[주니어 백엔드 개발자가 반드시 알아야 할 실무 지식] 10장 모르면 답답해지는 네트워크 기초

• 💡해당 게시글은 최범균님의 ‘주니어 백엔드 개발자가 반드시 알아야 할 실무 지식’을 개인 공부목적으로 메모하였습니다.

10장에서 다루는 내용

• 네트워크 기초의 중요성
• 노드, 네트워크, 라우터
• IP 주소와 도메인
• 고정 IP와 동적 IP
• 공인 IP와 사설 IP
• NAT (네트워크 주소 변환)
• VPN (가상 사설 네트워크)
• 프로토콜과 TCP, UDP, QUIC

네트워크 기초를 모르면

네트워크 기초 지식 부족으로 인해 발생하는 대표적인 실수

• 인바운드 IP와 아웃바운드 IP 혼동
  • 외부에서 서버로 들어올 때 사용하는 IP (인바운드)
  • 서버에서 외부로 나갈 때 사용하는 IP (아웃바운드)
• 공인 IP와 사설 IP 구분 실패
• NAT 설정 미숙
• 방화벽 규칙 오해

왜 중요한가

• 서버 개발자가 네트워크 엔지니어만큼 깊은 지식은 불필요함
• 하지만 기초적인 네트워크 지식이 없으면 간단한 문제도 해결하기 어려움
• 빠른 문제 해결을 위해서는 네트워크 기본 개념 이해가 필수

노드, 네트워크, 라우터

핵심 개념

• 노드(Node)
  • 데이터를 송수신하는 모든 장치
  • 휴대폰, 노트북, 서버 장비 등
• 네트워크(Network)
  • 각 노드가 서로 데이터를 주고받기 위해 연결된 시스템

패킷과 라우터

• 패킷(Packet)
  • 노드가 네트워크를 통해 전송하는 데이터 단위
  • 헤더
    • 패킷의 목적지와 수신지 정보 포함
  • 페이로드
    • 데이터 본문

네트워크 연결 방식

• 가정에서 사용하는 공유기에 연결된 장치들이 하나의 네트워크를 구성함
• 사무실에서 사용하는 컴퓨터들도 하나의 네트워크를 구성함
• 각 네트워크는 라우터를 통해 다른 네트워크와 연결됨

IP 주소와 도메인

IP 주소의 필요성

• 택배를 배달하기 위해 주소를 사용하는 것처럼 패킷 전송에도 주소가 필요함
• IP 주소
  • 네트워크에서 각 노드를 구분하기 위해 사용하는 주소

IPv4 주소 체계

• 현재 일반적으로 사용하는 IP 주소는 IPv4
• IPv4 주소 형식
  • 192.0.2.1과 같이 네 개의 숫자 블록으로 구성
  • 각 숫자 블록은 0부터 255까지의 값
• IPv6 주소
  • IPv4는 32비트로 약 43억 개의 고유 주소 존재
  • 1990년대 초부터 IP 주소 고갈 예측
  • IPv6는 128비트를 사용하여 훨씬 많은 주소 제공
  • 현재도 IPv4를 주로 사용하는 이유는 사설 IP와 NAT 덕분

도메인과 DNS

• 도메인의 개념
  • 도메인(Domain Name)
    • IP 주소를 기억하기 쉬운 이름으로 변환한 것
  • DNS(Domain Name System)
    • 도메인 이름을 IP 주소로 변환하는 체계
    • 인터넷 전화번호부와 같은 역할
• 도메인 구조
  • 도메인 이름은 계층 구조를 가짐
  • 점(.)으로 구분하며 오른쪽이 상위 계층
  • 최상위 계층 종류
    • 일반 최상위 도메인
      • com, org, net, gov, app, biz, tech 등
    • 국가 최상위 도메인
      • kr, jp, au 등
  • 일반 최상위 도메인 예시
    • 2차 도메인
      • example.com, company.com
    • 3차 도메인
      • blog.example.com, www.company.com
  • 국가 최상위 도메인 예시
    • ac.kr
      • 대학 같은 교육 기관 용도
    • co.kr
      • 기업 용도
    • example.co.kr
      • 세 번째 계층이 도메인의 주요 이름

• DNS 동작 방식

  

  • 브라우저에 www.example.com을 입력하면
    1. DNS 서버에 IP 주소를 문의
    2. DNS 서버가 IP 주소를 응답
    3. 해당 IP 주소에 패킷 전송
• localhost
  • 로컬 서버 접속 시 사용하는 특별한 주소
  • localhost의 IP 주소는 127.0.0.1
  • 루프백(loopback) 주소
    • 자기 자신을 참조할 때 사용하는 IP 주소
  • hosts 파일
    • 각 컴퓨터가 갖고 있는 호스트 이름과 IP 주소 매핑 파일
    • 리눅스
      • /etc/hosts
    • 윈도우
      • C:\Windows\System32\drivers\etc\hosts
    • localhost에 대한 IP 매핑이 이 파일에 정의되어 있음
• 도메인과 부하 분산
  • 하나의 도메인 이름에 여러 IP 주소 매핑 가능

  $ nslookup www.example.com
  Name:    www.example.com
  Address: 93.184.216.34
  Name:    www.example.com
  Address: 93.184.216.35
  

  • DNS 서버는 등록된 IP를 번갈아 제공함
  • 이를 통해 여러 서버에 트래픽을 분산함

고정 IP와 동적 IP

IP 주소 할당 방식

• 고정 IP(Static IP)
  • 노드가 고정된 IP를 가짐
  • 서버가 대표적
  • IP 주소를 직접 지정함
• 동적 IP(Dynamic IP)
  • 노드가 네트워크에 연결할 때마다 IP를 할당받음
  • DHCP 서버를 통해 제공받음

DHCP

• DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol)
  • 동적 IP를 제공하는 서버
  • 제공하는 정보
    • IP 주소
    • 게이트웨이 주소
    • 서브넷 마스크
    • DNS 서버 주소
  • 가정에서 사용하는 공유기가 주로 DHCP 서버 역할 수행
• 주의사항
  • 동적 IP를 사용한다고 매번 IP가 바뀌는 것은 아님
  • DHCP 서버 설정에 따라 일정 시간 동안 동일한 IP를 할당하기도 함
  • 보안이 중요한 곳은 노드마다 IP를 고정해서 할당하기도 함

공인 IP와 사설 IP

IP 주소 대역 분류

• 공인(Public) IP 주소
  • 인터넷에서 접근 가능한 IP 주소
  • 인터넷에서 공식적으로 인정하는 공개 IP 주소
  • 서로 같은 주소를 가질 수 없음
• 사설(Private) IP
  • 네트워크 내부에서만 사용하는 IP 주소
  • 네트워크가 다르면 같은 주소를 가질 수 있음
  • 네트워크 내부에서만 고유하면 됨

사설 IP 주소 범위

• 사설 IP로 사용할 수 있는 주소 범위는 세 대역으로 제한됨

  • 192.168.x.x
  • 10.x.x.x
  • 172.16.x.x ~ 172.31.x.x
• 무선 공유기는 주로 192.168 대역 사용
• ifconfig(리눅스) 또는 ipconfig(윈도우) 명령어로 확인 가능

사설 IP의 장점

• 사설 IP 사용으로 IPv4 주소 고갈 방지
• 공인 IP는 외부 서비스 제공이 필요한 곳에서만 사용

NAT

NAT의 필요성

• NAT(Network Address Translation, 네트워크 주소 변환)
  • 네트워크 주소를 변환하는 기술
  • 사설 IP와 공인 IP 간의 변환을 담당함
  • 인터넷에 연결하려면 이 변환이 필요함

SNAT (Source NAT)

• 내부 네트워크에서 나가는 패킷의 사설 IP를 공인 IP로 변환

• 소스 IP의 주소를 변환함
• 주로 라우터나 네트워크 장비가 담당함

DNAT (Destination NAT)

• 공인 IP로 들어온 패킷의 목적지를 사설 IP로 변환

• 목적지 IP의 주소를 변환함
• 서버 구성 시 주로 사용됨
• 서버 노드는 보안과 이중화를 고려해 사설 IP 주소를 가짐
• 네트워크 장비(라우터, 방화벽 등)가 공인 IP를 할당받음
• DNAT를 이용해 공인 IP로 들어온 패킷을 사설 IP를 가진 서버로 전송

공인 IP 확인 방법

• SNAT로 변환된 공인 IP 주소는 어떻게 알 수 있을까?
  • https://ifconfig.me 사이트 접속
  • 웹 브라우저에서 현재 사용하는 공인 IP 주소 확인 가능
  • 리눅스
    • curl ifconfig.me 명령어로 확인 가능

VPN

VPN의 필요성

• 백엔드 서버 개발 및 운영 시 필요한 작업
  • 서버 노드에 SSH로 접속해서 프로세스 확인
  • OS 설정 변경
  • DB에 접속해서 SQL 실행

보안 문제

• 서버 네트워크의 노드는 사설 IP를 사용함
• 외부 네트워크에서는 사설 IP에 직접 접근할 수 없음
• NAT로 접근 가능하지만 문제점
  • 모든 사설 IP마다 공인 IP 매핑이 어려움
  • 보안 문제 발생 가능
  • 서버 네트워크의 모든 노드가 공인 IP로 노출됨

VPN 솔루션

• VPN(Virtual Private Network, 가상 사설 네트워크)
  • 인터넷과 같은 공용 네트워크에서 서로 다른 네트워크 간에 암호화된 연결 제공
  • 두 네트워크가 마치 하나의 사설 네트워크에 존재하는 것처럼 연결
  • 개발자가 안전하게 서버 네트워크에 접근할 수 있음

• 네트워크 간 VPN 연결

  

• VPN 클라이언트 연결

  

  • 개발자는 VPN 클라이언트를 통해 VPN에 접근함
  • 집이나 카페 같은 외부 공간에서 서버 네트워크에 접근할 때 사용함

프로토콜과 TCP, UDP, QUIC

프로토콜의 개념

• 프로토콜(Protocol)
  • 네트워크 상에서 두 노드가 데이터를 주고받기 위해 정의한 규칙
  • 네트워크는 여러 계층으로 구성되며 각 계층마다 프로토콜 존재

TCP/IP 모델

• TCP/IP 모델은 4개 또는 5개 계층으로 표현함
• 개발자는 주로 전송 계층과 애플리케이션 계층 프로토콜 사용

TCP (Transmission Control Protocol)

• TCP의 특징
  • 연결 기반 프로토콜
    • 전화 통화처럼 먼저 연결을 맺어야 통신 가능
    • 두 노드 간에 연결을 맺은 뒤 데이터 송수신

• 3-Way Handshake

  

  • 3단계 과정을 거쳐 연결 수립
  • 연결 완료 후 데이터를 주고받음
• TCP의 장점
  • 신뢰성
    • 패킷 순서 보장
    • 패킷 유실 시 재전송
    • 안정적인 데이터 전송
  • HTTP, SMTP 등 많은 프로토콜이 TCP 기반으로 동작
• TCP의 단점
  • 전송 보장을 위한 추가 처리로 속도가 상대적으로 느림
    • 시퀀스 번호
    • 확인 응답
    • 재전송
  • HOL 블로킹(Head-of-Line Blocking)
    • 일부 패킷 유실 시 재전송될 때까지 대기
    • 전체 전송 속도 저하

UDP (User Datagram Protocol)

• UDP의 특징
  • 비연결 프로토콜
    • 연결 수립 과정 없이 바로 데이터 전송
    • 데이터 전송 보장하지 않음
    • 빠른 전송 속도에 초점
• UDP의 장점
  • TCP 대비 빠른 전송 속도
  • 확인 응답이나 패킷 정렬 과정 없음
• UDP 사용 사례
  • 속도가 중요한 통신
    • DNS
    • VoIP
    • 온라인 게임
  • 일부 데이터 유실이 문제되지 않는 경우
    • 실시간 스트리밍

QUIC 프로토콜

• QUIC의 탄생 배경
  • TCP는 신뢰성 있지만 느림
  • UDP는 빠르지만 신뢰성 없음
  • 빠르면서도 신뢰성 있는 프로토콜 필요
  • QUIC
    • Quick UDP Internet Connections
    • UDP 기반으로 개발됨
    • TCP의 연결 관리 기능을 프로토콜 수준에서 제공
• QUIC의 특징
  • 연결 ID 관리
    • 데이터에 연결 ID를 포함
    • 연결 ID로 두 노드 간의 연결 유지
  • 신뢰성 제공
    • 흐름 제어
    • 패킷 유실 복구
    • QUIC 프로토콜 수준에서 제어
  • TLS 통합
    • Transport Layer Security 통합
    • QUIC 패킷은 기본적으로 암호화됨
    • 연결 수립 과정 단축
      • TCP
        • 3-Way Handshake + TLS Handshake
      • QUIC
        • TLS 통합으로 과정 단축

• HTTP/3과 QUIC

  

  • HTTP/3 프로토콜은 QUIC 기반으로 동작
  • 기존 HTTP/2, HTTP/1.1은 TCP 기반
• QUIC의 멀티플렉싱
  • 한 연결에서 여러 스트림을 동시에 처리
  • 한 스트림에 HOL 블로킹 발생해도 다른 스트림에 영향 없음
  • HTTP/2의 멀티플렉싱 차이점
    • HTTP/2도 멀티플렉싱 지원
    • TCP 자체의 HOL 블로킹 문제는 피할 수 없음
    • QUIC은 스트림 수준에서 독립적으로 처리
• 브라우저에서 확인
  • 브라우저 개발자 도구의 Network 탭에서 Protocol 확인 가능
    • h2
      • HTTP/2
    • h3
      • HTTP/3 (QUIC 사용)

TCP 연결 개수 제한

• 오해
  • 포트 번호는 16비트 숫자
  • 최대 65,535개
  • TCP 연결 개수도 65,535개로 제한?
• 실제
  • TCP 연결은 (로컬IP, 로컬포트, 원격IP, 원격포트)로 구별됨
  • 이론적 최대 연결 개수
    • $2^{16}$ (로컬포트) × $2^{32}$ (원격IP) × $2^{16}$ (원격포트)
    • = $2^{64}$ (약 1,844조)
  • 실제로는 OS 설정에 따라 제한됨
    • 파일 디스크립터 개수
    • 포트 범위 설정
    • 메모리 용량 등

배운 점

• 네트워크 기초 지식 부족으로 간단한 문제도 오래 헤맬 수 있음
• IP 주소의 종류와 용도를 이해하면 네트워크 문제 해결에 도움이 됨
• NAT와 VPN은 서버 개발 및 운영에 필수적인 기술
• TCP, UDP, QUIC의 차이를 이해하면 적절한 프로토콜 선택 가능

적용 방안

• 네트워크 문제 발생 시 체크리스트
  • 서버의 인바운드/아웃바운드 IP 확인
  • 방화벽 설정 확인
  • API 제공자에게 올바른 IP 전달 확인
• 서버 구성 시 고려사항
  • 외부 API 호출 시 아웃바운드 IP 파악
  • NAT 설정 시 SNAT/DNAT 구분
  • VPN으로 안전한 개발 환경 구축
• 프로토콜 선택 가이드
  • 신뢰성 중요
    • TCP
  • 속도 중요, 일부 유실 허용
    • UDP
  • 최신 성능과 보안
    • QUIC (HTTP/3)

Reference

• 주니어 백엔드 개발자가 반드시 알아야 할 실무 지식