[컴퓨터과학 개론] 15강 - 네트워크

✅ 1. 컴퓨터 네트워크의 개요 및 발전 역사

(1) 컴퓨터 네트워크의 개요

• 데이터 통신을 위해 개발된 컴퓨터 네트워크는 게속적인 발전을 통해 서비스의 공유 및 컴퓨팅 자원의 공유를 위한 가장 효율적인 도구가 되었음
• 컴퓨터 네트워크는 기본적으로 사람, 컴퓨터, 기타 장비들 간의 정보 교류를 위한 통신망임.

(2) 컴퓨터 네트워크 서비스 역사

[ 1960년대, ARPANet ]

• 미국 국방 고등 연구 기획국(DARPA, Defense Advanced Research Project Agency)의 주도로 MIT를 중심으로 패킷 교환 네트워크로 현재의 인터넷이 시작이 됨.
• 1960년대 초부터 기획이 사직되어 최초의 서비스가 1969년에 시작되었고, 1973년에는 현재 인터넷의 주요 프로토콜인 TCP/IP가 개발되어 ARPANet에 적용이 됨.

[ 1970년대, Ethernet ]

• 미국 제록스 파크(Xerox PARC) 연구소는 컴퓨터 간의 하드웨어 수준의 연결을 가능하게 해주는 인터페이스 장치인 이더넷(Ethernet)을 개발함.
• 개발 초기의 이더넷은 미국 하와이 섬들을 연결하기 위해 개발된 ALOHANet의 영향을 받았음.

[ 1980년대, BITNET ]

• 1981년 미국 대학들을 연결하기 위해 개발된 컴퓨터 네트워크이다.
• 인터넷으로 대체되기 전까지 교육기관을 중심으로 널리 사용이됨. ( 연구 자료를 교류하기 위해서 만들어짐 )
• 전송 시 이메일이나 파일 단위로 서버에서 서버로 전송되는 방식을 채택함

[ 1980년대, NSFNET ]

• 미국 국립과학재단(NSF, National Science Foundation)이 대학 연구 교류를 위해 컴퓨터 통신을 위해 구축된 네트워크로 ARPANet의 TCP/IP 프로토콜을 기반으로 개발이 됨.
• NSFNET은 1989년 최초의 상용 이메일 네트워크인 MCI Mail과 연결되고, 다른 상업용 네트워크와 연결이 되면서 인터넷의 기반을 갖추게 됨.

[ 1980년대, PC 통신 ]

• 1970년대 말에 등장해서 게시판 시스템(BBS, Bulletin Board System)으로도 많이 알러져 있는 PC 통신은 1980년대에 개인용 컴퓨터의 빠른 보급과 함께 급속한 성장을 하게 됨.
• 개인적으로 운영하는 소규모 BBS에서부터 상용 통신회사에서 운영하는 대규모 시스템까지 다양한 형태로 서비스를 제공함
• 주로 모뎀(modem)을 사용해 전화선을 통해 BBS에 접속하는 방식을 사용함.

[ 1990년대, 웹과 인터넷 ]

• 웹(WWW, World-Wide Web)은 1989년에 유럽 핵 연구소인 CERN에서 개발되어 1991년에 공표 되었음.
• 1993년에 최초로 널리 보급된 웹 브라우저인 모자익(Mosaic)의 등장과 함께 인터넷의 전성기를 열었음.
• 인전까지 텍스트 중심의 통신에서 이미지, 텍스트, 오디오 등의 멀티미디어 통신이 시작이 됨.

[ 2000년대 ]

• 웹 기반의 동적인 멀티미디어(동영상) 데이터가 중심이 되는 컴퓨터 통신 서비스가 본격적으로 시작됨.
• 웹 이외에도 멀티유저 게임, 인터넷 채팅 등의 여러 가지 인터넷을 응용하는 서비스가 널리 사용됨.
• 무선 통신인 와이파이(WiFi)도 2000년대에 들어서 널리 보급이 됨.
• CDMA를 기반으로 하는 이동 통신 서비스가 시작이됨.
• 핵심은 2000년에 IT 붐으로 인해 이동하면서 빠른 통신을 하기 위한 방향으로 발전됨.

[ 2010년대 ]

• 스마트폰에서 사용될 수 있는 4세대 이동통신인 LTE 기술을 기반으로 하는 이동 통신이 다양한 통신 서비스를 제공함.
• 이동 통신이 상업 서비스의 기본 도구가 되며, 스마트폰은 가장 중요한 통신 수단이 되었음.

(2) 컴퓨터 네트워크 서비스

• 컴퓨터 네트워크는 1980년대부터 개인 통신을 중심으로 성장하여 1990년대와 2000년대를 거치면서 급격하게 팽창하여 현재에 이르고 있음.
• 무선 통신인 와이파이와 스마트폰 통신 서비스의 중심이 되는 이동 인터넷의 급격한 보급으로 집이나 직장에서 뿐만 아니라 상시로 통신 서비스에 접속되어 있는 상황에 이르게 됨

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✅ 2. 컴퓨터 네트워크의 기본 개념

(1) 기본 개념

• 컴퓨터 네트워크 기술은 컴퓨터와 컴퓨터, 컴퓨터와 네트워크, 네트워크와 네트워크 간의 접속과 정보 교환을 위한 통신 규약을 제공함. 통신 규약은 발신자가 누구인지 데이터의 길이가 어느정도인지 등에 대한 규격을 정해는 것임.
• 채널, 주파수, 대역폭, 노드, 네트워크 인터페이스, 프로토콜 과 같이 기본 개념을 이해해야함.

(2) 채널 (Channel)

• 모든 통신은 전선, 전화선, 광케이블, 무선 링크 등 통신 매체를 통해서 통신 신호가 전달되며, 이러한 통신 신호가 실제로 전달되는 통로를 채널이라고 한다. 즉, 통신 채널은 전화선, 전선, 광케이블, 무선 링크 등의 매체를 채널이라고 함.

(3) 주파수 (Frequency)

• 통신채널을 통해 전달되는 통신 신호(디지털/아날로그 신호)는 모두 주기성을 가지는 파형의 모습을 가지고 있음
• 통신 신호가 초당 몇 번 진동하는가를 계산한 것이 주파수이며, 주파수의 단위는 헤르츠(Hz)라고 함.

(4) 대역폭(Bandwidth)

• 통신 채널의 최대 주파수에서 최소 주파수 사이의 주파수 대역을 의미한다.
• 대역폭이 높을수록 같은 단위 시간에 더욱 많은 정보를 전송할 수 있음.

(5) 노드 (Node)

• 네트워크에 연결된 컴퓨터나 관련 장비를 통칭해서 노드라고 부름.
• 노드는 일반 범용 컴퓨터가 될 수도 있고, 라우터(router)와 같은 전용 네트워크 장비가 될 수도 있음.
• 노드는 통신 전달 역할, 보안 등 다양한 역할을 하는 장비들이 될 수도 있음.

(6) 네트워크 인터페이스

이더넷 카드

• 컴퓨터와 네트워크를 연결해주는 장치임. ( 네트워크는 채널로 볼 수 있음. )
• 컴퓨터 내부의 신호를 물리적/전기적 신호로 변환을 해줌.
• 네트워크 인터페이스는 컴퓨터 내부에 추가되거나 주변장치로 존재함
• 이더넷 카드나 USB 와아파이 스틱등이 있음.

(7) 프로토콜 (Protocol)

• 통신 프로토콜은 컴퓨터 통신을 위해 통신을 하는 노드 간의 합의된 통신 약속을 의미함.
• 컴퓨터 통신을 위해 통신 프로토콜은 명확하게 규정되어 있어야 함.
• 통신 프로토콜은 통신하는 양쪽 노드가 메시지를 보낼 때, 통신 데이터의 구조나 문법이나 메시지를 주고받는 순서 등을 명확하게 명시하며, 이러한 규약들을 통신 프로토콜이라고 볼 수 있음.
• 네트워크 인터페이스 수준의 이더넷 프로토콜, 인터넷 통신을 위한 TCP/IP, 웹 서비스의 기반이 되는 HTTP 등이 대표적인 통신 프로토콜 예에 해당이 됨.

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✅ 3. 컴퓨터 네트워크의 구성

(1) 네트워크 구성 방식

• 통신을 하는 컴퓨터 두 대는 서로 직접적으로 연결되어 있거나 여러 경로를 통해 간접적으로 연결되어 있음.
• 컴퓨터 네트워크의 구성 방식에 따라 3가지로 분류가 됨.
• [1] 컴퓨터 네트워크의 크기
• [2] 네트워크의 연결 형태
• [3] 메시지 전달 방식
• 즉, 컴퓨터와 컴퓨터간 연결이 모습으로 구성되어있는가? 를 분류하기 위한 3가지 방법으로 볼 수 있음.

(2) 연결 크기에 따른 분류

• 같은 컴퓨터 네트워크 안의 노드 간의 최대 거리가 분류의 기준이 됨
• 근거리통신 네트워크(LAN): 방, 빌딩, 캠퍼스 수준을 의미하는 용어
• 도시권통신 네트워크(MAN): 도시 수준을 의미하는 용어
• 광역통신 네트워크(WAN): 국가, 대륙 수준을 의미하는 용어

(3) 연결 형태에 따른 분류

• 컴퓨터 네트워크의 연결 형태(topology)에 따른 분류 기준을 의미함.
• 컴퓨터들이 위상학적 연결 형태(연결된 모양)에 따라 분류가 됨.
• 이 분류법은 주로 근거리통신망에서 하나의 물리적으로 연결된 소규모 망이 어떻게 구성되는지 결정할 때 쓰임.

[ 버스형 컴퓨터 네트워크 ]

• 버스형 네트워크의 경우 컴퓨터들이 하나의 버스(기본적으로 대역폭이 넓은 채널)를 공유하면서 메시지를 송신할 때, 버스에 연결된 모든 컴퓨터에 메시지를 보냄(브로드캐스트)
• 굵은 수평선으로 표시된 것이 공유되는 버스이며, 대표적인 예는 이더넷이 있음.
• 클라이언트가 데이터를 가운데로 쏘면 가운데에 연결된 노드들이 다 데이터를 받아 본인의 데이터만 읽는 구조임.
• 메시지의 수신자만이 주소를 보고 선택적으로 수신하게 됨 즉, 무작위로 쏘는 구조라고 보면 됨.

[ 성형 컴퓨터 네트워크 ]

• 중앙에 있는 컴퓨터(또는 중앙 장치, 허브, 스위치, 라우터)가 모든 메시지의 중계자 역할을 하게 됨
• 모든 메시지는 먼저 중앙의 컴퓨터로 보내지고, 중앙의 컴퓨터가 수신한 메시지를 다양한 목적지 컴퓨터에 전달함
• 대표적인 예는 와아파이 엑세스 포인트(WIFI access point)로 구성된 컴퓨터 네트워크가 있음.
• 중앙 장치(허브, 스위치, 라우터) 에 여러 노드가 요청을 보내게 되면, 병목현상이 발생 할 수가 있음.

[ 원형 컴퓨터 네트워크 ]

• 원형 컴퓨터 네트워크는 메시지가 원형 네트워크를 돌면서 차례로 다음 컴퓨터로 전달되어 최종 수신 컴퓨터에 도달할 때까지 계속 전달이 되는 네트워크임.
• 내부적으로 메시지를 원형을 돌며 전송이 되는데, 본인의 메시지가 아니면 다음한테 전달을 넘기는 방식임.
• 원형 컴퓨터 네트워크의 대표적인 예로는 토큰 링(token ring) 네트워크가 있음.

(4) 메시지 교환 방식에 따른 분류

• 메시지의 송신 컴퓨터에서 수신 컴퓨터까지 정보가 어떤 식으로 전달되는지에 따라 패킷/메시지 교환 방식, 회선 교환방식 총 2개로 나뉠 수 있음.

[ 메시지 교환 방식 ]

• 요청을 보내면 중간 노드에서 다음 노드로 보낼 때 해당 노드에서 어느 노드로 보낼지 요청을 보고 파악한 뒤 보냄
• 송신하려는 메시지 전체를 한 단계씩 목적지 방향으로 스위치(또는 컴퓨터, 라우터 등)를 거쳐서 전송하는 방식임.
• 중간 단계의 스위치들은 수신한 메시지를 메시지의 크기에 상관없이 목적지 방향에 있는 스위치로 전달함.
• 한 번에 메시지가 몰려와서 처리하기 곤란한 경우를 대비해서 대기행렬(queue)을 두어서 저장했다가 수신한 순서대로 전달

[ 패킷 교환 방식 ]

• 메시지를 패킷(Packet)이라는 작은 단위로 나누어 패킷 별로 보냄
• 중간 단계의 스위치들은 수신한 패킷을 목적지 방향의 스위치로 전달함
• 메시지 교환방식과 마찬가지로 대기행렬을 사용함.
• 즉, 메시지 교환 방식은 메시지를 전체로 보내는데, 패킷은 해당 메시지를 잘게 쪼개서 보내는 방식이라고 보면됨.
• 쪼개서 보내게 되면 쪼개진 데이터는 여러 노드를 통해 목적지에 도착 한 후 프로토콜에 맞게 다시 합쳐져서 보여지게됨.
• 현재의 인터넷은 이 패킷 방식을 사용하고 있음.

[ 회선 교환 방식 ]

• 메시지의 송신 컴퓨터에서 수신 컴퓨터까지 여러 개의 스위치를 통해 물리적으로 연결된 임시 전용 회선을 동적으로 구성한 후, 임시적으로 설정된 회선을 통해서 메시지를 주고받는 방식임.
• 일반 전화가 이런 식으로 구성되어 있고 전화 회사의 교환국들이 회선 교환의 주축이 됨
• 전화선을 통하는 모뎀을 사용한 네트워크의 경우 실제 물리적인 연결을 위해서 전화 선로를 사용한 회선 교환 방식이 사용됨.
• 물리적인 회선을 사람이 직접 연결을 해주는 방식? 이라는데..

(5) 네트워크와 네트워크 간의 연결

• 여러 개의 네트워크가 모여서 확장된 네트워크를 구성하는 경우도 있음.
• 인터넷처럼 서로 다른 종류의 네트워크끼리 연결하여 확장하는 방법도 있음.
• 네트워크와 네트워크 간의 연결은 해주는 통신 장비들이 필요함.

[ 리피터 (repeater) ]

• 두 개의 버스(버스형)에 동시에 연결된 장비이다.
• 어느 버스로부터 수신된 데이터를 양쪽 버스 모두에게 전달을 함.
• 즉, 두 개의 버스를 연결해주는 장비라고 보면 됨.

[ 브리지 (bridge) ]

• 리피터와 거의 비슷하지만 목적지에 해당하는 버스 방향으로만 전달함.
• 리피터와 마찬가지로 두 개의 버스에 동시에 연결되어 있음.
• 리피터는 물리계층에서 전기신호를 보낼 때 관여하고, 브릿지는 리피터의 상위계층에서 메시지 어디로 보낼지 버스 방향으로만 전달을 해줌.

[ 스위치 (switch) ]

• 브리지와 비슷하지만 두 개 이상의 버스에 연결됨
• 일반적으로 소프트웨어를 기반으로 구현됨
• 브리지와 마찬가지로 목적지 방향의 버스 쪽으로만 메시지를 브로드캐스트함

[ 네트워크 간의 연결 ]

궁극적인 인터넷의 모습

• 이전까지 봤던 버스형 뿐만 아니라 다양한 형태의 네트워크가 여러 통신 장비들을 통해 연결이 되어있음.
• 인터넷 등과 같은 실제 네트워크는 여러 종류의 네트워크들이 서로 연결되고 맞물려 지구전체의 전역적인 네트워크를 형성하고 있음.
• 서로 다른 종류의 네트워크들은 원형, 버스형, 성형과 와이파이로 구성된 무선 LAN 등 네 개의 서로 다른 종류의 네트워크가 라우터로 연결되어 있음.
• 각각의 네트워크는 여러 대의 호스트 컴퓨터(host, 흰 상자) 로 이루어져 있음
• 게이트웨이 호스트(검은 상자)는 다른 네트워크로 향하거나 다른 네트워크에서 들어오는 데이터를 전달하는 부분임.
• 게이트웨이 호스트는 라우터라는 특별한 종류의 컴퓨터 장비에 연결되어 있고 이 라우터들이 스위치와 같은 역할을 함
• 라우터들은 다른 라우터들과 연결된 망을 형성함
• 리피터: 단순 신호 증폭기 (1계층)
• 브리지: LAN 구간 연결, MAC 주소 기반 필터링 (2계층)
• 스위치: 고성능 브리지, 장비 간 데이터 전달 (2계층)
• 라우터: 서로 다른 네트워크를 연결, 경로 결정 (3계층)
• 즉, 리피터 → 브리지 → 스위치 → 라우터 순으로 점점 더 똑똑해지고 계층도 올라간다고 보면 됨.

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✅ 4. 컴퓨터 네트워크의 계층적 구조

• 컴퓨터 네트워크의 연결 방법들은 하드웨어 수준에서 물리적으로 이루어지며, 모든 신호는 전기 신호로 변형되어 전달됨
• 인터넷과 같은 복잡한 기능을 지원하려면 전기 신호 수준을 넘어서, 추상적인 수준에서 네트워크 시스템의 기능과 통신 규칙 등에 대한 명확한 정의가 필요함. 즉, 계층적 구조를 만들게 된 계기임.

(1) OSI 참조 모델

• 국제표준화기구(ISO) 에서 1970년대에 확립한 표준이 OSI 참조 모델 이다.
• 네트워크 통신이 어떻게 이뤄져야 하는지를 설명하기 위한 표준 모델을 의미한다
• 응용 프로그램은 하나의 컴퓨터로 보며 두 개의 컴퓨터가 통신하면서 상호작용 하는 이미지임.

(2) 물리 계층 (physical layer)

• 물리적으로 연결된 채널을 통해 비트 단위로 전송이 되는 계층을 의미한다.
• 쉽게말해, 최종적으로 데이터가 0과 1의 비트 단위 신호로 실제 전송이 되는 계층을 의미한다.
• 이더넷의 연결 잭, 케이블의 전기적 특성 등이 물리 계층 수준에서 정의됨.
• 즉, 신호를 실제로 전달하는 장치와 매체로 볼 수 있으며, 내 PC 안의 NIC, 리피터, 허브, 케이블, 광섬유 등 모두 물리 계층의 범위로 볼 수 있음. 전달되는 물리적인 과정을 물리 계층이라고 볼 수 있음.
• 하지만 결국 이러한 장비들도 지원하는 기능에 따라 몇 계층까지 지원을 할 수 있음.
• 예를들면, 허브는 물리 계층(1계층) 장비로, 그냥 신호 증폭 및 전달만 하고 스위치는 데이터 링크 계층(2계층)까지 이해하며, MAC 주소 기반으로 전달함. 그리고 라우터는 네트워크 계층(3계층)까지 이해하며 IP 주소 기반으로 라우팅을 함.
• 결론은 물리적 계층에서 전달되는 데이터나 이런것들의 파형의 형태나 이런 형식의 계층을 정의한 느낌임.

(3) 데이터링크 계층 (datalink layer)

• 물리 계층이 단순히 0과 1비트를 전송만 하는 최종 단계라면, 데이터링크 계층은 그 위에서 비트를 모아서 오류 없이 안전하게 옆 노드까지 전달하는 역할을 해준다.
• 세부적으로는 네트워크 계층에서 내려온 패킷을 프레임(frame) 이라는 단위로 나눠서 물리계층에 전달을 해줌.
• 쉽게말해, 직접 연결된 두 컴퓨터나 장비 간에 프레임(frame: 블록 단위의 정보) 단위로 전송하는 계층임.
• 데이터링크 계층에서는 전송을 위해 프레임의 시작과 끝, 수신자 주소 등이 추가되고, 오류의 발견/수정하는 기능, 흐름 제어의 기능도 담당함
• 데이터 링크 계층 프로토콜의 대표적인 예는 이더넷, 와이파이 등이 있음. 즉, 해당 파형의 주파수를 이진으로 변환하는 그러한 계층이라고 볼 수 있음.

(4) 네트워크 계층 (network layer)

• 네트워크 계층은 패킷 단위의 전송이 이루어지며, 계층적인 주소 지정 방식을 사용한다.
• 패킷을 어떤 경로를 통해 송신 컴퓨터에서 수신 컴퓨터까지 전달할지 결정하는 라우팅이 일어남
• 패킷들이 

(5) 전송 계층 (transport layer)

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(6) 세션 계층 (session layer)

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(7) 표현 계층 (presentation layer)

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(8) 응용 계층(application layer)

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