[네트워크] 애플리케이션 계층(3) - 애플리케이션이 이용 가능한 트랜스포트 서비스(TCP, UDP)

 

서론

[네트워크] 애플리케이션 계층(2) - 프로세스 간 통신(소켓)

이전 게시글에서 소켓이 애플리케이션 프로세스와 트랜스포트 프로토콜 간의 인터페이스라는 것을 떠올릴 수 있습니다. 송신 측의 애플리케이션은 그 소켓을 통해 메시지를 보내고 소켓의 반대편에서 트랜스포트 프로토콜은 네트워크를 통해 그 메시지를 수신 프로세스의 소켓으로 이동시키는 책임을 가지고 있습니다. 

인터넷을 포함해서 많은 네트워크들은 하나 이상의 트랜스포트 프로토콜을 제공합니다. 프로토콜에는 UDP와 TCP가 있고 이들이 제공하는 서비스들은 넓은 범위에서 신뢰적 데이터 전송, 처리율, 시간, 그리고 보안이라는 네 가지 차원의 분류가 있습니다. 

이번 게시글에서는 아직 애플리케이션 계층이기 때문에 트랜스포트 포토콜의 종류와 이들이 제공하는 서비스들에 대해 간략하게 개념만 한번 정리해 보겠습니다. 

목차
1. 신뢰적 데이터 전송
2. 처리량
3. 시간
4. 보안
5. TCP 와 UDP

 

신뢰적 데이터 전송

[네트워크] 큐잉 지연과 패킷 손실

이전에 설명 했던 것처럼 패킷들은 컴퓨터 네트워크 내에서 손실될 수 있습니다.

• 예를 들어, 패킷은 라우터의 버퍼에서 오버플로우(overflow)되거나, 패킷의 비트가 잘못되면 호스트 혹은 라우터에 의해 버려질 수 있습니다.
• 전자메일, 파일 전송, 원격 호스트 접속, 웹 문서 전송 및 재무 애플리케이션 같은 경우 데이터 손실은 위험한 결과를 가져올 수 있습니다.
• 따라서 이들 애플리케이션을 지원하기 위해 한 애플리케이션이 보낸 데이터가 올바르고 완전히 다른 애플리케이션에 전달되도록 보장하기 위해 무엇인가 조치를 취해야 합니다.

 만약에 프로토콜이 보장된 데이터 전송 서비스를 제고한다면 이를 신뢰적 데이터 전송을 제공한다고 합니다. 트랜스포트 계층 프로토콜이 애플리케이션에 제공할 수 있는 한 가지 중요한 서비스는 프로세스 간 신뢰적 데이터 전송입니다. 트랜스포트 프로토콜이 이 서비스를 제공할 때, 송신 프로세스는 데이터를 소켓으로 보내고 그 데이터가 오류 없이 수신 프로세스에 도착할 것이라는 확실을 갖습니다.

 트랜스포트 계층 프로토콜이 신뢰적 데이터 전송을 제공하지 않을 때, 송신 프로세스가 보낸 데이터는 수신 프로세스에 전혀 도착하지 않을 수 있습니다. 어느 정도 데이터 손실을 참아 낼 수 있는 실시간 오디오/비디오 혹은 저장 오디오/비디오와 같은 멀티미디어 애플리케이션에서 손실 데이터는 플레이되는 오디오/비디오의 품질에 약간의 영향을 미칠 수 있습니다.

 

처리량

아래 게시글에서 가용한 처리율의 개념을 정리한 적이 있습니다. 

[네트워크] 네트워크에서의 처리율

처리율은 네트워크 경로를 따라 두 프로세스 간의 통신 세션에서 송신 프로세스가 수신 프로세스로 비트를 전달할 수 있는 비율을 나타냅니다.

• 다른 세션들이 네트워크 경로를 따라 대역폭을 공유하고, 이 세션들이 생겼다 없어졌다 하기 때문에 가용한 처리율은 시간에 따라 변동합니다.
• 이러한 관찰은 트랜스포트 프로토콜이 제공할 수 있는 다른 자연적인 서비스, 즉 어느 명시된 속도에서 보장된 가용 처리율을 제공한다는 것을 알 수 있습니다.
• 그러한 서비스로 애플리케이션은 r bits/sec의 보장된 처리율을 요구할 수 있고 트랜스포트 프로토콜은 가용한 처리율이 항상 적어도 r bps임을 보장합니다. 

애플리케이션 종류	의미	사용
대역폭 민감 애플리케이션(bandwidth-senstive application)	처리율의 요구 사항을 가진다.	인터넷 전화, 실시간 멀티미디어
탄력적 애플리케이션 (eleastic apllication)	특정 처리율을 가지지 않는다. 처리율을 많으면 많은대로, 적으면 적은대로 이용함	전자메일, 파일 전송, 웹 전송

 

시간

트랜스포트 계층 프로토콜은 시간 보장(timing guarantee)을 제공할 수 있습니다.

• 처리율 보장과 마찬가지로 시간 보장은 여러 가지 형태로 나타납니다.
• 한 가지 예는 송신자가 소켓으로 내보내는 모든 비트가 수신자의 소켓에 100 msec 내에 도착하도록 하는 것입니다.
• 이러한 서비스는 인터넷 전화, 가상 환경, 원격회의, 멀티플레이 게임과 같은 상호 작용 실시간 애플리케이션이 주로 이용합니다. 

 

보안

트랜스포트 프로토콜은 애플리케이션에 하나 이상의 보안 서비스를 제공할 수 있습니다.

• 예를 들어, 송신 호스트에서 트랜스포트 프로토콜은 송신 프로세스가 전송하는 모든 데이터를 암호화할 수 있고 수신 호스트에서 트랜스포트 프로토콜은 그 데이터를 수신 프로세스로 전달하기 전에 데이터의 암호를 해독할 수 있습니다.
• 이러한 서비스는 데이터가 송신과 수신 프로세스 사이에서 어느 정도 유출이 된다 하더라도 두 프로세스 사이에 비밀성을 제공합니다.
• 또한 트랜스포트 프로토콜은 비밀성 외에도 다른 보안 서비스를 제공하는데 데이터 무결성과 종단 인증 등이 포함됩니다.

 

TCP와 UDP

이전까지 위에서 컴퓨터 네트워크가 일반적으로 제공할 수 있는 트랜스포트 서비스를 살펴보았습니다. 이제 조금 더 세부적으로 인터넷이 제공하는 애플리케이션 지원 유형을 한번 살펴보겠습니다. 인터넷은 UDP(User Datagram Protocol)와 TCP(Transmission Controller Protocol)를 제공합니다. 만약 개발자가 새로운 인터넷 애플리케이션을 만들 때 첫 번째 결정해야 하는 것 중 하나는 UDP 혹은 TCP 중 어느 것을 사용할지를 결정 하는 것입니다. 

아래 이미지는 선택된 몇 가지 애플리케이션의 서비스 요구사항을 보여주고 있습니다.

다양한 네트워크 애플리케이션의 요구 사항

 

TCP 서비스 

 TCP 서비스 모델은 연결지향형 서비스와 신뢰적인 데이터 전송 서비스를 포함합니다. 애플리케이션이 TCP 전송 프로토콜을 사용하면, 애플리케이션은 TCP로부터 이 두 가지 서비스를 받습니다.

서비스 종류	과정
연결지향형 서비스	1. 애플리케이션 계층 메시지를 전송하기 전에 TCP는 클라이언트와 서버가 서로 전송 제어 정보를 교환하도록 한다.  2. 이 핸드셰이킹 과정이 클라이언트와 서버에 패킷이 곧 도착할 것이니 준비하라고 알려주는 역할을 한다.  3. 핸드 셰이킹 단계를 지나면, TCP 연결이 두 프로세스의 소켓 사이에 존재한다고 얘기한다.  4. 이 연결은 두 프로세스가 서로에게 동시에 메시지를 보낼 수 있기에 전이중(full-duplex) 연결이라고 한다.  5. 애플리케이션이 메시지 전송을 마치면 연결을 끊는다.
신뢰적 데이터 전송 서비스	1. 통신 프로세스는 모든 데이터를 오류 없이 올바른 순서로 전달하기 위해 TCP에 의존한다.  2. TCP는 애플리케이션의 한쪽이 바이트 스트림을 소켓으로 전달하면 그 바이트 스트림을 손실하거나 중복되지 않게 수신 소켓으로 전달한다.

 또한 TCP는 혼잡제어 방식, 즉 통신하는 프로세스의 직접 이득보다는 인터넷의 전체 성능 향상을 위한 서비스를 포함합니다. TCP 혼잡 제어 방식은 네트워크가 혼잡상태에 이르면 프로세스(클라이언트 또는 서버) 속도를 낮춥니다. 특히 TCP 혼잡 제어는 각 TCP 연결이 네트워크 대역폭을 공평하게 공유할 수 있게끔 제한하려고 시도합니다.

UDP 서비스

UDP는 최소의 서비스 모델을 가진 간단한 전송 프로토콜 입니다.

• UDP는 비 연결형이므로 두 프로세스가 통신을 하기 전에 핸드셰이킹을 하지 않습니다.
• UDP는 비신뢰적인 데이터 전송 서비스를 제공합니다.
• 즉, 하나의 프로세스가 UDP 소켓으로 메시지를 보내면, UDP는 그 메시지가 수신 소켓에 도착하는 것을 보장하지 않습니다.
• 게다가 수신 소켓에 도착하는 메시지들의 순서가 뒤바뀔 수도 있습니다.

 반면에 UDP는 혼잡제어 방식을 포함하지 않습니다. 따라서 UDP의 송신 측은 데이터를 원하는 속도로 하위 계층(네트워크 계층)으로 보낼 수 있습니다.

SSL(보안 TCP)

TCP나 UDP는 암호화를 제공하지 않습니다. 송신 프로세스가 소켓으로 보내는 데이터는 목적지 프로세스까지 네트워크상으로 흐르는 데이터와 동일합니다.

예를 들어, 송신 프로세스가 평문의 비밀번호를 소켓으로 보내면 그 평문의 비밀번호는 송신자와 수신자 사이의 모든 링크로 흘러가게 되는데 이때 중간의 어떠한 링크에서나 탐지되고 발견될 가능성이 있습니다.

사생활과 다른 보안 문제가 많은 애플리케이션에서 중요하게 대두되었기 때문에 인터넷 커뮤니티는 TCP를 강화한 SSL(Secure Sockets Layer)을 개발하였습니다.

• SSL로 강화된 TCP는 전통적인 TCP가 하는 모든 것을 할 뿐만 아니라 암호화, 데이터 무결성 그리고 종단 인증을 포함하는 중요한 프로세스 대 프로세스 보안 서비스를 제공합니다.
• SSL은 TCP 그리고 UDP와 같은 트랜스포트 프로토콜이 아니라 애플리케이션 계층에서 구현된 TCP를 강화한 것입니다.
• 특히, 애플리케이션이 SSL 서비스를 이용하고자 한다면, 애플리케이션의 클라이언트와 서버 측 모두에 SSL 코드를 포함해야 합니다.
• SSL은 전통적인 TCP 소켓 API와 유사한 자신의 소켓 API를 갖고 있습니다.
• 애플리케이션이 SSL을 사용할 때 송신 프로세스는 평문 데이터를 SSL 소켓에 전달합니다. 그러면 송신 호스트에 있는 SSL은 데이터를 암호화하고 암호화된 데이터를 TCP 소켓으로 전달합니다.
• 암호화된 데이터는 수신 프로세스에 있는 TCP 소켓까지 인터넷을 타고 전달됩니다.
• 수신 소켓은 암호화된 데이터를 SSL로 전달하고, 이 SSL은 데이터의 암호를 풉니다.
• 마지막으로 SSL은 SSL 소켓을 통해 평문 데이터를 수신 프로세스로 전달합니다.

 

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