[1%의 네트워크 원리] 프로토콜 스택의 내부 구성

안녕하세요🐶

이번 주말에 저는 선물 받은 조엘 온 소프트웨어 라는 책을 읽었습니다.

책 내용 중 '허술한 추상화의 법칙' 이라는 주제에 대해 보게 되었는데,

작가가 추상화의 예로 TCP 와 IP 를 들었습니다.

 

안정적인 통신을 보장하는 TCP 는 사실 불안정한 IP 를 기반으로 이루어지며,

이것이 바로 추상화의 마법 🧙‍♀️ 이라고 설명합니다.

( 실제 내용은 추상화를 옹호하려는 취지의 글은 아닙니다. )

 

흥미로운 부분이기도 했고, 오랜만에 네트워크 개념도 복습할 겸 리마인드 하는 마음으로

당분간 해당 부분을 다시 정리해볼까 합니다 :)

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구성 요소를 중심으로 관심 있는 부분 살펴보기

애플리케이션 영역에는 네트워크 애플리케이션과 소켓 라이브러리가 있다.

윗 부분이 아랫부분의 기능을 사용하여 목적을 달성하는 것이 보통의 흐름이며, 흐름의 역전이 있는 경우도 있다.

네트워크 애플리케이션은 소켓 라이브러리의 기능을 사용해 프로토콜 스택에 데이터 송수신을 요청한다.

소켓 라이브러리에는 리졸버가 내장되어있는데, DNS 서버에 조회 동작을 수행한다.

해당 동작은 호스트 네임을 가지고 실제 IP 주소를 찾는 과정이다.

 

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프로토콜 스택

 

OS 영역에는 프로로콜 스택이 있는데, TCP 와 UDP 그리고 아래 계층에 IP 가 존재한다.

네트워크 애플리케이션은 데이터의 송수신을 위해 TCP 혹은 UDP 를 사용한다.

두 프로토콜은 차이점이 있으며, 다음 장에서 자세하게 설명한다.

 

일반적인 애플리케이션은 TCP 를 사용해 데이터 송수신을 한다.

UDP 는 DNS 서버에 대한 조회 등의 짧은 제어용 데이터 송수신에 사용한다.

이 때 스트리밍 서비스는 UDP 를 활용하는 것으로 알고 있는데, 이 부분이 언급되면 자세히 다루어본다.

 

IP 프로토콜은 패킷 송수신 동작을 제어하는 역할을 한다.

패킷이란 송수신 데이터의 조각이며, 네트워크 통신에서 데이터는 패킷이라는 조각으로 나뉘어 보내진다.

IP 프로토콜은 패킷을 통신 상대까지 운반하는 것이 주 역할이다.

IP 프로토콜은 또한 ICMP 와 ARP 라는 프로토콜을 포함하는데,

각각 ICMP 는 패킷 운반 시 발생하는 오류를 통지하거나, 제어용 메시지를 통지하는 역할을 한다.

ARP 는 IP 주소에 대응하는 이더넷의 MAC 주소를 조사할 때 사용한다. (이전 글 참고)

 

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소켓의 실체

소켓은 대체 무엇인가?

원래 소켓은 개념적인 것이다.

그런데 물리적으로 가리켜도 무리가 없는 영역이 존재한다.

아래와 같다.

프로토콜 스택은 내부에 제어정보를 기록하는 메모리 영역을 가지고 있다.
이 영역 내부에서 통신 동작을 제어하기 위한 제어 정보도 관리하는데, 이것을 소켓이라고 부른다.

 

이 제어 정보에는 통신 상대의 IP 주소, 포트 번호, 통신 동작의 진행 상태등이 포함된다.

또한 재송신을 위해 기록해야하는 응답 여부, 송신 동작후 경과 시간등도 포함된다.

 

즉, 소켓에는 통신동작을 제어하기 위한 여러가지 제어 정보가 기록되어 있다.

프로토콜 스택은 소켓 (제어 정보) 을 참조하여 데이터 송수신 동작을 결정한다.

sudo lsof -P -i 명령어의 결과

 

위 사진에서 한 행이 하나의 소켓에 해당한다.

'소켓을 만든다' 는 동작은 여기에 한 행의 제어 정보를 추가하고 ( 이것 외에도 다수의 정보가 기록되어 있다 )

송수신 데이터를 일시적으로 저장하는 버퍼 메모리를 준비하는 등의 통신을 준비한다.

 

netstat -an 명령어의 결과

 

TCP/IP 프로토콜을 사용하여 데이터 송수신을 하는 경우에는 TCP 와 UDP 중 하나를 사용한다.

UDP 프로토콜은 소켓을 상대측의 주소나 포트와 연결하지 않는다. 따라서 상대방 주소가 *:* 임을 확인할 수 있다.

ESTABLISHED : 접속 동작이 끝나고 데이터가 통신 중인지를 나타냄

LISTEN: 상대의 접속을 기다리고 있는 상태임을 나타냄

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Socket 라이브러리를 호출했을 때의 동작

소켓을 생성한다.

네트워크 어플리케이션이 소켓을 만들 것을 의뢰하면 프로토콜 스택은 한 개의 소켓을 만든다.

의뢰를 받은 프로토콜 스택은 우선 소켓 한개를 위한 메모리 영역을 확보한다.

확보한 메모리 영역에 통신 제어 정보를 기록한다.

 

이 때 소켓은 작성된 직후이기 때문에 데이터 송수신 동작이 시작되지 않은 초기 상태이다.
이 초기 상태 제어 정보를 소켓의 메모리 영역에 기록한다.

 

소켓이 만들어지면, 프로토콜 스택은 네트워크 애플리케이션에 소켓을 식별할 수 있는 디스크립터를 알려준다.

애플리케이션은 이후 데이터 송수신 동작을 프로토콜 스택에 의뢰할 때, 이 디스크립터 정보도 함께 전달한다.

왜 그럴까? 프로토콜 스택은 소켓을 참조하여 데이터 송수신 동작을 결정하기 때문이다.

이렇게 소켓의 디스크립터만 전달하면 애플리케이션은 일일이 제어 정보를 프로토콜 스택에 알려줄 필요가 없어진다.

 

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오늘도 나는 성장했다!!🔥

 

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