[KDT] AIaaS 마스터클래스 1주차 - 네트워크 프로토콜

네트워크 프로토콜

---

1. 프로토콜이란?

네트워크에서 서로 다른 장치들이 데이터를 주고받기 위해 정한 통신 규약.
쉽게 말해, 상호 간의 약속이며, 데이터의 형식과 크기, 데이터를 주고 받는 순서, 오류 처리 및 복구 방식, 연결 시작/종료 방법 등을 정의한다.

---

2. Layer 별 주요 프로토콜

  2-1. TCP/IP 4계층 기준

계층	주요 프로토콜	설명
응용 계층 (Application)	HTTP, HTTPS, FTP, DNS, SMTP, POP3	사용자와 가장 가까운 계층 사용자 서비스 제공, 데이터 생성 및 처리
전송 계층 (Transport)	TCP, UDP	데이터 전송 방식을 결정함 신뢰성 있는 전송(TCP), 빠른 전송(UDP)
인터넷 계층 (Internet)	IP, ICMP, ARP	데이터 패킷의 IP 주소 기반 라우팅 및 오류 처리
네트워크 인터페이스 계층 (Link)	Ethernet, Wi-Fi, PPP	실제 하드웨어 간 물리적 연결과 신호 전송 (MAC 주소 기반)

 

  2-2. OSI 7계층 기준

계층	주요 프로토콜	설명
응용 계층	HTTP, FTP, SMTP, DNS	사용자와 가장 가까운 계층, 애플리케이션 서비스 제공
표현 계층	SSL/TLS, MPEG, JPEG	데이터 형식 변환, 암호화/복호화
세션 계층	NetBIOS, PPTP	세션 생성, 유지, 종료 관리
전송 계층	TCP, UDP	송수신 간 데이터 전송 제어, 오류 검사 등
네트워크 계층	IP, ICMP, ARP	주소 지정 및 경로 설정
데이터 링크 계층	Ethernet, PPP	MAC 주소 기반 통신, 프레임 전송 관리
물리 계층	IEEE 802.3, RS-232	전기적 신호, 비트 전송 (케이블, 허브 등)

---

3. 프로토콜 헤더란?

프로토콜이 데이터를 전송할 때, 순수한 데이터(페이로드) 앞에 붙이는 부가 정보.
각 계층에서 데이터를 처리하기 위해 필요한 정보(목적지, 데이터 유형 등..)를 포함한다.

📌 예:

• IP 헤더: 송신지/수신지 IP 주소 포함
• TCP 헤더: 포트 번호, 순서 번호, 오류 검사 정보 포함

헤더는 계층별로 붙고, 이를 캡슐화라고 한다.

 

  ℹ️페이로드(Payload)?

  프로토콜 헤더를 제외한 순수한 데이터(내용물)를 의미한다.

📌 예: TCP/IP 패킷 : [헤더] + [페이로드]

 

  ℹ️ 캡슐화(encapsulation)?

  데이터를 전송할 때, 각 계층에서 필요한 헤더 정보를 덧붙이는 과정.

📌 예:

1. 응용 계층: 사용자가 입력한 메시지 생성 (Hello)
2. 전송 계층: TCP 헤더 추가 → TCP Header + Hello
3. 인터넷 계층: IP 헤더 추가 → IP Header + TCP Header + Hello
4. 네트워크 인터페이스 계층: MAC 헤더 추가 → MAC Header + IP Header + TCP Header + Hello

  ➕ 이렇게 덧붙여진 전체 데이터 단위를 "PDU (Protocol Data Unit)" 라고 한다.

  ➕ 수신 측에서는 이 과정을 거꾸로 수행하여 " 역캡슐화 (Decapsulation)" 한다.

---

4. 프로토콜 헤더에 포함된 정보

* 프로토콜의 유형에 따라 헤더에 포함되는 정보는 각각 다르다.

항목	설명
발신지 주소 (Source Address)	데이터를 보내는 쪽의 IP 또는 MAC 주소
목적지 주소 (Destination Address)	데이터를 받는 쪽의 IP 또는 MAC 주소
패킷 번호 / 순서 제어 (Sequence Number)	데이터 조각의 순서 지정 (주로 TCP에서 사용)
프로토콜 타입 및 포맷 (Protocol Type & Format)	프로토콜의 종류, 형식, 유형 정보
포트 번호 (Port Number)	통신하는 애플리케이션 구분 (예: 웹은 80, 메일은 25)
길이 정보 (Length Information)	헤더 크기 및 전체 데이터 크기 명시
에러 검출 정보 (Error Detection)	체크섬(Checksum), CRC 등의 데이터 오류 확인을 위한 검증 코드

---

5. 흐름제어와 혼잡제어

✅ 흐름 제어 (Flow Control)

수신자의 처리 속도에 맞춰 데이터를 조절하는 방식
ex) 교통량이 많아서 차를 멈추게 했다

📦 목적: 수신자 버퍼가 넘치지 않도록 송신 속도를 조절
📌 예: TCP의 Sliding Window(슬라이딩 윈도우) 기법

• Stop-and-Wait: 하나 전송 → 응답 대기 → 다음 전송
• Sliding Window: 여러 개 전송 → ACK 받으면 창 이동 → 효율적

✅ 혼잡 제어 (Congestion Control)

네트워크 혼잡 상태를 감지하고, 전송 속도를 조절하는 방식
ex) 교통량이 많아서 차를 다른 길로 돌아가게 했다.

📦 목적: 네트워크 내의 트래픽 과부하 방지
📌 예: TCP가 네트워크 상태에 따라 동적으로 전송량 조절

• Slow Start: 처음엔 천천히, ACK 받으면 전송량 급속히 증가
• Congestion Avoidance: 혼잡 예상 시 점진적 증가
• Fast Retransmit / Fast Recovery: 중복 ACK로 빠른 재전송 및 회복

---

6. 주요 프로토콜

6-1.  TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol)

인터넷을 구성하는 가장 기본적이고 필수적인 프로토콜 집합 (Stack) 

• TCP: 연결 지향, 신뢰성 보장 (패킷 순서 보장, 오류 검출)
• IP: 비연결 지향, 목적지 IP 기반으로 패킷 라우팅

  ℹ️ TCP = TCP/IP인가 ?

  정답은 No.

  "TCP/IP"는 단순히 TCP 하나가 아니라, TCP + IP + 그 외 수많은 프로토콜이 함께 구성된 전체 통신 구조를 의미한다. 

  📦 TCP는 TCP/IP 안에 포함된 전송 방식 중 하나이다.

  📦 UDP도 TCP/IP의 일부이다.
   ex) HTTP → TCP → IP → 이더넷 같은 식으로 여러 프로토콜이 계층적으로 작동함

6-2.  TCP (Transmission Control Protocol)

데이터를 안전하고 순서대로 전송하기 위한 연결 지향형 전송 계층(Transport Layer)의 프로토콜

• 연결 지향적인 (Connection-oriented) 프로토콜
  →  통신 전에 반드시 3-way handshake로 연결을 설정함
• 신뢰성 보장
  →  데이터가 손실 없이, 순서대로 도착하도록 보장
  →  패킷 재전송, 데이터 오류 검사(Checksum), ACK 응답 등 수행
• 흐름제어 수행 : 수신자의 처리 능력에 맞춰 전송 속도 조절 (Window Size)
• 혼잡제어 수행 : 네트워크가 붐비는 걸 방지하기 위해 전송량 조절 (Slow Start 등)

📌 예: 웹, 이메일, 파일 전송 등 정확성 중시하는 프로토콜(HTTP, HTTPS, SMTP, IMAP, FTP)에서 TCP를 사용한다.

 

  ℹ️ TCP vs TCP/IP

항목	TCP	TCP/IP
정식 명칭	Transmission Control Protocol	Transmission Control Protocol / Internet Protocol
의미	전송 계층의 프로토콜 (하나)	전체 네트워크 프로토콜 스택 (모음)
계층 위치	TCP/IP 4계층 중 전송 계층	전체 4계층 모델 (응용, 전송, 인터넷, 링크 계층)
역할	데이터의 신뢰성 있는 전송 담당	인터넷 통신 전반을 처리하는 구조
포함 여부	TCP는 TCP/IP의 일부 구성 요소임	TCP/IP는 TCP, IP, UDP, HTTP 등 다양한 프로토콜 포함
예시	클라이언트 ↔ 서버 간 안정적 통신	웹, 이메일, 파일 전송 등 모든 인터넷 서비스 기반

6-3. UDP (User Datagram Protocol)

비연결형 전송 방식의 프로토콜로, 데이터의 전송속도가 빠르지만 신뢰성이 낮음

• 데이터를 보내기만 하고, 받았는지는 확인하지 않음 → 패킷의 순서 및 전달 여부를 보장하지 않음
• 손실된 데이터 재전송이 없음
• 주로 실시간 서비스처럼 속도가 중요한 환경에서 사용

📌 예: 스트리밍 서비스 (YouTube, Twitch), 온라인 게임, VoIP (카카오톡 통화, Zoom 등)

 

  ℹ️TCP vs UDP

 ⚡ TCP는 느려도 신뢰성을 보장한다. UDP는 빠르지만 신뢰성이 없다.

항목	TCP (Transmission Control Protocol)	UDP (User Datagram Protocol)
연결 방식	연결 지향 (Connection-oriented)	비연결 지향 (Connectionless)
신뢰성	신뢰성 보장 (패킷 순서 유지, 재전송 등)	신뢰성 없음 (순서 보장 X, 재전송 X)
속도	느림 (오버헤드 많음)	빠름 (가볍고 간단)
용도	파일 전송, 웹 브라우징, 이메일 등	영상/음성 스트리밍, 실시간 게임 등
오류 처리	체크섬 + 재전송, 흐름/혼잡 제어 포함	체크섬만 있음 (재전송 없음)
헤더 크기	비교적 큼 (20바이트 이상)	작음 (8바이트)

 

  ℹ️TCP vs UDP 헤더 비교 - 헤더에 담긴 정보의 의미와 차이

항목	TCP	UDP
연결 관리	O → SYN, ACK, FIN 플래그 필드로 연결 설정 및 종료 관리 가능	X → 연결 설정 없이 바로 데이터 전송
데이터 순서 보장	O → Sequence Number + ACK Number로 순서 추적 가능	X → 순서 추적 기능 없음
흐름 제어	O → Window Size 필드로 수신자의 수신 능력에 따라 전송량 조절 가능	X → 수신 상태에 관계없이 무조건 전송
혼잡 제어	O → 혼잡 제어 알고리즘과 관련된 필드(Window, ACK, Flags) 정보 포함	X → 네트워크 상태 고려 없이 계속 전송
오류 제어	O → Checksum, ACK, 재전송 기능 있음	△ → Checksum만 있고, 재전송 없음
헤더 크기/유연성	가변형 (20바이트 이상), 다양한 제어 정보 포함 가능 → 기능 많음, 무거움	고정형 (8바이트), 필요한 최소한의 정보만 포함 → 가벼움, 빠름

📌 TCP 와 UDP 헤더 필드의 예:

👉  TCP

• Source Port, Destination Port, Sequence Number, Acknowledgment Number, Flags (SYN, ACK, FIN 등), Window Size, Checksum, Urgent Pointer, Options

👉  UDP

• Source Port, Destination Port, Length, Checksum

 

6-4. TCP 3 - way handshake

TCP 연결을 시작할 때, 클라이언트와 서버가 3번의 메시지를 주고받아 연결을 설정하는 과정

 

TCP 3-Way Handshake 동작방식

🔁 동작 방식

1. SYN (Client → Server): 연결 요청
2. SYN + ACK (Server → Client): 수락 및 응답
3. ACK (Client → Server): 응답 확인 (연결 확인 완료)

✔ 목적: 양쪽 모두 연결 준비가 되었음을 확인하고 시작
✔ 이 과정이 없으면 TCP 통신 시작 불가

6-5. TCP 4 - way handshake

TCP 연결을 종료할 때, 4번의 메시지를 주고받으며 깔끔하게 연결을 해제하는 과정

TCP 4-Way Handshake 동작방식

🔁 동작 방식

1. FIN (Client → Server): "나 모든 데이터를 다 보냈어" (연결 종료 요청)
2. ACK (Server → Client): "일단 알겠어, 확인했어" (종료 요청 확인)
   --------------- 시간차 ---------------
3. FIN (Server → Client): "나도 모든 데이터를 다 보냈어" (연결 종료)
4. ACK (Client → Server): "응, 둘 다 끝났으니 연결을 완전히 끊자" (종료 확인 완료)

✔ 목적: 양방향 모두 안전하게 연결 종료
✔ 중간에 시간차가 있는 이유: 서버가 아직 데이터를 보낼 수도 있기 때문

  6-6.  IP (Internet Protocol)

IP 주소를 기반으로 데이터를 목적지까지 전달하는 인터넷 계층의 핵심 프로토콜

• 주소 지정 (발신지/목적지 IP) 을 이용해 데이터를 올바른 위치로 전송
• 비연결형 프로토콜로, 데이터의 신뢰성을 보장하지 않는다.
• TCP, UDP와 함께 사용되어 안전성과 정확성을 보완한다.
• IPv4, IPv6의 두가지 버전이 있다. (주소의 길이와 형식에 버전별로 차이가 있음)

6-7.  HTTP (HyperText Transfer Protocol)

웹에서 데이터를 주고받을 때 사용하는 프로토콜

• 클라이언트-서버 구조에서 통신을 담당
• 상태 코드(Status Code)를 통해 요청 결과를 나타내며, 각 요청은 이전 요청과 독립적이다.
  ex) 200 - 성공, 404 - 페이지를 찾을 수 없음
• 기본적으로 비연결형(Connectionless), 무상태(Stateless)의 특성을 가진다.

6-8. TLS Handshake

클라이언트와 서버가 암호화된 통신을 시작하기 위해 보안 연결을 협상하는 과정

• 통신 당사자간의 신원을 검증하고 암호화 키를 교환하기 위한 과정이다.
• 공개키 기반 인증서 (X.509) + 비대칭 암호화(공개키/개인키), + 세션 키 (대칭키 암호화)
• 인터넷 뱅킹, 전자상거래 등 민감한 정보의 안전한 전송에 필수.
• TLS는 HTTPS의 핵심 요소, 실제 데이터는 TLS Handshake 후 암호화되어 전송된다.

📌 주요 단계:

1. 클라이언트가 접속 요청 (Client Hello) : 지원하는 암호 방식, 랜덤값 등 보냄
2. 서버의 응답 (Server Hello) : 서버가 선택한 암호 방식, 인증서를 보냄
3. 암호화 키 교환: 공개키 기반으로 비밀키 공유
4. 보안 설정 완료 (Finished): 서로 암호화 테스트 → 안전한 HTTPS 연결 시작

6-9. DNS (Domain Name System)

웹사이트의 도메인 이름을 IP 주소로 변환해주는 시스템

• 자주 방문하는 웹사이트의 주소를 임시로 저장(캐싱)하여, 같은 요청에 대해 빠르게 응답할 수 있다.
• DNS가 없으면 사용자는 웹사이트의 복잡한 IP주소를 직접 기억해야 하므로 불편할 것이다.

📦 동작 방식:

1. 사용자가 웹브라우저에 도메인 이름을 입력 (www.google.com) 해서 DNS 서버에 질의
2. DNS 서버가 해당 도메인이름과 일치하는 실제 서버의 IP 주소로 응답 (142.250.206.4)
3. 사용자는 DNS 서버가 알려준 해당 IP로 접속 시도하게 됨

  ℹ️ DNS(Domain Name System)와 네임서버 (Name Server)

  ✅ DNS란?

  사람이 기억하기 쉬운 도메인 이름을 컴퓨터가 이해하는 IP 주소로 변환해주는 시스템

 

  ✅ Name Server란?

  DNS의 요청을 처리해주는 서버
  → 도메인 이름을 질의받으면, 해당 도메인에 대한 IP 정보를 반환함

 

🔗 동작 흐름 (요약)

1. 브라우저 주소창에 www.example.com 입력
2. DNS 질의 → 로컬 DNS 캐시 → 없으면 네임서버 순회
3. 최종적으로 권한 있는 네임서버에서 IP 반환
4. 해당 IP로 서버에 접속

6-10. FTP (File Transfer Protocol)

파일을 전송하기 위한 TCP 기반 프로토콜

• 클라이언트-서버 구조로 동작하며, 사용자가 FTP 클라이언트를 통해 서버에 접속하여 파일 업로드/다운로드 가능
• 제어용명령어 채널(21번 포트) + 데이터 채널(20번 포트) 분리
• 사용자 인증 필요 (ID/PW)
• 기본 FTP는 데이터 암호화를 지원하지 않아 보안에 취약하여, 요즘은 SFTP(SSH 기반), FTPS(SSL 기반)를 더 많이 사용한다.
• 단순 웹사이트 관리, 원격 파일 공유 등에 활용

🔁 동작 방식

1. 클라이언트 → 서버 접속 (로그인)
2. 명령어 입력 (LIST, GET, PUT 등)
3. 파일 전송

6-11. WebSocket

브라우저와 서버 간 양방향 통신을 가능하게 하는 프로토콜

• HTTP 업그레이드를 통해 연결 시작 (Upgrade: websocket)
• 연결 이후에는 실시간 양방향으로 통신 가능하다.
• HTTP와 달리 연결을 유지한 상태로 빠르고 지속적인 데이터 전송이 가능하다.
• 실시간 통신 지원, 네트워크 오버헤드 감소, 효율적인 데이터 처리가 가능하다.
• 연결이 끊기지 않고 지속 (Persistent connection) 되기 때문에 서버 자원과 다수의 동시 접속을 관리할 필요가 있다.

✅ 사용 예) 실시간 채팅, 온라인 게임, 주식/코인 가격 실시간 전송 등 실시간 데이터가 중요한 서비스

6-12. gRPC (Google Remote Procedure Call)

Google이 만든 고성능 오픈소스 RPC(Remote Procedure Call) 프레임워크

• 클라이언트가 서버의 메서드를 로컬 함수처럼 호출 가능
• 다양한 언어(Java, Python, Go etc.)를 지원해 이기종 시스템 간 통합을 쉽게 한다.
• HTTP/2 기반의 양방향 스트리밍, 비동기 호출, 멀티플렉싱을 지원한다.
• Protocol Buffers(proto) 사용해 데이터를 직렬화하여 빠르고 가볍게 만든다.

✅ 장점

• 빠른 전송 속도
• 스트리밍 지원 (양방향도 가능)
• 다양한 언어 지원 (Java, Python, Go, etc.)

✅ 사용 예) 마이크로서비스 간 통신, 내부 시스템 간 고속 API 호출

6-13. MQTT (Message Queuing Telemetry Transport)

IoT 환경에 최적화된 경량 메시징 프로토콜

• 메시지 전달을 위한 출판/구독(pub-sub) 구조
• TCP 기반, 하지만 굉장히 가벼움
• 저전력, 저대역폭 환경에서도 효율적인 통신이 가능 (센서, 디바이스 등)
• QoS(Quality of Service) 수준을 설정하여 메시지 전달의 신뢰성을 조절 가능하다.

✅ 구성요소

• 발행자 (Publisher) : 메시지 전송
• 구독자 (Subscriber) : 메시지 수신
• 브로커 (Broker) : 메시지 중계 역할 (ex. Mosquitto)

✅ 사용 예) 스마트홈 센서, 차량 위치 추적, 온도/습도 모니터링 시스템

---

클라우드에서의 로깅과 모니터링

---

클라우드 환경에서는 시스템이 자동으로 확장되거나, 여러 지역에 분산되기도 하기 때문에 스템의 상태를 실시간으로 확인하는 게 중요하다. 그 역할을 해주는 게 바로 로깅(Logging) 과 모니터링(Monitoring) .

 

📌 로깅과 모니터링, 무엇이 다를까?

항목	로깅	모니터링
목적	발생한 사건 기록	시스템 상태 파악
형태	텍스트 기반 로그	수치, 그래프 등 시각화
활용	디버깅, 보안 분석	상태 확인, 알림, 예측
시점	사후 분석	실시간 대응

 

🛠️ 가장 많이 쓰는 클라우드 모니터링 / 로깅 툴

• CloudWatch (AWS)
   AWS에서 제공하는 모니터링 및 로그 수집 도구, 리소스 상태를 실시간으로 확인하고 경보 설정 가능
• GCP (Google Cloud Operations Suite, 구 Stackdriver) 
  GCP의 통합 모니터링·로깅 도구, GCP 리소스는 물론 AWS도 일부 지원
• ELK Stack (Elasticsearch + Logstash + Kibana)
  오픈소스 기반 로그 분석 툴 세트로, 대량의 로그를 수집·검색·시각화

---

1. 📄 로깅 (Logging)

클라우드 환경에서 발생하는 이벤트와 작업에 대한 기록을 저장하는 행위 (기록)

• 애플리케이션의 실행 로그 → 시스템 운영 상태를 파악
• 에러 로그 → 오류 원인 분석
• 보안 관련 이벤트 기록 (누가, 언제, 무엇을) →  보안 감사

2. 📄클라우드 로그의 종류와 유형

  2-1. 애플리케이션 로그 (Application Logs)

웹 애플리케이션 서버(WAS)에서 직접 남기는 로그

✅ 디버깅, 기능 확인, 비즈니스 로직 추적에 유용

📌 예:

• 에러 메시지, 경고, 정보 로그 등
• 사용자 요청, 처리 결과, API 응답 등

[INFO] 사용자 로그인 요청 - user_id: 12345
[ERROR] 데이터베이스 연결 실패

  2-2. 시스템 로그 (System Logs)

운영체제(OS)나 인스턴스/컨테이너 레벨에서 생성되는 로그

✅ 서버 상태 확인, 장애 분석, 보안 추적 등에 사용

📌 예:

• 서버 부팅, 종료, 접근, 시스템 자원 상태 등
• Linux → /var/log/syslog, /var/log/messages
• Windows → 이벤트 뷰어(Event Viewer)

  2-3. 보안 로그 (Security Logs)

누가, 언제, 무엇을 했는지 기록하는 로그

✅ 감사(Audit), 이상 징후 탐지, 침해 사고 분석에 사용

📌 예:

• 로그인 시도, 권한 변경, 접근 실패, 방화벽 동작 등
• AWS CloudTrail → API 호출 추적
• GCP Audit Logs → 관리자 활동 기록

  2-4. 네트워크 로그 / 접근 로그 (Network Logs)

데이터가 어디로, 얼마나 왔다 갔는지 추적하는 로그

✅ 트래픽 분석, 보안 설정 검토, 성능 튜닝에 사용

📌 예:

• 요청 IP, 포트, 전송량, 연결 상태 등
• VPC Flow Logs (AWS)
• 방화벽 로그, 로드밸런서 접근 로그

  2-5. 클라우드 플랫폼 로그 (Service Logs)

클라우드에서 제공하는 서비스 자체의 로그

✅ 클라우드 서비스 상태 및 동작 분석에 유용

📌 예:

• 스토리지 사용 기록, 함수 호출 로그(Lambda 등), 스케줄러 실행 로그 등
• AWS S3 Access Logs
• AWS Lambda Logs
• Azure Function Logs

 

⏩ 로그 유형별 요약 정리표

로그 유형	주로 포함하는 내용	활용 목적
애플리케이션 로그	기능 실행, 에러, 사용자 요청	디버깅, 로직 분석
시스템 로그	OS 상태, 부팅, 접근	시스템 관리
보안 로그	로그인, 권한 변경	감사, 보안 분석
네트워크 로그	IP, 트래픽, 연결 상태	네트워크 분석
서비스 로그	클라우드 자원 상태	서비스 추적, 상태 확인

---

2.  📊 모니터링 (Monitoring)

시스템의 상태를 실시간으로 파악하는 행위

• 서버 CPU 사용량, 메모리, 디스크 상태 등 각종 리소스 지표를 관리
• 트래픽, 응답 속도, 실패율 등 애플리케이션 성능 지표를 관리

📈 모니터링을 하면 무엇이 좋을까?

• 실시간 알림(예: CPU 90% 이상 → 경고 메일) 및 보안 침해를 탐지 가능
• 성능 분석과 최적화 → 성능 저하 문제를 사전에 예방 가능
• 서비스의 가용성을 보장

---

※ 오늘은 수업과제가 없었기 때문에, 대신 03/27 과제 링크를 첨부합니다.

Day 4 과제 - Docker를 이용해 bastion 서버 구성해보기

Day 4 과제 - Docker를 이용해 bastion 서버 구성해보기

---

본 후기는 [카카오엔터프라이즈x스나이퍼팩토리] 카카오클라우드로 배우는 AIaaS 마스터 클래스 (B-log) 리뷰로 작성 되었습니다.