게임 프로그래머

소켓 통신

데이터를 전송하거나 수신하기 위한 창구 역할이므로 반드시 송신지 프로세스는 소켓에 쓰고 수신지 프로세스는 소켓으로부터 읽음

소켓이 파일처럼 프로세스가 열고 읽고 쓸 수 있는 대상이므로 많은 운영체제에서 파일로 간주됨

많은 운영체제의 소켓도 소켓 디스크럽터(파일 디스크럽터와 본질적으로 동일)을 통해 소켓을 식별하고, 소켓 입출력이 가능하고 IPC의 수단으로도 사용됨

특징

서버와 클라이언트가 계속 연결을 유지하는 양방향 통신

서버와 클라이언트가 실시간으로 데이터를 주고받는 상황(온라인 게임)에 사용됨

클라이언트는 소켓을 생성한 후 connect()를 사용하여 서버와 접속을 시도

서버와 접속되면 read 혹은 write 작업을 하며 작업이 끝나면 사용한 소켓 기술자(socket descriptor)를 닫고 종료

서버는 동시에 여러 클라이언트에 서비스를 하기 위해 하나의 포트 번호에 여러 개의 소켓을 생성

소켓을 생성한 후 bind를 사용하여 생성한 소켓을 특정 포트에 등록

listen을 실행하여 클라이언트의 접속을 기다림

클라이언트의 connect가 도착하면 accept를 진행하고, 여러 명의 클라이언트가 동시에 connect 하는 경우 하나를 골라 작업을 시작하게 해줌

따라서 클라이언트가 accpet 되면 소켓 기술자가 생성되고 작업이 시작됨

read 혹은 write 작업을 마치면 소켓 기술자를 닫고 다음 클라이언트를 기다림

소켓 종류(TCP와 UDP)

TCP와 UDP의 목적과 특징

포트를 통한 프로세스 식별

패킷의 최종 송수신 대상은 프로세스이므로 포트 번호를 통해 프로세스를 식별

네트워크 패킷을 주고받는 프로세스는 포트 번호가 할당되어 {IP : 포트 번호}로 함께 표기됨

포트를 통한 프로세스 식별이 전송 계층(TCP, UDP)의 주된 목적이므로 헤더에 송신지 포트 번호와 수신지 포트 번호를 포함

포트 번호는 16비트로 총 2^16(65536)개로, 잘 알려진 포트(0~1023), 등록된 포트(1024~49151), 동적 포트(49152~65535)로 나뉨

서버로서 동작하는 프로그램은 잘 알려진 포트와 등록된 포트가 할당되는 경우가 많고, 클라이언트로서 동작하는 프로그램은 동적 포트로 할당되는 경우가 많음

NAT(Network Address Translation)

공인 IP와 사설 IP 간 변환에 사용되는 기술

패킷이 사설 네트워크에서 네트워크 외부로 전송될 때 사설 IP -> 공인 IP 변환

패킷이 네트워크 외부에서 사설 네트워크로 전송될 때 공인 IP -> 사설 IP 변환

NAPT(Network Address Port Translation)

사설 IP와 공인 IP를 일대일로 대응하지 않고 다수의 사설 IP가 적은 수의 공인 IP로 변환될 때 포트를 사용

서로 다른 사설 IP가 같은 공인 IP로 변환돼도 포트 번호에 따라 사설 IP를 구분

공인 IP의 부족 문제를 개선

(비)신뢰성과 (비)연결형 보장

TCP : 신뢰, 연결형

UDP : 비신뢰, 비연결형

TCP는 패킷을 주고받기 전에 연결 수립 과정을 거치며 패킷의 신뢰성을 보장하기 위해 상태 관리, 흐름 제어, 오류 제어, 혼잡 제어 등의 각종 기능을 제공, 패킷의 송수신이 모두 끝나면 연결 종료

UDP는 연결의 수립이나 종료 단계를 거치지 않고, 신뢰성을 높이기 위한 기능도 제공하지 않아 헤더가 비교적 작음

신뢰할 수 있는 연결형 송수신에는 시간과 연산이 필요하기 때문에 일반적으로 TCP가 UDP에 비해 송수신 속도가 느림

따라서 패킷의 유실 없는 송수신을 원하면 TCP를 선택하고, 비교적 빠른 송수신(실시간 스트리밍, 온라인 게임, 인터넷 전화 등)을 원한다면 UDP를 선택하는 것이 유리

UDP 헤더에는 송신지 포트, 수신지 포트, 길이(UDP 데이터그램의 바이트 크기), 체크섬(checksum, 송수신 과정에서 데이터그램 훼손 여부)가 명시됨

TCP는 연결의 수립과 종료, 신뢰성 보장을 위한 다양한 기능을 제공하여 헤더 필드 수가 많음, 그 중 순서 번호, 확인 응답 번호, 제어 비트가 중요

애플리케이션 레벨에서 커스텀 프로토콜을 정의하여 UDP의 신뢰성 문제를 보완할 수 있음

• 클라이언트가 데이터를 보내면, 서버는 수신 확인 메시지(ACK)를 전송
• 클라이언트가 일정 시간 내에 ACK를 받지 못하면 데이터를 다시 전송, 이 과정에서 연결이 유효한지 확인
• 각 패킷에 시퀀스 번호를 부여해 데이터의 순서를 보장하거나, 중복된 패킷을 식별할 수 있음

순서 번호

TCP 세그먼트의 올바른 송수신 순서를 보장하기 위해 세그먼트 첫 바이트에 매겨진 번호

순서 번호를 통해 현재 주고받는 TCP 세그먼트가 송수신하고자 하는 데이터의 몇 번째 바이트에 해당하는지 알 수 있음

확인 응답(acknowledgement) 번호

상대 호스트가 보낸 세그먼트에 대한 응답으로, 다음으로 수신하길 기대하는 순서 번호

일반적으로 올바르게 수신한 순서 번호에 1을 더한 값으로 설정됨

호스트 A가 순서 번호 100인 세그먼트를 전송했고 호스트 B가 받아서 다음으로 101번 세그먼트를 받기 위해 확인 응답 번호에 101을 명시

각각 순서 번호와 확인 응답 번호가 함께 사용되므로 한 쌍 처럼 기억

제어 비트(control bit, 플래그 비트)

세그먼트에 대한 부가 정보

기본적으로 8비트로 구성

ACK

세그먼트의 확인 응답 번호가 포함됐는지 여부

제어 비트에서 승인을 나타내는 비트로, 확인 응답 번호를 보내기 위해서는 ACK 플래그가 1로 설정돼야 함

SYN

연결을 수립하기 위한 비트

FIN

연결을 종료하기 위한 비트

TCP의 연결부터 종료까지

TCP의 연결 수립(3-way handshake)

1. [A->B] SYN 세그먼트 전송

호스트 A가 SYN 비트가 1인 세그먼트를 호스트 B에게 전송

세그먼트의 순서 번호에는 호스트 A의 순서 번호가 포함됨

2. [B->A] SYN + ACK 세그먼트 전송

호스트 B는 SYN, ACK 비트가 1인 세그먼트를 호스트 A에게 전송

1번에 대한 호스트 B의 응답

세그먼트의 순서 번호에는 호스트 B의 순서 번호와 1번에서 보낸 세그먼트에 대한 확인 응답 번호가 포함됨

3. [A->B] ACK 세그먼트 전송

호스트 A는 ACK 비트가 1인 세그먼트를 호스트 B에게 전송

세그먼트의 순서 번호에는 호스트 A의 순서 번호와 2번에서 보낸 세그먼트에 대한 확인 응답 번호가 포함됨

TCP 연결 수립 과정에서 SYN 비트가 설정된 패킷을 처음으로 보내는 호스트가 처음으로 연결 요청을 보내는 호스트

액티브 오픈

호스트 A처럼 처음 연결을 시작하는 과정

패시브 오픈

호스트 B처럼 연결 요청을 수신한 뒤 그에 대한 연결을 수립하는 과정

서버-클라이언트 관계에서 액티브 오픈은 주로 클라이언트에 의해 수행되고 패시브 오픈은 주로 서버에 의해 수행됨

TCP의 오류, 흐름, 혼잡 제어

재전송을 통한 오류 제어

TCP는 송수신 과정에서 잘못 전송된 세그먼트가 있을 경우 재전송하여 오류를 제어

잘못 전송된 경우는 중복된 ACK 세그먼트가 도착했을 경우와 타임아웃이 발생했을 경우

TCP의 송수신은 기본적으로 순서 번호(n) 세그먼트를 보내고 확인 응답이 담긴 세그먼트를 받고 다음 순서 번호(n+1) 세그먼트를 보내는 과정이 반복하며 이루어짐

중복된 ACK 세그먼트를 수신하는 상황

송신한 세그먼트가 유실되어 다음 순서 번호(n+1)이 아닌 n을 보내는 상황

타임아웃이 발생한 상황

TCP 세그먼트를 송신하는 호스트는 세그먼트를 전송할 때마다 재전송 타이머를 시작하여 타이머의 카운트다운이 끝났을 때까지 ACK 세그먼트를 받지 못한 상황

파이프라이닝 전송

순차적으로 세그먼트를 송수신하는 것은 비효율이므로 오늘날 TCP가 송수신하는 방식

한 번에 세그먼트를 송신하고 한 번에 세그먼트에 대한 확인 응답을 받는 방식

흐름 제어

수신 호스트가 한 번에 처리할 수 있는 만큼만 전송하여 송수신 속도를 균일하게 맞추는 기능

수신 호스트가 한 번에 받을 수 있는 전송량은 TCP 수신 버퍼의 크기에 결정됨

수신 버퍼는 수신된 세그먼트가 애플리케이션 프로세스에 의해 읽히기 전에 임시 저장되는 공간으로 커널에 정의됨

수신 호스트가 TCP 헤더의 윈도우 필드를 통해 송신 호스트에게 수신 버퍼의 크기를 알려주고 송신 호스트는 전달받은 값을 토대로 세그먼트를 전송

혼잡 제어

많은 트래픽으로 패킷의 처리 속도가 느려지거나 유실될 수 있는 상황을 제어하는 기능

혼잡 제어의 주체는 송신 호스트

송신 호스트는 중복된 ACK 세그먼트가 도착했을 때, 타임아웃이 발생했을 때 혼잡할 수 있다고 판단하고 혼잡 윈도우(congestion window, 혼잡 없이 전송할 수 있는 정도의 양)의 값을 넘지 않게 송신

혼잡 윈도우 크기는 혼잡 제어 알고리즘(혼잡 윈도우 크기를 연산하는 방법)을 통해 계산

AIMD(Additive Increase/Multiplicative Decrease)

가장 기본적인 혼잡 제어 알고리즘

세그먼트를 송수신할 때 혼잡이 감지되지 않으면 혼잡 윈도우를 1씩 증가하고, 혼잡이 감지되면 절반으로 떨어뜨림

RTT(Round Trip Time)

패킷을 보내고 응답이 수신되기까지의 시간

흐름 제어에 사용되는 윈도우와 혼잡 제어에 사용되는 혼잡 윈도우는 모두 커널에 정의된 값

TCP의 종료(4-way-handshake)

1. [A->B] FIN 세그먼트 전송

호스트 A는 FIN 비트가 1로 설정된 세그먼트를 호스트 B에게 전송

2. [B->A] ACK 세그먼트 전송

1번에 대한 호스트 B의 응답

호스트 B는 ACK 세그먼트를 호스트 A에게 전송

3. [B->A] FIN 세그먼트 전송

호스트 B는 FIN 세그먼트를 호스트 A에게 전송

4. [A->B] ACK 세그먼트

3번에 대한 호스트 A의 응답

호스트 A는 ACK 세그먼트를 호스트 B에게 전송

액티브 클로즈(close)

먼저 연결을 종료하려는 호스트에 의해 수행되는 동작

패시브 클로즈

연결 종료 요청을 받아들이는 호스트에 의해 수행되는 동작

TCP의 상태 관리

TCP는 상태를 유지하고 관리하는 프로토콜로 Stateful 프로토콜로 부름

상태

현재 어떤 통신 과정에 있는지를 나타내는 정보

TCP의 상태 정보를 토대로 현재 TCP 송수신 현황을 판단할 수 있고, 디버깅의 힌트로도 활용할 수 있음

TCP 상태 플로우

연결이 수립되지 않았을 때

CLOSED : 연결이 없는 상태

LISTEN : 연결 대기 상태(3-way handshake에서 1번 SYN 세그먼트를 대기하는 상태)

연결 수립 과정

SYN-SENT : 액티브 오픈 호스트가 SYN 세그먼트를 보낸 뒤, 그에 대한 응답인 SYN + ACK 세그먼트를 기다리는 상태(연결 요청 전송)

SYN-RECEIVED : 패시브 오픈 호스트가 SYN + ACK 세그먼트를 보낸 뒤, 그에 대한 ACK 세그먼트를 기다리는 상태(연결 요청 수신)

ESTABLISHED : 3-way-handshake가 끝난 뒤 데이터를 송수신할 수 있는 상태(연결 수립)

연결 종료 과정

FIN-WAIT-1 : 액티브 클로즈 호스트가 FIN 세그먼트로 연결 종료 요청을 보낸 상태

CLOSE-WAIT : FIN 세그먼트를 받은 패시브 클로즈 호스트가 그에 대한 응답으로 ACK 세그먼트를 보낸 후 대기하는 상태(연결 종료 요청 승인)

FIN-WAIT-2 : FIN-WAIT-1 상태에서 ACK 세그먼트를 받은 상태

LAST-ACK : CLOSE-WAIT 상태에서 FIN 세그먼트를 전송한 뒤 대기하는 상태

TIME-WAIT : 액티브 클로즈 호스트가 마지막 ACK 세그먼트를 전송한 상태

패시브 클로즈 호스트가 마지막 ACK 세그먼트를 수신하면 CLOSE 상태가 되는 반면, TIME-WAIT 상태에 접어든 액티브 클로즈 호스트는 일정 시간을 기다린 뒤 CLOSED 상태가 됨

이는 마지막 ACK 세그먼트가 올바르게 전송되지 않았을 때 재전송하기 위함

CLOSING : 서로가 FIN 세그먼트를 보내고 받은 뒤 각자 그에 대한 ACK 세그먼트를 보냈지만 아직 자신의 FIN 세그먼트에 대한 ACK 세그먼트를 받지 못한 상태

네트워크의 기본 구조

노드 : 네트워크 기기

네트워크 topology

네트워크 상에서 노드와 노드 사이의 연결 구조

망형, 트리형, 링형 등의 유형으로 나뉨

호스트

네트워크의 가장자리에 위치하여 네트워크를 통해 주고받는 정보를 최초로 송신하고 최종 수신하는 노드

예를 들어 노트북으로 구글 홈페이지에 접속했다면 노트북과 구글 서버 컴퓨터가 각각 호스트로서 정보를 주고 받은 것

클라이언트

노트북처럼 요청(Request)을 보내는 호스트

서버

구글의 서버 컴퓨터처럼 응답(Response)을 보내는 호스트

네트워크를 그래프로 간주했을 때 중간 노드는 호스트가 주고받는 정보를 원하는 수신지까지 안정적으로 전송하는 역할

스위치, 라우터, 공유기 등이 중간 노드 역할을 함

LAN과 WAN

LAN(Local Area Network)

가정이나 기업처럼 가까운 거리를 연결하는 한정된 공간에서의 네트워크

WAN(Wide Area Network)

LAN 간 통신으로, WAN이 인터넷을 가능하게 만드는 네트워크

일반적으로 ISP(Internet Service Provider)가 구축하고 관리

패킷 교환 네트워크

패킷(packet)

송수신 되는 데이터의 단위

패킷 단위로 주고받는 정보를 쪼개서 송수신하고 수신지에서 재조립하여 패킷을 주고받음

payload(패킷에서 송수신하고자 하는 데이터)와 헤더(+ 트레일러(패킷에 추가되는 부가 정보))로 구성됨

주소의 개념과 전송 방식

주소

호스트를 특정할 수 있는 정보

패킷의 헤더에 명시되며 대표적으로 IP 주소와 MAC 주소가 있음

유니캐스트

송신지와 수신지가 일대일로 패킷을 주고받는 전송 방식

브로드캐스트

네트워크상의 모든 호스트에게 메시지를 전송하는 방식

브로드캐스트 도메인

브로드캐스트가 전송되는 범위

호스트가 같은 브로드캐스트 도메인에 속해 있는 경우에 같은 LAN이라고 간주

멀티캐스트

네트워크 내의 동일 그룹에 속한 호스트에게만 전송하는 방식

애니캐스트

네트워크 내의 동일 그룹에 속한 호스트 중 가장 가까운 호스트에게 전송하는 방식

두 호스트가 패킷을 주고받는 과정

프로토콜

네트워크에서 통신을 주고받는 노드 간의 합의된 규칙이나 방법

호스트나 네트워크 장비들이 패킷을 이해하려면 같은 프로토콜을 이해해야 하고, 같은 프로토콜로 통신해야 함

네트워크 상에서 여러 프로토콜을 함께 사용할 수 있고 개발자가 기본적으로 알아야 할 프로토콜의 종류가 정해져 있음(IP, TCP, UDP 등)

프로토콜마다 목적과 특징이 다르므로 상황에 적합한 프로토콜을 사용해야 함

프로토콜마다 패킷의 내용이 달라질 수 있음

네트워크 참조 모델

통신이 이루어지는 단계를 계층적으로 표현한 것

패킷을 송신하는 쪽에서는 상위 계층에서 하위 계층으로 정보를 보내고, 패킷을 수신하는 쪽에서는 하위 계층에서 상위 계층으로 정보를 받아들임

OSI 모델

ISO(국제 표준화 기구)에서 만든 네트워크 참조 모델로, 통신 단계를 7개의 계층으로 나눔

물리 계층(Physical Layer)

비트 신호를 주고 받는 계층

유무선 통신 매체를 통해 운반

데이터 링크 계층 (Data Link Layer)

같은 LAN에 속한 호스트끼리 올바르게 정보를 주고받기 위한 계층

같은 네트워크에 속한 호스트를 식별할 수 있는 MAC 주소를 사용

물리 계층을 통해 주고받는 정보에 오류가 없는지 확인

네트워크 계층 (Network Layer)

네트워크 간 통신을 가능하게 하는 계층

네트워크 간 통신 과정에서 호스트를 식별할 수 있는 IP 주소가 필요하고 IP 프로토콜이 사용됨

전송 계층 (Transport Layer)

정확한 패킷을 전송하게 하는 계층

포트라는 정보를 통해 특정 응용 프로그램과 연결 다리 역할을 수행

대표적인 프로토콜에는 TCP, UDP

세션 계층 (Session Layer)

응용 프로그램 간의 연결 상태를 의미하는 세션을 관리하기 위한 계층

세션 연결 상태를 유지하거나 새롭게 생성하고, 연결을 끊는 역할

표현 계층 (Presentation Layer)

인코딩, 압축, 암호화 수행

응용 계층 (Application Layer)

사용자가 네트워크에 접근할 수 있도록 인터페이스를 제공

중요한 프로토콜(HTTP 등)이 다수 포함됨

TCP/IP 모델

구현과 프로토콜에 중점을 둔 네트워크 참조 모델

네트워크 액세스 계층(링크/네트워크 인터페이스 계층으로도 불림)

OSI 모델의 데이터 링크 계층과 유사

인터넷 계층

OSI 모델의 네트워크 계층과 유사

전송 계층

OSI 모델의 전송 계층과 유사

응용 계층

OSI 모델의 세션 계층, 표현 계층, 응용 계층을 합친 것과 유사

캡슐화와 역캡슐화

캡슐화

송신 과정에서 상위 계층의 패킷이 하위 계층의 페이로드로 간주되고 헤더 및 트레일러를 추가해 나가는 과정

역캡슐화

캡슐화 과정에서 붙인 헤더 및 트레일러를 각 계층에서 확인 후 제거하는 과정

각 계층마다 패킷을 지칭하는 이름이 다름

물리 계층 : 심볼/비트

데이터 링크 계층 : 프레임

네트워크 계층 : 패킷/데이터그램

전송 계층 : 세그먼트(TCP), 데이터그램(UDP)

그 이상의 계층 : 데이터/메시지

HTTP Request를 포함한 이더넷 프레임의 프로토콜 헤더 순서

MAC(데이터링크 계층) -> IP(네트워크 계층) -> TCP(전송 계층) -> HTTP(응용 계층)