2.1 네트워크 애플리케이션의 원리

Creating a network app

• software 개발자 관점에서는 네트워크 구조가 고정되어 있다. 하지만, application 구조는 개발자가 설계하며, 여러 종단 시스템에서 어떻게 조직되어야 하는지를 알려준다.
• 이러한 application 구조는 크게 2가지로 나뉜다.
  • Client - server 구조
  • P2P 구조

Client-server paradigm

• Server
  • 항상 동작하고 있는 서버가 존재하고, Client라는 다른 호스트들로부터 서비스 요청을 받는다.
  • 서버는 잘 알려진 고정 IP 주소를 갖는다. (permanent IP address - not change)
  • 서버가 클라이언트로부터 오는 모든 요청에 더 응답하는 것이 불가능할 때
    • 많은 수의 호스트를 갖춘 data center가 강력한 가상의 서버를 생성하는 역할로 사용된다.
    • 보통 10만개 정도의 서버를 갖추고 있다.
• Clients
  • 필요할 때 connect 한다.
  • may be intermittently connected (간접적으로, 가끔식 연결된다)
  • dynamic IP address를 갖는다.
  • Client끼리는 직접 통신하지 않는다.

P2P 구조

• Client와 server 둘 다의 responsibility를 갖는다.
• 항상 켜져있는 서버에 의존하지 않는다.
• 임의의(arbitrary) end system들은 직접 소통한다.
  • 즉, peer라는 간헐적으로 연결된 호스트 쌍이 서로 직접 통신하게 한다.
• peer는 우리가 흔히 알고 있는 Client(laptop 같은 것들)
• **Self scalability(자가확장성)**를 갖는다.
  • 즉, 사용자가 많아질수록 네트워크에 부담이 커지는 것이 아니라, 오히려 서로 도와서 네트워크의 효율성이 높아진다.
  • 예를 들어, 파일 공유 application에서는 각 peer들이 파일을 요구하여 작업 부하가 생기지만, 각 Peer들은 파일을 다른 Peer들에게 분배하여 시스템에 서비스 능력을 갖춘다.
• data center 등이 필요 없으므로 비용이 효율적이다.

👩🏻‍💻 2.1.2 프로세스 간 통신

실제 통신하는 것은 프로그램이 아니라, 실행되고 있는 프로그램인 process이다.

• 같은 host 범위 내에서, 두개의 process들은 IPC를 사용해 communication 한다.
  • Inter-process-communication : 두 개 이상의 프로세스가 데이터를 주고받는 방법
• 다른 host 범위 내에서는 exchanging messages를 통해 소통한다.
• 2개의 종단 시스템에서 프로세스는 컴퓨터 네트워크를 통한 메시지 교환으로 서로 통신한다.
• P2P 구조에서처럼 Client도 서버 프로세스가 될 수 있고, 서버도 client process가 될 수 있다.
• 송신 프로세스 : 메시지를 만들어서 보냄
• 수신 프로세스 : 메시지를 받고 역으로 메시지를 보냄으로써 응답

Client, Server process

• client process : process that initiates communication
  • 요청을 보내는 쪽의 프로세스
• server process : process that waits to be contacted
  • 요청을 받는 쪽의 프로세스

Socket

process는 socket을 통해 네트워크로 메시지를 보내고 받는다. (문 같은 개념)

• 호스트의 application 계층과 transport 계층간의 인터페이스이다.
• 애플리케이션 개발자는 소켓의 application 계층에 대한 모든 통제권을 갖지만, 소켓의 transport 계층에 대한 통제권은 거의 갖지 못한다.
  • transport protocol을 선택
  • 최대 버퍼와 최대 세그먼트 크기 같은 약간의 매개변수 설정
• sending process shoves message out door - 전송 프로세스는 메시지를 밖으로 밀어낸다.
• Application과 network 사이의 API라고도 한다.

Addressing processes

프로세스가 수행되고 있는 다른 패킷으로 프로세스를 보내기 위해서는 수신 프로세스가 주소를 갖고 있어야 한다. 수신 프로세스를 식별하기 위해서는 두 가지 정보가 필요하다.

Identifier는 IP주소와 port number를 갖는다.

1. 호스트의 주소 즉, IP 주소가 필요하다.
   1. IP 주소가 identifier가 된다.
2. 호스트 내의 수신 프로세스를 명시하는 식별자. 즉 port 번호가 필요하다.
   1. 이 port 번호로 내 process를 특정할 수 있다.
   2. 같은 IP 주소를 가진 여러 application이나 process가 동시에 수행될 수 있기 때문에 port 번호로 구분한다.

• IP를 통해 적절한 computer를 찾는다.

👩🏻‍💻 2.1.3 An Application-layer protocol defines

application 개발자는 소켓의 application 계층에 대한 모든 통제권을 갖지만, 소켓의 transport 계층에 대한 통제권은 거의 갖지 못한다. 즉, 여기에서는 그 중 애플리케이션이 어떤 transport service를 이용할 수 있는지에 대한 내용이다.

1. Data integrity
   1. 손실되지 않는 data를 전송
2. throughput
   1. 다른 session들이 network 경로를 따라 대역폭을 공유하고, 이 세션들이 생겼다 없어졌다 하기 때문에 가능한 처리율은 시간에 따라 변한다. 이는 어느 명시된 속도에서 보장된 가용 처리율을 제공한다.
   2. 이러한 처리율 요구사항 여부를 기준으로 두 가지로 나뉜다.
      1. effective app : 처리율 요구사항이 있는 민감 application
      2. elastic app : 탄력적 application. 처리율 요구사항이 없다.
3. timing
   1. 예를 들어, 송신기가 socket으로 내보내는 모든 bit가 수신자의 socket에 100ms 내에 도착하게 할 수 있다. 주로 실시간 application에서 사용한다.
4. security
   1. data를 암호화 할 수 있다.

Internet transport protocols services

인터넷 전송 프로토콜이 제공하는 서비스

1. TCP 서비스
2. UDP 서비스

TCP service

• reliable transport
• 서로 전송 제어 정보를 교환하게 한다.

UDP service

• unreliable data transefer
• hand shaking 과정이 없고, 데이터가 전달되는 것을 보장하지 않는다.

TCP vs. UDP

• TCP가 UDP보다 더 유용하지만, UDP는 더 빠르다.
• 둘 다 처리율 혹은 시간 보장 서비스를 제공하지 않는다.
  • 그래서 시간 민감 애플리케이션 같은 경우, 이러한 처리율 및 시간 지연에 잘 대처할 수 있도록 설계되어 있다.

👩🏻‍💻 2.1.5 Application layer: Protocol

다른 종단 시스템에서 실행되는 애플리케이션의 프로세스가 서로 메시지 보내는 방법을 정의한다.

• 교환 메시지의 타입
• 여러 메시지 타입의 문법(syntax)
• 필드의 의미, 즉 필드에 있는 정보의 의미(semantics)
• 언제, 어떻게 프로세스가 메시지를 전송하고 메시지에 응답 하는지를 결정하는 규칙

1.2 Network edge: hosts, access network, physical media

Network edge

• hosts : Clients and servers
• servers often in data centers
• 인터넷 구성 요소 중 하나인데, 사용자가 인터넷에 연결하는 부분을 의미한다.
• ex) 스마트폰, 컴퓨터, 태블릿 등 주로 end system으로 불린다.

Q. 어떻게 host가 internet에 connection 하는가?

• Wifi, LTE, Desktop, LAN 같은 것들을 사용한다. 이들은 network를 call하고, access network를 한다.
• access network : access network 함으로써 network core에 접근할 수 있다.
• 이를 통해 user can access to the internet

Network core

ISP에 의해 operate 된다. (like KT, LGU+, SK 등)

데이터 전송을 담당한다.

• interconnected routers (forward packet to the destination)
• network of networks
• internet의 중심부 역할을 한다. 데이터를 빠르고 효율적으로 전달하는 경로를 제공함.

주요 access network의 유형

1. DSL
   1. 전화선을 이용해 인터넷에 접속하는 방식
   2. 각 가정의 DSL 모뎀이 전화 신호와 데이터를 분리해 인터넷으로 전달함.
2. Cable network
   1. Cable 모뎀을 통해 인터넷 접속이 이루어짐
3. FTTH
   1. 광케이블을 사용해 매우 빠른 속도로 데이터를 전송함.
4. 5G
   1. 5G 네트워크를 사용하여 데이터를 무선으로 주고 받는 방식.
   2. 광케이블 대신 고속 무선 신호로 데이터를 전송한다.
5. Ethernet and Wifi
   1. 로컬 네트워크(LAN) 방식으로, 이더넷 케이블을 통해 유선으로 연결되거나 Wifi를 통해 무선으로 연결된다.

Links : physical media

• How to connect end systems to edge router?
  • residential access ents to connect to internet
  • institutional access networks (school, company)
  • mobile access networks (Wifi, 4G/5G)
• transmission rate
• shared or dedicated access among users?
  • type인데, shared인지 dedicated인지

물리적 매체는 데이터를 송수신 하는데 사용되는 유도 매체(Guided Media)와 비유도 매체(Unguided Media)로 구분된다.

유도 매체 (guided media- wired)

👉🏻 꼬임선 (Twisted Pair Copper Wire)

전화 및 LAN 연결에 주로 사용된다. 저렴하고 보편적으로 사용 되는 매체이며, 가정용 인터넷 접속과 회사 내부 네트워크에서 많이 사용된다.

👉🏻 동축 케이블 (Coaxial Cable)

케이블 TV 및 인터넷 네트워크에서 사용된다. 높은 데이터 전송률을 제공한다.

👉🏻 광섬유 (Fiber Optics)

빛을 사용해 데이터를 전송하는 방식으로, 장거리 전송에 주로 사용되며, 데이터 전송 속도가 매우 빠르다.

비유도 매체 (unguided media - wireless)

👉🏻 무선 전파 (Terrestrial Radio Channels)

Wifi, 모바일 네트워크와 같은 무선 통신에서 사용된다. 물리적인 케이블 없이 전파를 통해 데이터를 전송한다.

👉🏻 위성 (Satellite Channels)

지구 궤도의 위성을 통해 데이터를 전송하는 방식으로 원거리 지역에서의 인터넷 접속에 주로 사용된다.

🔗 Access networks : cable-based access

서로 공유(shared)하므로, 사용자가 많으면 아주 속도가 느려질 수 있다.

• 동축(coasial) cable로, wireless보다 stable하다.
• FDM (frequency division multiplexing) : different channels transmitted in different frequency bands
  • down stream, upstream channel 모두 공유가 되기 때문에 FDM 프로토콜은 전송을 조정하고 충돌을 피하기 위해 필요하다.
• splitter : it can transfer internet data packet to the cable modem.
  • cable modem converts the analog → digital
• CMTS : Cable Modem Termination System
  • 많은 다운스트림 가정에 있는 케이블 모뎀으로부터 송신된 아날로그 신호를 다시 디지털 포맷으로 변환하는 역할
  • 즉, DSL 네트워크의 DSLAM과 유사한 기능을 함
• HFC : hybrid fiber coax
  • asymmetric (비대칭) : downstream이 upstream보다 훨씬 BPS가 크다. 사용자가 internet에서 뭔가를 download 받을 때, 많은 사용자가 원하기 때문이다.

🔗 Access networks : digital subscriber line (DSL)

dedicated line으로, 다른 것들과 shared하지 않는다.

• DSLAM (Digital Subscriber Line Access Multiplexer)
  • 수백-수천개의 가정들이 DSLAM에 연결된다.
    1. data와 전화 신호를 분리
    2. data를 인터넷으로 송신
• Splitter
  • 가정쪽에 존재한다.
    • 가정에 도착하면 데이터와 전화 신호를 분리한다.
    • data 신호를 DSL모뎀으로 전송한다.
• DSL vs DSLAM
  • DSL 모뎀은 사용자 집에서 인터넷에 연결되는 문이고, DSLAM은 이 문들을 모아서 중앙 네트워크로 연결하는 대형 분기점

🔗 Access networks : fiber to the home (FTTH)

1. 각 가정은 ONT(Optical Network Terminator)을 가지고 있으며, 이는 지정된 광섬유로 이웃 splitter에 연결된다.
2. Splitter(Optical splitter)는 여러 가정을 하나의 공유 광섬유로 결합, 이를 텔코의 Central Office에 있는 OLT(Optimal Line Terminal)에 연결한다.
3. OLT는 광신호와 전기신호 간의 변환을 제공, 이는 텔코 라우터를 통해 인터넷에 연결된다.

🔗 Access networks : home networks

1. we have to subscribe telecommunication operation like KT, LGU+
2. From the telecommunication operator to home, we can install the various access of internet like DSL, FTTH
3. From the modem at our home, we can construct the various home networks

🔗 Access networks : wireless access networks

Shared wireless access network connects end system to router

Wireless local area networks(WLANS)

• 가능한 distance가 제한돼 있다.
• IEEE 802.11 b/g/n/ac/ax (Wifi)

Wide-area cellular access networks

• local area network보다 coverage가 훨씬 넓다.

Wireless local area vs. Wide-area

Mobility : cellular는 mobility를 허용한다.

🔗 Access networks : enterprise networks

대규모 조직에서 다양한 부서, 위치를 연결하여 데이터와 리소스를 안전하게 공유, 관리한다.

• mix of wired, wireless

주요 개념

• 인터넷은 수십억 대의 디바이스가 연결된 네트워크로, 데이터를 패킷 단위로 나누어 전송함.
• 라우터 데이터를 전달하는 중요한 장치. 데이터가 어디로 가야 하는지를 결정.
• 패킷 스위칭은 데이터를 작은 패킷으로 나누어 독립적으로 전송하는 방식이며, 네트워크의 효율성을 높임.
• 프로토콜은 데이터를 주고받을 때의 규칙과 행동을 정의하며, 네트워크 통신의 핵심임.