🌐[Network] 네트워크 개념 - 프로토콜 설계 시 고려 사항.

1️⃣ 프로토콜 설계 시 고려 사항.

• 계층 구조의 통신 프로토콜을 설계할 때는 고려할 요소가 많습니다.
  • 대표적인 것이 네트워크 호스트의 주소 표현 방법, 데이터 전송 과정의 오류 제어, 통신 양단 사이의 전송 속도를 제어하는 흐름 제어입니다.
    • 주소 표현은 스마트폰 번호나 IP 주소와 같이 호스트를 유일하게 구분하는 용도로 사용합니다.
    • 오류 제어는 전송 과정에서 데이터 분실, 데이터 변형 등의 오류가 발생했을 때 데이터를 복구하는 데 사용합니다.
    • 흐름 제어는 송신자가 데이터를 너무 빨리 보내어 수신자가 미처 처리하지 못하는 문제를 해결하기 위한 목적으로 사용합니다.

1️⃣ 주소 표현.

• 여러 호스트가 연결된 환경에서 특정 호스트끼리 통신하려면 상대방을 구분할 수 있는 방법이 필요합니다.
  • 시스템을 구분하여 지칭하기 위해서 이름을 부여하는 것을 주소(Address) 체계라 합니다.
    • 주소 체계는 시스템의 설계 과정에서 맨 먼저 고려해야 하는 중요한 개념입니다.
      • 예를 들어, 유선 전화 시스템의 주소 표기 방법을 살펴보면 전화번호 체계는 ‘국가 코드 - 지역 코드 -번호’ 형식으로 부여됩니다.
        • 번호 체계가 국가라는 최상위 광역 코드에서 시작해 영역을 점점 축소하는 방식으로 계층 구조에 따라 관리됩니다.
          • 따라서 국가 코드와 지역 코드로 해당 전화기의 지리적 위치를 판단할 수 있습니다.
      • 또 다른 주소 표현의 예로는 주민등록번호가 있습니다.
        • 주민등록번호에는 다양한 정보가 포함되는데, yymmdd-abcdefg 형식에서 앞쪽의 yymmdd는 태어난 해의 연도, 월, 일을 의미합니다
        • 뒤쪽의 a는 성별을 구분하는 용도로 사용되는데, 1이면 남자 2이면 여자를 의미합니다.
        • Y2K 문제로 인해 2000년 이후 출생자는 3이 남자, 4는 여자를 의미하도록 확장되었습니다.
          • 즉, 1901년과 2001년에 태어난 사람은 yy로 구분하지 못하므로 a 값으로 구분해야 합니다.
        • 주소 체계를 결정할 때는 이와 같은 확장성을 반드시 고려해야 합니다.
• 보통 호스트마다 주소를 하나씩 부여하지만, 다수의 호스트를 묶어 하나의 그룹 주소로 표기하기도 합니다.
  • 이는 전통적인 통신 환경이면서 현재도 가장 많이 사용하는 일대일(1:1) 통신과 더불어, 화상 회의 등을 지원하기 위한 일대다(1:n) 통신 환경도 필요하기 때문입니다.
    • 일대다 통신의 대표적인 유형으로는 네트워크에 연결된 모든 호스트에 데이터를 전송할 수 있는 브로드캐스팅(Broadcasting) 표기 방법과 특정 사용자를 그룹으로 묶어서 지칭하는 멀티캐스팅(Multicasting) 표기 방법이 있습니다.
      • 예를 들어 카카오톡 앱에서 단체 전송을 하는 기능이나 줌에서 온라인 회의를 진행하는 기능이 멀티 캐스팅 표기 방법에 해당합니다.

2️⃣ 오류 제어.

• 네트워크에서는 데이터 송수신 과정에서 오류가 발생할 수 있습니다.
• 전송 오류에는 데이터가 깨져서 도착하는 데이터 변형 오류와 데이터가 도착하지 못하는 데이터 분실 오류가 있습니다.
• 전송 오류 문제를 해결하는 오류 제어(Error Control) 기능은 통신 프로토콜의 가장 기본적인 기능에 속합니다.
• 데이터 변형 오류는 물리 계층의 전송 매체에 의한 물리적인 오류이므로 전송 과정에서 데이터의 내용이 바뀌는 경우입니다.
  • 이를 해결하기 위해서 데이터 링크 계층이 물리적인 정송 오류를 해결합니다.
• 물리적인 오류가 발생하지 않아도 프로토콜의 수행 과정에서 데이터를 분실하는 논리적인 전송 오류가 발생할 수 있습니다.
• 네트워크의 오류 제어 기능은 오류의 발생 사실을 인지하는 것이 먼저이고, 이후에 재전송 기능을 이용한 오류 복구 절차가 이어집니다.

• 위 그림은 송신호스트에서 보낸 데이터가 수신 호스트에 도착했을 때 발생할 수 있는 현상을 세 가지 유형으로 설명합니다.
  • (a)는 데이터가 오류 없이 도착하는 정상적인 경우이고, (b)는 데이터가 수신 호스트에 도착하지 못하는 데이터 분실 오류이며, (c)는 데이터 내용이 변경되어 도착하는 데이터 변형 오류입니다.
• (b)처럼 데이터가 분실되는 원인은 매우 다양합니다.
  • 전송 경로가 잘못되어 데이터가 엉뚱한 방향으로 전달되거나, 상위 계층의 논리적 처리 과정에서 데이터를 분실할 수도 있습니다.
    • 데이터가 변형되거나 분실되는 오류가 발생되어 이를 해결하려면 먼저 오류가 발생한 사실을 인지해야 합니다.
• (b)의 경우는 수신 호스트가 자신에게 데이터가 보내졌다는 사실을 인지하는 것이 쉽지 않습니다.
  • 그래서 보통은 송신 호스트에서 타임아웃 등의 기능으로 오류를 감지하는 방법을 사용합니다.
• (c)의 데이터 변형 오류는 수신 호스트가 CRC 방식 등의 오류 검출 기법을 이용해 오류를 검출할 수 있습니다.
  • 즉, 데이터 분실 오류는 송신 호스트 주도로 이루어지고, 데이터 변형 오류는 수신 호스트 주도로 이루어집니다.
• 네트워크에서 전송 오류를 해결하는 일반적인 방법은 송신 호스트가 원래 데이터를 재전송(Retransmission)하는 것입니다.
• 물리적인 오류 외에도 통신 프로토콜에서 사용하는 알고리즘의 성격에 의해 오류가 발생하기도 합니다.
  • 예를 들어, 송신 호스트가 순차적으로 전송한 데이터의 순서가 뒤바뀌어 도착하는 경우입니다.
    • 수신 호스트에서 도착 순서를 바로잡으려면 데이터의 논리적인 순서를 의미하는 순서 번호 기능이 필요합니다.

3️⃣ 흐름 제어.

• 전송 매체에서 물리적인 오류가 없었는데도 데이터를 분실하는 경우가 있는데, 이는 송수신 호스트 사이의 데이터 전송/처리 속도 차이 때문에 발생합니다.
• 수신 호스트에 데이터가 도착하면 일단 내부 버퍼에 보관했다가 처리합니다.
  • 그런데 내부 버퍼에 보관할 공간을 확보하지 못하면 데이터를 논리적으로 분실하는 결과가 초래됩니다.
• 일반적으로 수신 호스트의 버퍼 처리 속도보다 송신 호스트가 데이터를 전송하는 속도가 빠르면 논리적인 데이터 분실 오류가 발생합니다.
  • 수신 호스트가 버퍼에 저장된 데이터를 미처 처리하지 못한 상태에서 새로운 데이터가 수신되어 일시적으로 저장할 공간이 없기 때문입니다.
    • 이 문제를 해결하려면 송신 호스트의 전송 속도를 조절하는 흐름 제어(Flow Control) 기능이 필요합니다.

• 위 그림은 가장 단순한 형태의 흐름 제어 기법을 보여줍니다.
• 송신 호스트가 데이터를 전송하려면 반드시 수신 호스트로부터 명시적인 전송 허가를 받아야 합니다.
• 그림을 보면(a)에서 송신 호스트가 i번째 데이터를 보내고 수신 호스트가 이를 제대로 받습니다.
  • 이후에 송신 호스트가 i+1번째 데이터를 보내려면 수신 호스트의 전송 허가가 필요합니다.
  • 수신 호스트는 데이터를 수신할 여력이 있을 경우에만 (b)와 같이 전송 허가를 보냅니다.
  • (c)에서 전송 허가를 수신한 후에 송신 호스트가 다음 데이터인 i+1을 전송하고 있습니다.
• 보통 수신 호스트의 흐름 제어에 의해 데이터 전송이 이루어집니다.
• 위 그림은 흐름 제어의 이해를 돕기 위한 설명이며, 실제 통신 환경에서는 전송 속도가 너무 느리므로 이 방식이 사용되지 않습니다.
• 일반적으로 송신 호스트는 속도를 높이기 위하여 동시에 여러 개의 전송 데이터를 송신할 수 있으며, 수신 호스트가 데이터 개수를 통제합니다.

4️⃣ 데이터 전달 방식.

• 프로토콜 설계 시 고려할 마지막 사항은 데이터 전달 방식입니다.

• 위 그림의 (c)에서 데이터를 오른쪽이나 왼쪽의 한 방향으로만 전송하는 것을 단방향(Simplex) 방식이라 하고, (a)처럼 양쪽에서 데이터를 동시에 전송하는 것을 전이중(Full Duplex) 방식이라고 합니다.
• 일반 도로 환경에 비유하자면 일방통행 도로가 단방향 방식이고, 중앙에 노란 실선이 그려진 도로는 전이중 방식입니다.
• 일반적인 통신 프로토콜들은 모두 전이중 방식을 지원합니다.
• 이외에도 데이터가 양방향으로 전송되지만, 특정 시점에는 한 방향으로만 전송할 수 있는 반이중(Half Duplex) 방식이 있습니다.
• 위 그림에서 (b)의 반이중 방식은 양쪽에서 데이터를 동시에 전송할 수 없으므로, 데이터 전송 시점을 제어할 수 있어야 합니다.
• 데이터 전달 방식에서는 데이터 사이의 전송 우선순위를 설정하는 방법이나 긴급 데이터를 처리하는 방법 등도 고려해야 합니다.