네트워크 통신 과정 - neteuwokeu tongsin gwajeong

#TODO: 뒤에 브라우저의 렌더링 이어서 쓰기
틀린 부분이 있을 수 있습니다. 지적은 언제든지 환영합니다.

Today I Learned

우리가 브라우저에서 주소창에 URL을 쳤을 때, 어떤 과정을 거쳐 우리에게 웹 페이지를 보여주는지 한 번 살펴보았다.

브라우저의 동작 원리와 통신 과정

브라우저의 동작을 살펴보면 크게 세 가지로 나눌 수 있다.

1. 서버와의 통신
2. DOM 렌더링
3. 스크립트 실행

http 통신 과정

순서대로 http 통신 과정을 우선적으로 살펴보자. 요약하자면, http는 다음 7개 과정으로 간단히 나타낼 수 있다.

1. 주소창에 URL을 입력후 엔터를 치면 URL을 해석
2. DNS를 조회하여 IP 탐색
3. IP를 찾아 해당 IP가 존재하는 서버로 이동
4. ARP(Address Resolution Protocol)을 이용하여 MAC주소로 변환
5. 웹서버와 TCP 연결 시도
6. 서버에 요청을 하고 응답을 반환
7. 연결 종료

1. 주소창에 URL을 입력

우리는 주소창에 https://app.domain.com/path 주소를 친다고 가정하자.
주소를 치고 엔터를 누름과 동시에 통신이 시작된다. 먼저, URL을 해석하는 과정을 거친다. URL은 다음과 같은 구조로 이루어져있다.

http://: 통신에 사용된 프로토콜 (프로토콜은 쉽게 말하면 '규칙'이다.)
domain.com: 서버의 도메인
app: 서버의 서브도메인
path: 요청 경로

2. DNS를 조회하여 IP를 탐색

주소창에 URL을 입력하면, 가장 먼저 URL과 연결된 DNS서버로 이동하여 URL에 할당된 IP 주소를 찾는다. DNS는 Domain name system의 약자로 쉽게 설명하자면 전화번호부와 같다. 호스트의 도메인을 IP로 변환하거나 그 반대의 변환을 수행할 수 있도록 도와준다.
다만 브라우저에 캐시가 남아있다면, DNS 서버에 접근하지 않아 시간을 절약할 수 있다.

3. IP를 찾아 해당 IP가 존재하는 서버로 이동

이때, 정확한 좌표값을 얻기 위하여 기기 고유의 값인 MAC 주소를 활용하여 이동하게 되는데, 이는 아래에서 설명한다. 해당 IP를 찾아 이동하는 과정은 마치 택배를 배달하는 과정과 비슷하다. 여러 라우터를 거쳐서 호스트를 찾게 되는데, 이 과정에서 동적 라우팅 프로토콜이 적용되어 라우팅 테이블에서 현재 경로를 따라 자동으로 경로를 조절하는 과정을 거친다. 인터넷에서 통신 상대가 같은 랜선에 있을 확률은 매우 적기 때문에, 여러 대의 컴퓨터와 네트워크 기기를 중계해서 상대방에게 도착한다. 그렇게 중계하는 동안 다음으로 중계할 곳의 MAC주소를 사용하여 목적지를 찾아가게 된다.
이때, ARP(Address Resolution Protocol)이 사용된다.

4. ARP(Address Resolution Protocol)을 이용하여 MAC주소 반환

ARP(Address Resolution Protocol)이란, 주소 결정 프로토콜로 네트워크 상에서 IP 주소를 물리적 네트워크(MAC)주소로 대응시키기 위해 사용되는 프로토콜이다.

왜 IP주소가 아닌 MAC 주소를 통신을 위해 사용할까?

• IP주소는 컴퓨터 네트워크에서 장치들이 서로 인식하고 통신하기 위해서 사용하는 특수 번호로, '서울특별시 중구 태평로'처럼 규칙에 의해 만들어진 값이므로, 언제든지 변할 수 있는 값이다.
• 반면에 MAC주소는 네트워크 세그먼트 데이터 링크 계층에서 통신을 위한 인터페이스에 할당된 고유 식별자이다. MAC주소는 논리주소인 IP주소와 달리, 고유주소이기 때문에 장치의 실제 위치를 알기 위해서는 MAC주소가 필요하다.

ARP(Address Resolution Protocol)은 수신지의 IP주소를 바탕으로 MAC주소를 조사한다. 즉, 네트워크 내에서 ARP를 브로드캐스팅하면, 해당 IP를 가진 기기가 MAC주소를 반환한다.

5. 웹서버와 TCP 연결 시도

TCP란, Transmission Control Protocol의 약자로 컴퓨터와 데이터 통신을 위한 규약의 일종이다.

클라이언트와 서버가 TCP 연결을 시도하여 성공하면, 통신 준비를 마쳤고 현재 통신이 연결되어 있음을 보장한다. TCP 통신 절차는 3-way handshake 과정을 거친다.

3-way handshake

클라이언트와 서버간 신뢰성 있는 연결을 하기 위하여 3번의 통신 과정을 거친다.
1. SYN(synchronize sequence numbers): 클라이언트가 서버로 임의의 시퀀스 번호를 전달
2. SYN-ACK: 서버는 클라이언트가 서버로 전달한 시퀀스에 1을 더하여 클라이언트로 전달
3. ACK(acknowledgement): 클라이언트는 서버에서 전달해준 시퀀스 + 1하여 다시 서버로 전달

6. 클라이언트가 요청 후, 서버는 응답

클라이언트는 GET, POST, PUT, DELETE 요청을 서버로 요청하면, 서버는 그에 맞는 데이터와 상태를 클라이언트에 응답한다.

7. 통신 종료

TCP 통신을 종료하기 위하여 4-way handshake절차를 거친다.

8. 웹 브라우저가 웹 문서를 출력

여기서부터는 브라우저 렌더링 과정이다.

느낀점

네트워크에 대하여 공부해 본 적이 없어 강의만으로는 이해가 어려워 여러 자료들을 찾아보았는데도 어렵다... 매우 어렵다.. 틀린 부분도 많기 때문에 좀 더 깊게 이해할 때 마다 와서 수정해야겠다.

출처

HTTP 요청 흐름의 이해 (번역)
주소 결정 프로토콜
웹과 네트워크의 기본(TCP/IP)
http 동작 과정

1. 같은 Network 간의 통신일 경우  (A 컴퓨터 ↔ B 컴퓨터)

1. A 컴퓨터는 자신의 ip address 와 mac address 정보를 담아서 Switch 장비에게 B 컴퓨터의 IP를 알려주고 찾아 달라고 요청합니다.

2. 이 요청을 받은 Switch 장비는 해당 ip를 가진 컴퓨터가 자신의 Mac Address Table에 존재하는지 살펴봅니다. 

여기서 알 수 있듯이 Switch 장비가 하는 역할 중 한가지는 IP <-> MAC 변환입니다. 

이런 일을 빨리 하기 위해서 Switch 장비는 ip와 mac 주소를 연결해서 Switch 장비의 메모리에 저장해 두고 요청이 들어올 때마다 이것을 참조해서 즉시 연결해 줍니다. (이 주소들을 메모리에 저장해 두는 곳을 Switching Table이라고 합니다.)

그러나 최초 접속일 경우에는 switching table에는 해당 컴퓨터가 없을 것입니다.

이럴 경우에는 switch 장비는 자신에게 요청한 컴퓨터의 port 를 제외한 나머지 port에 접속되어 있는 모든 컴퓨터에게 B의 ip 주소를 첨부해서 해당 ip 주소를 사용중인 컴퓨터는 응답하라고 메시지를 보냅니다. 이를 Broad-cast라고 합니다.

A를 제외한 모든 컴퓨터들은 이 Broadcast 메시지를 받아서 자신을 찾는 메시지가 아니면 폐기를 하고 대상 컴퓨터인 B 컴퓨터는 자신의 MAC Address를 담아서 Switch 장비에게 답장을 보냅니다.

이렇게 해서 컴퓨터들의 IP Address와 MAC Address를 찾게 되는데 이를 학습(Learning) 한다고 표현합니다.

Switching Table은 Switch 장비의 메모리에 저장되므로 Switch를 재부팅하면 이 Switching Table의 정보는 초기화되어 학습을 다시 해야 합니다.

3. B 컴퓨터의 MAC Address를 찾은 Switch 장비는 A 컴퓨터와 B 컴퓨터 간의 전용 도로를 생성해서 통신이 가능하게 만들어 줍니다. 이를 Switching(스위칭) 이라고 합니다.

Switch와 Dummy Hub의 차이가 바로 이 Switching 기능이 되는가 입니다.

일반 dummy hub은 switching 기능이 되지 않기에 하나의 길을 여러 컴퓨터가 공유해서 사용하게 됩니다. 즉 도로 하나를 양쪽에서 사용해서 한 명이 사용하면 다른 사람은 기다렸다가 사용해야 한다는 뜻입니다. 그래서 속도가 많이 느린데 Switch는 통신 당사자들끼리 전용 도로를 생성해 주는 것으로 빠른 속도를 보장합니다. Switching Hub은 Dummy Hub에 이런 Switching 기능을 포함시킨 것입니다.

2. 다른 네트워크 간의 통신일 경우 (A 컴퓨터 ↔ F 컴퓨터)

1. A 컴퓨터는 자신의 IP Address와 MAC Address 정보를 담아서 Switch에게 F 컴퓨터의 IP를 알려주고 찾아 달라고 요청합니다.

2. 이 요청을 받은 Switch는 학습(Learning) 과정을 거친 후 자신이 담당하는 네트워크에 해당 컴퓨터가 없다는 것을 확인합니다.

그러면 외부로 나가기 위해 자신과 연결되어 있는 Gateway 장비에게 F 컴퓨터의 IP를 알려주고 외부 네트워크에서 해당 IP를 찾아 달라고 부탁을 합니다. 일반적으로 Gateway 역할을 하는 장비를 Router(라우터) 라고 합니다.

3. Switch로부터 요청을 받은 Router는 자신의 Routing Table을 참조해서 해당 Ip를 가진 Router를 찾습니다. 만약 그 IP를 가진 Router가 없을 경우 가장 근접한 Router를 찾아서 다시 부탁하게 됩니다.

이 과정에서 알 수 있듯이 router들끼리는 이웃 router가 어떤 ip들을 찾을 수 있는지 정보를 공유하게 되는 데 이때 사용하는 것이 Routing Protocol입니다.

Router들 끼리는 서로의 정보를 수시로 공유하게 됩니다. 이 과정을 거쳐서 A Network의 Gateway Router가 B Network의 Gateway Router를 찾아가게 되는데 이것을 Routing(길찾기) 라고 합니다.  Routing 과정이 진행되면서 B Network의 Gateway Router에게 A가 요청한 F컴퓨터의 ip address가 전달되고 그 ip address를 받은 router는 B Network의 Switch에게 F 컴퓨터를 찾으라고 합니다. 

위 3번 과정에서 A Network의 Gateway와 B Network의 Gateway 사이에 수많은 Router 장비를 경유해서 길을 찾게 되는데 이를 Hop이라고 하고 많은 Hop을 거칠수록 당연히 속도가 늦어질 확률이 많게 됩니다.

★ 이것만은 기억합시다.

같은 네트워크에 있는 컴퓨터들끼리는 Gateway를 사용하지 않고 통신을 할 수 있지만 다른 네트워크를 찾아갈 경우에는 반드시 Gateway를 통해서 접속해야 한다는 것입니다.