[Network] 프로토콜 스택과 메시지의 송신 과정

🌱 들어가기 전

지난 포스팅까지는 어떻게 도메인으로 IP 주소를 얻어오는지 배웠다.

이번 포스팅에서는 OS 내부에 있는 프로토콜 스택에 어떻게 메시지를 송신하도록 하는지, 그 플로우를 알아볼 예정이다.

 

---

✔️ 데이터의 송-수신은 어떻게 일어날까?

우선 기본적으로 DNS 서버에 IP 주소를 조회했던 것처럼, 이번에도 소켓 라이브러리를 활용한다.

위 그림을 보면, 어떤 파이프 같은 것을 통해서 데이터가 흐르고 있는 것을 볼 수 있다. 실체화된 것은 아니고, 그저 '데이터의 통로'로서 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝까지 파이프를 통해서 데이터가 흐르는 것이다. 

 

여기서 '소켓'이라는 친구가 있는 것을 볼 수 있다. 파이프의 양끝에 존재하는 데이터의 출입구이다.

서버가 소켓을 만들고, 클라이언트에서도 소켓을 만들어서 파이프를 늘려 서버 측에 연결하는 형태이다.

1. 소켓을 만들기 (소켓 작성)
2. 서버 측의 소켓에 파이프 연결 (접속)
3. 데이터 송-수신 
4. 파이프 분리 및 소켓 말소 (연결 종료)

이러한 4가지 과정은 OS 내부의 프로토콜 스택에서 일어난다.

브라우저는 파이프를 연결하거나 데이터를 쏟아붓지 않고, 오직 프로토콜 스택에 의뢰하여 파이프를 연결하거나 데이터를 전송한다.

사실 브라우저는 소켓 라이브버리의 어떠한 프로그램을 호출하는 형태지만, 해당 프로그램에서는 단순히 프로토콜 스택에 전달만 하기 때문에 소켓 라이브러리랑 프로토콜 스택은 하나로 봐도 된다. (다만, 소켓 라이브러리는 그냥 중개자로서 존재하는 것이다.)

 

---

✔️ 소켓 연결 프로세스 알아보기

왼쪽의 부분은 실제로 어떤 식으로 일어나는지 코드인데, socket, connect, write, read, close 같은 메서드를 사용한다.

 

🌱 1. 소켓 작성하기

먼저, socket 메서드를 통해서 소켓을 생성한다.

이때, 반환값으로 '소켓 디스크립터' 라는 것을 보내는데, 이는 소켓에 대한 식별자 같은 것이다. 

 

int sockfd = socket(domain, type, protocol) 이런 식으로 받는데, 각각에 대해 간략하게만 알아보자.

- sockfd : 타겟의 소켓 디스크립터

- domain : 접속하기 위한 도메인 이름.

- type: 통신 유형 (TCP or UDP)

- protocol: IP 프로토콜 값. 

 

 

🌱 2. 소켓 접속하기

생성한 소켓을 서버의 소켓에 연결하기 위해서, 프로토콜 스택에 의뢰한다.

이때 connect 메서드를 활용하며, 내부적으로 디스크립터, IP 주소, 포트 번호 3가지를 받는다.

여기서는 처음 소켓 작성 시 반환된 소켓 디스크립터를 받아서 전달하며, 프로토콜 스택은 소켓 디스크립터 정보를 바탕으로 어떤 소켓을 서버와 연결할지 판단하여 접속을 진행한다.

 

그 다음 인자인 IP 주소의 경우, DNS 서버에서 조회했던 우리가 액세스할 서버의 IP 주소이다.

IP 주소는 네트워크에 존재하는 각 컴퓨터를 식별하기 위한 식별자이기 때문에, '네트워크의 어느 컴퓨터인지'에 대한 정보를 줄 수 있다. 하지만, 우리는 접속하기 위해 상대 컴퓨터의 소켓까지 가야 하기 때문에, IP 주소로는 해당 정보를 담기 부족하다.

이를 위해 추가로 '포트 번호'라는 것을 지정하여 어떤 컴퓨터의 어느 소켓과 접속할지 분명하게 지정할 수 있다.

 

'아까 분명 소켓에 대한 식별자가 소켓 디스크립터라고 하지 않았나?'라고 생각할 수도 있다.
하지만, 소켓 디스크립터는 '하나의 컴퓨터 내에서 소켓을 식별하기 위해서' 사용하는 것 이며,
포트 번호의 경우 '외부에서 소켓을 접속하기 위해' 사용하는 것이다.

 

보통 포트 번호의 경우 IANA에서 관리되는 규칙에 의해 지정할 수 있으며, 보통 웹은 80번 포트를 사용한다.

(브라우저에서 웹에 접속하기 위해서는 80번 포트를 많이 사용한다!)

 

💬 그럼, 클라이언트 -> 서버로는 포트를 지정했지만, 서버 -> 클라이언트는 어떻게 알지?

클라이언트의 소켓 포트 번호는 소켓 생성 시 프로토콜 스택이 적절하게 할당해준다.
그리고 프로토콜 스택은 접속할 때 서버에게 통지해준다.

 

 

🌱 3. 데이터 송-수신하기

소켓을 통해 데이터를 넣으면, 상대측 소켓에 데이터가 도착하기 때문에 어떤 데이터를 통지할지 정해야 한다.

먼저, write 메서드를 보면 소켓 디스크립터와 송신 데이터, 송신 데이터 길이를 넘겨주는 것을 볼 수 있다.

 

여기서 송신 데이터는 브라우저가 생성했던 HTTP 메시지이며, 프로토콜 스택은 해당 데이터를 서버에게 넘겨준다.

소켓 디스크립터를 통해 해당 소켓에게 데이터를 전달하는 것이며, 서버는 해당 데이터를 받아서 요청에 맞게 처리하고 응답 데이터를 반송한다. 

 

그럼, 이제 데이터가 돌아왔으니 데이터를 읽어야 한다.

이때 read 메서드를 사용하며, 인자로 디스크립터와 수신 버퍼 등을 받는다. (서버의 디스크립터를 통해 read하도록 의뢰하는 것)

수신 버퍼를 통해서 받은 데이터에 대해서 저장하며, 이는 애플리케이션의 메모리 영역이기 때문에 메시지를 애플리케이션에게 건네주는 것과 동일하다고 볼 수 있다.

 

 

🌱 4. 연결 끊기

close 메서드를 통해 소켓 사이의 파이프를 분리하고, 소켓 역시 말소시킨다.

기본적으로 웹 서버가 응답 메시지를 반환할 때 먼저 close를 진행하고, 클라이언트는 이를 받아서 소켓을 '연결 끊기' 단계로 만든다.

이후, 만약 read를 통해 브라우저가 수신 동작을 의뢰하면, read는 데이터의 전달대신에 브라우저에게 송-수신이 완료되었으니 연결이 끊겼다는 것을 통지한다. 그럼 그때부터 브라우저는 close를 통해 연결을 끊게 된다.

---

💬 퀴즈

1. http://www.cyber.co.kr은 뭘 나타내나요?
: 도메인

2. http://www.cyber.co.kr/sample과 http://www.cyber.co.kr/sample/의 차이점은?
: 첫 번째는 sample이라는 파일을 먼저 확인하고 (파일로 간주한다), 없으면 sample이라는 이름의 디렉터리를 확인한다.
디렉터리가 있다면 index.html을 확인한다.
두 번째는 sample이라는 디렉터리를 먼저 확인하고 (디렉터리로 간주한다), 해당 디렉터리의 index.html을 확인한다.

두 가지 모두 결국 파일이 없으면 오류가 발생할 것이다.

3. 인터넷에 접속한 PC나 서버를 식별하기 위해 이용하는 주소는?
: IP 주소

4. 웹 서버의 이름에서 IP 주소를 조사하기 위해 이용하는 서버는?
: DNS 서버

5. DNS 서버에 조회 메시지를 보내는 프로그램은?
: DNS 리졸버