Protocol 표준 스펙 Socket

OSI 7 Layer는 네트워크 시스템 구성을 위한 범용적 개념 모델이다.

TCP/IP는 실제로 사용되는 프로토콜 스택이다.

• 우리가 흔히 아는 TCP, UDP, IP..등의 표준 스펙은 RFC에서 정의되어 있다.

TCP/IP stack

4개의 계층은 2개로 분리할 수 있다.

1. transport + internet + link (system)

   • HW/펌웨어, OS 레벨에서 구현하고 관리한다. (시스템 레벨에서 관리)

   • 네트워크 기능을 지원하는데 목적으로 한다. 애플리케이션들이 네트워크 기능을 사용하여 네트워크 서비스를 구현할 수 있도록 지원한다.

2. application

   • 네트워크 기능을 사용하는데 목적으로 한다.

Port

애플리케이션이 인터넷상의 또 다른 프로세스와 데이터를 주고받고 싶다면, 데이터 통로가 필요하다.

애플리케이션에서 시스템으로 데이터를 전달하면 네트워크 기능을 사용해서 데이터를 인터넷상의 또 다른 프로세스에게 전달한다. 받는 것 또한 동일하다.

애플리케이션 프로세스와 system(IP 계층)을 연결하는 데이터 통로(data path, channel)을 port라고 한다.

정리해 보면, port는 애플리케이션과 네트워크 계층 사이의 논리적 연결점 또는 인터페이스 역할을 한다. 또, 숫자로 표현하면서 단순한 ‘데이터 통로’를 넘어서 특정 애플리케이션이나 서비스를 식별하고 구분하는 역할도 한다.

프로세스 간 네트워크 통신

프로세스 간의 통신은 애플리케이션 레이어 하위 레이어를 사용하여 통신을 한다.

하위 레이어는 데이터를 보내고 데이터를 받는 역할을 하는데, 이를 수행하는 것이 인터넷 프로토콜이다.

• 데이터를 목적하는 호스트까지 최적의 경로로 라우팅하는 역할을 수행한다.

인터넷 프로토콜은 unreliable 특징이 있다. (신뢰할 수 없는 프로토콜)

이는 데이터가 유실될 수 있고, 데이터를 순서대로 받지 못할 수 있다는 의미이다.

TCP (transmission control protocol)

그래서 프로세스 간 통신에서 데이터를 안정적(reliable)으로 주고받을 수 있는 프로토콜이 필요하다. 이를 해결하기 위해 개발된 것이 TCP 프로토콜이다.

TCP는 프로세스 사이에서 데이터를 안정적으로 송/수신 할 수 있게 해주는 프로토콜이며, 인터넷 프로토콜 위에서 동작한다.

TCP Connection

TCP에서 Connection은 프로세스 간의 안정적, 논리적인 통신 통로이다.

동작 방법(connection-oriented):

• 두 프로세스 사이에 커넥션을 연다. (3-way-handshake)

  • 데이터를 안정적으로 주고받기 위한 set up이다.

  • 이는 소켓을 생성하는 과정이 아니라, 이미 생성된 소켓들 간의 연결을 설정하는 과정이다.

• 데이터를 주고받고 커넥션을 닫는다. (4-way-handshake)

이렇게 프로세스 간 통신을 하기 위해서는 port를 찾아가야 하는데, port를 어떻게 유니크하게 식별할 것인가? 바로 port(number)를 정의한다.

port number

ip address + port number를 합친 개념이 socket이다.

따라서, 소켓이란 인터넷상에 존재하는 각 port를 유니크하게 식별하기 위한 주소이다.

그래서 TCP/IP stack에서는 소켓을 주소, 즉 네임스페이스에 해당한다고 볼 수 있다.

• 이 주소가 각각의 포트를 유니크하게 식별하기 위한 목적이다.

• 각 소켓은 인터넷 상에서 유니크하다.

TCP에서는 각 Socket을 유니크하게 식별할 수 있어야 한다. TCP에서는 다음과 같은 방법으로 Socket을 유니크하게 식별한다.

1. 한 쌍의 Socket은 connection을 유니크하게 식별한다.

   1. A/B process는 ip addr + port로 각각의 소켓을 생성한다.

   2. 커넥션 연결을 요청한 쪽을 source socket, 요청을 기다리고 수락하는 쪽이 dest socket이다.

이러한 이유로 소켓의 구성을 <src internet addr, src port, det internet addr, dest port>라고 볼 수 있다.

TCP에서 소켓은 <ip addr, port number>로 유니크하게 식별한다.

UDP (User Datagram Protocol)

앞에 tcp는 conneciton-oriented 프로토콜. 즉, 연결 지향 프로토콜이지만 udp는 그 반대이다.

• udp는 connection less 프로토콜이다.

  • conneciton less: 연결을 맺지 않고 바로 데이터를 주고 받는다.

• unreilable 특징이 있다. (internet protocol을 그대로 사용)

udp는 ip와 거의 차이가 없고, 문서에는 socket이 언급되지 않는다. 하지만 udp에서도 port를 사용하기 때문에 이후에 자연스럽게 udp에서도 socket 개념을 사용한다.

TCP/IP stack에서의 Socket

최종적으로 TCP/IP stack에서 Socket은 port를 식별하기 위한 주소이며 3개의 값으로 유니크하게 식별된다.

• <protocol, ip addr, port number>

• udp까지 확장되면서 protocol 까지 포함된다.

소켓을 연결할 수 없는 경우:

• <TCP, 50.50.50.50, 8080>

• <TCP, 50.50.50.50, 8080>

• 모든 요소가 동일하여 구분할 수 없다.

소켓을 연결할 수 있는 경우:

• 구성 값 중 하나라도 다르면 가능하다.

• <UDP, 50.50.50.50, 8080>

• <TCP, 50.50.50.50, 8080>

TCP 소켓 생성 (TCP/IP stack 관점에서 바라본 소켓 생성 과정)

1. 서버 소켓

   • 애플리케이션에서 시스템 콜을 통해 초기 소켓을 생성

     • IP 주소와 포트 번호를 소켓에 할당 (bind)

     • 소켓을 연결 대기 상태로 만든다. (listen)

     • 클라이언트의 연결 요청을 수락하고 (accept), 새로운 소켓을 생성

       • 3-way-handshake는 listen과 accept 사이에서 이루어진다.

   • 메모리 할당

     • OS는 소켓 정보를 저장하기 위한 메모리 영역을 할당하고 여키에 소켓 제어 정보(상대 IP, 소켓 상태 정보 등)을 저장한다.

   • 파일 디스크립터 변환

     • 생성된 소켓에 대한 파일 디스크립터(식별자)가 애플리케이션에 반환된다.

   • IP 계층 준비

     • 소켓이 생성되면 IP 계층에서 데이터 전송을 위한 경로 설정 준비가 이루어진다.

2. 클라이언트 소켓

   • 애플리케이션에서 시스템 콜을 호출하여 소켓 생성

   • 서버에 연결 요청 (connect)

     • 이 때, 서버 소켓은 listen상태여야 한다.

추가적으로 알아야 할 점

1. TCP의 경우, 서버 소켓은 클라이언트의 연결 요청을 받아들이는 역할만 하고, 실제 데이터 통신은 새로 생성된 소켓을 통해 이루어진다.

2. UDP의 경우, 연결 자체가 없어서 서버 소켓과 클라이언트 소켓의 구분이 없다.

Reference: 쉬운코드 - 프로토콜 표준 스펙에서 정의한 Socket