[Java/자바] 7. 네트워크 Network

네트워크 Network

특정 서비스를 제공해주는 다양한 디바이스들이 네트워크로 연결되고 있고, 서비스 이용자가 네트워크를 통해 서비스를 검색하고 이용할 수 있다.

네트워크 Network 와 네트워킹 Networking

• 네트워크 Network: 통신 경로들에 의해 상호 연결된 일련의 지점(Point)이나 노드(Node)들을 의미
• 네트워킹 Networking: 네트워크에 연결된 디바이스들 간의 데이터 교환을 의미

프로토콜 Protocol

• 일종의 통신 규약으로, 컴퓨터 간에 통신을 하기 위한 약속 & 절차
• 데이터 통신에서는 통신 장치 간의 데이터 교환에 필요한 모든 규약의 집합체

물리적 측면	논리적 측면
데이터 전송에 사용되는 전송 매체, 접속용 커넥터 및 전송 신호	데이터의 표현, 의미와 기능, 데이터 전송 절차

• 서로 다른 부호체계를 사용하는 장치 간의 원활한 통신을 위해서 부호의 일치는 필수적
• 전송하는 데이터 형식, 신호의 코딩 방식, 신호의 전기적 특성, 데이터 흐름 제어 등은 약속을 철저하게 준수하지 않으면 근본적으로 통신 불가

패킷 Packet

• 데이터 전송 시 데이터를 1024bit씩 묶음으로 보내는데, 이 묶음을 패킷이라고 한다.
• 묶음 속에 각종 에러 검사용 정보를 담아 보내기 때문에 어느 패킷에서 에러가 발생했는지 알 수 있다.
• 전송 도중에 에러가 발생하면 전체 데이터를 재전송하는 것이 아니라 해당 묶음만 재전송 하기 때문에 속도가 빠르다.

• 헤더와 바디로 구성되어 있다.

  • 헤더 Header

    • 송신자, 수신자의 주소 정보
    • 패킷이 손상되지 않았음을 보장하기 위한 checksum
    • 네트워크 전송할 때 필요한 기타 유용한 정보

  • 바디 body

    • 바이트 그룹으로 묶인 전송할 데이터
• 많은 데이터를 하나의 패킷으로 묶어서 전송할 수 있어 효율적이다.

OSI 7계층

오늘날 네트워크 구조는 1970년대 말 IOS(International Organization for Standardization)에 의해 만들어진 OSI 7계층(Open Systems Interconnection 7 Layer)을 기초로 한다.

네트워크 장비끼리 서로 표준적인 연결을 할 수 있도록 틀을 제공하기 위해 규정되었다.

개방형 시스템 환경에서는 어떤 장비라도 상호 정보 처리가 가능하게 되었고 네트워크의 프로토콜을 분리함으로써 프로토콜이 단순해졌다.

👉 관리가 쉬워지고 좀 더 유연한 구조가 되었다.

1. 물리 계층

   • 노드 간 네트워크 통신을 하기 위한 가장 저수준의 계층
   • 상위 계층인 데이터 링크 계층에서 형성된 데이터 패킷을 전기 신호나 광신호로 바꿔 송수신하는 역할을 담당
   • 하드웨어나 드라이버 개발자들이 C언어 등으로 다룬다.

2. 데이터 링크 계층

   • 네트워크 계층으로부터의 메세지를 비트로 변환하여 물리 계층이 전송할 수 있게 한다.
   • 메세지를 데이터 프레임의 포맷으로 만들고 수신지와 발신지 하드웨어 주소를 포함하는 헤더를 추가

3. 네트워크 계층

   • 다른 장소에 위치한 두 시스템 간의 연결성과 경로 선택을 제공
   • 라우팅 프로토콜을 사용하여 서로 연결된 네트워크를 통한 최적의 경로를 선택하며, 선택된 경로를 따라 정보를 보낸다.
   • 다른 장소에 위치한 두 시스템 간의 연결성과 경로 선택을 제공

4. 트랜스포트 계층

   • 데이터 전송 서비스 제공
   • 네트워크 내에서 신뢰성 있는 서비스를 제공하기 위해 가상 회로 구축, 유지와 종료, 전송 오류 검출과 복구 그리고 정보 흐름 제어의 절차를 제공

5. 세션 계층

   • 애플리케이션 간 세션을 구축하고 관리하며 종료시키는 역할을 한다.
   • 프레젠테이션 계층 사이의 통신을 동기화시키며 데이터 교환을 관리

6. 프레젠테이션 계층

   • 한 시스템의 애플리케이션에서 보낸 정보를 다른 시스템의 애플리케이션 계층에서 읽을 수 있게 하는 곳

7. 애플리케이션 계층

   • 사용자와 컴퓨터가 통신하는 곳
   • 통신하고자 하는 상대를 식별하고 그 상대와의 통신을 확보하는 역할을 한다.
   • 통신을 위한 충분한 자원을 보유하고있는지의 여부를 판단

프로그램 관계 모델

클라이언트 / 서버 모델

• 현재 네트워크 컴퓨팅의 중심 개념
• 서비스를 요청하는 Client 프로그램과 그 요청에 대해서 서비스를 제공하는 Server 프로그램 사이의 상호 통신하는 관계
• 네트워크 상의 서로 다른 컴퓨터에 분산되어 있는 프로그램들이 서로 효율적으로 통신할 수 있는 환경을 제공
• 인터넷의 기본 프로그램인 TCP/IP도 클라이언트/서버 모델을 사용하여 구현되었음

• 웹 브라우저

  • 웹 브라우저는 일종의 클라이언트 모델
  • 특정 웹서버에게 웹페이지 또는 파일 전송을 요청하고 서버의 응답 결과를 출력하는 일을 수행

• TCP/IP가 설치된 컴퓨터

  • 인터넷 상 다른 컴퓨터의 FTP(File Transfer Protocol)서버들에게 파일 전송 요청 가능

Peer-to-peer 모델

클라이언트/서버 모델과 대비되는 모델이며, 일반적으로 P2P라고 부름

클라이언트/서버 환경	P2P 환경
- 서비스 제공자와 서비스 수요자가 명확하게 구분된다. - 서비스 제공자인 서버가 서비스 수요자인 클라이언트에게 일방적으로 서비스를 제공 - 서버는 한 대인데, 수많은 클라이언트가 서버에 접속하여 서비스를 요청한다면 부하가 발생하는 것은 당연	- 하나의 사용자가 서버이자 클라이언트 역할을 수행 - 네트워크에 연결되어 있는 모든 컴퓨터들이 서로 대등한 동료의 입장에서 데이터나 주변 장치 등을 공유할 수 있다는 것을 의미 - 하나의 서버로 집중되는 요청으로 인해 발생하는 부하를 줄일 수 있다.

인터넷

• TCP/IP 프로토콜을 사용하는 수많은 컴퓨터들이 서로 연결된 전 세계에서 가장 큰 통신망
• OSI 7계층 중 3계층인 네트워크 프로토콜에 기반을 둔 하나 이상의 네트워크 모임
• 각각의 네트워크는 인터넷 내의 다른 어떤 네트워크와도 통신할 수 있다.
• 전 세계적인 TCP/IP 네트워크며, IP주소체계와 IP프로토콜을 사용한다.

중요 프로토콜

IP(Internet Protocol)

• IP는 네트워크 계층에 존재하는 프로토콜로서, 활용도가 높고 널리 사용된다.

• IP는 신뢰성이 없는 프로토콜로, 패킷이 상대방에게 안전하게 전송되는 것을 보장하지 않는다.

  • IP는 데이터를 효율적으로 전송하는 것에만 집중하기 때문이다.
• 호스트에 대한 주소 체계와 데이터 패킷에 대한 라우팅을 담당한다.
• 패킷을 수신하는 각 라우터는 패킷의 IP주소를 근간으로 라우팅을 결정

IP 주소

• 32비트 정보로 구성됨

  • ’.‘를 구분자로 해서 8비트씩 네 부분으로 나뉘어진다.
  • 일부는 네트워크를 나타내고, 다른 부분은 호스트를 나타낸다.
• 현재 IP버전은 IPv4를 사용하고 있으나, IP주소가 고갈되어가고 있어 IPv6로 해결을 하려 한다.

TCP(Transmission Control Protocol)

• 신뢰성 있는 프로토콜
• 전송할 데이터가 안전하게 전달되는 것을 보장
• 전달되는 데이터는 발신자가 보내는 것과 같은 순서로 수신자에게 전달된다.
• 흔히 전화통화와 비교
• 연결 지향 프로토콜로, 데이터를 전송/수신 하기 전에 송신자와 수신자가 연결되어있어야 한다.
• checksum을 통해서 무결성을 보장하고 데이터 전송의 신뢰성을 높일 수 있다. (송신자-checksum 포함해서 전달, 수신자-checksum을 이용해서 전달받은 데이터 확인 후 누락 데이터가 있다면 발신자에게 데이터 재전송 요청)

• 소켓과 포트를 사용해서 동시에 여러 개의 접속을 지원할 수 있다.

  • 하나의 채팅 서버가 동시에 수천 명 동시 사용자들의 연결을 유지하는 것은 TCP가 지원하는 다중 송수신 때문에 가능 -즉, TCP는 UDP에 비해 프로토콜이 복잡하고 속도가 느리지만, 신뢰성 있는 데이터 전송이 가능하기 때문에 HTTP, FTP, TELNET 등 대부분의 경우 TCP를 사용한다.

UDP(User Datagram Protocol)

• 신뢰성 없는 프로토콜
• 전송한 데이터가 잘 전달되었는지 확인하지 않고 데이터를 보내는 것만으로 자신의 임무를 다한 것으로 여긴다.
• 흔히 UDP를 우편배달에 비유
• 비연결지향 프로토콜로서, 상대방에게 우편을 보낸다고 알리지 않아도 상대방이 어디에 있는지를 가정하고 보내는 것.
• UDP는 음악, 동영상의 스트리밍 서비스 같은 것에 적당한 프로토콜이다.

HTTP(Hypertext Transfer Protocol)

• 인터넷에서 하이퍼 텍스트 문서(텍스트, 그래픽, 사운드, 비디오, 기타 멀티미디어 파일 포함)를 교환하기 위해서 사용하는 통신 규약들의 집합

• HTTP는 상태를 유지하지않는(Stateless)특징을 가진다.

  • 클라이언트에서 서버로 접속해서 요청을 하면 서버에서는 클라이언트가 요청한 정보에 대해서 적절한 응답을 한 뒤 접속을 끊는다.
• HTTP 문서는 요청에 관한 여러 정보를 담고 있는 헤더와 데이터를 담고 있는 바디로 구성되어 있다.
• HTTP 프로토콜은 TCP 포트 80번을 사용

네트워크 프로그래밍 기초

소켓

• 네트워크 프로그래밍에 있어서 사용자에게 네트워크에 접근할 수 있는 인터페이스를 제공

• 소켓의 생명주기

  1. 소켓 생성
  2. 소켓을 통한 송수신
  3. 소켓 소멸

• 소켓 형식

  • SOCK_STREAM

    • 바이트를 주고 받을 수 있는 Stream 통신을 구현할 수 있게 해주는 소켓
    • 양방향 통신 가능
    • 이 소켓을 사용하는 통신 방법을 TCP라고 한다.

  • SOCK_DGRAM

    • 데이터그램 통신용 소켓
    • SOCK_STREAM과 마찬가지로 양방향 통신 가능
    • 이 소켓을 사용하는 통신 방법을 UDP라고 한다.

  • SOCK_RAW

    • 자바에서 지원 X

소켓을 사용하기 위해서는 인터넷 주소와 포트에 대해 알아야 한다.

• 인터넷 주소(IP)를 이용하면 원하는 컴퓨터를 찾을 수 있다.
• 하지만 컴퓨터를 찾았다고 해서 올바른 통신을 할 수 있는 것은 아니다. ∵ 컴퓨터 안에는 프로세스 여러 개가 각자의 포트를 가지고 접속을 대기 중이거나 통신 중이기 때문이다.

• 포트

  • 하나의 컴퓨터에는 프로세스 여러 개가 소켓으로 통신하는데, 이때 각가의 소켓을 구분하기 위해 포트를 사용한다.
  • 포트는 정수값으로 되어있다.
  • 0~1023까지는 유명 프로그램(FTP, WWW)등이 사용하도록 이미 정해져 있으므로 일반 사용자는 1023이후의 포트를 사용하면 된다.

도메인 & IP 변환

• java.net 패키지의 InetAddress 클래스를 이용하면 도메인 주소를 IP주소로 변환하거나, IP주소를 도메인 주소로 변경할 수 있다.
• 문자열이나 바이트 배열 형태로 IP주소에 대한 정보를 얻을 수 있다.

• 현재 컴퓨터의 이름 구할 수 있다.

  //구문
  InetAddress address = InetAddress.getLocalhost();
  
  //그밖에도
  String domain = address.getHostName() //도메인 네임을 얻음
  String ip = address.getHostAddress()//dotted decimal 주소 얻기
  byte[] ipByte = address.getAddress()//4바이트 IP주소를 얻음

네트워크 프로그래밍

TCP 프로그래밍

• TCP는 스트림 통신 프로토콜이라고도 불림
• 연결지향 프로토콜: TCP 통신을 하려면 양쪽의 소켓이 연결된 상태여야만 가능하다.

신뢰성 있는 데이터 전송이란?

• 송신한 쪽의 데이터가 수신 측에 차례대로, 중간에 유실되는 일 없이 도착하는 것을 의미
• 수신 측과 송신 측이 미리 연결을 맺고 연결된 순서대로 데이터를 교환해야 한다.
• 연결이 끊어질 때까지는 송신한 데이터가 차례대로 목적지의 소켓에 전달되는 신뢰성이 있는 통신이 가능
• 즉, 한 번 연결을 맺게 되면, 안정적으로 통신 가능

TCP 프로그래밍을 위해서는 TCP 프로그램에서 사용하는 라이브러리의 사용 방법과 동작 순서를 알고 있어야 하는데, java에서는 TCP 프로그래밍을 쉽게 할 수 있도록 java.net 패키지에 관련 클래스들을 미리 준비해뒀다.

• 주요 클래스

  • ServerSocket: 서버 쪽에서 클라이언트의 접속을 대기하기 위해서 반드시 필요한 클래스

    • 주요 메소드

      • Socket accept(): 클라이언트의 접속 요청을 받아 새로운 Socket 객체 return
      • void claose(): 서버 소켓 닫기
      • InetAddress getInetAddress(): 서버 자신의 인터넷 주소를 return

  • Socket: 서버와 클라이언트가 서버와 통신하기 위해서 반드시 필요한 클래스

    • 주요 메소드

      • void claose(): 소켓 닫기
      • InetAddress getInetAddress(): 상대방의 InetAddress를 return
      • InetAddress getInetStream(): 이 소켓과 연결된 InputStream을 얻는다.
      • OutputStream getOutputStream(): 이 소켓과 연결된 OutputStream을 얻음

TCP 에코 서버

클라이언트가 보낸 데이터를 서버 쪽에서 받아들여, 클라이언트에게 그대로 다시 보내주는 것을 의미

• TCP 에코 서버를 구현하는 순서

  1. ServerSocket(포트번호)을 생성하여 특정 포트에서 클라이언트의 접속을 대기
  2. ServerSocket의 accept()메소드를 이용하여 클라이언트의 접속을 기다린다.
  3. 클라이언트의 접속 요청이 들어오면 accept()메소드가 실행되어 클라이언트와의 통신을 위한 Socket 객체를 생성
  4. 생성된 Socket 객체로부터 통신을 위한 InputStream, OutputStream을 얻는다.
  5. InputStream, OutputStream을 이용해여 클라이언트와 통신한다.
  6. 통신에 사용된 IO스트림과 Socket객체 close()

TCP 에코 클라이언트

• TCP 에코 클라이언트 구현하는 순서

  1. 서버와 통신을 위한 Socket 객체 생성. 이때 접속 요청할 서버의 IP주소와 Port번호를 매개변수로 지정
  2. Socket객체로부터 서버와의 통신을 위한 InputStream, OutputStream을 얻음
  3. 생성된 InputStream, OutputStream을 이용하여 서버와 통신
  4. 통신이 완료되면 통신에 사용된 IO스트림과 Socket 객체를 close()한다.

❗️에코 서버와 에코 클라이언트에서의 중요한 문제점은 서버가 단 하나의 클라이언트 접속만을 처리할 수 있다는 것이다.

accept()메소드로 대기 -> 클라이언트의 접속 요청 -> 클라이언트와 통신할 수 있는 소켓 return -> 다시 accept()하지 않는다.

일반적으로 사용하는 대부분의 서버들은 동시에 여러 명의 사용자를 처리할 수 있기 때문에 서버는 멀티 Thread를 이용하여 여러 클라이언트의 접속을 지원해야한다.

• TCP 기반의 멀티 Thread 서버를 구현하는 순서

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  - (서버의 역할)
  1. ServerSocket(50000)을 생성하여 특정 포트에서 클라이언트의 접속을 대기함
  2. ServerSocket의 accept() 메소드를 이용하여 클라이언트의 접속을 기다린다.
  3. 클라이언트의 접속 요청이 들어오면 accept()메소드가 실행되어 클라이언트와의 통신을 위한 Socket객체를 생성한다.
  4. 생성된 Socket 객체를 매개변수로 하여 Thread 클래스의 객체를 생성한다.

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  - (생성된 Thread 객체에 의해서 통신이 이뤄지기 시작)
  5. Thread는 생성자 메소드에 의해서 전달된 Socket으로부터 통신에 필요한 InputStream, OutputStream을 얻는다.
  6. InputStream, OutputStream을 이용해 클라이언트와 통신한다.
  7. 통신에 사용된 IO스트림과 Socket 객체를 close()한다.

UDP 프로그래밍

• UDP는 데이터그램 통신 프로토콜이라고도 한다.
• 비연결성(Connectionless) 프로토콜
• 패킷을 보낼 때마다 수신 측 주소와 로컬 파일 설명자를 함께 전송해야한다. 즉, 전송해야할 데이터 외에 추가적인 데이터가 함께 전송되어야 한다.
• 클라이언트/서버 모두 java.net 패키지 안에 있는 DatagramSocket객체를 생성한다.
• 클라이언트/서버는 데이터를 주고 받기 위해 DatagramPacket객체를 이용해야한다.
• DatagramSocket은 DatagramPacket을 보내거나 받을 때 모두 필요하다.

👉UDP는 데이터의 크기가 64KB로 제한되어 있고 신뢰성이 떨어지나, 연결되지 않은 상태로 전송되기 때문에 좀 더 빠르게 데이터를 주고받을 수 있으므로 복잡하지 않고 부하가 많이 생기지 않는 곳에 적합

👉TCP는 연결성으로 인해 한 번 연결을 맺으면 연속적으로 데이터를 주고 받을 수 있어 신뢰성이 높지만, 연결에 필요한 시간이 필요하므로 미리 정해지지 않은 길이의 데이터를 신뢰성 있게 송수신하기 위한 네트워크 프로그래밍에 알맞다

• DatagramPacket 클래스의 주요 메소드

  • Inetaddress getAddress(): 이 객체를 보낸 곳의 IP 주소를 return
  • byte[] getData(): 이 객체에 담긴 데이터의 내용을 byte 배열로 return
  • int getLength(): 데이터의 길이를 return
  • int getPort(): 보낸 곳의 포트 번호를 return

• DatagramSocket 클래스의 주요 메소드

  • void close(): 소켓 통신 종료
  • InetAddress getInetAddress(): 현재 소켓이 바인딩 된 주소 return
  • void receive(DatagramPacket p): p를 통해 전달된 데이터를 수신

UDP 에코 서버를 구현하는 순서

1. 특정 포트에서 동작하는 DatagramSocket 객체 생성
2. 클라이언트가 전송한 DatagramPacket을 받기 위해 내용이 비어있는 DatagramPacket 객체를 생성
3. 생성한 DatagramPacket을 매개변수로 DatagramSocket이 제공하는 receive()메소드 호출
4. 클라이언트가 전송한 데이터를 서버 콘솔에 출력
5. 클라이언트가 전송한 데이터를 이용하여 새로운 DatagramPacket을 생성한다.
6. 생성한 DatagramPacket을 매개변수로 DatagramSocket이 제공하는 send()메소드를 호출하여 클라이언트로 전송
7. DatagramSocket의 close()를 호출하여 연결 해제

UDP 에코 클라이언트

• 클라이언트는 데이터를 전송하기 위해서 DatagramSocket을 생성

• 서버와 다르게, 동작하는 포트는 지정하지 않는다.

  • ∵ 클라이언트는 전송할 DatagramPacket에 서버의 DatagramSocket의 동작 포트, 서버의 IP, 전송할 데이터, 전송할 데이터의 길이 등을 지정한 후, send()메소드를 이용해서 전송하기 때문이다.

• UDP 에코 클라이언트 구현 순서

  1. DatagramSocket 객체 생성
  2. 전송할 데이터, 데이터 길이, 서버 IP, 서버 포트 번호를 매개변수로 하여 DatagramPacket 객체를 생성
  3. 생성한 DatagramPacket을 매개변수로 하여 DatagramSocket이 제공하는 send()메소드를 호출하여 서버 쪽에 DatagramPacket()을 전송
  4. 서버에서 전송하는 메세지를 받기 위해 내용이 비어있는 수신용 DatagramPacket 객체를 생성
  5. 생성한 DatagramPacket을 매개변수로 해 DatagramSocket이 제공하는 receive()메소드를 호출
  6. 서버에서 수신한 메세지를 콘솔에 출력
  7. DatagramSocket의 close() 호출하여 연결 해제