고민의 흔적

유튜브 무료 강의인 따배도가 마지막 강의입니다. 무료 강의이지만 퀄리티가 무료 강의를 넘어서는 강의이고 도커가 처음이신 분 도커에 대해 공부하고 싶은 분, 취준생분들 모두 추천합니다.

https://www.youtube.com/watch?v=NLUugLQ8unM&list=PLApuRlvrZKogb78kKq1wRvrjg1VMwYrvi&index=1 

토커 컴포즈란?

여러 컨테이너를 일괄적으로 적용하고 실행할 수 있는 툴

• 하나의 서비스를 운영하기 위해서는 여러개의 애플리케이션이 동작해야 한다.
• 컨테이너화 된 애플리케이션들을 통합 관리할 수 있다.

docker-compose 기본 명령어

docker-compose 기본 명령어

version : compose 버전 버전에 따라 지원 문법이 다름
service : 컴포즈를 이용해서 실행할 컨테이너 옵션 정의
build : 컨테이너 빌드
image : compose를 통해 실행할 이미지를 지정
command : 컨테이너에서 실행 될 명령어 지정
port : 컨테이너가 공개하는 포트 나열
link : 다른 컨테이너와 연계할 때 연계할 컨테이너 지정
expose : 포트를 링크로 연계된 컨테이너에만 공개할 포트
volumes : 컨테이너에 볼륨을 마운트
environment : 컨테이너에 적용할 환경변수를 정의
restart : 컨테이너가 종료 될 때 적용할 restart 정책
	no : 재시작 되지 않음
	always : 컨테이너를 수동으로 끄기 전까지 항상 재시작
	on-failure : 오류가 있을시에 재시작
depends_on : 컨테이너 간의 종속성을 정의 정의한 컨테이너가 먼저 동작되야함

docker-compose로 동작시키는 웹서버

1단계 : 도커 컨테이너가 사용할 서비스 디렉터리부터 만들어줘야 한다.

• mkdir webserver
• cd webserver

2단계 : docker-compose.yml 생성

3단계 : docker-compose 명령어

• docker-compose up -d
• docker-compose ps
• docker-compose scale mysql=2
• docker-compose ps
• docker-compose down

docker-compose 명령어

도커 컴포즈 명령어

up : 컨테이너 생성/시작
ps : 컨테이너 목록 표시
logs : 컨테이너 로그 출력
run : 컨테이너 실행
start : 컨테이너 시작
stop : 컨테이너 정지
restart : 컨테이너 재시작
pause : 컨테이너 일시정지
unpause : 컨테이너 재개
port : 공개포트번호 표시
config : 구성확인
kill : 실행중인 컨테이너 강제 정지
rm : 컨테이너 삭제
down : 리소스 삭제

ex) docker-compose scale 서비스 이름 = 개수
docker-compose run 서비스 이름 실행 명령어
docker-compose logs 서비스 이름
docker-compose up -d
docker-compose ps
docker-compose scale mysql=2
docker-compose ps
docker-compose down
docker-compose down - -volumes 볼륨까지 지워진다.

빌드와 운영

1단계 : 도커 컨테이너가 사용할 서비스 디렉터리부터 만들어줘야 한다.

• mkdir webserver
• cd webserver

2단계 : 빌드를 위한 dockerfile 생성

3단계 : docker-compose.yml 생성

4단계 : docker-compose 명령어

• docker-compose up -d
• docker-compose ps
• docker-compose scale mysql=2
• docker-compose ps
• docker-compose down

네트워크 기기의 처리 범위

네트워크 기기는 계층별로 처리 범위를 나눌 수 있다. 또한 상위 계층을 처리하는 기기는 하위 계층을 처리할 수 있지만 그 반대는 불가하다.

• 애플리케이션 계층 : L7 스위치
• 인터넷 계층 : 라우터, L3 스위치
• 데이터 링크 계층 : 브리지, L2 스위치
• 물리 계층 : NIC, 리피터, AP

L7 스위치

L7 스위치는 로드밸런서라고도 하며, 서버의 부하를 분산하는 기기이다. 클라이언트로부터 오는 요청들을 뒤쪽의 여러 서버로 나누는 역할을 하며 시스템이 처리할 수 있는 트래픽 증가를 목표로 한다.

URL, 서버, 캐시, 쿠키들을 기반으로 트래픽을 분산한다. 또한 바이러스, 불필요한 외부 데이터 등을 걸러내는 필터링 기능 또한 가지고 있으며 응용 프로그램 수준의 트래픽 모니터링도 가능하다.

만약 장애가 발생한 서버가 있다면 이를 트래픽 분산 대상에서 제외해야 하는데, 이는 정기적으로 헬스 체크를 이용하여 감시하면서 이루어진다.

L7 스위치와 L4 스위치 차이

L4 스위치는 인터넷 계층을 처리하는 기기로 스트리밍 관련 서비스에서는 사용할 수 없으며 메시지를 기반으로 인식하지 못하고 IP와 포트를 기반으로 트래픽을 분산한다.

L7 스위치는 IP, 포트 외에도 URL, HTTP 헤더, 쿠키 등을 기반으로 트래픽을 분산한다.

L7 스위치를 이용한 로드밸런싱은 ALB 컴포넌트로 하며, L4 스위치를 이용한 로드밸런싱은 NLB 컴포넌트로 한다.

헬스 체크

L4 스위치, L7 스위치 모두 헬스 체크를 통해 정상적인 서버 또는 비정상적인 서버를 판별하는데, 헬스 체크는 전송 주기와 재전송 횟수 등을 설정한 이후 반복적으로 서버에 요청을 보내는 것을 말한다.

TCP, HTTP 등 다양한 방법으로 요청을 보내며 이 요청이 정상적이라면 정상 서버로 판별

인터넷 계층을 처리하는 기기

라우터

라우터는 여러 개의 네트워크를 연결, 분할, 구분시켜주는 역할을 하며 다른 네트워크에 존재하는 장치끼리 서로 데이터를 주고받을 때 패킷 소모를 최소화하고 경로를 최적화하여 최소 경로로 패킷을 포워딩하는 라우팅을 하는 장비이다.

L3 스위치

L3 스위치란 L2 스위치의 기능과 라우팅 기능을 갖춘 장비이다. 라우터는 소프트웨어 기반 라우팅과 하드웨어 기반 라우팅을 하는 것으로 나눠지고 하드웨어 기반의 라우팅을 담당하는 장치를 L3 스위치라고 한다.

데이터 링크 계층을 처리하는 기기

L2 스위치

L2 스위치는 장치들의 MAC 주소를 MAC 주소 테이블을 통해 관리하며, 연결된 장치로부터 패킷이 왔을 때 패킷을 전송한다.

단순히 패킷의 MAC 주소를 읽어 스위칭하는 역할을 한다.

브리지

브리지는 두 개의 근거리 통신망(LAN)을 상호 접속할 수 있도록 하는 통신망 연결 장치로, 포트와 포트 사이의 역할을 하며 장치에서 받아온 MAC 주소를 MAC 주소 테이블로 관리한다.

브리지는 통신망 범위를 확장하고 서로 다른 LAN 등으로 이루어진 하나의 통신망을 구축할 때 쓰인다.

물리 계층을 처리하는 기기

NIC

LAN 카드라고 하는 네트워크 인터페이스 카드는 2대 이상의 컴퓨터 네트워크를 구성하는 데 사용한다. 네트워크와 빠른 속도로 데이터를 송수신할 수 있도록 컴퓨터 내에 설치하는 확장 카드이다. LAN 카드에는 각각을 구분하기 위한 고유의 식별번호인 MAC 주소가 있다.

리피터

리피터는 들어오는 약해진 신호 정도를 증폭하여 다른 쪽으로 전달하는 장치이다. 이를 통해 패킷이 더 멀리 갈 수 있다. 광케이블 보급이 됨에 따라 현재는 잘 안 쓰인다.

AP

AP는 패킷을 복사하는 기기이다. AP에 유선 LAN을 연결한 후 다른 장치에서 무선 LAN 기술을 사용하여 무선 네트워크 연결을 할 수 있다.

IP주소

ARP

컴퓨터 간의 통신은 흔히들 IP 주소 기반으로 통신한다고 알고 있지만 정확하게는 IP 주소에서 ARP를 통해 MAC 주소를 기반으로 통신을 한다. ARP란 IP 주소로부터 MAC 주소를 구하는 IP와 MAC 주소의 다리 역할을 하는 프로토콜이다.

ARP를 통해 가상 주소인 IP 주소를 실제 주소인 MAC 주소로 변환한다. 이와 반대로 RARP를 통해 실제 주소인 MAC 주소를 가상 주소인 IP 주소로 변환하기도 한다.

ARP의 주소를 찾는 과정

장치 A가 ARP Request 브로드캐스트를 보내서 IP 주소인 120.70.80.3에 해당하는 MAC 주소를 찾는다. 그러고 나서 해당 주소에 맞는 장치 B가 ARP reply 유니캐스트를 통해 MAC 주소를 반환하는 과정을 거쳐 IP 주소에 맞는 MAC 주소를 찾게 된다.

브로드캐스트

송신 호스트가 전송한 데이터가 네트워크에 연결된 모든 호스트에 전송되는 방식

유니캐스트

고유 주소로 식별된 하나의 네트워크 목적지에 1 : 1로 데이터를 전송하는 방식

홉바이홉 통신

IP 주소를 통해 통신하는 과정을 홉바이홉 통신이라고 한다. 여기서 홉이란 영어 뜻 자체로는 건너뛰는 모습을 의미한다. 이는 통신망에서 각 패킷이 여러 개의 라우터를 건너가는 모습을 비유적으로 표현한 것이다. 각각의 라우터에 있는 라우팅 테이블의 IP를 기반으로 패킷을 전달하고 다시 전달해나간다. 통신 장치에 있는 라우팅 테이블의 IP를 통해 시작 주소부터 시작하여 다음 IP로 계속해서 이동하는 라우팅 과정을 거쳐 패킷이 최종 목적지까지 도달하는 통신을 말한다.

라우팅 테이블

라우팅 테이블은 송신지에서 수신지까지 도달하기 위해 사용되며 라우터에 들어가 있는 목적지 정보들과 그 목적지로 가기 위한 방법이 들어 있는 리스트를 뜻한다. 라우팅 테이블에는 게이트웨이와 모든 목적지에 대해 해당 목적지에 도달하기 위해 거쳐야 할 다음 라우터의 정보를 가지고 있다.

게이트웨이

게이트웨이는 서로 다른 통신망, 프로토콜을 사용하는 네트워크 간의 통신을 가능하게 하는 관문 역할을 하는 컴퓨터나 소프트웨어이다.

IP 주소 체계

IPv4

32비트를 8비트 단위로 점을 찍어 표기하며 127.45.67.89 같은 방식으로 IP 주소를 나타낸다.

IPv6

64비트를 16비트 단위로 점을 찍어 표기하며 2001:db8::ff00:42:8329와 같은 방식으로 IP 주소를 나타낸다.

클래스 기반 할당 방식(CIDR)

클래스 A, B, C는 일대일 통신으로 사용되고 클래스 D는 멀티캐스트 통신, 클래스 E는 앞으로 사용할 예비용으로 쓰는 방식이다. 맨 왼쪽에 있는 비트를 구분 비트라고 하는데 구분 비트를 통해 클래스 간의 IP가 나눠진다. 또한 네트워크의 첫 번째 주소는 네트워크 주소로 사용되고 가장 마지막 주소는 브로드캐스트용 주소로 네트워크에 속해 있는 모든 컴퓨터에 데이터를 보낼 때 사용한다.

이 방식은 사용하는 주소보다 버리는 주소가 많은 단점이 있다. 이를 해결하기 위해 DHCP와 IPv6, NAT이 나왔다.

DHCP

DHCP는 IP 주소 및 기타 통신 매개변수를 자동으로 할당하기 위한 네트워크 관리 프로토콜이다. 이 기술을 통해 네트워크 장치의 IP 주소를 수동으로 설정할 필요 없이 인터넷에 접속할 때마다 자동으로 IP 주소를 할당할 수 있다.

NAT

NAT은 패킷이 라우팅 장치를 통해 전송되는 동안 패킷의 IP 주소 정보를 수정하여 IP 주소를 다른 주소로 매핑하는 방법이다. IPv4 주소 체계만으로는 많은 주소들을 모두 감당하지 못하는 단점이 있는데, 이를 해결하기 위해 NAT으로 공인 IP와 사설 IP로 나눠서 많은 주소를 처리한다. NAT을 쓰는 이유는 주로 여러 대의 호스트가 하나의 공인 IP 주소를 사용하여 인터넷에 접속하기 위함이다. NAT을 이용하면 내부 네트워크에서 사용하는 IP 주소와 외부에 드러나는 IP 주소를 다르게 유지할 수 있기 때문에 내부 네트워크에 대한 어느 정도의 보안이 가능하다. 단점으로는 여러 명이 동시에 인터넷에 접속하게 되므로 접속 속도가 느려질 수 있다는 단점이 있다.

구글 Cloud Study Jam 쿠버네티스 입문반 과정을 진행한다고 메일이 왔었습니다.

메일 확인을 늦게 해서 턱걸이로 마감 직전에 신청을 완료하였습니다.

도커에 대해 학습을 완료하고 쿠버네티스에 대해 학습을 하려고 강의를 찾고 있었는데 이런 기회가 있어서 정말 감사합니다.

과정 기간은 2022년 6월 27일부터 2022년 7월 25일까지입니다. 학습을 완료하고 수료를 하면 기념품을 증정한다고 하니 열심히 들어야겠습니다. 

수료 조건은 제공된 강좌[Qwiklabs] Kubernetes in the Google Cloud 완료 시 수료가 된다고 합니다.

제공되는 강좌 목록

76번 이항 계수 1

내가 떠올린 풀이 해설

조합에서 가장 기본이 되는 문제이다. 일반 점화식을 이용하면 쉽게 해결할 수 있는 문제이다. n과 k를 입력받고 DP 배열을 선언한다. 배열은 arr [n + 1][n + 1] 그리고 DP 배열의 값을 다음과 같이 초기화한다. arr [i][1] = i -> i 개 중 1개를 뽑는 경우의 수는 i개 arr[i][0] = 1 -> i 개 중 1개도 선택하지 않는 경우의 수는 1개 arr[i][i] = i -> i 개 중 i 개를 선택하는 경우의 수는 1개이다. 점화식으로 DP 배열의 값을 채운다. arr[i][j] = arr[i - 1][j] + arr[i - 1][j - 1] 마지막으로 arr [n][k] 값을 출력한다.

정확한 풀이

import java.io.*;
import java.util.*;

public class Baek11050 {

	public static void main(String[] args) throws IOException {
		BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
		StringTokenizer st = new StringTokenizer(br.readLine());
		
		int n = Integer.parseInt(st.nextToken());
		int k = Integer.parseInt(st.nextToken());
		int[][] arr = new int[n + 1][n + 1];
		for(int i = 0; i <= n; i++) {
			arr[i][0] = 1; // i 개에서 1개도 선택하지 않는 경우의 수는 0개 
			arr[i][i] = 1; // i 개에서 모두 선택하는 경우의 수는 1개 
			arr[i][1] = i; // i 개에서 1개 선택 경우의 수는 i개 
		}
		for(int i = 2; i <= n; i++) {
			for(int j = 1; j < i; j++) { // 고르는 수의 개수가 전체 개수를 넘을 수 없음 
				arr[i][j] = arr[i - 1][j - 1] + arr[i - 1][j]; // 조합 점화식 
			}
		}
		System.out.println(arr[n][k]);
	}
}

내가 떠올린 풀이 해설

바로 앞에 문제와 비슷한 문제이다 n의 값이 커지고 결괏값을 10,007로 나눈 나머지를 출력하라는 요구사항이 있다. 모듈러 연산의 특성을 이용해 문제를 풀었다. 모듈러 연산은 덧셈에 관해 위와 같이 각각 모듈러를 하고, 모듈러 연산을 수행한 것과 두 수를 더한 후 수행한 것의 값이 동일하므로 이 문제에서 arr배열에 결괏값이 나올 때마다 모듈러 연산을 수행하는 로직을 추가하면 문제를 해결할 수 있다.

모듈러 연산의 특성

(A mod N + B mod N) mod N = (A + B) mod N

정확한 풀이

import java.io.*;
import java.util.*;

public class Baek11051 {

	public static void main(String[] args) throws IOException {
		BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
		StringTokenizer st = new StringTokenizer(br.readLine());
		
		int n = Integer.parseInt(st.nextToken());
		int k = Integer.parseInt(st.nextToken());
		int[][] arr = new int[n + 1][n + 1];
		int pow = 10007;
		for(int i = 0; i <= n; i++) {
			arr[i][0] = 1;
			arr[i][i] = 1;
			arr[i][1] = i;
		}
		for(int i = 2; i <= n; i++) {
			for(int j = 1; j < i; j++) {
				arr[i][j] = (arr[i - 1][j - 1] + arr[i -1][j]) % pow;
			}
		}
		System.out.println(arr[n][k]);
	}
}

오늘의 회고

오늘은 DP 문제를 풀기 위해 먼저 학습해야 되는 조합에 대해서 학습하고 조합에 관련된 기본 문제 2문제를 풀었습니다. DP가 알고리즘 문제 풀이에서 2번째로 중요하다고 들었습니다. 매번 출제되는 문제인 만큼 확실하게 학습하고 넘어가겠습니다.

70번 트리 순회

내가 떠올린 풀이 해설

2차원 배열에 트리 데이터를 저장한다. 저장할 때 index화 하여 저장한다. 전위 순회 함수를 구현해 실행한다. 중위 순회, 후위 순회도 같은 과정으로 구현한다.

전위 순회 순서

현재 노드 -> 왼쪽 노드 -> 오른쪽 노드

중위 순회 순서

왼쪽 노드 -> 현재 노드 -> 오른쪽 노드

후위 순회 순서

왼쪽 노드 -> 오른쪽 노드 -> 현재 노드

정확한 풀이

import java.io.*;
import java.util.*;
public class Baek1991 {
	static int[][] tree;
	public static void main(String[] args) throws IOException {
		BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
		int n = Integer.parseInt(br.readLine());
		
		tree = new int[26][2];
		for(int i = 0; i < n; i++) {
			String[] str = br.readLine().split(" ");
			int node = str[0].charAt(0) - 'A';
			char left = str[1].charAt(0);
			char right = str[2].charAt(0);
			
			if(left == '.') {
				tree[node][0] = -1; 
			}
			else {
				tree[node][0] = left - 'A';
			}
			if(right == '.') {
				tree[node][1] = -1;
			}
			else {
				tree[node][1] = right - 'A';
			}
		}
		preOrder(0);
		System.out.println();
		inOrder(0);
		System.out.println();
		postOrder(0);
		System.out.println();
	}
	private static void postOrder(int now) {
		if(now == -1) {
			return;
		}
		postOrder(tree[now][0]);
		postOrder(tree[now][1]);
		System.out.print((char)(now + 'A'));
	}
	private static void inOrder(int now) {
		if(now == -1) {
			return;
		}
		inOrder(tree[now][0]);
		System.out.print((char)(now + 'A'));
		inOrder(tree[now][1]);
	}
	private static void preOrder(int now) {
		if(now == -1) {
			return;
		}
		System.out.print((char)(now + 'A'));
		preOrder(tree[now][0]);
		preOrder(tree[now][1]);
	}
}

오늘의 회고

오늘은 이진 트리 한 문제를 풀었습니다. 주어진 자료구조 형태만 충실히 구현하면 되는 문제라고 나와있었는데 많이 헤맸습니다. 이제 앞으로 배워야 할 알고리즘이 세그먼트 트리, 최소 공통 조상, 조합, 동적 계획법(DP) 4개가 남았는데 이 책을 끝내면 이제 단원별이 아닌 무작위로 문제를 뽑아서 풀 생각입니다. 그동안 배웠던 알고리즘으로 응용을 해서 풀어야 되는데 걱정이 되네요 꾸준히 하다 보면 목표에 도달할 것이라고 생각합니다. 꾸준히 열심히 하겠습니다.

컨테이너 간 통신(네트워크) 명령어

1. 컨테이너 통신 방식

도커 데몬을 실행하게 되면 docker0라고 하는 도커 네트워크 인터페이스가 생긴다. 도커 네트워크 인터페이스는 virtual ethernet bridge이고 브릿지 네트워크를 지원하는 가상 네트워크이다. 브릿지 네트워크는 도커 컨테이너가 가지고 있는 IP와 Host 이더넷 또는 물리 장비가 가지고 있는 네트워크를 연결해주는 역할을 한다. 브릿지 네트워크를 지원하기 위해서 docker0는 내부적으로 NAT서비스와 포트 포워딩 기능을 제공한다. 직접 도커가 지원하는 것은 아니고 IPtables로 해준다. virtual ethernet bridge : 172.17.0.0/16 값을 가지는 브릿지 네트워크가 docker0이고 브릿지 네트워크 안에서 docker0는 172.17.0.1 IP를 가지고 게이트웨이 역할을 한다. 컨테이너의 게이트웨이 역할과 L2통신을 지원해준다. 모든 컨테이너는 외부 통신을 docker0를 통해 진행한다. 컨테이너가 실행되면 172.17.x.x로 순차적으로 가상 IP를 할당한다.

-NAT : Network Address Translation의 약자로 패킷이 라우팅 장치를 통해 전송되는 동안 패킷의 IP주소 정보를 수정하여 IP 주소를 다른 주소로 매핑하는 방법이다.

-IPtables : iptables는 시스템 관리자가 리눅스 커널 방화벽(다른 넷필터 모듈로 구현됨)이 제공하는 테이블들과 그것을 저장하는 체인, 규칙들을 구성할 수 있게 해주는 사용자 공간 응용 프로그램이다.

2. 컨테이너 포트를 외부로 노출

클라이언트는 eth0라는 인터페이스를 통해서만 들어올 수 있다. eth0에서 컨테이너까지 연결될 수 있도록 포트 포워딩이 진행되야한다.

-p 80:80 -p 호스트 포트:컨테이너 포트

-p 8080로 하면 실제로는 -p randomport:8080이 된다.

-P는 컨테이너 내부에서 도커 파일의 EXPOSE로 정의되어있는 포트에 맞춰서 렌덤 포트가 자동으로 맞춰진다.

3. user-defined bridge network 생성 방법

docker network create --driver bridge --subnet xxx.xxx.xxx.x/24 --gateway xxx.xxx.xxx.xxx mynet

subnet을 정해주지 않으면 docker0가 172.17.0.1을 사용하고 있으므로 172.18.0.1로 된다.

gateway를 생략하면 xxx.xxx.xxx.1번으로 된다.

docker network ls

위의 명령어는 docker의 네트워크 확인하는 명령어이다.

docker run -d —-name appjs —-net mynet —-ip 192.168.100.100 -p 8080:8080 smliux/appjs

위의 명령어는 docker에서 유저가 정의한 네트워크를 실행할 때의 명령어이다.

-ip 생략하면 순차적으로 알아서 생긴다. ex) 192.168.100.001 , 192.168.100.002 등등

4. 컨테이너끼리의 통신

프론트 컨테이너와 백엔드 컨테이너가 통신을 할 때를 예를 들면 wordpress가 있는데 wordpress는 웹페이지를 쉽게 제작할 수 있게 도와주는 Tool이다. wordpress 안에는 아파치 웹서버가 내장되어 있다. 또한 wordpress에서 만들어진 데이터는 MySQL에서 저장되게 구성되어있다.

mysql 실행

docker run -d —-name mysql -v /dbdata:/var/lib/mysql -e MYSQL_ROOT_PASSWORD=pass -e MYSQL_PASSWORD=pass mysql

wordpress 실행

docker run -d —-name wordpress —-link mysql:mysql -e WORDPRESS_DB_PASSWORD=pass -p 80:80 wordpress

컨테이너와 컨테이너끼리의 통신은 --link를 통해서 연결된다. 컨테이너 이름:원하는 이름

처리량

처리량이란 링크를 통해 전달되는 단위 시간당 데이터 양입니다. 단위로는 bps이다. 초당 전송 또는 수신되는 비트 수라는 의미이다.

처리량은 사용자들이 많아 접속할 때마다 커지는 트래픽, 네트워크 장치 간의 대역폭, 네트워크 중간에 발생하는 에러, 장치의 하드웨어 스펙에 영향을 받는다.

대역폭

주어진 시간 동안 네트워크 연결을 통해 흐를 수 있는 최대 비트 수 이다.

지연시간

지연 시간이란 요청이 처리되는 시간을 말하며 어떤 메시지가 두 장치 사이를 왕복하는 데 걸린 시간입니다.

TCP/IP 4 계층 모델

이 계층 모델은 네트워크에서 사용되는 통신 프로토콜의 집합으로 계층들은 프로토콜의 네트워킹 범위에 따라 네 개의 추상화 계층으로 구성된다.

계층 구조

TCP/IP 계층과 달리 OSI 계층은 애플리케이션 개층을 세 개로 쪼개고 링크 계층을 데이터 링크 계층, 물리 계층으로 나눠서 표현하는 것이 다르고, 인터넷 계층을 네트워크 계층으로 부른다는 점이 다르다.

이 계층들은 특정 계층이 변경되었을 때 다른 계층이 영향을 받지 않도록 설계되었다.

애플리케이션 계층

애플리케이션 계층은 FTP, HTTP, SSH, SMTP, DNS 등 응용 프로그램이 사용되는 프로토콜 계층이며 웹 서비스, 이메일 등 서비스를 실질적으로 사람들에게 제공하는 계층이다.

FTP

장치와 장치 간의 파일을 전송하는 데 사용하는 표준 통신 프로토콜이다.

SSH

보안되지 않은 네트워크에서 네트워크 서비스를 안전하게 운영하기 위한 암호화 네트워크 프로토콜이다.

HTTP

World Wide Web을 위한 데이터 통신의 기초이자 웹 사이트를 이용하는데 쓰는 프로토콜이다.

SMTP

전자 메일 전송을 위한 인터넷 표준 통신 프로토콜이다.

DNS

도메인 이름과 IP 주소를 매핑해주는 서버, 예를 들어 www.naver.com에 DNS 쿼리가 오면 [Root DNS] -> [.com DNS] -> [.naver DNS] -> [.www DNS] 과정을 거쳐 완벽한 주소를 찾아 IP를 매핑한다. 이를 통해 IP 주소가 바뀌어도 사용자들에게 똑같은 도메인 주소로 서비스할 수 있다.

전송 계층

전송 계층은 송신자와 수신자를 연결하는 통신 서비스를 제공하며 연결 지향 데이터 스트림 지원, 신뢰성, 흐름 제어를 제공하며, 애플리케이션과 인터넷 계층 사이의 데이터가 전달될 때의 중계 역할을 한다. 예로는 TCP, UDP 등이 있다.

TCP

패킷 사이의 순서를 보장하고 연결 지향 프로토콜을 사용해서 연결을 하여 신뢰성을 구축해서 수신 여부를 확인하며 '가상 회선 패킷 교환 방식'을 사용한다.

UDP

순서를 보장하지 않고 수신 여부를 확인하지 않으며 단순히 데이터만 주는 '데이터그램 패킷 교환 방식'을 사용한다.

TCP 연결 성립 과정

TCP는 신뢰성을 확보할 때 '3-way handshake'라는 작업을 진행한다.

1.SYN 단계 : 클라이언트는 서버에 클라이언트의 ISN을 담아 SYN을 보낸다. ISN은 새로운 TCP 연결의 첫 번째 패킷에 할당된 임의의 시퀀스 번호이다. 이는 장치마다 다를 수 있다.

2. SYN + ACK 단계 : 서버는 클라이언트의 SYN을 수신하고 서버의 ISN을 보내며 승인번호로 클라이언트의 ISN + 1을 보낸다.

3. ACK 단계 : 클라이언트는 서버의 ISN + 1 한 값인 승인번호를 담아 ACK를 서버에 보낸다.

3-way-handshake 과정 이후 신뢰성이 구축되고 데이터 전송을 시작한다. TCP는 이 과정이 있기 때문에 신뢰성이 있는 계층이라고 하며 UDP는 이 과정이 없기 때문에 신뢰성이 없는 계층이라고 한다.

SYN

SYNchronization의 약자로 연결 요청 플래그이다.

ACK

ACKnowledgement의 약자로 응답 플래그이다.

ISN

Initial Sequence Numbers의 약자로 초기 네트워크 연결을 할 때 할당된 32비트 고유 시퀀스 번호이다.

TCP 연결 해제 과정

TCP가 연결을 해제할 때는 4-way-handshake 과정이 발생한다.

1. 클라이언트가 연결을 닫으려고 할 때 FIN으로 설정된 세그먼트를 보낸다. 그리고 클라이언트는 FIN_WAIT_1 상태로 들어가고 서버의 응답을 기다린다.

2. 서버는 클라이언트로 ACK라는 승인 세그먼트를 보낸다. 그리고 CLOSE_WAIT 상태에 들어간다. 클라이언트가 세그먼트를 받으면 FIN_WAIT_2 상태에 들어간다.

3. 서버는 ACK를 보내고 일정 시간 이후에 클라이언트에 FIN이라는 세그먼트를 보낸다.

4. 클라이언트는 TIME_WAIT 상태가 되고 다시 서버로 ACK를 보내서 서버는 CLOSED 상태가 된다. 이후 클라이언트는 어느 정도 시간을 대기한 후 연결이 닫히고 클라이언트와 서버의 모든 자원의 연결이 해제된다.

TIME_WAIT의 이유

1. 지연 패킷이 발생할 경우를 대비하기 위함이다. 패킷이 뒤늦게 도달하고 이를 처리하지 못하면 데이터 무결성 문제가 발생한다.

2. 두 장치가 연결이 닫혔는지 확인하기 위해서이다. 만약 LAST_ACK 상태에서 닫히게 되면 다시 새로운 연결을 하려고 할 때 장치는 LAST_ACK로 되어 있기 때문에 접속 오류가 발생한다.

인터넷 계층

인터넷 계층은 장치로부터 받은 네트워크 패킷을 IP 주소로 지정된 목적지로 전송하기 위해 사용되는 계층이다. IP, ARP, ICMP 등이 있으며 패킷을 수신해야 할 상대의 주소를 지정하여 데이터를 전달한다. 상대방이 제대로 받았는지에 대해 보장하지 않는 비연결형적인 특징을 가지고 있다.

링크 계층

링크 계층은 광섬유, 전선, 무선 등으로 실질적인 데이터를 전달하며 장치 간의 신호를 주고받는 규칙을 정하는 계층이다.

이를 물리 계층과 데이터 링크 계층으로 나누기도 하는데 물리 계층은 무선 LAN과 유선 LAN을 통해 0과 1로 이루어진 데이터를 보내는 계층이며, 데이터 링크 계층은 이더넷 프레임을 통해 에러 확인, 흐름 제어, 접근 제어를 담당하는 계층이다.

계층 간 데이터 송수신 과정

HTTP를 통해 웹 서버에 있는 데이터를 요청하면 애플리케이션 계층에서 전송 계층으로 보내는 요청 값들이 캡슐화 과정을 거쳐 전달되고, 다시 링크 계층을 통해 해당 서버와 통신을 하고, 해당 서버의 링크 계층으로부터 애플리케이션까지 비캡슐화 과정을 거쳐 데이터가 전송된다.

캡슐화 과정

캡슐화 과정은 상위 계층의 헤더와 데이터를 하위 계층의 데이터 부분에 포함시키고 해당 계층의 헤더를 삽입하는 과정이다. 애플리케이션 계층의 데이터가 전송 계층으로 전달되면서 세그먼트 또는 데이터그램화 되어 TCP헤더가 붙여지게 된다. 그리고 이후 인터넷 계층으로 가면서 IP 헤더가 붙여지게 되며 패킷화가 되고, 이후 링크 계층으로 전달되면서 프레임 헤더와 프레임 트레일러가 붙어 프레임화가 된다.

비캡슐화 과정

비캡슐화 과정은 하위 계층에서 상위 계층으로 가며 각 계층의 헤더 부분을 제거하는 과정이다. 캡슐화된 데이터를 받게 되면 링크 계층에서부터 타고 올라오면서 프레임화된 데이터는 다시 패킷화를 거쳐 세그먼트, 데이터그램화를 거쳐 메시지화가 되는 비캡슐화 과정이 일어난다. 그 이후 최종적으로 사용자에게 애플리케이션의 PDU인 메시지로 전달된다.

PDU

네트워크의 어떠한 계층에서 계층으로 데이터가 전달될 때 한 덩어리의 단위를 PDU라고 한다. PDU는 제어 관련 정보들이 포함된 '헤더', 데이터를 의미하는 '페이로드'로 구성되어 있으며 계층마다 부르는 이름이 다르다.

• 애플리케이션 계층 : 메시지
• 전송 계층 : 세그먼트, 데이터그램
• 인터넷 계층 : 패킷
• 링크 계층 : 프레임(데이터 링크 계층), 비트(물리 계층)

최소 신장 트리

최소 신장 트리란 그래프에서 모든 노드를 연결할 때 사용된 에지들의 가중치의 합을 최소로 하는 트리이다.

최소 신장 트리의 특징

• 사이클이 포함되면 가중치의 합이 최소가 될 수 없으므로 사이클을 포함하지 않는다.
• N개의 노드가 있으면 최소 신장 트리를 구성하는 에지의 수는 항상 N - 1개다.

최소 신장 트리 핵심 이론

1. 에지 리스트로 그래프를 구현하고 유니온 파인드 배열 초기화하기

   최소 신장 트리는 데이터를 노드가 아닌 에지 중심으로 저장하므로 인접 리스트가 아닌 에지 리스트의 형태로 저장한다. edge class는 일반적으로 노드 변수 2개와 가중치 변수로 구성된다. 사이클 처리를 위한 유니온 파인드 배열도 함께 초기화한다. 배열의 인덱스를 해당 자리의 값으로 초기화하면 된다.

2. 그래프 데이터를 가중치 기준으로 정렬하기

   에지 리스트의 담긴 그래프를 데이터를 가중치 기준으로 오름차순 정렬한다.

3. 가중치가 낮은 에지부터 연결 시도하기

   가중치가 낮은 에지부터 순서대로 선택해 연결을 시도한다. 이때 바로 연결하지 않고 이 에지를 연결했을 때 그래프에 사이클 형성 유무를 find연산을 이용해 확인한 후 사이클이 형성되지 않을 때만 union연산을 이용해 두 노드를 연결한다.

4. 과정 3 반복하기

   전체 노드의 개수가 N개이면 연결한 에지의 개수가 N - 1이 될 때까지 과정 3을 반복한다.

5. 총 에지 비용 출력하기

   에지의 개수가 N - 1이 되면 알고리즘을 종료하고, 완성된 최소 신장 트리의 총 에지 비용을 출력한다. 최소 신장 트리는 다른 그래프 알고리즘과 달리, 에지 리스트의 형태를 이용해 데이터를 담는다는 특징이 있다. 그 이유는 에지를 기준으로 하는 알고리즘이기 때문이다. 또한 사이클이 존재하면 안 되는 특징을 지니고 있기 때문에 사이클 판별 알고리즘인 유니온 파인드 알고리즘을 내부에 구현해야 된다.

코드로 표현

static int[] parent;
static PriorityQueue<pEdge> que;

노드 수, 에지 수 입력
que = new PriorityQueue<>();  // 자동 정렬을 위해 우선순위 큐 자료구조 선택하기

parent = new int[n + 1];
parent배열 인덱스로 초기화

for(int i = 0; i < M; i++) {
	시작 노드 s, 끝 노드 e, 가중치 입력받기 v
    que.add(new pEdge(s,e, v));
}
int useEdge = 0;
int result = 0;
while(useEdge < N - 1) {
	pEdge now = que.poll();
    if(find(now.s) != find(now.e)) {  // 같은 부모가 아니라면 연결해도 사이클이 생기지 않음
    	union(now.s, now.e);
        result = result + now.v;
        useEdge++;
    }
}
Union 연산 : 대표 노드끼리 연결하기
a = find(a);
b = find(b);
if(a != b) {
	parent[b] = a;
}
Find 연산
if(a == parent[a]) {
	return a;
}
else {
	return parent[a] = find(parent[a]); // 경로압축
}

class pEdge implements Comparable<pEdge> {
	int s;
    int e;
    int v;
    pEdge(int s, int e, int v) {
    	this.s = s;
        this.e = e;
        this.v = v;
    }
    @Override
    public int compareTo(pEdge o) {
    	// 가중치를 기준으로 오름차순 정렬을 하기 위해 compareTo 재정의하기
    	return this.v - o.v;
    }
}