[Network] 프로토콜 스택에 대해서 더 자세히 알아보자!

지난 포스팅에서는, 클라이언트와 서버 사이에 어떤 식으로 소켓이 생성되는지 알아보았다.

그 사이에는 늘 '프로토콜 스택' 이라는 친구가 있었는데, 이번 포스팅에서는 프로토콜 스택이 뭔지 조금 더 구체적으로 알아보고자 한다.

앞으로 포스팅을 진행하면서 윗부분의 절차들을 하나하나씩 알아나갈 예정이다.

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✔️ 프로토콜 스택이란?

위의 그림을 보자. 

최상단의 네트워크 애플리케이션은 브라우저, 웹 서버 등의 프로그램이 해당하며, 여기서부터 아래로 향하게 된다.

우리가 이전 포스팅까지 다루었던 내용이 애플리케이션에서 소켓 라이브러리, 그리고 리졸버를 통해 DNS 서버에 조회하고 소켓을 만드는 과정까지 다룬 것이다.

 

그 다음 단계는 OS의 내부이며, 여기에 프로토콜 스택이 존재한다.

프로토콜 스택은 TCP /  UDP라는 프로토콜을 사용하여 데이터 송-수신을 담당하는 부분이 존재한다.

브라우저 요청 같은 경우는 TCP, DNS 서버 조회는 UDP로 사용하는 게 일반적이다.

그리고 IP 프로토콜을 사용하여 패킷의 송-수신을 제어하는데, 데이터를 패킷 단위로 나누어 운반하는 것이다.

IP 내부에는 ICMP, ARP라는 프로토콜이 존재하는데, ICMP는 패킷 운반 시 발생하는 오류를 통지하거나, 제어용 메시지를 통지할 때 사용하며 ARP는 IP 주소에 대응하는 이더넷의 MAC 주소를 조사할 때 사용한다.

 

마지막으로 LAN 드라이버는 LAN 어댑터의 하드웨어를 제어하고, LAN 어댑터가 실제로 케이블에 대해 신호를 송-수신하는 동작을 진행한다.

 

하단의 내용은 제 개인적인 생각이 담긴 부분이기 때문에 다소 부정확할 수 있습니다.

💬 소켓 라이브러리는 어디에서 일어나는 걸까?

사실 소켓 라이브러리부터 OS 내부라고 생각했었는데, 책의 내용을 보고 살짝 혼란이 왔다 🥲
기본적으로 스프링을 공부하고 있기 때문에, 스프링을 기준으로 생각을 해보자.
웹 서버를 띄우기 위해 스프링을 사용하였고, 만약 사용자가 브라우저를 통해 요청을 보냈다고 생각해보자.
이때, 스프링 프레임워크는 기본적으로 HTTP 요청을 처리하기 위해 '서블릿 컨테이너'라는 것을 사용한다. (Tomcat을 많이 사용한다) 그리고, 이러한 서블릿 컨테이너는 보통 Java Servlet API를 활용하여 처리하곤 한다. (HttpServlet)

내부적으로 요청을 전달받아서 각 요청에 맞는 서블릿에 매핑하는데, JVM에 의해 실행될 수 있도록 인스턴스를 생성하고, 서블릿 초기화를 하고, 처리하고, 응답하고... 그런 과정을 진행한다. 

그리고 이 과정에서 (아마) 내부적으로 자바에서 제공하는 소켓 API를 사용하여 도메인 이름을 받아오고, 소켓 연결을 처리하고, HTTP 요청 메시지를 받아서 서블릿에게 전달하는 과정이 일어나는 것 같다. 

아마 Socket 클래스 같은 것을 사용하는 것 같은데, Socket 클래스의 생성자를 보면 내부적으로 도메인 주소를 알아내는 코드가 있다.

public Socket(String host, int port)
    throws UnknownHostException, IOException {
    this(host != null ? new InetSocketAddress(host, port) :
         new InetSocketAddress(InetAddress.getByName(null), port),
         (SocketAddress) null, true);
}​

여기에서 보면 연결할 호스트 정보와 포트 번호를 받는 것을 볼 수 있는데, 만약 호스트 정보가 존재한다면 InetSocketAddress라는 객체를 생성한다.

public InetSocketAddress(String hostname, int port) {
    checkHost(hostname);
    InetAddress addr = null;
    String host = null;
    try {
        addr = InetAddress.getByName(hostname);
    } catch(UnknownHostException e) {
        host = hostname;
    }
    holder = new InetSocketAddressHolder(host, addr, checkPort(port));
}

 

그리고, 해당 객체의 생성자를 가보면 위와 같이 InetAddress.getByName()이라는 메서드를 사용하는 것을 볼 수 있다.
해당 메서드는 도메인 이름에 따른 IP 주소를 받아오는 메서드인데, 여기서 우리가 배웠던 DNS 서버를 통해 받아오는 과정이 수행되는 게 아닐까... 라는 생각이 들었다.

 

전반적인 동작 과정을 알았으니, 프로토콜 스택에 대해서 생각해보자.

프로토콜 스택 통신 동작을 제어하기 위한 제어 정보를 기록하는데, IP 주소나 포트 번호, 현재 진행 상태를 기록한다.

소켓 자체는 개념적으로 존재할 뿐이지만, 자바로 따지자면 어떠한 Socket 클래스로서 표현할 수 있다고 볼 수 있다.

 

프로토콜 스택은 데이터 송신 시 소켓에 기록된 상대의 IP 주소나 포트 번호를 보고, 그 IP 주소와 포트 번호를 대상으로 데이터를 송신한다.

그리고 소켓에는 응답이 돌아오는지나 송신 동작 이후 경과 시간 등을 기록해두는데, 프로토콜 스택은 이를 보고 데이터 재전송 등을 수행한다.

 

실제로 확인해보자. 터미널을 켠 다음 netstat을 입력하면 다음과 같은 것들을 볼 수 있다.

순서대로 보자. 여기서 하나의 행이 곧 하나의 소켓을 의미한다.

소켓을 생성한다는 곳은 곧 위에 새로운 행을 추가한다는 것이라고도 볼 수 있다.

 

Protocol: 어떤 프로토콜을 사용하는지, TCP/IP 프로토콜이라면 TCP나 UDP 중 하나가 나온다.

Recv-Q: 소켓이 수신한 데이터가 있으나, 프로그램이 처리 못하고 있는 바이트 수

Send-Q: 전송은 하였으나 원격 호스트로부터 ACK를 받지 못하여 대기중인 바이트 수

Local Address: 출발지 IP 주소와 포트 (LAN 어댑터를 따른다). 0.0.0.0은 특정 IP 주소와 연결되어 있지 않은 경우.

Foreign Address: 도착지 IP 주소와 포트. 0.0.0.0은 통신이 시작되지 않고 특정 IP나 포트에 연결이 되지 않은 경우. UDP인 경우 소켓을 상대측에 연결하지 않기 때문에 *:*로 표시한다.

State: 포트의 상태 (Established - 접속이 끝나고 아직 통신 중인지 나타냄, Listened - 접속 대기... 등등)

 

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✔️ 소켓을 호출했다면?

위에서 소켓의 모습을 보았다. 소켓을 호출했다면 프로토콜 스택은 뭘 할까?

지난 포스팅에서 봤던 그림에서 조금만 업데이트를 해보자.

처음에는 소켓을 생성한다.

socket()을 통해 소켓을 생성하도록 지시하면, 프로토콜 스택은 한 개의 소켓을 만든다.

이때, 프로토콜 스택은 소켓에 대한 메모리 영역을 확보하여 해당 영역에 소켓에 대한 정보를 담는다.

소켓이 생성되면 소켓 디스크립터를 애플리케이션에게 알려준다.

 

디스크립터를 받은 애플리케이션은, 프로토콜 스택에 데이터 송-수신 동작 시 디스크립터를 함께 통지한다.

소켓에는 통신의 주체와 상태 등의 정보가 있기 때문에 디스크립터를 통해 어떤 소켓이 어떤 상태인지 프로토콜 스택에서 쉽게 알 수 있게 된다. 덕분에 애플리케이션은 이에 대해 하나씩 통지받을 필요가 없게 된다.

 

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다음 포스팅에서 소켓 접속 및 데이터 송수신 과정에 대해 알아보자.