[네트워크] 네트워크 어플리케이션의 원리

참고도서: 컴퓨터 네트워킹 : 하향식 접근. 7판. James F. Kurose , Keith W.Ross 지음

네트워크 어플리케이션 구조

네트워크 어플리케이션의 구조는 어플리케이션 개발자에 의해서 이 어플리케이션이 여러 end system에서 어떻게 구성되어야 하는지에 대해 담고있다. 일반적으로 클라이언트-서버 구조 와 P2P 구조를 사용한다.

클라이언트-서버 구조

• 서버: 항상 켜져있는 호스트
• 클라이언트: 서버에 요청을 보내는 호스트
• 웹서비스에서 가장 흔히 사용되는 구조
• 클라이언트가 서버에 객체를 요청하면, 서버는 객체를 보내서 응답한다. 따라서 클라이언트끼리는 통신하지 않고 항상 서버를 거쳐 통신하게 된다.
• 서버는 지속해서 요청을 받아야하기 때문에 고정 IP 주소를 사용한다.
• 서버에 많은 요청이 들어오면 요청을 처리하기가 어렵기 때문에 일반적으로 서버는 하나의 호스트가 아니라 여러 호스트로 하나의 서버를 구성한다. 이런 서버를 데이터 센터 라고 한다.

P2P 구조

• 서버를 최소한으로 사용하거나 완전히 사용하지 않는다.
• 한 호스트가 클라이언트와 서버의 역할을 동시에 한다. 이렇게 통신하는 호스트들을 피어(peer)라고 한다.
• 자가확장성(self-scalability)를 가지고 있다. 자가 확장성이란 피어가 파일을 다른 피어들에게 분배해서 서비스 능력을 향상시키는 것을 의미한다.
• 고정적인 연결이 필요없기 때문에 유동적인 IP 주소가 사용된다.
• 서버를 필요로하지 않고 큰 대역폭이 요구되지 않기 떄문에 비용이 매우 절감된다.
• 분산된 구조때문에 보안, 성능, 신뢰성 문제가 해결과제로 남아있다.

프로세스 간 통신

네트워크 통신을 수행하는 것은 호스트이지만 엄밀히 따져보면 호스트에서 실행되고 있는 프로세스라는 표현이 더 맞을 것이다. 그리고 통신을 하는 두 프로로세스는 메세지 교환 방식으로 서로 통신한다.

클라이언트와 서버 프로세스

• 두 프로세스 간의 통신 세션에서 통신을 초기화 하는 프로세스를 클라이언트 라고 하고 세션을 시작하기 위해 접속을 기다리는 프로세스를 서버 라고 한다.
• P2P 구조에서는 한 프로세스가 클라이언트 역할을 하기도 하고, 서버 역할을 하기도 한다.

프로세스와 컴퓨터 네트워크 사이의 인터페이스

• 두 프로세스는 메세지를 주고받는 방식으로 통신다.
• 메세지를 주고받기 위해서는 소켓(socket)을 이용한다.
• 프로세스는 송신하고자 하는 메세지를 소켓에 보내고, 소켓은 이 메세지를 네트워크로 밀어넣어 송신을 시작한다. 그리고 메세지가 수신될 때에는 메세지가 소켓을 거쳐 송신 프로세스에 도달하게 된다.
• 즉 소켓은 어플리케이션과 네트워크 사이의 인터페이스 역할을 하게되고, API(Application Programming Interface) 라고 부를 수 있다.

프로세스 주소 배정

• 메세지가 전달되기 위해서는 목적지에 대한 주소정보가 필요하다. 그리고 우리는 통신이 호스트 자체가 아닌 프로세스 사이에 일어난다고 정리했기 때문에, 목적지 호스트 내부에 어떤 프로세스로 메세지를 전달해야하는지에 대한 ㅈ어보도 필요할 것이다.
• 따라서 인터넷에서는 호스트를 IP 주소로 식별하고, 호스트 내에 수신 프로세스를 식별하기 위해 포트를 사용한다.
• 자주 사용되는 어플리케이션들은 대표적인 포트 번호를 할당받게 되는데, 웹서버에 사용되는 포트 번호는 일반적으로 80번 이고, 이런 포트번호를 well-known 포트 번호라고 한다.

어플리케이션에서 사용하는 트랜스포트 서비스

어플리케이션에서 소켓을 거쳐 트랜스포트 계층에 도달한 메세지는 네트워크를 통해 해당 메세지를 목적지로 이동시켜야 한다. 트랜스포트 계층은 메세지 전달을 위해서 다양한 트랜스포트 프로토콜 중 하나를 선택해서 사용하게 된다. 이 트랜스포트 서비스가 제공해야할 서비스들은 다음과 같은 기준으로 분류할 수 있다.

신뢰적 데이터 전송

• 프로토콜이 보장된 데이터 전송을 제공한다면, 신뢰적 데이터 전송(Reliable Data Transfer)을 제공한다고 할 수 있다.
• 신뢰적 데이터 전송을 제공하는 프로토콜은 packet loss 없이 데이터가 목적지로 도착할 수 있게 한다.
• 손실 허용 어플이케이션(Loss-tolerant Application) 은 어느정도의 데이터 손실이 발생하더라도 데이터를 전송할 수 있게 한다.

처리량

• Throughput(처리량)은 송신 프로세스가 수신 프로세스로 비트를 전달할 수 있는 비율을 나타낸다.
• 처리율을 반드시 지켜야 하는 어플리케이션들을 대역폭 민감 어플리케이션(Bandwidth-sensitive Application) 이라고 한다. 예를 들어 인터넷 전화와 같은 어플리케이션들은 일정한 처리량으로 음성을 인코딩하기 때문에 네트워크가 해당 처리량보다 낮은 처리량을 제공한다면 어플리케이션을 사용할 수 없을 것이다.
• 반대로 탄력적 어플리케이션(Elastic Application)은 가용한 처리율을 모두 사용해서 데이터를 전송하게 된다. 예를 들어 파일 전송과 같은 경우에는 처리량에 상관없이 현재 속도를 모두 사용하면서 데이터를 송수신하게 된다.

시간

• 트랜스포트 계층 프로토콜은 시간 보장(timing quarantee)을 제공하기도 한다.
• 시간이 보장되어야 하는 데이터들, 예를 들어 실시간으로 데이터가 송수신 되어야하는 상황에서는 일정 시간안에 주어진 데이터가 모두 수신자 소켓에 전달되어야 하는 요구사항을 충족해야한다.

인터넷 전송 프로토콜이 제공하는 서비스

TCP(Transmission Control Protocol) 서비스

• TCP 서비스는 연결지향형 서비스(Connection-oriented Service) 를 제공한다. 연결지향형 서비스는 메세지가 전달되기 전에 클라이언트와 서버가 전송제어정보를 교환해서 연결을 미리 설정한다.
• 이렇게 클라인언트와 서버가 전송제어정보를 주고 받는 과정을 핸드셰이킹(Handshaking) 이라고 한다.
• 핸드셰이킹 이후에는 두 프로세스가 서로 TCP 연결을 설정하고 이 연결을 서로가 서로에게 메세지를 주고받을 수 있는 양방향 연결이 된다. 이런 양방향 연결을 전이중(full-duplex) 연결이라고 한다.
• TCP 서비스는 Congestion Control 을 제공한다. Congestion Control 은 네트워크가 처리할 수 있는 양 이상의 정보가 라우터에 들어오게 되면 sender 에게 메세지를 보내서 보내는 송신하는 데이터 전송량을 낮추게끔 한다.
• TCP 서비스는 Flow Control 역시도 제공하는데, Flow Control 은 end-to-end 사이에 수신버퍼의 overflow를 제한하는 방법인데, 송신측의 속도가 너무 빠를 경우에 송신 측의 데이터 전송량을 수신측에 맞추어 조절하는 기능을 한다.
• Congestion Control 과 Flow Control의 차이가 조금 헷갈리는데 간단하게 정리하자면, Congestion Control 은 네트워크 라우터의 데이터 처리량이 송신측의 전송량을 모두 처리하기 어려운 상황에서 송신측의 전송량을 줄이는 방법이고, Flow Control 은 송신측의 전송량이 수신측의 데이터 처리 속도보다 빠른 상황에서 송신측의 전송량을 줄이는 방법이다.
• TCP 서비스는 Timing 과 Bandwidth 에 대한 보장 서비스는 지원하지 않는다.
• TCP 서비스는 신뢰적 데이터 전송 서비스(Reliable Transport) 를 제공한다. 신회적 데이터 전송 서비스는 프로세스가 모든 데이터를 오류없이, 그리고 올바른 순서대로 전달하는 것을 보장한다.

SSL(Secure Socket Layer)

• TCP 서비스를 강화한 형태로 프로세스간의 통신에 보안서비스를 제공한다.
• 송신서비스가 보내는 데이터가 SSL 소켓에 전달되고, SSL 소켓은 데이터를 암호화한다.
• 암호화된 데이터는 송신 프로세스의 TCP 소켓에 전달되고 TCP 소켓은 기존의 TCP 서비스 처럼 연결을 설정하고 데이터를 전달한다.
• 수신 프로세스의 TCP 소켓은 데이터를 전달 받은 뒤에 해당 데이터를 수신 프로세스의 SSL 소켓에 보낸다.
• 수신 프로세스의 SSL 소켓은 암호화된 데이터를 해석하고 수신 프로세스에 암호가 풀린 일반 데이터를 전달한다.

UDP(User Datagram Protocol) 서비스

• UDP 서비스는 비연결형 서비스이다. 따라서 통신전에 두 프로세스가 핸드셰이킹을 하는 과정을 가지지 않는다.
• UDP 서비스는 신뢰적인 데이터 전송서비스를 제공하지 않는다. 따라서 송신 프로세스가 보내는 메세지가 수신 프로세스에 반드시 전달된다는 보장이 없고 수신 프로세스의 도착하는 메세지의 순서가 송신측에서 보내는 순서와 다르게 도착할 수도 있다.