🌐[Network] 네트워크 개념 - 프로토콜의 이해

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• 데이터 통신의 개념과 프로토콜의 동작 원리를 이해하는 데 스마트폰은 많은 도움을 줍니다.
  • 스마트폰으로 전화를 거는 사람(송신자)과 받는 사람(수신자)은 서로 합의하여 통화 연결을 설정합니다
  • 데이터 전송 단계인 통화 과정에서는 묵시적인 규칙에 따라 대화를 주고받는 일련의 절차가 진행됩니다.
  • 스마트폰은 양쪽이 동시에 말할 수 있는 양방향 통신기능을 지원하지만, 실제로 두 사람이 동시에 말하는 경우는 거의 없고, 느낌이나 말의 내용 등에 따라 번갈아가며 대화합니다.
  • 상대방이 한 말을 이해하지 못했거나 제대로 듣지 못한 경우에는 다시 묻는 방식을 통하여 오류를 바로 잡기도 합니다.
  • 이와 같은 대화 과정의 절차나 대화 내용을 올바르게 이해하는 과정이 모두 프로토콜의 기능에 포함됩니다.
• 네트워크에서 데이터 전송 원리도 이와 비슷합니다.
  • 통신 프로토콜에서 중심적으로 다루는 내용은 주소 개념을 포함하여 데이터 전송 오류에 관한 오류 복구 기능, 전송 속도 조절에 관한 흐름 제어 기능, 데이터의 전달 경로에 관한 라우팅 기능입니다.
  • 스마트폰을 사용한 대화 과정에서 사람들이 무의식적으로 행하는 통화 기법이 통신 프로토콜의 설계 과정에 그대로 반영되어 있습니다.
    • 그러나 통화 과정은 간단해 보여도 이를 통신 프로토콜로 작성하는 일은 생각보다 쉽지 않습니다.
• 인터넷의 동작 원리를 이해하려면 계층 구조로 설계된 OSI 7계층 모델에 대한 할습이 선행되어야 합니다.
  • 특히, 모듈화 설계 개념의 원리와 상하 계층의 역할 분담에 대한 학습을 통하여 계층별 프로토콜의 역할을 이해해야 합니다.
  • 인터넷에서 사용되는 데이터 전송 프로토콜인 TCP, UDP, IP 프로토콜은 계층 구조 모델의 원리에 따라 설계되었으며, 기타 제어 프로토콜의 동작도 계층 구조의 원리에 따라 이루어집니다.

1️⃣ 프로토콜의 이해

• 네트워크에 연결된 시스템이 통신하려면 정해진 규칙에 따라 순차적으로 데이터를 주고 받아야 하는데, 이러한 일련의 규칙을 “프로토콜(Protocol)” 이라 합니다.
• 프로토콜의 동작 과정은 전송 오류 여부, 데이터 전달 경로, 전송 속도 등 다양한 외부 요인의 영향을 받습니다.
  • 따라서 적절한 대응 방안을 마련해 효율적으로 관리해야 하는데, 프로토콜의 설계 과정은 모듈(Module)화를 통하여 이루어집니다.
    • 이렇게 함으로써 시스템의 복잡성을 단순화하고, 사용자에게 더 편리하고 간편한 통신 기능을 제공할 수 있습니다.

1️⃣ 계층적 모듈 구조

• 일반적으로 복잡하고 큰 시스템의 기능은 특정 단위의 모듈로 나누어 설계합니다.
  • 각각의 모듈은 독립적으로 동작하면서도 상호 유기적으로 통합될 수 있어야 합니다.
    • 그러므로 모듈과 모듈을 서로 연동해 동작시키는 적절한 인터페이스가 필요합니다.

모듈화

• 컴퓨터를 하드웨어 측면에서 보면 CPU, 메모리, 하드디스크, LAN 카드 등과 같은 작은 부품들이 모여 하나의 시스템을 구성합니다.
  • 복잡한 시스템을 기능별로 모듈화하면 시스템 구조가 단순해져서 전체 시스템을 이해하기 쉽습니다.
    • 또한 각 단위 모듈이 독립적인 기능을 수행하기 때문에 고장이나 업그레이드 등의 상황에 손쉽게 대처할 수 있습니다.
• 소프트웨어 측명에서 보면, 일반 프로그래밍 언어에서는 함수의 개념을 사용해 전체 프로그램을 모듈화할 수 있습니다.
  • 함수별로 특정 기능을 독립적으로 수행하도록 함으로써, 각 함수가 개별적으로 설계되고 구현된다는 장점이 있습니다.
    • 함수 사이의 인터페이스는 함수의 매개변수에 의해서만 이루어지므로 전체 시스템을 이해하기가 훨씬 쉽습니다.
      • 즉, 함수의 역할이 매개변수로 추상화되므로 내부 구조를 이해하지 않고도 함수들을 이해할 수 있고, 이들의 모임인 전체 시스템도 쉽게 이해할 수 있습니다.

• 위 그림은 시스템 모듈화의 장점을 보여줍니다.
  • (a)처럼 전체 시스템을 기능에 따라 세 부분으로 나누어 설계할 수 있는데, 이때 각 모듈은 정해진 인터페이스에 맞게 유기적으로 연결되어야 합니다.
  • B 모듈은 A 모듈과 곡선 모양의 인터페이스로 연결되고, C 모듈과는 톱니 모양의 인터페이스로 연결됩니다.
  • A와 C 모듈은 직접 연결되는 인터페이스가 없으며, B 모듈을 통해 간접적인 관계를 유지합니다.
• 위 그림의 시스템을 모듈화하지 않았다면 한 부분만 고장나도 전체 시스템을 교체해야 합니다.
  • 반면 모듈화하여 설계하면 B 모듈에 대하여 (a)의 버전 1을 (b)의 버전 2로 교체하면 됩니다.
  • 그림에서 설명한 것과 같이 B 모듈의 동작에 오류가 확인되었거나 기능이 개선된 경우 A 모듈이나 B 모듈과 관계없이 B 모듈만 수정하는 방식입니다.
    • 이때 모듈 내부의 처리 과정은 임의로 개선할 수 있으나, A와 C 모듈 간 인터페이스는 동일하게 유지해야 전체 시스템 동작에 영향을 주지 않습니다.

계층 구조

• 분할된 모듈들은 협력 관계를 유지하면서 유기적으로 동작합니다.
• 모듈 구조는 서로 동등한 위치에서 서비스를 주고받을 수도 있고 특정 모듈이 다른 모듈에 서비스를 제공하는 형식의 계층 구조를 이루기도 합니다.
• 네트워크에서는 독립적인 고유 기능을 수행하는 모듈들이 상하 계층 구조로 연결되어 동작합니다.

• 계층 구조에서는 위 그림에서처럼 상위 계층이 하위 계층에 특정 서비스를 요청하는 방식으로 동작합니다(1).
• 요청을 받은 하위 계층은 해당 서비스를 실행하여 그 결과를 상위 계층에 돌려줍니다(2).
• 하위 계층의 실행 결과는 상위 계층에 결과 값을 직접 전달하는 방식이 될 수도 있고, 주변 환경 값을 변경하는 부수 효과(Side Effect) 방식일 수도 있습니다.
• 자동차의 경우를 예로 들어봅시다.
  • 운전자가 자동차의 속도를 줄이려면 브레이크를 밟아야 하고 브레이크를 누르는 정도에 따라 속도가 줄어듭니다.
    • 이 구조에서 운전자는 상위 계층에 해당되며, 자동차 내부에서 속도를 줄이는 기능은 하위 계층의 모듈이 됩니다.
      • 운전자와 감속 모듈 사이에는 브레이크라는 인터페이스가 존재합니다.
        • 브레이크 인터페이스가 정의되면 상위 계층의 운전자가 바뀌거나 하위 계층의 자동차가 바뀌어도 둘 사이의 서비스 개념을 유지할 수 있습니다.
• 네트워크에서 통신하는 시스템들은 계층 구조로 모듈화된 기능이 각각 동작하며, 둘 사이의 같은 계층끼리 데이터를 전달합니다.
  • 이때 데이터를 전달하는 규칙을 프로토콜이라 합니다.
• 모듈화된 계층 구조 프로토콜에는 다양한 장점이 있지만, 대표적인 장점 몇 가지를 정리하면 다음과 같습니다.
  • 1. 복잡하고 큰 시스템을 기능별로 작게 분류해서 간단하고 작은 시스템으로 재구성할 수 있습니다.
       • 따라서 전체 시스템을 이해하기 쉽고, 시스템을 설계하고 구현하기도 편리합니다.
  • 1. 상하 계층에 인접한 모듈 사이의 인터페이스를 포함하여 분할된 모듈이 연동할 수 있는 표준 인터페이스를 제공합니다.
       • 모듈 인터페이스는 가능하면 단순하게 구현하여 모듈들이 최대한 독립적으로 동작하도록 해야합니다.
       • 모듈의 독립성은 전체 시스템의 구조를 단순하게 만들어줍니다.
  • 1. 전송 매체 양단에 있는 호스트가 수행하는 프로토콜들은 좌우 대칭 구조입니다.
       • 대칭 구조에서는 통신 양단에 위치하는 동일 계층 사이의 프로토콜을 단순화할 수 있습니다.
  • 1. 각 계층의 기능 오류를 수정하거나 향상시켜야 하는 경우에 전체 시스템을 재작성하지 않고 해당 계층의 모듈만 교체하면 됩니다.
       • 즉, 상하 혹은 좌우 계층 간의 인터페이스를 유지하면 특정 계층의 내부 변경이 다른 모듈의 동작에 영향을 미치지 않습니다.