[컴퓨터과학 개론] 15강

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[컴퓨터과학 개론] 15강 - 네트워크

junbin2 2025. 11. 10. 19:09

✅ 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

✅ 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

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.

✅ 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 ]

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.

✅ 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