컴퓨터 네트워크와 인터넷

📘컴퓨터 네트워크

프로토콜

• 프로토콜은 둘 이상의 통신 개체간에 교환되는 메시지 포맷과 순서뿐 아니라, 메시지의 송수신과 다른 이벤트에서 취하는 행동을 정의

  송신자와 수신자 간에 데이터를 주고 받기 위한 통신규약

  1. 교환되는 메시지 포멧
  2. 메시지 전달 순서
  3. 메시지 전송에 대한 행동

상세 네트워크 구조

1. 네트워크 엣지 : 응용과 호스트(pc) ex)컴퓨터,스마트폰

• edge : 정보 이용,making or using , network:정보전달
• edge에서 core로 갈수록 장비의 수는 적지만 연결되는(링크를 타고 들어오는)트레픽의 양은 많다
• 종단 시스템(호스트) : 응용 프로그램을 실행,”네트워크 엣지”에 위치 ex)웹,email
• 클라이언트/서버 모델 : 클라이언트는 서비스를 요청하고, 항상 켜져 있는 서버로부터 요청 결과를 수신함
• peer-peer 모델 : 전용 서버가 없거나 최소한으로 사용함 ex)Skype,Bit Torrent

  2. 액세스 네트워크(어느 한 종단 시스템으로부터 먼 거리에 있는 다른 종단 시스템까지의 경로상에 있는 첫번째 라우터에 연결하는 네트워크)

  -액세스 네트워크란 edge가 바로 연결되는 network,user가 바로 access함

  1. 케이블 기반 액세스 (케이블 망을 이용한 인터넷 이용)

     주파수 분할 다중화(FDM) : 서로 다른 주파수 대역에서 전송되는 서로 다른 채널

     • 주파수를 분활해서 여러 data를 한 채널에 실음
     • 특징 : 끝 단으로 가면 하나의 케이블을 여러 집이 같이 붙여서 쓴다

     HFC : hybrid fiber coax (광,동축)

     • 광케이블과 동출케이블 모두 이 시스템에서 채택하므로 흔히 HFC로 호칭
     • 비대칭 방식 : 최대 40Mbps ‒ 1.2Gbs 다운스트림 전송 속도, 30-100Mbps 업스트림 전송 속도
     • • 케이블과 광으로 구성된 네트워크를 통해 집과 ISP 라이터를 연결
     • 집들은 라우터와의 연결을 공유함
     • 가정에서 케이블 헤드엔드에 대한 액세스 네트워크 공유
     • 분기가 되면 그 만큼 power가 약해짐
     • 어느 정도 지점에 가면 어느 집은 신호가 약해서 문제가 생김

1. 디지털 가입자 회선(DSL)
   • 디지털 가입한 사람이 쓰는 전용 회선
   • splitter : 가정에 도착하는 데이터와 전화신호를 분히라고 데이터 신호를 DSL모뎀으로 전송
   • DSL모뎀(디지털 신호는 멀리 못가서 DSL모뎀으로 아날로그로 변환시킴)

     중앙 사무실 DSLAM인 기존 전화선을 사용

     • DSL 전화선을 통한 데이터가 인터넷으로 연결됨
     • DSL 전화선을 통한 음성이 전화망으로 연결됨

     24-52Mbps 전용 다운스트림 전송 속도 , 3.5-16Mbps 전용 업스트림 전송 속도

2. 홈 네트워크
   • 유선으로 모뎀과 유선공유기로 네트워크를 씀
3. 무선 액세스 네트워크
   • 공유 무선 액세스 네트워크가 종단 시스템을 라이터에 연결합니다
   • 무선 근거리 통신망(무선랜) : 일반적으로 건물 내부 또는 주변 , 여러사람이 사용하면 느려짐, WIFI : 11,54,450Mbps전송 속도
   • 광역 셀룰러 액세스 네트워크 : 이동 통신 사업자 제공(10km) , 이동하면 가까운 기지국으로 자동으로 switching됨, 10’s Mbps
4. 엔터프라이즈 네트워크
   • 기업 대학 등
   • 혼합된 유선,무선 링크 기술, 혼합된 스위치 연결 및 라우터
   • 이더넷 : 100Mbps,1Gbps,10Gbps의 유선 엑세스, WiFi : 11,54,450Mbps의 무선 액세스 포인트

3. 물리 매체 (유선 통신 링크)

• 두개의 네트워크 장비를 연결해서 전기신호를 전송하기 위해서 사용되는 매체
• 비트 : 송신/수신 양단 간에 전파
• 물리 연결 : 송신측과 수신측 사이에 위치
• 유도 매체 : 견고한 매체를 따라 신호를 전파 : 구리,광,동축
• 비유도 매체 : 신호가 자유롭게 전파 , 대기와 야외공간으로 파형을 전파 : 무선
• 꼬임 쌍선(TP) : 두개의 절연된 구리선
  1. 동축 케이블 : 두개의 동심원 형태의 구리선
• baseband : 전송량이 작음 , 케이블에 단일 채널, 예전의 이더넷
• broadband : 케이블에 다중(데이터양이 많음)채널, HFC
  1. 광 케이블 : 광 펄스를 전달하는 광섬유
• 고속 동작
• 낮은 에러 비율 : 외부 전자파의 영향을 받지 않음
  1. 전파 : 신호가 전자기 스펙트럼을 통해 전달
• 물리적 선이 없음
• 양방향
• 전파에 영향을 미치는 환경 요인 : 반사 ,물체에 의한 장애 ,상호간섭
• ex) 지상 마이크로파,LAN(wifi),광역(세룰러),위성

4. 네트워크 코어(인터넷의 종단 시스템을 연결하는 패킷 스위치와 링크의 그물망)

• 상호 연결된 라으터들의 모임
• router와 router 사이 : 광 케이블 이용
• router란 core network을 구성하는 가장 중요한 장비, 패킷 덩어리를 받아서 주소 정보를 보고 shortest로 전달 : 패킷전달
  1. 호스트 : 패킷 데이터 전송
• 호스트 전송 기능 : application message 접수
• 길이가 L비트인 패킷으로 알려진 더 작은 덩어리로 나눈다
• 액세스에 패킷을 전송, 전송 속도 R의 네트워크
• 링크 전송 속도, 일명 링크 용량, 일명 링크 대역폭
• 모든 패킷이 전송 되는 시간 = L(bits)/R(bits/sec) = 총 n2비트/1초동안 n1비트 전송

  데이터가 어떻게 네트워크를 통해 전달되나?

  1. 회선 교환 : 호출(call)마다 전용 회선 사용 : 전화 네트워크

  2. 패킷 교환 : 데이터가 “조각” 분리되어 네트워크를 통해 전달

     • 작은 단위로 링크를 share

1.1 회선 교환 - 2nd 스위칭 방식

• 회선 교환 방식에서는 “call”에 대해 종단 간 회선 자원을 예약하여 사용
• 전용 자원 : 공유하지 않음 (예약된 회선을 통해 보장된 성능 보장)
• Call에 의해 예약된 회선이 사용되지 않으면 회선 자원이 낭비됨(회선이 다른 사용자와 공유 되지 않기 때문)
• 회선 교환은 주로 전통적인 전화 네트워크에서 사용됨(전화는 중간에 끊기거나 전송지연이 일어나면 안됨)
• 데이터 전송되지 않을 경우 회선 사용 없음 1.2 회선 교환 : FDM과 TDM
• FDM 주파수 분할 다중화 (한번에 여러 데이터 보냄)
• TDM 시분할 다중화 2.1 패킷 교환 - 저장 후 전송
• 저장-후-전달 방식 : 패킷 단위로 전송을 완료한 이후에 다음 전송 진행
• R bps의 링크 상에 L 비트의 패킷을 전송하는데 L/R초가 소요됨
• 저장 후 전송 : 패킷 전체가 라우터에 도달한 이 후에야 다음 링크로 다시 전송 될수 있음
• 전체 지연 = 2L/R (출발지->라우터)+(라우터->목적지) 전송 시간 (두번의 link, 전파 지연은 없다고 가정) 2.2 패킷 교환 - 큐잉 지연(queue(버퍼)에 패킷이 들어감,손실)
• 정해진 시간 동안에 링크로의 패킷 도달율이 링크를 통한 패킷 전송률보다 클 경우(도착율>전송율)
  • 패킷은 링크에서 전송을 기다리며 큐에서 대기함
  • 만약에 대기 큐의 버퍼가 가득 차는 경우에는 도달한 패킷은 손실됨 2.3 패킷 교환 - 2가지 핵심 기능
• 라우팅(routing) : 패킷이 전달될 출발지 - 도착지 경로(path)결정
  • 라우팅 알고리즘 : 목적지로의 가장 짧은 길을 찾아서 그 길에 해당한 링크를 전달
• 전달(forwarding) : 패킷의 도달 목적지에 따라서 라우터의 입력 링크에서 적절한 출력 링크로 전달
  • routing table을 참조해서 링크로 전달하는 기능
  • router table이 비어있을 때 패킷이 들어가면 매칭되는 엔트리가 없기 때문에 전달할수 없음 -> 패킷을 버림

패킷 교환 vs 회선교환

• 패킷 교환이 더 많은 사용자들이 네트워크를 사용할 수 있게 해줌
• 패킷 교환은 bursty(전체구간에서 일부 구간에 몰리는 경우)데이터 전송에 유리
• 자원 공유 ,단순함,호 설정이 필요 없음
• 과도한 혼잡 : 패킷 지연과 손실 발생 가능 (안정적인 데이터 전송과 혼잡 제어를 위한 프로토콜 필요)

네트워크들의 네트워크

• 단말 시스템은 접속 ISP 들을 통해 인터넷에 연결됨
• 접속 ISP들은 순차적으로 연결되어야 함
• 여러 ISP들이 존재 그 ISP를 연결하는 IXP도 존재
• 지역 네트워크 : 접근 네트워크를 ISP들을 연결함
• 콘텐츠 공급자 네트워크 : 기존 ISP를 사용하지 않고 자신만의 네트워크 운영하여 사용자들에게 접근 가능

손실과 지연이 발생하는 이유

• 패킷은 라이터 버퍼 안에서 대기
  • 링크의 패킷 도착 비율이 출력 링크의 용량을 초과->buffer에 쌓이게됨
  • 패킷 큐에서, 자신의 차례를 기다림

패킷 지연 네가지 종류

1. 노드 처리 지연 (d(proc))
   • 노드에서 패킷을 받고 전송하는 과정에서 캐싱이 도달했을때 proces가 처리하는 내용들이 수행되는데 소요되는 시간
   • 비트 오류 검사 (링크 단위에서 오류 체크)
   • 출력 링크를 결정 (목적지 주소 확인후 리우팅 table참조)
   • 일반적으로 작음
2. 큐잉 지연(d(queue))
   • 출력 링크에서 전송을 위해 queue에서 기다리는 시간
   • 라우터의 혼잡 정도에 의존 (비례관계)
   • R = 링크 대역폭 (bps)
   • L = 패킷 길이(비트)
   • a = 평균 패킷 도착 비율
   • 트래픽 강도 = La/R
   • La/R ~ 0 : 평균 큐잉 지연이 작음
   • La/R -> 1 : 지연이 커짐
   • LA/R > 1 : 서비스 가능한 용량 이상의 패킷들이 도착, 평균 지연은 무한대, 패킷 손실 발생 가능
   • 패킷 손실
     • 큐는 유한한 용량을 가짐
     • 가득 차 있는 큐에 도착한 패킷은 드롭됨
     • 손실된 패킷은 이전의 노드 ,출발지에서 재전송 되거나 그렇지 않을 수 있음
3. 전송 지연(d(trans))
   • L/R
4. 전파 지연(d(prop))
   • d= 물리 링크의 길이 = 거리
   • s= 매체의 전송 속도
   • d/s

d(nodal) = d(proc)+d(queue)+d(trans)+d(prop)

종단 간 지연

• Traceroute 프로그램 : 출발지에서 목적지까지의 인터넷 경로에 있는 모든 라우터까지의 지연을 측정

처리율

• 출발지와 목적지 간에 전송되는 비트의 비율(비트/시간단위)
• 비트를 파이프로 보냄(Rs)-파이프는 Rs bit/초 의 비율로 비트를 보냄 -> 파이프는 Rc bits/초의 비율로 비트를 보냄
• Rs<Rc 일때 종단간 평균 처리율 Rs에 의해 제한 Rs가 더 느리므로 병목링크
• Rs>Rc 일때 종단간 평균 처리율 Rc에 의해 제한 Rc가 더 느리므로 병목 링크
• 병목 링크 - 종단간 처리율을 최종 결정하는 경로상의 링크
• 인터넷 시나리오
  • A와B 연결 당 종단 간 처리율 : (Rs,R/10,Rc)중 최소값

네트워크 보안

• 맬웨어는 바이러스,웜 또는 트로이목마의 형태로 호스트에 침입
• 스파이웨어는 키보드 입력, 웹 사이트 방문 기록 등을 기록해 특정한 사이트로 보냄
• 감염된 호스트는 봇넷에 등록되어 스팸과 분산 서비스 공격에 사용됨
• 많은 맬웨어는 자기복제를 함 : 감염된 호스트에서 다른 호스트로의 엔트리를 찾음

  공격자 : 서버 및 네트워크 하부 구조 공격

  서비스 거부 : 공격자는 서버 또는 네트워크에 가짜 트래픽을 과도하게 발생시켜 정상적인 트래픽 처리가 불가능하게 함

  패킷 스니핑 : 공유 가능한 이더넷 또는 무선의 방송 매체 대상으로 프로미스큐어스모드로 설정된 네트워크 인터페이스를 통해 지나가는 모든 패킷을 읽고 해석하여 비밀번호 등을 알아낼 수 있음 IP 스푸핑 : 거짓 발신지 주소로 패킷 전송

프로토콜 계층

-복잡한 시스템을 다룰 때 : 계층화 존재

• 명시적인 구조가 복잡한 시스템 구성 요소를 식별하고 관계를 잘 알 수 있게 해줌
• 모듈화는 시스템의 갱신,유지보수를 쉽게 해줌