = 대도시 지역 네트워크
한 도시/캠퍼스 단위의 넓은 지역(수 km~ 수십 km)

• 주로 여러 LAN을 연결해 도시 단위로 네트워크 구성

WAN(Wide Area Network)
=광역 네트워크
국가/대륙/전세계 단위

• 전송속도 낮음
• 설치 및 유지비용 높음
• 인터넷이 대표적인 예

네트워크 성능 분석 명령어

코드 상 문제 없을때, 사용자가 서비스로부터 데이터를 가져오지 못하는 상황에 네트워크 병목 현상일 수 있음
병목현상의 주된 원인

• 네트워크 대역폭
• 네트워크 토폴로지
• 서버 CPU, 메모리 사용량
• 비효율적인 네트워크 구성

=> 네트워크 관련 테스트&네트워크 무관한 테스트를 통해 ‘네트워크로부터 발생한 문제점인 것을 확인 후 네트워크 성능 분석

ping
=Packet INternet Groper
네트워크 상태를 확인하려는 대상노드를 향해 일정크기의 패킷을 전송하는 명령어
-> 패킷 수신상태/도달 시간 등을 알 수 있음

• TCP/IP 프로토콜 중에 ICMP 프로토콜을 통해 동작
• ICMP 프로토콜을 지원하지 않는 기기를 대상으로 실행 불가능
• 네트워크 정책상 ICMP/traceroute를 차단하는 대상의 경우 ping 테스팅 불가능

netstat
접속되어 있는 서비스들의 네트워크 상태 표시
네트워크 접속, 라우팅 테이블, 네트워크 프로토콜 등 리스트로 보여줌

• 주로 포트가 열려있는지 확인할때 사용

nslookup
DNS와 관련된 내용을 확인하기 위해 사용
특정 도메인에 매핑된 IP를 확인하기 위해 사용

tracert
(리눅스 : traceroute)
목적지 노드까지 네트워크 경로를 확인할때 사용

• 목적지 노드까지의 구간들 중 어느 구간에서 응답시간이 느려지는지 등을 확인할 수 있음

네트워크 프로토콜 표준화

네트워크 프로토콜이란
다른 장치들끼 데이터를 주고받기 위해 설정된 공통된 인터페이스(규칙/약속)

• IEEE/IETF라는 표준화 단체가 설정함

TCP/IP 4계층 모델

네트워크에서 사용되는 통신 프로토콜의 집합, 계층들은 프로토콜의 네트워킹 범위에 따라 네 개의 추상화 계층으로 구성됨
인터넷 프로토콜 스위트(internet protocol suite)이란
인터넷에서 컴퓨터들이 서로 정보를 주고 받는데 쓰이는 프로토콜의 집합

계층구조

OSI 7계층

계층	이름	주요 역할	예시 프로토콜 / 기술
7계층	응용 계층 (Application)	사용자와 직접 상호작용, 애플리케이션 서비스 제공	HTTP, FTP, SMTP, DNS, SSH
6계층	표현 계층 (Presentation)	데이터 형식 변환, 암호화/복호화, 압축	JPEG, MP3, MPEG, SSL/TLS
5계층	세션 계층 (Session)	통신 세션 관리, 연결 설정/유지/종료	NetBIOS, PPTP, RPC
4계층	전송 계층 (Transport)	데이터 전송 제어, 오류 검출, 흐름 제어	TCP, UDP, QUIC
3계층	네트워크 계층 (Network)	경로 선택, 주소 지정(IP)	IP, ICMP, ARP, RIP, OSPF
2계층	데이터 링크 계층 (Data Link)	인접 장치 간 프레임 전송, 오류 감지	Ethernet, PPP, Switch, MAC
1계층	물리 계층 (Physical)	비트 전송, 물리 매체 정의	케이블, 광섬유, 무선, 허브

TCP/IP 4계층	주요 프로토콜 예시
애플리케이션 계층	FTP, HTTP, SSH, SMTP, DNS
전송 계층	TCP, UDP, QUIC
인터넷 계층	IP, ARP, ICMP
링크 계층	이더넷(Ethernet)

애플리케이션 계층

FTP, HTTP, SSH, SMTP, DNS 등 응용 프로그램이 사용되는 프로토콜 계층
웹서비스, 이메일 등 서비스를 실질적으로 사람들에게 제공하는 층

용어

• FTP : 장치와 장치 간의 파일을 전송하는데 사용되는 표준 통신 프로토콜
• SSH : 보안되지 않은 네트워크에서 네트워크 서비스를 안전하게 운영하기 위한 암호화 네트워크 프로토콜
• HTTP : World Wide Web을 위한 데이터 통신의 기초이자 웹 사이트를 이용하는데 쓰는 프로토콜
• SMTP : 전자 메일 전송을 위한 인터넷 표준 통신 프로토콜
• DNS: 도메인 이름과 IP 주소를 매핑해주는 서버

전송계층

송신자와 수신자를 연결하는 통신 서비스 제공, 연결 지향 데이터 스트림 지원/신뢰성/흐름 제어를 제공, 애플리케이션과 인터넷 계층 사이의 데이터가 전달될 때 중계 역할

• TCP
  • 연결 지향형 전송 계층 프로토콜
  • 데이터를 신뢰성 있게, 순서대로, 오류없이 전달하기 위해 사용
  • ‘가상회선 패킷 교환 방식’ 사용
  • 데이터 단위 : 바이트 스트림
• UDP
  • 비연결형 전송 계층 프로토콜
  • 연결 설정 없이 데이터를 빠르게 전송하는데에 초점을 둔 방식
  • 신뢰성 $\leq$ 속도 & 효율성
  • ‘데이터 패킷 교환 방식’ 사용
  • 데이터 단위 : 데이터 그램

패킷 교환 방식

• 가상회선 패킷 교환방식
  • 각 패킷에 가상회선 식별자 포함
  • 모든 패킷을 전송하면 가상회선이 해제되고 패킷들을 전송된 ‘순서대로’ 도착
• 데이터그램 패킷 교환방식
  • 패킷이 독립적으로 이동, 최적의 경로를 선택
  • 하나의 메시지에서 분할된 여러 패킷은 서로 다른 경로로 전송될 수 있음, 도착한 순서가 다를 수 있음

TCP 연결 성립 과정
= 3-way handshake

• 신뢰성을 확보할 때 3-way handshake 작업 진행
  1. SYN (연결 요청)
  • 클라이언트 -> 서버
  • 클라이언트가 SYN 플래그=1로 설정한 TCP 세그먼트 전송(초기 순서번호(ISN, Initial Sequence Number)와 함께)
    1. SYN + ACK (연결 수락 & 응답)
  • 서버 -> 클라이언트
  • 서버가 요청 수락하면, SYN 플래그=1, ACK 플래그=1로 설정해 응답(서버의 초기 순서번호(ISN_server)와 함께)
  • ACK번호 = 클라이언트 ISN+1
    1. ACK (연결 확정)
  • 클라이언트가 서버의 SYN을 잘 받았다는것을 확인 (ACK)
  • ACK번호 = 서버 ISN+1
    => 연결이 정식으로 성립, 데이터 전송 가능

(UDP는 이 과정이 없음)

TCP 연결 해제 과정
= 4-way handshake

1. FIN (연결 종료 요청)
   • 송신자(A) → 수신자(B)
   • 송신자가 더 이상 보낼 데이터가 없음을 알리기 위해 FIN 플래그=1로 설정한 TCP 세그먼트 전송(마지막 순서번호(Seq)와 함께)
2. ACK (종료 요청 수락)
   • 수신자(B) → 송신자(A)
   • FIN을 받았다는 것을 확인하고 ACK 전송
   • ACK번호 = 송신자 Seq+1
   • 이 시점에서도 B는 자신이 보낼 데이터가 남아 있으면 계속 전송 가능 (Half-Close 상태)
3. FIN (상대방 종료 요청)
   • 수신자(B) → 송신자(A)
   • 자신의 데이터 전송이 끝나면 FIN 플래그=1로 설정해 전송(자신의 마지막 순서번호(Seq)와 함께)
4. ACK (종료 확인)
   • 송신자(A) → 수신자(B)
   • B의 FIN을 잘 받았다는 것을 확인하고 ACK 전송
   • ACK번호 = B의 Seq+1
   • 송신자는 마지막 ACK를 보낸 후 TIME_WAIT 상태로 일정 시간 대기한 뒤 연결 완전 종료

용어

• SYN : SYNchronization, 연결 요청 플래그
• ACK : ACKnowledgement, 응답 플래그
• ISN : Initial Sequence Numbers, 초기 네트워크 연결을 할때, 할당된 32비트 고유 시퀀스 번호
• TIME_WAIT : 소켓이 바로 소멸되지 않고 일정시간 유지되는 상태, 지연 패킷 등의 문제점 해결
• 데이터 무결성 : 데이터의 정확성과 일관성을 유지하고 보증하는 것

인터넷 계층

= OSI 7계층에서 네트워크 계층
장치로부터 받은 네트워크 패킷을 IP주소로 지정된 목적지로 전송하기 위해 사용되는 계층

• 패킷을 수신해야할 상대의 주소를 지정해 데이터 전달
• 상대방이 제대로 받았는지에 대해 보장하지 않음 = 비연결형적인 특징

[역할]

1. 주소 지정(Addressing)
   • 각 장치에 고유한 IP 주소를 부여하여 송신자와 수신자를 식별
2. 라우팅(Routing)
   • 패킷이 출발지에서 목적지까지 도달하는 최적 경로를 결정
3. 패킷 전달(Packet Forwarding)
   • 데이터를 작은 단위(패킷)로 나누어 전송하고, 중간 라우터를 거쳐 목적지로 전달
4. 단편화(Fragmentation) & 재조립(Reassembly)
   • 네트워크의 최대 전송 단위(MTU)를 초과하는 데이터를 잘라서 전송하고, 수신 측에서 다시 합침

대표 프로토콜

프로토콜	설명
IP (IPv4/IPv6)	장치 간의 주소 지정과 패킷 전달 담당
ICMP	네트워크 상태 진단 및 오류 보고 (예: ping 명령)
ARP	IP 주소를 MAC 주소로 변환
RARP	MAC 주소를 IP 주소로 변환
IGMP	멀티캐스트 그룹 관리

링크 계층

= 네트워크 접근 계층
전선/광섬유/무선 등으로 실질적으로 데이터를 전달, 장치 간에 신호를 주고받는 ‘규칙’을 정하는 계층

[역할]

1. 프레임 전송 (Framing)
   • 상위 계층(인터넷 계층)에서 내려온 IP 패킷을 프레임(Frame) 단위로 캡슐화하여 전송
2. 물리 주소 지정 (MAC Addressing)
   • 네트워크 인터페이스 카드(NIC)에 부여된 MAC 주소를 사용해 인접 장치 식별
3. 오류 검출(Error Detection)
   • 전송 중 발생한 비트 오류를 CRC 등으로 검출 (단, 수정은 보통 상위 계층이 수행)
4. 접근 제어(Media Access Control)
   • 여러 장치가 하나의 전송 매체를 공유할 때, 누가 언제 전송할지 결정 (CSMA/CD, CSMA/CA 등)
5. 물리 매체 제어
   • 전송 매체(케이블, 광섬유, 무선 등)를 통해 비트를 전송하는 방식 제어

대표 프로토콜

기술/프로토콜	설명
Ethernet(IEEE 802.3)	유선 LAN 표준
Wi-Fi(IEEE 802.11)	무선 LAN 표준
PPP	점대점(Point-to-Point) 연결용 프로토콜
HDLC	시리얼 링크용 데이터 링크 프로토콜
VLAN(IEEE 802.1Q)	가상 LAN을 위한 태그 기반 프레임 처리

• 전이중화 통신
  • 양쪽 장치가 동시에 송수신할 수 있는 방식
  • 송신로/수신로를 나눠 데이터 교환
  • 예시 : 고속 이더넷, 광케이블 통신, 전화 통화
• 반이중화 통신
  • 양쪽 장치가 서로 통신할 수 있지만, 동시에는 통신할 수 없는 방식
  • 충돌 시 메시지 손실/왜곡 가능성, 충돌 방지 시스템 필요
  • 수신하기 시작하면, 응답하기 전에 전송이 완료될때까지 대기
  • 예시 : CSMA/CD(충돌 발생 시 일정 시간 이후 재전송), 무전기

계층 간 데이터 송수신 과정

• 캡슐화 과정(Encapsulation)
  • 상위 계층에서 내려온 데이터를 하위 계층으로 전달할 때, 각 계층의 제어 정보(헤더·트레일러)를 붙여서 전송 단위(PDU)를 만드는 과정
    1. 애플리케이션 계층: 원본 데이터 생성
    2. 전송 계층: TCP/UDP 헤더 추가 → 세그먼트(Segment) 또는 데이터그램(Datagram) 생성
    3. 인터넷 계층: IP 헤더 추가 → 패킷(Packet) 생성
    4. 네트워크 액세스 계층: MAC 헤더·트레일러 추가 → 프레임(Frame) 생성
    5. 물리 계층: 프레임을 **비트(Bit)**로 변환하여 전기/광 신호 또는 전파로 전송
• 비캡슐화 과정(Decapsulation)
  • 수신 측에서 하위 계층으로부터 올라온 PDU에서 각 계층의 헤더·트레일러를 제거하며 원본 데이터를 복원하는 과정
    1. 물리 계층: 비트를 수신하여 프레임 형태로 재구성
    2. 네트워크 액세스 계층: MAC 헤더·트레일러 제거 → 패킷(Packet) 전달
    3. 인터넷 계층: IP 헤더 제거 → 세그먼트(Segment) 또는 데이터그램(Datagram) 전달
    4. 전송 계층: TCP/UDP 헤더 제거 → 데이터(Data) 전달
    5. 애플리케이션 계층: 최종 데이터를 애플리케이션에 전달 및 처리

PDU (Protocol Data Unit)

네트워크의 어떠한 계층에서 계층으로 데이터가 전달될 때, 한 덩어리의 단위

• 각 계층은 상위 계층에서 받은 데이터를 자기 계층의 규칙에 맞게 헤더(필요 시 트레일러)와 함께 포장
• 그 계층에서 다루는 데이터의 단위 = PDU

OSI 7계층	TCP/IP 4계층	PDU 명칭	설명
7 응용 계층 (Application)	애플리케이션 계층	데이터(Data)	사용자 응용 프로그램에서 생성된 원본 데이터
6 표현 계층 (Presentation)	애플리케이션 계층	데이터(Data)	데이터 형식 변환, 압축, 암호화
5 세션 계층 (Session)	애플리케이션 계층	데이터(Data)	연결 설정, 유지, 종료
4 전송 계층 (Transport)	전송 계층	세그먼트(Segment, TCP) / 데이터그램(Datagram, UDP)	송수신 간 데이터 전송 제어, 오류 복구, 순서 보장
3 네트워크 계층 (Network)	인터넷 계층	패킷(Packet)	목적지 IP 주소 기반으로 경로 설정 및 전달
2 데이터 링크 계층 (Data Link)	네트워크 액세스 계층	프레임(Frame)	물리 주소(MAC) 기반 인접 장치 간 전송
1 물리 계층 (Physical)	네트워크 액세스 계층	비트(Bit)	0과 1의 전기 신호 또는 무선 신호로 전송