feat: 4주차 발표자료

CS/05-08weeks_Network/4주차_OSI7계층,TCP,UDP.md

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+# OSI Model
+OSI 모델은 1984년 ISO에서 제안한 모델로, 컴퓨터 간에 데이터가 송수신되는 과정을 계층 구조로 설명 계층을 세분화함으로써 네트워크 통신이 거치는 과정을 이해 가능
+현실의 네트워크 구현과 완전히 대응되지는 않으나, 많은 프로토콜과 기술들이 OSI 모델의 개념을 기반으로 디자인됨
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+## OSI Model - 7 Layers
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+![][osi_layer_overview.png]
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+- **Physical Layer**: 장치 간 물리적 연결과 하드웨어 전송 기술을 다루는 최하위 계층
+  - Protocol Data Unit (PDU): Bits
+  - 한 node에서 다른 node로 bit를 송수신
+  - 신호 변환 (디지털 데이터 → 전송 가능한 신호 형태), bit synchronization, bit rate control 등을 담당
+  - 주요 장비: 케이블, 허브 등
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+- **Data Link Layer**: 두 장치 간 (peer-to-peer, P2P) 신뢰성 있는 데이터 전송을 처리하는 계층
+  - PDU: Frame (네트워크 내부 전송을 위한 데이터 캡슐화 단위)
+  - Network layer에서 받아온 packet을 frame 단위로 만들고 header (srt MAC, dst MAC)와 trailer (데이터 에러 감지 bit) 추가
+  - MAC (Media Access Control) 주소 기반으로 데이터 전달
+  - Error control, flow control 등을 통해 데이터 손실을 방지
+  - 주요 장비: switch, bridge
+  - 주요 프로토콜: Address Resolution Protocol (ARP), ethernet, bluetooth, wi-fi 등
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+- **Network Layer**: end-to-end 간 데이터 전달 (packet routing)을 담당하는 계층
+  - PDU: Packet
+  - 서로 다른 네트워크의 host 간 통신을 가능하게 하고, 목적지까지의 최적 경로를 선택
+  - Packet forwarding, routing, logical addressing(Internet Protocol, IP) 관리 수행
+    - Packet forwarding: packet header의 src, dst IP 주소를 보고 packet을 목적지까지 전달
+    - Routing: network 간 router를 통해 목적지까지의 최적 경로 선택
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+- **Transport Layer**: end-to-end 간 데이터 전송의 신뢰성을 제공하는 계층
+  - PDU: Segment
+  - Error check, retransmission, flow control 등을 구현
+  - 주요 장비: Gateway (서로 다른 통신 프로토콜이나 네트워크 구조를 사용하는 두 네트워크를 연결)
+  - 주요 프로토콜: TCP, UDP
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+- **Session Layer**: 통신 세션을 관리하는 계층
+    - 데이터 통신을 위한 논리적 연결을 담당 
+    - Application 간 연결 (e.g., TCP 세션)을 구축/관리/종료
+    - 통신 장치 간 동기화를 제공
+    - 연결 세션에서 data 교환과 error 발생 시의 복구 및 보안을 관리
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+- **Presentation Layer**: 데이터 표현 형식을 변환하는 계층
+    - 압축, 암호화 등을 수행하여 application layer가 요구하는 형식으로 변환
+    - Translation Layer라고도 불림
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+- **Application Layer**: User에게 실제 application 서비스를 제공하는 계층
+    - User 및 application이 네트워크에 접속할 수 있게 해줌
+    - End system이 서비스 (e-mail, 파일 전송 등)를 제공받기 위해 주고 받아야하는 메세지 형식에 대한 프로토콜을 정의
+    - 주요 프로토콜: DHCP, HTTP, DNS, FTP 등
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+![][osi_layer_description.png]
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+---
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+# TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol) Model
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+TCP/IP 모델은 1960년대 미국 국방부에 의해 개발된 실무 중심 네트워크 모델이며, 4계층 또는 5계층 구조로 표현
+1983년 공식 표준으로 채택되면서 OSI 모델보다 단순하고 실용적이기 때문에 실제 네트워크 구현 모델로 널리 사용
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+## Original TCP/IP Model – 4 Layers
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+- **Application Layer**: OSI의 Session, Presentation, Application layer를 통합한 계층
+- **Transport Layer**: TCP/UDP 기반 end-to-end 데이터 전송 제공
+- **Internet Layer**: IP 기반 packet routing
+- **Network Access Layer**: OSI의 Physical Layer + Data Link Layer를 통합해 표현한 계층
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+## TCP/IP Updated Model – 5 Layers
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+- **Application Layer**: OSI의 Session, Presentation, Application layer를 통합한 계층
+- **Transport Layer**: TCP/UDP 기반 end-to-end 데이터 전송 제공
+- **Internet Layer**: IP 기반 packet routing
+- **Data Link Layer**: MAC 주소 기반 frame 전송
+- **Physical Layer**: 신호 기반 bit 전송
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+# TCP (Transmission Control Protocol)
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+TCP는 transport layer에서 사용하는 프로토콜로, 신뢰성을 보장하는 연결형 서비스
+Network에 연결된 host에서 실행되는 application 간 데이터를 순서대로 안정적이고 에러 없이 교환할 수 있게 해줌.
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+## TCP 특징
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+- 연결 지향 (Connection-oriented) 방식: data를 보내기 전에 먼저 상대와 연결 설정 필요
+- Stream 기반 서비스: 데이터를 연속된 바이트 흐름으로 전달하며, 메시지 경계를 구분하지 않음
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+![][connection_oriented.png]
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+- 3-way handshaking 과정을 통해 연결 설정
+- 4-way handshaking 과정을 통해 연결 해제
+- 흐름 제어 (flow control), 혼잡 제어 (congestion control), 그리고 재전송 (Retransmission)을 통한 높은 신뢰성 보장
+    - Flow control: sliding window 방식으로 데이터 전송 속도를 조절 -> 수신자의 buffer overflow 방지
+    - Sliding window: 송신자는 수신자가 알려준 window size 범위만큼 packet을 보내고 ACK마다 window를 늘려가며 전송함
+    - Congestion control: 네트워크에서 돌아다니는 packt 수가 과도하게 증가하는 현상 방지
+    - Retransmission: sequence와 ACK를 사용해 segment에서 손실된 데이터 범위를 식별하고 재전송 시작 위치를 결정
+- UDP보다 속도가 느림
+- 전이중(Full-Duplex), 점대점(Point-to-Point) 방식
+    - Full-Duplex: 송신과 수신이 동시에 가능한 통신 방식
+    - Point-to-Point: 하나의 TCP 연결은 한 명의 송신자와 한 명의 수신자만 존재 (1:1 연결)
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+![][tcp_sliding_window.png] TCP Sliding Window
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+## TCP Header
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+![][tcp_header.png]
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+- Source Port (16 bit)
+    - 출발지 port 번호
+    - 전송하는 측에서 임의의 번호를 사용 (application에 따라 port 번호가 정해져 있을 수 있음)
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+- Destination Port (16 bit)
+    - 목적지 port 번호
+    - Application에 따라 port 번호가 정해져 있음
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+- Sequence Number (32 bit)
+    - TCP 세그먼트에 포함된 데이터의 시작 바이트 번호
+    - 통신 시작 시 0이 아니라 임의의 초기 값(ISN, Initial Sequence Number)에서 시작해 보안성과 충돌을 방지
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+- Acknowledgement Number (32 bit)
+    - 상대방이 보낸 segment를 잘 받았음을 알리기 위한 번호
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+- Offset (4 bit)
+    - TCP header 길이를 4바이트 단위로 표시
+    - TCP header는 최소 20, 최대 60 byte
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+- Reserved (4 bit)
+    - 사용하지 않는 필드이며, 모두 0으로 표시
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+- Flags (8 bit)
+    - 제어 비트(control bits) 라고도 부르며, segment의 종류를 표시하는 필드
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+- Window size (16 bit)
+    - Client의 ACK 없이 현재 전송 가능한 최대 byte 수
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+- Checksum (16 bit)
+    - Header와 data의 에러를 확인하기 위한 필드
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+- Urgent Pointer (16 bit)
+    - 현재 sequence number부터 긴급 데이터의 끝 위치까지의 바이트 오프셋을 표시
+    - 긴급 data를 우선 처리하도록 수신 측에 알려주는 역할
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+- Option (0~40 byte)
+    - 최대 segment 사이즈 지정 등 추가적인 옵션이 있을 경우 표시
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+## TCP 세션 연결
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+![][tcp_3way.png]
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+- Connection을 위해 3-way handshaking 방법을 사용 -> 양쪽 모두 data 전송 준비가 되었다는 것을 보장
+- Step 1) Client는 server에 접속을 요청하는 SYN packet을 전송 -> Client는 ACK을 기다리는 SYN_SENT 상태로 전환
+- Step 2) Server는 요청을 정상적으로 받았다는 대답(ACK)과 client도 포트를 열어달라는 SYN 을 같이 전송 -> Server는 ACK을 기다리는 SYN_RECEIVED 상태로 전환
+- Step 3) Client가 SYN+ACK 을 받으면 ESTABLISHED로 상태를 변경하고 서버에 ACK 을 전송 -> ACK을 받은 Server는 ESTABLSHED 상태가 됨
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+## TCP 세션 종료
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+![][tcp_4way.png]
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+- Connection을 끊기 위해 4-way handshaking 방법을 사용
+- Step 1) Client가 server에게 FIN을 보냄 -> Client는 FIN_WAIT 1 상태로 대기
+- Step 2) FIN을 받은 server는 상태를 CLOSE_WAIT로 변경하고 ACK을 보냄 -> ACK을 받은 client는 상태를 FIN_WAIT 2로 변경
+    - 이 시점에 server는 해당 port에 연결되어 있는 application에게 CLOSE()를 요청
+- Step 3) Application이 close 준비가 되면 server는 FIN을 client에게 보낸 후 상태를 LAST_ACK으로 변경
+- Step 4) Client가 FIN을 받으면 이에 대한 응답으로 ACK을 보낸 후 TIME_WAIT 상태로 변경
+    - ACK을 받은 server는 CLOSED로 상태를 변경하고 client도 일정 시간이 지나면 CLOSED로 상태를 변경
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+---
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+# UDP (User Datagram Protocol)
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+UDP는 transport layer에서 사용하는 비연결형 프로토콜로, 빠른 데이터 전송을 목표로 하지만 신뢰성을 보장하지 않음.  
+Network에 연결된 host에서 실행되는 application 간 데이터를 별도의 연결 과정 없이 데이터그램 단위로 전송함.
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+## UDP 특징
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+- 비연결형 방식: 데이터를 보내기 전에 상대와 연결 설정 과정이 없음
+    - 각 패킷이 독립적으로 전송되며 서로 다른 경로를 통해 전달될 수 있음
+- Datagram 기반 서비스: 메시지 단위로 독립적으로 보내며, 보낸 메시지의 경계가 그대로 유지되어 전달
+- 재전송, 흐름 제어, 혼잡 제어 기능 없음 → 데이터 신뢰성 보장 X
+- 순서를 보장하지 않음 → 먼저 전송한 패킷이 더 늦게 도착하거나 유실될 수 있음
+- Packet overhead가 적고 네트워크 부하 감소 → TCP보다 전송 속도 빠름
+- 속도가 중요한 서비스에서 사용 (e.g., 실시간 스트리밍, 음성/영상 서비스 등)
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+![][datagram.png] Datagram
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+## UDP 헤더
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+![][udp_header.png]
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+- Source Port (16 bit)
+    - 송신 application을 식별하기 위한 port 번호
+    - 일반적으로 송신 측에서 임의의 port를 사용
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+- Destination Port (16 bit)
+    - 수신 application을 식별하기 위한 port 번호
+    - 서비스에 따라 정해진 port 번호 사용 (e.g., DNS 53, DHCP 67/68)
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+- Length (16 bit)
+    - UDP header와 data를 합한 전체 크기를 byte 단위로 표시
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+- Checksum (16 bit)
+    - Header와 data의 오류를 검출하기 위한 필드
+    - 에러 복구 기능은 없으며, UDP header는 TCP보다 단순함
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+> 데이터 신뢰성 보장을 위한 Sequence Number, ACK Number 등은 존재하지 않음.
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+---
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+# TCP vs. UDP
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+- 연결 방식
+  - TCP: 연결형(Connection-oriented), 통신 전에 세션을 설정
+  - UDP: 비연결형(Connectionless), 세션 설정 없이 데이터 전송
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+- 신뢰성
+  - TCP: 데이터 전달 신뢰성 보장, 재전송, 오류 검출, 순서 보장
+  - UDP: 신뢰성 없음, 손실·순서 뒤바뀜 허용, 재전송 없음
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+- 데이터 전송 단위
+  - TCP: 스트림(Stream) 기반, 연속된 바이트 흐름
+  - UDP: 데이터그램(Datagram) 기반, 메시지 단위 독립 전송
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+- 속도
+  - TCP: 상대적으로 느림 (흐름제어, 혼잡제어, 재전송 등)
+  - UDP: 빠름, 오버헤드 적음
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+- 헤더 구조
+  - TCP: Sequence Number, ACK Number, Window Size, Urgent Pointer 등 포함
+  - UDP: Source Port, Destination Port, Length, Checksum
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+- 사용 사례
+  - TCP: 웹, 이메일, 파일 전송 등 신뢰성이 필요한 서비스
+  - UDP: 실시간 스트리밍, VoIP, DNS 조회 등 속도가 중요한 서비스
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+| 항목 | TCP | UDP |
+|------|-----|-----|
+| 연결 방식 | 연결형 (Connection-oriented) | 비연결형 (Connectionless) |
+| 신뢰성 | 높음 (재전송, 순서 보장) | 낮음 (재전송 X, 순서 X) |
+| 데이터 단위 | 스트림(Stream) | 데이터그램(Datagram) |
+| 속도 | 느림 | 빠름 |
+| 흐름 제어 / 혼잡 제어 | 있음 | 없음 |
+| 헤더 필드 | Seq, ACK, Window, Urgent Pointer 등 | Src Port, Dst Port, Length, Checksum |
+| 전송 방식 | 점대점(1:1), 전이중 (Full-Duplex) | 독립 메시지 단위 |
+| 대표 사용 사례 | 웹, 이메일, 파일 전송 | 실시간 스트리밍, VoIP, DNS 등 |
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+# Remote Direct Memory Access (RDMA)
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+RDMA는 네트워크를 통해 원격 시스템의 메모리에 직접 접근하여 데이터 전송을 수행하는 기술
+CPU 및 Kernel 개입 없이 메모리 간 데이터를 복사할 수 있음
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+## 주요 특징
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+- 초저지연(Low Latency): 커널 우회를 통한 전송
+- 낮은 CPU 사용률: 데이터 복사 과정에서 CPU 개입 최소화
+- 고성능 대역폭(High Throughput): 대규모 데이터 처리에 적합
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+![][rdma_bypass.png]
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+## 핵심 개념
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+| 항목 | 설명 |
+|------|------|
+| Zero-Copy | 데이터가 커널 버퍼를 거치지 않고 사용자 메모리 간 직접 복사 |
+| Kernel Bypass | 시스템 콜 없이 NIC가 데이터 전송 처리 |
+| Queue Pair (QP) | RDMA 통신을 위한 Send/Receive 큐 쌍 |
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+## RDMA 전송 모드
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+| Operation      | Description               |
+|---------------|---------------------------|
+| RDMA Write    | 원격 메모리에 직접 쓰기     |
+| RDMA Read     | 원격 메모리에서 직접 읽기   |
+| Send/Receive  | 일반적인 메시지 기반 통신   |
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+---
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+## 사용 예시
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+- HPC(High Performance Computing)
+- 분산 스토리지 / 분산 데이터베이스
+- AI/ML 클러스터 통신
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+## 장단점
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+| 장점 | 단점 |
+|------|------|
+| 초고성능, 초저지연 | 인프라 구축 비용 높음 |
+| CPU 부하 감소 | 구현 복잡도 높음 |
+| 확장성 우수 | RDMA 지원 NIC / 스위치 필요 |
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+[osi_layer_overview.png]: ./week04_images/osi_layer_overview.png
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