[Network] 08. 네트워크의 전체 흐름 살펴보기

랜 카드에서의 데이터 전달과 처리

 웹 사이트에 방문했을 때 이루어지는 전체적인 데이터 처리 과정에 대해 알아보자.

 

네트워크의 구성

 OSI 모델 상위 응용 계층부터 하위 물리 계층까지까지 각각 어떤 일이 나는지 살펴보자.

• 응용 계층(세션 계층과 표현 계층을 포함)
  -> 애플리케이션 등에서 사용하는 데이터를 송수신하는 데 필요하다
  
  
• 전송 계층
  -> 목적지에 데이터를 정확하게 전달하는 데 필요하다
  
  
• 네트워크 계층
  -> 다른 네트워크에 있는 목적지에 데이터를 전달하는 데 필요하다
  
  
• 데이터 링크 계층
  -> 랜에서 데이터를 송수신하는 데 필요하다
  
  
• 물리 계층
  -> 데이터를 전기 신호로 변환하는 데 필요하다

 

컴퓨터의 데이터가 전기 신호로 변환되는 과정

네트워크의 구성

 위의 구성으로 이루어진 네트워크에서 컴퓨터의 웹 브라우저에서 URL을 입력할 때부터 웹 서버에 도착할 때까지 이루어지는 OSI 모델의 캡슐화와 역캡슐화를 살펴보자.

 

 먼저 웹 사이트에 접속해야 하므로 응용 계층에서 시작한다. 웹 브라우저에 URL을 입력하고 Enter 키를 누르면 캡슐화가 시작된다(3-way handshake는 이미 완료되어 연결이 확립되어 있다고 가정하자). 응용 계층에서는 웹 서버에 있는 html 데이터를 얻어야 하므로 HTTP 메시지를 보낸다.

 

 이 데이터가 전송 계층에 전달된다. 전송 계층에서는 TCP 헤더가 붙는다. TCP 헤더의 출발지 포트 번호(웹 브라우저)는 잘 알려진 포트가 아닌 포트(1025번 이상인 포트) 중에서 무작위로 선택된다. 목적지 포트 번호는 HTTP에 해당하는 80번 포트가 된다. 이렇게 TCP 헤더가 붙어 세그먼트가 되어 네트워크 계층에 전달된다.

 

 네트워크 계층에서는 전송 계층에서 전달받은 세그먼트(데이터)에 IP 헤더가 붙는다. IP 헤더에서는 출발지 IP 주소와 목적지 IP 주소가 추가된다. 이렇게 IP 헤더가 붙은 데이터를 IP 패킷이라고 한다. IP 패킷은 데이터 링크 계층으로 전달된다.

 

 데이터 링크 계층에서는 이더넷 헤더가 추가된다. 이더넷 헤더가 있는 데이터는 이더넷 프레임이라고 한다. 그 후 물리 계층에서 전기 신호로 변환되어 네트워크로 전송된다.

 

 물리 계층에서 전기 신호로 변환되는 과정에서 랜 카드가 사용된다.

 

- 웹에 접속할 때는 OSI 모델의 상위 계층부터 캡슐화가 이루어진다.
- 웹 서버에 요청을 보낼 때는 HTTP를 사용한다.
- 웹 서버에 있는 html 파일을 요청하는 경우에는 HTTP 메시지를 보낸다.
- 전송 계층에서는 TCP 헤더가 추가되며 이를 세그먼트라고 부른다.
- 네트워크 계층에서는 IP 헤더가 추가되며 이를 IP 패킷이라고 부른다.
- 데이터 링크 계층에서는 이더넷 헤더와 트레일러(FCS)가 추가되며 이를 이더넷 프레임이라고 부른다.
- 물리 계층에서는 데이터가 전기 신호로 변환되어 전송된다.

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스위치와 라우터에서의 데이터 전달과 처리

 스위치와 라우터에서 데이터가 처리되는 과정을 알아보자.

 

스위치에서의 데이터 전달과 처리

 스위치 A는 데이터 링크 계층에서 데이터를 전기 신호로 변환하여 라우터 A로 전송한다. 

 

라우터에서의 데이터 전달과 처리

 스위치 A에서 데이터가 전기 신호로 변환되어 케이블을 통해 라우터 A에 도착하면 라우터 A는 데이터 링크 계층에서 이더넷 프레임의 목적지 MAC 주소와 자신의 MAC 주소를 비교한다. 이 때 주소가 같으면 이더넷 헤더와 트레일러를 분리하는 역캡슐화를 수행한다. 다음으로 네트워크 계층에 전달하고 자신의 라우팅 테이블과 목적지 IP 주소를 비교한다.

 

 라우터 A의 라우팅 테이블에서 목적지 IP 주소의 경로를 알 수 있으면 라우팅을 할 수 있다. 출발지 IP 주소를 라우터의 외부 IP 주소인 172.16.0.1(위의 그림 참고)로 변경한다. 그 후, 데이터 링크 계층으로 전달하여 라우터 B로 보내지도록 이더넷 헤더와 트레일러를 붙인 후에 물리 계층에서 데이터를 전기 신호로 변환하여 네트워크로 전달한다.

 

 전기 신호로 변환된 데이터가 케이블을 통해 라우터 A에서 라우터 B로 보내진다. 데이터가 도착하면 라우터 B는 이더넷 프레임의 목적지 MAC 주소와 자신의 MAC 주소를 비교한다. 주소가 같으면 이더넷 헤더와 트레일러를 분리하는 역캡슐화를 수행한다. 그 후, 네트워크 계층으로 전달되면 자신의 라우팅 테이블과 목적지 IP 주소를 비교한다. 라우팅이 가능하면 출발지 IP 주소를 라우터 B의 내부 IP 주소인 192.168.0.1로 변경한다. 그런 다음 데이터 링크 계층에 전달하여 스위치에 전달되도록 이더넷 헤더와 트레일러(FCS)를 붙인 후 물리 계층에서 데이터를 전기 신호로 변환하여 네트워크로 전달한다.

 

 해당 데이터는 라우터 B에서 스위치 B로 전달된다. 스위치 B는 전기 신호를 데이터 링크 계층에서 처리하고 웹 서버에 데이터를 전기 신호로 전달한다.

 

- 스위치 내에 대응되는 OSI 모델의 계층은 물리 계층과 데이터 링크 계층이다.
- 라우터 내에 대응되는 OSI 모델의 계층은 물리 계층, 데이터 링크 계층, 네트워크 계층이다.

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웹 서버에서의 데이터 전달과 처리

 웹 서버에서 이루어지는 데이터 처리 과정을 알아보자.

 

웹 서버에서의 데이터 전달과 처리

 데이터가 전기 신호로 웹 서버에 도착하면 웹 서버는 데이터 링크 계층에서 이더넷 프레임의 목적지 MAC 주소와 자신의 MAC 주소를 비교한다. 주소가 같으면 이더넷 헤더와 트레일러를 분리하고 네트워크 계층에 전달한다.

 

 네트워크 계층에서는 목적지 IP 주소와 웹 서버의 IP 주소가 같은지 확인한다. 주소가 같으면 IP 헤더를 분리하고 전송 계층에 전달한다.

 

 전송 계층에서는 목적지 포트 번호를 확인하여 어떤 애플리케이션으로 전달해야 되는지 판단하고 TCP 헤더를 분리하여 응용 계층에 전달한다. 이렇게 마지막으로 응용 계층에 데이터가 전달된다.

 

- 웹 서버 내에 해당하는 OSI 모델 계층은 물리 계층, 데이터 링크 계층, 네트워크 계층, 전송 계층, 응용 계층이다.

 

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정적 라우팅과 동적 라우팅

 라우팅은 패킷을 목적지 컴퓨터까지 보낼 때 최적의 경로를 선택하여 전송하는 것을 뜻한다. 라우팅은 크게 정적 라우팅과 동적 라우팅이라는 두 가지 방법으로 나뉜다.

 

정적 라우팅

 정적 라우팅은 관리자가 미리 라우팅 테이블에 경로를 수동으로 추가하는 방법이다. 목적지 까지의 경로를 고정하거나 목적지까지의 경로가 하나로 한정되는 경우에 사용한다.

 네트워크에 존재하는 모든 목적지 네트워크의 정보를 라우터에 알려줘야 하므로 소규모 네트워크에서 사용된다. 

 

[장점]

• 라우팅 정보가 교환되지 않아 대역폭에 대한 부담이 적다
• 라우팅 정보가 네트워크로 전달되지 않으므로 보안 유지에 좋다.

[단점]

• 동적인 반영이 이루어지지 않아 경로에 장애가 발생해도 다른 경로로 우회할 수 없다.
• 이럴 경우 관리자가 설정을 하나하나 변경해야 한다.

 

동적 라우팅

 네트워크 변경을 자동으로 감지하여 라우팅 테이블을 업데이트하거나 네트워크 장애가 발생했을 때 라우터끼리 정보를 교환하여 최적의 경로로 전환하는 기능을 한다. 정적 라우팅처럼 관리자가 라우팅 테이블에 경로를 수동으로 추가할 필요가 없다.

 대규모 네트워크에서는 라우터에 많은 경로가 등록되기 때문에 정적 라우팅을 지원하지 않고 동적 라우팅을 사용하여 경로를 자동으로 업데이트 한다.

 

 

참고

- 「모두의 네트워크」 - 미즈구치 카츠야