2. 다중화와 역다중화

Reference :
- 컴퓨터 네트워킹 하향식 접근 [8판] / 퍼스트 북 / James F. Kurose, Keith W. Ross
- 건국대학교 컴퓨터 네트워크 수업 / 김기천 교수님
- https://github.com/IT-Book-Organization/Computer-Networking_A-Top-Down-Approach

3.2 다중화와 역다중화

💡 트랜스포트 계층 다중화와 역다중화
네트워크 계층이 제공하는 호스트 대 호스트 전달 서비스에서
호스트에서 동작하는 애플리케이션에 대한 프로세스 대 프로세스 전달 서비스로 확장하는 과정

 

1. 목적지 호스트에서의 트랜스포트 계층은 바로 아래의 네트워크 계층으로부터 세그먼트를 수신한다.트랜스포트 계층은 호스트에서 동작하는 해당 애플리케이션 프로세스에게 이 세그먼트의 데이터를 전달하는 의무를 가진다.

 

1. 트랜스포트 계층은 세그먼트(데이터)를 중간 매개자인 소켓에게 전달한다.
   • 프로세스는 네트워크 애플리케이션의 한 부분으로서 소켓(socket)을 가지고 있다.
   • 이는 네트워크에서 프로세스로, 한 프로세스로부터 네트워크로 데이터를 전달하는 출입구 역할을 한다.
   • 각각의 소켓은 하나의 유일한 식별자를 가진다.

 

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Q. 수신한 트랜스포트 계층 세그먼트는 어떻게 적절한 소켓으로 향하는가?

각각의 트랜스포트 계층 세그먼트는 세그먼트에 필드 집합을 가지고 있으며,
트랜스포트 계층은 수신 소켓을 식별하기 위해 이러한 필드를 검사한 후 해당 소켓으로 보낸다.

 

• 역다중화(demultiplexing) : 트랜스포트 계층 세그먼트의 데이터를 올바른 소켓으로 전달하는 작업
• 다중화(multiplexing)
  1. 출발지 호스트에서 소켓으로부터 데이터를 모음
  2. 이에 대한 세그먼트를 생성하기 위해 각 데이터에 헤더 정보로 캡슐화
  3. 그 세그먼트들을 네트워크 계층으로 전달하는 작업

 

트랜스포트 계층 다중화의 두 가지 요구사항

1. 소켓은 유일한 식별자를 갖는다.
2. 각 세그먼트는 세그먼트가 전달될 적절한 소켓을 가리키는 특별한 필드를 갖는다.
   • 출발지 포트 번호 필드(source port number field)
   • 목적지 포트 번호 필드(destination port number field)
   
   

   

 

역다중화 서비스의 순서

1. 호스트의 각 소켓은 포트 번호를 할당받음
2. 세그먼트가 호스트에 도착하면,
   1. 트랜스포트 계층은 세그먼트 안의 목적지 포트 번호를 검사
   2. 그에 상응하는 소켓으로 세그먼트를 보냄
3. 세그먼트의 데이터는 소켓을 통해 해당되는 프로세스로 전달됨

 

이는 UDP의 기본적인 동작 방식과 같다.

비연결형 다중화와 역다중화

💡 UDP 소켓은 목적지 IP 주소와 목적지 포트 번호로 구성된 두 요소로 된 집합에 의해 식별된다.

따라서 만약 2개의 UDP 세그먼트가 같은 목적지 IP 주소와 목적지 포트 번호를 가진다면,
이 2개의 세그먼트는 같은 목적지 소켓을 통해 같은 프로세스로 향할 것이다.

 

그렇다면 출발지 포트 번호는 무슨 목적으로 사용되는가?

출발지 포트 번호는 ‘회신 주소’의 한 부분으로 사용된다.

 

아래 그림처럼, B가 A에게로 세그먼트를 보내기를 원할 때
B에서 A로 가는 세그먼트의 목적지 포트 번호는 A로부터 B로 가는 세그먼트의 출발지 포트 번호로부터 가져온다.

 

연결지향형 다중화와 역다중화

TCP 소켓

💡 TCP 소켓은 4개 요소의 집합(four-tuple)에 의해 식별된다.

• 출발지 IP 주소
• 출발지 포트 번호
• 목적지 IP 주소
• 목적지 포트 번호

 

특히, 다른 출발지 IP 주소 또는 다른 출발지 포트 번호를 가지고 도착하는 2개의 TCP 세그먼트는 2개의 다른소켓으로 향하게 된다.
(초기 연결 설정 요청을 전달하는 TCP는 제외)

 

TCP 연결 설정

1. TCP 서버 애플리케이션은 ‘환영 소켓’을 갖고 있다.
   이 소켓은 포트 번호 12000을 가진 TCP 클라이언트로부터 연결 설정 요청을 기다린다. (아래 그림 참고)
   

   

   
   
   
2. TCP 클라이언트는 소켓을 생성하고, 연결 설정 요청 세그먼트를 보낸다.
   • 연결 설정 요청은 목적지 포트 번호 12000과 TCP 헤더에 설정된 특별한 연결 설정 비트(3.5절에서 설명)를 가진 TCP 세그먼트
   • 이 세그먼트는 출발지 포트 번호를 포함하는데, 이것은 클라이언트가 선택한 번호임
3. 서버 프로세스로 동작하는 컴퓨터의 호스트 운영체제가 목적지 포트 12000을 포함하는 연결 요청 세그먼트를 수신하면,
   이 세그먼트를 포트 번호 12000으로 연결 수락을 기다리는 서버 프로세스로 보낸다.
4. 서버는 연결 요청 세그먼트의 4개 요소의 집합에 주목한다.
   • 새롭게 생성된 연결 소켓은 4개 요소의 집합의 네 가지 값에 의해 식별된다.
   • 따라서 그다음에 도착하는 세그먼트의 출발지 포트, 출발지 IP 주소, 목적지 포트, 목적지 IP 주소가 전부 일치하면,
     그 세그먼트는 이 소켓으로 역다중화될 것이다.
5. 서버 호스트는 동시에 존재하는 많은 TCP 소켓을 지원할 수 있다.

웹 서버와 TCP

💡 서버는 각기 다른 클라이언트가 보낸 세그먼트를 출발지 IP 주소와 출발지 포트 번호로 구별한다.

 

같은 웹 서버 애플리케이션과 통신하기 위해 같은 목적지 포트 번호(80)를 이용하는 두 클라이언트에 대한 예시를 보자.

• 호스트 C가 서버 B로 2개의 HTTP 세션을 시작
• 호스트 A가 서버 B로 하나의 HTTP 세션을 시작

 

호스트 A, 호스트 C, 서버 B는 각자 유일한 IP 주소인 A, C, B를 각각 가지고 있음

• 호스트 C는 2개의 출발지 포트 번호(26145, 7532)를 자신의 HTTP 연결에 할당
• 호스트 A는 호스트 C와 독립적으로 출발지 포트 번호를 선택하므로, 이것 또한 HTTP 연결에 출발지 포트로 26145를 할당할 수 있다.

 

이렇게 하더라도, 2개의 연결은 다른 출발지 IP 주소를 가지기 때문에 서버 B는 여전히 올바르게 역다중화할 수 있다.

 

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웹 서버는 각각의 연결에 따라서 새로운 프로세스를 만든다.

이들 프로세스는 각자 연결 소켓을 가지며, 이 연결 소켓을 통해 HTTP 요청을 수신하고, HTTP 응답을 전송한다.

 

그러나 연결 소켓과 프로세스 사이에 항상 일대일 대응이 이루어지는 것이 아니다.

• 오늘날의 많은 고성능 웹 서버는 하나의 프로세스만 사용한다.
• 각각의 새로운 클라이언트 연결을 위해 새로운 연결 소켓과 함께 새로운 스레드를 생성한다.

 

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• 지속적인(persistent) HTTP : 지속적인 연결의 존속 기간에 클라이언트와 서버는 같은 서버 소켓을 통해 HTTP 메시지를 교환한다.
• 비지속적인(non-persistent) HTTP : 모든 요청/응답마다 새로운 TCP 연결이 생성되고 종료된다.