[Network] TCP/IP의 패킷 처리 및 UDP 프로토콜의 데이터 송신 과정 알아보기

🌱 들어가기 전

지난 포스팅에서는 프로토콜 스택에서의 데이터 송/수신 및 말소 과정에 대해서 알아보았다.

이번 포스팅에서는 TCP / IP에서 패킷을 어떻게 처리하고 LAN 어댑터로 어떻게 송신되는지 알아보자.

그리고 간단하게 UDP에서의 송,수신 동작을 알아보자!

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🌱 패킷은 어떻게 구성되어 있을까?

패킷은 크게 헤더와 데이터로 구성된다.

헤더에는 수신처를 나타내는 주소 같은 제어 정보가 들어있으며, 데이터에는 실제로 운반되는 데이터가 들어있다.

생성된 패킷은 중계 장치로 도착하고, 중계 장치는 헤더 정보를 바탕으로 패킷의 목적지를 판단한다.

이때, 중계 장치 내에는 어느 수신처가 어디에 있는지에 대해 기록된 표가 존재하며, 해당 표를 바탕으로 패킷의 목적지를 판단한다.

여러 개의 중계 장치를 거쳐서 패킷이 도착하면, 수신처는 응답 패킷을 다시 송신처로 보내게 된다.

- 그래서, 사실 '송수신처를 구분'하는 것은 애매하다. 어떤 패킷에서는 수신처였다가 다른 패킷에서는 송신처가 될 수 있으니까, 송/수신처를 묶어서 '엔드노드'라고 부르기도 한다.

 

하지만, TCP/IP 네트워크에서의 패킷 구조는 조금 더 복잡하게 구성된다.

라우터와 허브라는 두 중계 장치를 이용해서 다음과 같이 패킷을 운반한다.

라우터: 목적지를 확인하여 다음 라우터를 나타낸다. = IP의 규칙에 따라 운반
허브: 서브넷 안에서 패킷을 운반하여 다음 라우터에 도착한다. = 이더넷에 규칙에 따라 운반

 

이를 다시 정리하면 아래와 같이 말할 수 있다. 

1. 송신처에서 대상서버의 IP 주소를 IP 헤더의 수신처에 기록.

2. IP는 수신처의 방향에 존재하는 다음 라우터를 조사하여, 해당 라우터에 패킷이 도착하도록 이더넷에 의뢰한다.

3. 다음 라우터에 할당된 이더넷의 주소 (MAC 주소)를 조사한 다음 MAC 헤더에 기록하고, 의뢰받은 이더넷에게 어느 라우터에 패킷이 도착하면 좋을지 전달한다.
💬 말을 어렵게 했지만, IP 헤더에 수신처의 위치, MAC 헤더에 다음 라우터의 위치가 들어있다고 생각하자.

4. 송신된 패킷은 허브에 도착하여 이더넷용 표를 바탕으로 패킷의 목적지를 판단하여 중계한다.

5. 다음 라우터에 도착한 패킷은 IP용 표를 바탕으로 IP 헤더의 수신처와 결합시켜 다음 라우터의 위치를 결정한다.
계속 중계하다가 최종적으로 목적지에 패킷을 전달하는 것.
💬 전달 시점에 IP 헤더는 여전히 수신처의 위치, MAC 헤더는 라우터가 중계하면서 계속 다음 라우터의 위치를 기록한다.

 

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🌱 프로토콜 스택에서 패킷 송신 동작 알아보기

프로토콜 스택의 IP 담당 부분은 단순히 패킷을 송출하기만 하고, 상대가 있는 곳까지 운반하는 것은 허브나 라우터가 진행한다.

대략적으로만 알아보자.

오랜만에 보는 그림...

 

1. 패킷 송신 동작을 의뢰할 때 TCP 담당 부분은 데이터 조각에 TCP 헤더를 부가하여 IP 담당 부분에게 알려준다.

2. IP 담당 부분은 이를 받아 제어 정보를 기록한 헤더를 부가한다. (IP 헤더 / MAC 헤더)

- IP 헤더에는 IP 주소로 표시된, 목적지로 패킷을 전달할 때 사용하는 정보 기록

- MAC 헤더에는 이더넷 같은 LAN을 사용하여 가장 가까운 라우터까지 패킷을 운반할 때 사용하는 제어 정보 기록

3. 만들어진 패킷은 이더넷 / 무선 LAN 등에 건네준다. (이때 패킷의 모습은 전기나 빛, 신호 상태로 바뀐다)

 

- 패킷 수신 동작은 송신 동작의 반대로 동작하며, 신호의 모습의 패킷을 다시 LAN 어댑터에서 디지털로 변경한다.

 

⭐️ IP 패킷의 송/수신 동작은 패킷의 역할과 관계 없이 모두 동일하다.

이는, TCP 헤더와 데이터 조각을 한 덩어리의 바이너리 데이터로 간주해서 내용을 보지 않고 송,수신 동작을 실행하기 때문이다.

TCP의 동작 단계 역시 신경쓰지 않으며, 패킷의 순번이 바뀌어 들어오거나 없어지더라도 상관이 없다.

 

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🌱 IP 헤더 생성 과정 알아보기

이름	길이 (비트)	설명
버전	4	IP 프로토콜 버전
헤더 길이	4	IP 헤더의 길이
서비스 유형	8	패킷 운반 시 우선 순위 등을 나타냄
전체 길이	16	IP 메시지 전체 길이
ID 정보	16	각 패킷에 대한 식별 번호
플래그	3	3비트 중 2비트만 유효 fragmentation 가능 여부 및 패킷이 조각되어 있는지에 대한 여부
프래그먼트 오프셋	13	패킷이 저장되어 있는 부분이 IP 메시지의 맨 앞부분부터 몇 번째 바이트에 위치하는지
생존 기간 (TTL)	8	패킷이 영구적으로 순환되지 않도록 생존 기간 지정
프로토콜 번호	8	프로토콜 번호 기록 TCP(06) / UDP(11) / ICMP (01)
헤더 체크섬	16	오류 검사용 데이터, 현재 사용 X
송신처 IP 주소	32	발신 쪽의 IP 주소
수신처 IP 주소	32	수신 쪽의 IP 주소

 

IP 헤더 (20바이트 이상)에는 다양한 정보가 들어가는데, 송/수신처의 IP 주소나 프로토콜 번호, 체크섬, 생존 기간 (TTL) 등의 값이 들어간다.

그중 가장 중요한 것은 '수신처의 IP 주소' 값으로, TCP 담당 부분에서 통지된 통신 상대의 IP 주소를 설정한다.

IP가 스스로 판단하지 않고 전달받은 것을 그대로 설정하기 때문에 애플리케이션의 책임이 크다.

 

물론, 송신처의 IP 주소도 설정한다. 한 개의 LAN 어댑터라면 컴퓨터에 할당한 IP 주소가 할당될 것이지만, 복수 개의 어댑터가 달려있다면 여러 개의 IP 주소가 존재하기 때문에 어떤 어댑터를 사용할지 정해야 한다. 그리고 정해진 어댑터를 바탕으로 IP 주소를 결정한다.

 

패킷을 건네줄 상대를 판단하기 위해서는 '라우팅 테이블'을 사용한다.

맥에서 이런 식으로 라우팅 테이블을 확인할 수 있다.

Desination은 패킷의 최종 목적지, Gateway는 중계 대상 라우터의 주소이다.

사실 각각이 뭔지 아는 것보다, 목적지에 도달하기 위해 다음 라우팅 주소를 기록한 표... 정도로 생각하면 된다.

 

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🌱 MAC 헤더 생성 과정 알아보기

필드 이름	길이 (비트)	설명
송신처 MAC 주소	48	패킷은 전달하는 상대의 MAC 주소 - LAN에서의 패킷 배송은 이 주소를 바탕으로 함
수신처 MAC 주소	48	패킷을 송신한 측의 MAC 주소 - 패킷을 받았을 때 이 값에 따라 누가 보냈는지 판단
이더 타입	16	사용하는 프로토콜의 종류를 나타낸다.

IP 헤더에 분명 수신처의 IP 주소에 패킷을 전달하는 목적지가 쓰여있지만, 이더넷에는 TCP / IP 개념이 통용되지 않는다.

TCP/IP 구조와 다르게 패킷의 수신처를 판단하기 때문에 이더넷의 수신처 판단 구조로 사용하는 것이 MAC 헤더이다. (14바이트)

이더 타입은 IP 헤더의 프로토콜 번호와 비슷한데, 이더넷에서는 이더 타입까지가 MAC 헤더이고, 그 뒤로 이어지는 것이 패킷의 내용물이라고 판단하며, 그 내용물에 대한 타입을 이더 타입으로 나타내는 것이다.

 

송신처의 MAC 주소의 경우 LAN 어댑터 제조 시 내부에 있는 ROM에 들어있어서 그 값을 읽어와 MAC 헤더로 설정한다.

이때, 여러 개의 LAN 어댑터가 있다면 어떤 어댑터에서 송신할지 판단하고 나서 설정한다.

 

수신처의 MAC 주소의 경우 패킷을 건네줄 상대가 누구인지 먼저 조사해야 한다.

이는 또 다시 라우팅 테이블을 참고하여 설정하여, 그중에서 Gateway의 항목을 패킷을 건네줄 상대로 지정한다.

패킷을 건네줄 상대는 알았지만 수신처의 MAC 주소는 아직 모르기 때문에 IP 주소에서 MAC 주소를 조사한다.

 

이를 위해서 ARP (Address Resolution Protocol)을 사용한다.

라우터는 이더넷에 연결된 모두에게 브로드캐스트를 이용하여 특정 IP 주소를 가지고 있는 이더넷을 찾고, 해당 이더넷을 찾았다면 MAC 주소를 물어봐서 얻어온다.

 

하지만, 패킷을 보낼 때마다 브로드캐스트를 하는 것은 낭비이기 때문에 ARP 캐시를 활용하여 이미 저장된 값은 캐시값을 응답한다.

캐싱된 값은 항상 신뢰할 수 없기 때문에 보통 몇 분 정도 지나면 제거한다.

- 몇 분 이내라면 IP 주소를 설정한 직후에는 ARP 캐시를 비워주는 것이 좋다.

MAC 주소는 2가지의 표기법을 가진다.

1. -로 구분한 표기법
00-80-C8-2D-82-EA

2. :로 구분한 표기법
00:80:C8:2D:82:EA

 

최종적으로 MAC 헤더를 IP 헤더 앞에 붙여 패킷을 완성하며, 이게 바로 IP 담당 부분의 역할이다.

LAN 어댑터는 완성된 패킷을 송신하기만 하면 된다.

 

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🌱 LAN 어댑터 - 이더넷이 뭘까?

이더넷은 다수의 컴퓨터가 여러 상대와 자유롭게 적은 비용으로 통신하기 위해 고안된 통신 기술이다.

네트워크 실체는 케이블만 있으며, 컴퓨터 신호를 송신하면 케이블을 통해 네트워크 전체에 신호가 흐른다. (원형 구조)

이때, 신호가 누구에게 갈지 알 수 없기 때문에 신호의 맨 앞부분에 수신처의 주소를 써둔다.

 

그리고, 앞서 생성한 MAC 헤더는 여기에서 쓰인다!

⭐️ 수신처의 MAC 주소에 따라서 패킷이 누구에게 갈 것인지를 알고, 송신처의 MAC 주소에 따라서 누가 송신한 것인지 알게 된다. 그리고 이더 타입을 통해서 패킷의 내용물이 무엇이 들어있는지 알게 되는 것이다.

 

현재는 원형 구조보다는 스위칭 허브를 통해 원하는 기기가 존재하는 부분에만 신호가 흐르는 경우를 많이 사용한다.

이더넷에 접속된 기기의 경우 하나의 사양에 기초하기 때문에 클라이언트 PC, 서버, 라우터까지 모든 기기에 공통적으로 적용된다.

 

IP가 만든 패킷은 메모리에 기억된 디지털 데이터이기 때문에, 전기나 빛의 신호로 변환하여 케이블에게 송출한다.

그리고 이러한 동작은 LAN 어댑터가 진행한다!

LAN 어댑터 내부의 구조는 복잡하기도 하고, 현재 중요하게 다룰 필요는 없을 것 같기 때문에 여기에서 내용을 마무리하겠다.

 

+ LAN 어댑터는 초기화 작업 시 이더넷의 송/수신 동작을 제어하는 'MAC'이라는 회로에 MAC 주소를 설정한다. LAN 어댑터의 ROM에는 전세계적으로 중복되지 않도록 일원화하여, MAC 주소를 제조할 때 기록하기 때문에 이를 읽어와서 MAC 회로에 설정한다. MAC 회로는 이 덕분에 자체에 할당된 MAC 주소가 무엇인지 알게 된다.

 

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🌱 UDP 프로토콜

지금까지 TCP / IP 프로토콜에서의 송/수신 과정을 알아보았다. 하지만 항상 TCP를 사용해야 할까?

어떤 데이터를 통신할 때 UDP 프로토콜이 더 효율적일까?

 

💬 패킷의 개수가 매우 적을 때

패킷의 개수가 적은 경우를 생각해보자. (극단적으로 1개라면?)

TCP에서는 수신측에서 수신 확인 응답을 받아야 하며, 패킷에 대한 유실을 신경쓰기 때문에 도착하지 않은 패킷에 대해서만 다시 보내려고 하다 보니 구조가 복잡하다. 하지만, 단순하게 생각하면 그냥 전부를 보내면 되지 않을까? 특히, 앞서 말한 것처럼 1개라면 전부 보내더라도 크게 문제되지 않을 것이다. 또한, 보통 데이터를 보내면 회신이 오기 때문에 굳이 수신 확인 응답 패킷을 사용할 필요도 없다.

 

 

💬 제어용 짧은 데이터일 때

DNS 서버 조회 같이 제어용으로 실행하는 정보 교환은 한 개의 패킷으로 끝나는 경우가 많기 때문에 UDP를 사용한다.

UDP의 경우 수신 확인, 윈도우 등이 필요없이 그냥 애플리케이션에서 받은 데이터에 UDP 헤더를 부여하고 IP에게 의뢰하여 송신한다.

 

수신 역시 IP 헤더에 기록된 송/수신측 IP 주소와 UDP 헤더에 있는 송/수신처 포트 번호를 바탕으로 소켓 정보를 결합하여 수신 대상을 판단 후 데이터를 건네준다. 이 과정에서 패킷이 유실되더라도 프로토콜 스택은 신경쓰지 않으며, 회답이 돌아오지 않을 때 그냥 다시 한 번 데이터를 전송해줄 뿐이다. 하위 정보는 UDP 헤더에 기록되는 정보이다. (총 8바이트)

필드명	길이 (비트)	설명
송신처 포트 번호	16	이 패킷을 송신한 측의 포트 번호
수신처 포트 번호	16	이 패킷을 건네줄 상대의 포트 번호
데이터 길이	16	UDP 헤더 이후의 길이
체크섬	16	오류 유무 검사

 

 

💬 음성, 동영상 데이터

결정된 시간 안에 데이터를 보내줘야 하며, 데이터의 도착이 지연되면 음성이 끊기거나 영상이 멈추게 된다.

재생 타이밍이 중요하기 때문에 오류가 발생했을 때 다시 보내더라도 의미가 없어진다.

음성, 영상 데이터는 데이터가 없어도 치명적인 문제가 되지 않기 때문에 굳이 TCP를 통해 다시 보낼 필요가 없이 단순히 UDP를 통해 데이터를 쏴주는 게 더 효율적이다.

 

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마지막으로 퀴즈만 풀어보고 포스팅을 마무리하도록 하겠다.

Q. 패킷을 건네줄 상대를 나타내는 수신처 IP 주소는 TCP 헤더와 IP 헤더 중 어느 것에 포함됩니까?
- IP 헤더

Q. 포트 번호는 서버 프로그램의 종류를 지정하기 위해 사용하는데, TCP 헤더와 IP 헤더 중 어느 것에 포함됩니까?
- TCP 헤더

Q. 패킷이 올바르게 도착했는지 확인하는 것은 TCP와 IP 중 어느 것입니까?
- TCP

Q. IP 주소에서 MAC 주소를 조사하는 구조를 무엇이라고 합니까?
- ARP

Q. ACK 번호가 돌아오기 전에 다음 패킷을 보내는 송신 방식을 무엇이라고 합니까?
- 윈도우 제어 방식