[네트워크] 패킷 헤더와 프로토콜: 유니캐스트, 브로드캐스트, 멀티캐스

헤더와 프로토콜

패킷 교환 네트워크에서는 메시지를 작은 단위인 패킷으로 나누어 전송한다.

패킷은 보통 실제 데이터와 부가 정보로 구성된다.

 

헤더
페이로드
트레일러

 

여기서 페이로드(payload)는 실제로 주고받고자 하는 데이터이다.
예를 들어 웹 페이지 내용, 파일 조각, 메일 내용 등이 페이로드에 해당한다.

 

헤더(header)는 패킷 앞에 붙는 부가 정보이다.
패킷이 어디로 가야 하는지, 어떤 방식으로 처리되어야 하는지 알려주는 정보가 담긴다.

 

택배에 비유하면 헤더는 택배 송장과 같다.

 

택배 상자 안에 들어 있는 물건이 페이로드라면, 상자 겉에 붙어 있는 송장은 헤더라고 볼 수 있다.

 

택배 송장에는 받는 사람의 주소, 보내는 사람의 주소, 연락처 같은 정보가 적혀 있다.
택배 기사는 이 정보를 보고 택배를 어디로 보내야 하는지 판단한다.

네트워크에서도 마찬가지이다.
네트워크 장비는 패킷의 헤더를 보고 이 패킷을 어디로 전달해야 하는지 판단한다.

헤더에 담기는 주소

헤더에 담기는 대표적인 정보는 주소이다.

주소는 송신지와 수신지를 특정하는 정보이다.

네트워크에서 사용되는 대표적인 주소에는 다음과 같은 것들이 있다.

IP 주소
MAC 주소

 

IP 주소는 네트워크 계층에서 사용되는 주소이고, MAC 주소는 네트워크 인터페이스에 부여되는 하드웨어 주소이다.

 

주소가 있어야 패킷을 누구에게 보낼지 정할 수 있다.

 

택배에 받는 사람 주소가 없으면 배송할 수 없는 것처럼, 네트워크 패킷에도 수신지를 나타내는 주소 정보가 필요하다.

 

유니캐스트

유니캐스트(unicast)는 하나의 수신지에 메시지를 전송하는 방식이다.

 

송신지와 수신지가 일대일로 메시지를 주고받는 경우이다.

 

가장 일반적인 통신 형태라고 볼 수 있다.

 

예를 들어 내 컴퓨터가 특정 웹 서버에 웹 페이지를 요청하는 경우를 생각할 수 있다.

이때 메시지는 하나의 수신지로 전달된다.

 

브로드캐스트

브로드캐스트(broadcast)는 네트워크에 속한 모든 호스트에게 메시지를 전송하는 방식이다.

특정 한 명에게 보내는 것이 아니라, 같은 네트워크 안에 있는 모두에게 보내는 방식이다.

브로드캐스트가 전달되는 범위를 브로드캐스트 도메인(broadcast domain)이라고 한다.

 

보통 하나의 LAN 범위가 브로드캐스트 도메인으로 이해될 수 있다.

 

예를 들어 같은 LAN에 연결된 모든 장치에게 특정 정보를 알려야 할 때 브로드캐스트가 사용될 수 있다.

멀티캐스트

멀티캐스트(multicast)는 네트워크 내에서 특정 그룹에 속한 호스트들에게만 메시지를 전송하는 방식이다.

모든 호스트에게 보내는 브로드캐스트와 달리, 멀티캐스트는 정해진 그룹에게만 보낸다.

 

예를 들어 실시간 방송이나 온라인 강의처럼 같은 데이터를 여러 수신자에게 보내야 하는 경우를 생각할 수 있다.

모든 사람에게 보낼 필요는 없고, 해당 방송을 구독하거나 참여한 그룹에게만 보내면 된다.

애니캐스트

애니캐스트(anycast)는 같은 그룹에 속한 여러 호스트 중 가장 가까운 호스트에게 메시지를 전송하는 방식이다.

여기서 가깝다는 것은 물리적인 거리만 의미하지 않을 수 있다.
네트워크 경로상 가장 효율적으로 도달할 수 있는 호스트를 의미할 수 있다.

 

예를 들어 같은 서비스를 제공하는 서버가 여러 지역에 있다고 하자.
사용자는 그중 네트워크상 가장 가까운 서버와 통신하게 될 수 있다.

이 방식은 DNS 서버나 CDN 같은 환경에서 사용될 수 있다.

전송 방식 정리

네트워크에서 메시지를 보내는 방식은 수신 대상에 따라 다르게 나눌 수 있다.

유니캐스트
하나의 수신지에 전송

브로드캐스트
네트워크 내 모든 호스트에게 전송

멀티캐스트
특정 그룹에 속한 호스트들에게 전송

애니캐스트
특정 그룹 중 가장 가까운 호스트에게 전송

 

각 방식은 목적이 다르다.

한 명에게 보내면 유니캐스트이고, 모두에게 보내면 브로드캐스트이다.
특정 그룹에게 보내면 멀티캐스트이고, 그룹 중 가장 가까운 하나에게 보내면 애니캐스트이다.

택배로 이해하는 패킷 전송

네트워크 통신은 택배를 보내는 과정과 비슷하게 이해할 수 있다.

멀리 떨어진 영수에게 책을 선물한다고 하자.

 

먼저 선물할 책을 택배 상자에 넣는다.

책 = 페이로드

 

그다음 택배 상자에 배송 주소, 받는 사람, 보내는 사람 같은 정보를 적은 송장을 붙인다.

택배 송장 = 헤더

 

마지막으로 택배 기사를 통해 영수에게 보낸다.

택배 기사 = 네트워크 장비

 

전체 과정을 네트워크에 대응하면 다음과 같다.

선물할 책을 택배 상자에 넣는다.
페이로드를 패킷에 담는다.

배송 주소가 적힌 송장을 붙인다.
헤더를 붙인다.

택배 기사를 통해 보낸다.
네트워크 장비를 거쳐 수신지로 전달된다.

 

패킷이 목적지까지 가려면 헤더에 주소 정보가 필요하다.
네트워크 장비는 헤더를 확인하며 패킷을 다음 목적지로 전달한다.

 

통신에는 약속이 필요하다

택배를 보내려면 서로 약속된 방식이 필요하다.

보내는 사람과 받는 사람이 같은 언어를 이해해야 하고, 택배 기사도 송장에 적힌 주소와 배송 방식을 이해해야 한다.

 

네트워크도 마찬가지이다.

노드들이 서로 정보를 주고받으려면 정해진 규칙이 필요하다.

이 규칙을 프로토콜(protocol)이라고 한다.

 

프로토콜

프로토콜은 노드 간에 정보를 올바르게 주고받기 위해 합의된 규칙이나 방법이다.

 

 

사람끼리 대화할 때 같은 언어와 문법을 사용해야 의사소통이 가능하다.
네트워크에서도 송신자와 수신자가 같은 규칙을 따라야 데이터를 올바르게 주고받을 수 있다.

 

예를 들어 IP는 패킷을 수신지까지 전달하기 위해 사용되는 프로토콜이다.

이 말은 IP라는 규칙에 맞는 헤더를 가진 패킷을 사용해, 수신지까지 전달한다는 의미로 이해하면 된다.

 

프로토콜의 목적과 특징

모든 프로토콜에는 목적과 특징이 있다.

 

어떤 프로토콜은 수신지까지 패킷을 전달하는 데 목적이 있고, 어떤 프로토콜은 데이터가 손상되지 않았는지 확인하는 데 목적이 있다.
또 어떤 프로토콜은 웹 페이지를 요청하고 응답하는 데 사용된다.

 

프로토콜을 공부할 때는 단순히 이름만 외우기보다 다음 두 가지를 중심으로 보는 것이 좋다.

이 프로토콜은 무엇을 위해 존재하는가?
이 프로토콜은 어떤 특징을 가지는가?

 

예를 들어 IP를 공부한다면, IP의 목적은 패킷을 목적지까지 전달하는 것이다.
TCP를 공부한다면, TCP가 왜 신뢰성 있는 전송을 제공한다고 하는지 봐야 한다.
HTTP를 공부한다면, 클라이언트와 서버가 웹 데이터를 어떻게 요청하고 응답하는지 봐야 한다.

 

프로토콜과 헤더의 관계

패킷은 페이로드와 헤더로 구성된다.

 

페이로드는 실제 데이터이고, 헤더는 그 데이터를 처리하기 위한 부가 정보이다.

 

특정 프로토콜을 사용한다는 것은 그 프로토콜의 규칙에 맞는 헤더를 붙인다는 뜻으로 볼 수 있다.

 

예를 들어 IP 프로토콜을 사용한다면 IP 헤더가 붙는다.
TCP 프로토콜을 사용한다면 TCP 헤더가 붙는다.

 

프로토콜마다 목적과 특징이 다르기 때문에, 헤더에 담기는 정보도 달라진다.

IP 헤더
패킷을 목적지까지 전달하기 위한 정보 포함

TCP 헤더
신뢰성 있는 전송을 위한 정보 포함

HTTP 헤더
웹 요청과 응답을 처리하기 위한 정보 포함

 

특정 프로토콜로 구성된 패킷을 주고받는다는 것은, 그 프로토콜의 목적과 특징에 맞는 헤더가 붙은 패킷을 주고받는다는 말과 같다.