네트워크 - 교환 방식부터 TCP/IP 모델까지

개요

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요즘 네트워크에 대해 다시 공부하고 있다. 깊이 파고 들면 정말 방대한 내용이지만 일단 다룬 부분만 정리해서 올리기로 했다. 내용에서 부족하거나 더 궁금한 부분은 웹 에이전트를 사용해 보충했고, 읽기 쉽게 정리하였다!

네트워크 교환 방식과 연결 방식

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네트워크 통신에서 데이터를 주고받는 방식과 네트워크 장비들의 역할을 이해하는 것은 네트워크 설계와 운영에 필수적이다. 이 글에서는 네트워크의 교환 방식, 연결 방식, 티어 구조 및 주요 네트워크 장비들에 대해 상세히 알아본다.

네트워크 교환 방식

네트워크에서 데이터를 주고받는 방식은 크게 회선 교환 방식과 패킷 교환 방식으로 나뉜다.

회선 교환 방식(Circuit Switching)

회선 교환 방식은 통신하기 전에 먼저 송신자와 수신자 사이에 전용 통신 경로(회선)를 설정한 후 데이터를 전송하는 방식이다.

주요 특징:

• 통신 전에 두 호스트 간 전용 경로를 먼저 설정한다
• 설정된 경로를 통해서만 데이터가 전송된다
• 전통적인 전화망이 대표적인 예시이다
• 일정한 전송 속도를 보장한다

장점:

• 연결이 설정된 후에는 안정적인 데이터 전송이 가능하다
• 전송 지연이 일정하다

단점:

• 회선 이용 효율이 낮을 수 있다(통신하지 않는 시간에도 회선을 점유)
• 다른 장치들이 해당 회선을 사용할 수 없어 자원 낭비가 발생할 수 있다

패킷 교환 방식(Packet Switching)

패킷 교환 방식은 데이터를 패킷이라는 작은 단위로 나누어 각 패킷이 독립적으로 목적지까지 전송되는 방식이다.

주요 특징:

• 메시지를 패킷이라는 작은 단위로 분할하여 전송한다
• 각 패킷은 목적지 주소를 포함하고 있어 독립적으로 라우팅된다
• 현대 인터넷은 대부분 패킷 교환 방식을 사용한다
• 패킷은 페이로드(실제 데이터), 헤더(제어 정보), 때로는 트레일러로 구성된다

패킷 교환 유형:

1. 데이터그램 패킷 교환(비연결형): 각 패킷이 완전한 주소 정보를 포함하여 독립적으로 라우팅된다. 인터넷이 이 방식을 사용한다.
2. 가상 회로 패킷 교환(연결 지향): 미리 정의된 경로를 통해 패킷이 순차적으로 전송된다.

장점:

• 네트워크 자원을 효율적으로 사용한다
• 하나의 통신 경로를 여러 통신이 공유할 수 있다
• 장애 발생 시 대체 경로로 패킷을 전송할 수 있어 신뢰성이 높다
• 다양한 종류의 트래픽(데이터, 음성, 비디오)을 하나의 네트워크로 통합할 수 있다

단점:

• 패킷 순서가 바뀌거나 손실될 수 있다
• 네트워크 혼잡 시 지연이 발생할 수 있다

네트워크 연결 방식

네트워크에서 장치들이 서로 연결되는 방식은 크게 점대점 방식과 브로드캐스트 방식으로 구분된다.

점대점 방식(Point-to-Point)

점대점 통신은 두 장치 간에 직접적인 연결을 통해 데이터를 주고받는 방식이다.

주요 특징:

• 두 장치 간에 직접적인 전용 연결을 설정한다
• 중개 장치를 통과하지 않고 한 지점에서 다른 지점으로 직접 데이터를 전송한다
• 주로 WAN(Wide Area Network)과 같은 넓은 네트워크에 적용된다
• 3G, 4G 등 스마트폰을 이용한 인터넷 사용 방식도 점대점 접속방식이다

장점:

• 전용 회선을 사용하여 대역폭이 보장된다
• 회선 구성이 간단하고 대용량 전송에 유리하다
• 고장 발생 시 유지 보수가 쉽다

단점:

• 별도의 회선과 포트에 따른 높은 설치 비용이 발생한다

브로드캐스트 방식(Broadcast)

브로드캐스트 방식은 하나의 장치가 네트워크 상의 모든 장치에게 데이터를 전송하는 방식이다.

주요 특징:

• 한 장치가 네트워크 내 모든 장치에게 동시에 메시지를 전송한다
• 수신 장치는 자신에게 필요한 데이터가 아니더라도 받아야 한다
• 모든 장치가 메시지를 처리해야 하므로 네트워크 부하가 증가할 수 있다

브로드캐스트가 발생하는 경우:

• IP 주소는 알고 있지만 MAC 주소를 모르는 경우(ARP)
• 라우터끼리 정보를 교환하거나 다른 라우터를 찾을 때
• 서버가 자신의 서비스를 알릴 때

멀티캐스트(Multicast):

브로드캐스트와 유니캐스트의 중간 형태로, 특정 그룹에게만 데이터를 전송하는 방식이다. 특정 그룹 이외에는 영향을 주지 않아 효율적인 통신이 가능하다.

네트워크 티어 구조

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네트워크 티어는 인터넷 서비스 제공자(ISP)의 계층 구조를 나타낸다.

티어 1 네트워크

티어 1 네트워크는 무정산 상호접속(Settlement-free interconnection) 또는 무정산 피어링(Settlement-free peering)만을 통해 인터넷의 다른 모든 네트워크에 연결할 수 있는 네트워크이다.

주요 특징:

• 트랜짓 비용을 지불하지 않고 인터넷의 모든 네트워크에 접근할 수 있다
• 다른 모든 티어 1 네트워크와 무상으로 피어링을 맺는다
• 인터넷 백본의 중앙에 더 가깝게 위치한다
• 하위 티어 네트워크에 트랜짓을 판매한다

티어 2 네트워크

티어 2 네트워크는 일부 네트워크와 무상으로 피어링하지만, 인터넷의 일부에 도달하기 위해 IP 트랜짓을 구매하거나 유상으로 피어링하는 네트워크이다.

티어 3 네트워크

티어 3 네트워크는 다른 네트워크에서 트랜짓이나 피어링을 구매하는 것만으로 인터넷에 참여하는 네트워크이다.

네트워크 장비

게이트웨이(Gateway)

게이트웨이는 서로 다른 전송 프로토콜을 사용하는 두 개의 개별 네트워크를 연결하는 하드웨어 장치 또는 소프트웨어 솔루션이다.

주요 역할:

• 서로 다른 네트워크 간의 연결성 제공
• 네트워크 경계에서 데이터 패킷 제어
• 프로토콜 변환 수행
• 데이터 패킷 라우팅
• 보안 액세스 제공
• 트래픽 흐름 분석 및 최적화
• 트래픽 모니터링 및 필터링

게이트웨이 유형:

• SD-WAN 장치
• VPNC(가상 프라이빗 네트워크 컨센트레이터)
• 무선 게이트웨이

리피터(Repeater)

리피터는 무선 네트워크의 범위를 확장하거나 품질을 향상시키는 데 사용되는 네트워크 장치이다.

주요 특징:

• 약한 신호를 수신하고 다시 전송하여 신호 강도를 증폭한다
• OSI 모델의 물리적 계층(레이어 1)에서 작동한다
• 신호 범위를 확장하고 장애물이나 거리 제한을 극복한다
• 설치가 간단하고 최소한의 구성이 필요하다

브리지(Bridge)

브리지는 네트워크 세그먼트를 연결하여 콜리전 도메인을 나누는 장치이다.

주요 기능:

1. 출발지 MAC 주소를 학습한다
2. 목적지를 모르는 경우 들어온 포트를 제외한 나머지 포트로 전송한다
3. 목적지를 아는 경우 해당 포트로만 전송한다
4. 불필요한 트래픽이 다른 포트로 넘어가지 않도록 막는다
5. MAC 주소 테이블을 관리한다

특징:

• 콜리전 도메인을 분리하여 네트워크 효율성을 높인다
• 서로 다른 종류의 LAN을 연결할 수 있다
• 프레임 필터링을 통해 트래픽을 제어한다

스위치(Switch)

스위치는 네트워크 장치들을 연결하고 데이터 패킷을 효율적으로 전달하는 장치이다.

주요 특징:

• MAC 주소를 기반으로 데이터를 전송한다(레이어 2)
• 일부 고급 스위치는 IP 주소를 기반으로 라우팅도 수행한다(레이어 3)
• 각 포트마다 독립적인 콜리전 도메인을 제공한다
• 허브와 달리 목적지 포트로만 데이터를 전송하여 효율성을 높인다

스위치 유형:

• L1 스위치(허브): 물리 계층에서 작동하며 모든 포트로 데이터를 전송한다
• L2 스위치: 데이터링크 계층에서 작동하며 MAC 주소를 기반으로 데이터를 전송한다
• L3 스위치: 네트워크 계층에서 작동하며 IP 주소를 기반으로 데이터를 전송한다
• L4 스위치: 전송 계층에서 작동하며 IP 주소와 포트 번호를 기반으로 데이터를 전송한다
• L7 스위치: 응용 계층까지 고려하여 데이터를 전송한다

스위치의 주요 기능:

• VLAN(Virtual Local Area Network) 구성
• LAG(Link Aggregation) 지원
• WOL(Wake-On-LAN) 지원
• PoE(Power over Ethernet) 제공

스위치 종류:

• 액세스 스위치: 네트워크 엣지에 위치하여 최종 사용자 장치를 연결한다
• 어그리게이션 스위치: 액세스 스위치를 연결하고 트래픽을 집계한다
• 코어 스위치: 네트워크 중앙에 위치하여 고속 데이터 전송을 담당한다
• 데이터 센터 스위치: 고성능, 고가용성을 제공하는 스위치이다
  # 네트워크의 계층 구조
  # 네트워크 계층 구조 - TCP/IP 모델

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네트워크 계층 구조는 복잡한 네트워크 시스템을 체계적으로 이해하고 관리하기 위한 개념적 프레임워크다. 계층화된 구조는 네트워크 설계의 복잡성을 줄이고 각 계층이 특정 기능을 담당하게 함으로써 효율적인 통신을 가능하게 한다.

네트워크 계층 구조의 필요성

계층 구조는 다음과 같은 이점을 제공한다:

• 복잡한 네트워크 시스템을 관리하기 쉬운 계층으로 분할한다
• 각 계층은 독립적으로 동작하여 한 계층의 변경이 다른 계층에 영향을 미치지 않는다
• 표준화된 인터페이스를 통해 다양한 제조업체의 장비들이 호환될 수 있다
• 문제 발생 시 특정 계층에 집중하여 문제 해결이 용이하다
  # TCP/IP 모델

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TCP/IP 모델은 실제 인터넷에서 사용되는 프로토콜 스택으로, OSI 모델보다 더 실용적이고 구현 중심적이다.

1. 네트워크 액세스 계층(Network Access Layer)

가장 하위 계층으로, 장치 간의 물리적 연결을 관리한다.

주요 기능:

• 하드웨어 수준에서 데이터 전송 관리
• 데이터를 전기 신호로 변환
• 물리적 네트워크 접근

대표적인 프로토콜: 이더넷, Wi-Fi

2. 인터넷 계층(Internet Layer)

주소 지정과 라우팅을 담당하여 데이터 패킷이 여러 네트워크를 통해 올바른 목적지로 전송되도록 한다.

주요 기능:

• IP 주소 지정
• 패킷 라우팅
• 장치 식별 및 패킷 전달

대표적인 프로토콜: IP(Internet Protocol), ICMP

3. 전송 계층(Transport Layer)

송신자와 수신자 간의 신뢰성 있는 통신을 보장한다.

주요 기능:

• 대용량 데이터를 패킷으로 분할
• 목적지에서 패킷 재조립
• 오류 수정, 순서 지정, 흐름 제어 제공

대표적인 프로토콜: TCP, UDP

4. 응용 계층(Application Layer)

소프트웨어 응용 프로그램과 최종 사용자에게 직접 상호작용하는 계층이다.

주요 기능:

• 이메일, 웹 브라우징, 파일 전송 등의 기능 제공
• 사람이 이해할 수 있는 형식으로 데이터 표현

대표적인 프로토콜: HTTP(웹 브라우징), FTP(파일 전송), SMTP(이메일)

OSI 모델과 TCP/IP 모델 비교

두 모델 간의 주요 차이점은 다음과 같다:

매개변수OSI 모델TCP/IP 모델

명칭	OSI	TCP/IP
계층 수	7계층	4계층
신뢰성	상대적으로 덜 신뢰적	더 신뢰적
프로토콜 교체	프로토콜 교체가 쉬움	프로토콜 교체가 쉽지 않음
기능	라우터, 스위치 등 다양한 하드웨어 장치에 표준화 제공	컴퓨터 간 연결 제공하지만 하드웨어 장치 표준화는 제공하지 않음
접근 방식	수직적 접근 방식	수평적 접근 방식
데이터 링크와 물리 계층	데이터 링크 계층과 물리 계층이 분리됨	데이터 링크 계층과 물리 계층이 단일 호스트-네트워크 계층으로 결합됨
서비스 유형	네트워크 계층이 연결 지향 및 비연결 서비스 제공	네트워크 계층이 비연결 서비스만 제공
패킷 전달 보장	전송 계층이 패킷 전달 보장	전송 계층이 패킷 전달 보장하지 않음
세션 및 표현 계층	세션 및 표현 계층이 분리됨	세션 및 표현 계층이 분리되지 않고 응용 계층에 포함됨
최소 헤더 크기	최소 헤더 크기는 5바이트	최소 헤더 크기는 20바이트

계층적 네트워크 설계

계층적 네트워크 설계는 네트워크를 구조화된 계층으로 조직하는 접근 방식으로, 일반적으로 액세스, 분배, 코어 계층으로 구성된다.

액세스 계층(Access Layer)

네트워크 엣지라고도 알려진 액세스 계층은 최종 장치(최종 사용자 및 로컬 서버)가 네트워크에 직접 접근하는 계층이다.

주요 기능:

• 다양한 최종 장치의 LAN 네트워크 연결 촉진
• 포트 보안, DHCP 스누핑, 정적 MAC 주소 구성과 같은 보안 정책 시행
• 레이어 2 스위칭 기능 제공

분배 계층(Distribution Layer)

분배 계층은 액세스 계층과 코어 계층 사이의 경계 역할을 하며, 정책 기반 연결을 제공한다.

주요 기능:

• 네트워크 내 액세스 계층 스위치 간 연결 제공
• 액세스 계층 스위치에 업스트림 서비스 제공
• 사전 정의된 규칙에 따라 네트워크 트래픽을 제어하고 필터링하기 위한 ACL 구현
• 다른 VLAN 및 라우팅 도메인 간 라우팅 서비스 제공

코어 계층(Core Layer)

코어 계층은 분배 계층에 위치한 스위치 간의 고속 전송 인프라 역할을 하기 때문에 네트워크의 백본이라고도 한다.

주요 기능:

• 고속 패킷 스위칭 우선
• 분배 계층 장치 간 상호 연결 촉진
• CPU 집약적 작업(보안 서비스, QoS 분류, 검사 등) 오프로드
• 고가용성 및 내결함성 제공