컴퓨터 네트워크: 해설이 있는 연습 문제

1컴퓨터 네트워크란 무엇인가

네트워크는 데이터를 주고받는 기기의 모임입니다: 노트북, 휴대전화, 서버, 프린터. 그 안의 기기를 호스트라고 합니다.

한 건물이나 캠퍼스 안의 네트워크는 LAN(근거리 통신망)입니다. 도시나 나라를 가로지르는 네트워크는 WAN(광역 통신망)입니다. 인터넷은 수백만 개의 네트워크를 연결합니다.

데이터는 하나의 긴 흐름으로 이동하지 않습니다. 패킷이라는 작은 조각으로 잘리고, 각 패킷이 자기 길을 찾아 목적지로 갑니다.

기기들은 같은 규칙을 따라야만 서로를 이해할 수 있습니다. 메시지의 형식과 순서에 관한 그런 규칙의 집합이 프로토콜입니다. TCP, IP, HTTP는 프로토콜입니다.

대부분의 서비스는 클라이언트–서버 모델을 따릅니다. 브라우저 같은 클라이언트가 요청을 보내면 서버가 답을 돌려보냅니다.

두 낱말이 연결이 얼마나 빠른지를 설명합니다. 대역폭은 최대 데이터 전송률로, 예를 들어 100 Mbit/s입니다. 지연 시간은 데이터가 도착하기까지의 지연으로 밀리초로 잽니다.

2계층과 캡슐화

네트워킹은 계층으로 나뉩니다. 각 계층은 문제 하나를 풀고 아래 계층을 이용합니다. OSI 모델은 7계층이고, 인터넷에서 쓰는 TCP/IP 모델은 이를 4개 또는 5개로 묶습니다.

• 1 물리: 케이블과 공기를 통해 전기, 빛, 전파 신호로 원시 비트를 보냅니다.
• 2 데이터 링크: MAC 주소를 이용해 같은 근거리 네트워크의 기기 사이로 프레임을 전달합니다. 이더넷과 Wi-Fi가 여기에 있습니다.
• 3 네트워크: IP 주소를 이용해 네트워크를 가로질러 패킷을 전달합니다. 라우터가 여기서 작동합니다.
• 4 전송: 포트 번호를 이용해 프로그램 사이로 데이터를 전달합니다. TCP는 세그먼트를, UDP는 데이터그램을 보냅니다.
• 5–7 세션, 표현, 응용: 웹의 HTTP, 이름의 DNS, 이메일의 SMTP처럼 사람들이 쓰는 서비스.

데이터를 보낼 때 각 계층은 위 계층에서 온 데이터 앞에 자기 헤더를 붙입니다. 이것이 캡슐화입니다. 수신자는 헤더를 반대 순서로 제거합니다.

TCP는 먼저 연결을 맺습니다(SYN, SYN-ACK, ACK의 3-way 핸드셰이크). 데이터에 번호를 붙이고, 확인 응답을 기다리며, 손실된 것을 다시 보냅니다. 신뢰할 수 있고 순서가 보장됩니다.

UDP는 연결 없이, 재전송 없이 보냅니다. 더 빠르며, 패킷 손실보다 지연이 더 중요한 곳에 쓰입니다: 실시간 영상, 게임, 짧은 DNS 질의.

3주소, 장비, 보조 프로토콜

세 종류의 주소가 계층마다 하나씩 함께 작동합니다.

• MAC 주소(2계층): 네트워크 카드의 48비트 하드웨어 주소. 근거리 네트워크 안에서만 쓰입니다.
• IP 주소(3계층): IPv4 주소는 32비트, IPv6 주소는 128비트입니다. 호스트가 인터넷 어디에 있는지 알려 줍니다.
• 포트 번호(4계층): 호스트의 프로그램을 고릅니다. 잘 알려진 포트는 0부터 1023까지입니다: HTTP 80, HTTPS 443, SSH 22, DNS 53, SMTP 25.

장비도 같은 계층을 따릅니다. 허브(1계층)는 모든 신호를 모든 포트에 복사합니다. 스위치(2계층)는 프레임을 목적지 MAC 주소의 포트로만 보냅니다. 라우터(3계층)는 네트워크 사이로 패킷을 전달합니다.

몇몇 보조 프로토콜이 이를 작동시킵니다.

• DHCP는 호스트가 네트워크에 들어올 때 IP 주소, 마스크, 기본 게이트웨이, DNS 서버를 줍니다.
• DNS는 example.com 같은 이름을 IP 주소로 바꿉니다. 전화번호부와 같습니다.
• ARP는 근거리 네트워크에서 IP 주소에 속한 MAC 주소를 찾습니다.
• ICMP는 오류와 테스트 메시지를 나릅니다. ping 명령은 ICMP 에코 요청을 씁니다.
• NAT는 사설 주소(10.x, 172.16–31.x, 192.168.x)를 가진 많은 기기가 하나의 공인 주소를 공유하게 합니다.

기본 게이트웨이는 목적지가 자기 서브넷 밖일 때 호스트가 모든 패킷을 보내는 라우터입니다.

4단계별 방법

정의에서 문제 해결 사례까지 대부분의 문제는 같은 단계로 답할 수 있습니다.

1. 계층을 찾으세요. 문제가 신호, 프레임과 MAC 주소, 패킷과 IP 주소, 포트와 연결, 응용 중 무엇에 관한 것인가?
2. 그 계층에서 작동하는 장비나 프로토콜의 이름을 말하세요: 허브, 스위치, 라우터. 이더넷, IP, TCP, UDP. DNS, DHCP, HTTP.
3. 장애에서는 여전히 작동하는 것과 실패하는 것을 나열하세요. 작동하는 것은 그 아래의 모든 계층이 정상임을 증명합니다.
4. 실패하는 모든 것을 설명할 수 있는 가장 낮은 계층을 찾으세요. 그것이 가장 가능성 높은 원인입니다.
5. 답을 문제의 다른 사실에 비추어 확인하세요. 모든 사실을 설명해야 합니다.

짧은 계산에서는 전송 지연이 패킷 크기를 링크 속도로 나눈 값이고, 전파 지연이 거리를 신호 속도로 나눈 값입니다.

5풀이 예제

모든 단계를 따라가 보세요. 다음 단계를 열기 전에 미리 예측해 보세요.

6흔한 실수

• DNS와 DHCP를 혼동하는 것. DNS는 이름을 주소로 바꾸고, DHCP는 주소를 나눠 줍니다.
• 스위치와 라우터를 혼동하는 것. 스위치는 한 네트워크 안에서 MAC 주소를 쓰고, 라우터는 네트워크 사이에서 IP 주소를 씁니다.
• UDP를 “나쁜 TCP”로 생각하는 것. 손실된 데이터의 재전송보다 낮은 지연이 중요할 때 일부러 선택합니다.
• 대역폭(용량)과 지연 시간(지연)을 혼동하는 것.
• 포트 번호를 네트워크 계층에 두는 것. 포트는 전송 계층에, IP 주소는 네트워크 계층에 속합니다.
• 기본 게이트웨이를 잊는 것. 없으면 호스트는 자기 서브넷에는 닿지만 그 너머에는 닿지 못합니다.

7시험 문제의 유형

• 쉬움: 핵심 용어와 사실. OSI 계층의 수, DNS나 DHCP가 하는 일, 기본 포트 번호, IPv4 주소의 크기.
• 보통: 개념 적용. 장비가 속한 계층, 프로토콜을 고르는 이유, ARP, NAT, TCP 핸드셰이크가 하는 일, 간단한 서브넷과 지연 계산.
• 어려움: 사례와 분석. 문제 해결 시나리오, 손실과 혼잡에서의 TCP 동작, 라우팅 프로토콜, ARP 스푸핑이나 SYN 플러드 같은 공격, TLS.

모든 문제에는 선택지가 네 개 있습니다. 먼저 잘못된 계층에 속한 선택지를 지우세요. 하나만 남는 경우가 많습니다.