통신 프로토콜

오늘날, 우리는 인터넷을 통해 정보를 공유하고 통신하며 더 넓은 세상과 연결됩니다. 하지만 이 모든 것은 컴퓨터와 서버 간의 상호 작용과 데이터 전송을 가능하게 하는 기반이 필요합니다. 이를 위한 핵심 원리 중 하나가 프로토콜입니다. 프로토콜은 간단히 말해, 컴퓨터나 디바이스 간에 정보를 주고받는 데 사용되는 규칙의 모음입니다. 이 규칙은 어떤 데이터를 보내야 하는지, 어떤 형식으로 보내야 하는지, 어떤 포트를 사용해야 하는지, 그리고 어떤 암호화 방법을 사용해야 하는지와 같은 다양한 정보를 정의합니다.

아마도 우리 모두는 인터넷을 사용하면서 https:// 라는 주소를 보았을 것입니다. 이것은 웹 브라우저의 주소창에 URL을 입력할 때 자주 보게 되는 것인데요, 사실 이것은 우리가 인터넷과 상호작용하는 방식에 대한 중요한 단서를 제공합니다. https://가 바로 프로토콜의 일종인데, 이것은 컴퓨터들이 서로 어떻게 정보를 교환할지 약속한 규칙입니다.

프로토콜 없이 컴퓨터 네트워크 통신을 상상해보세요. 그것은 마치 여러 사람이 서로 다른 언어를 사용하여 대화하는 것과 비슷합니다. 한 사람은 영어를 말하고, 다른 사람은 한국어를 말하고, 또 다른 사람은 스페인어를 말한다면 서로 이해하기 어렵려운데 프로토콜이 없다면 컴퓨터들도 마찬가지입니다.

프로토콜이란

프로토콜은 네트워크 통신에서 매우 중요한 역할을 하는데, 이는 데이터의 교환 방식을 표준화하고 정의함으로써 서로 다른 기기나 시스템 간에 원활한 정보 전달을 가능하게 합니다. 프로토콜이 없다면, 각기 다른 방식으로 정보를 처리하는 수많은 기기들 사이에서 정보를 전달하는 것은 거의 불가능할 것입니다. 프로토콜이라는 공용 언어가 있음으로써, 컴퓨터와 스마트 폰, 태블릿 등 다양한 기기들이 서로 정보를 주고받을 수 있습니다.

FTP 프로토콜: ftp://ftp.example.com/pub/documents/manual.pdf
HTTP 프토로콜: http://example.com
MAILTO 프로토콜: mailto:user@example.com
TELNET 프로토콜: telnet://example.com

일반적으로 이렇게 대상 주소에 명시적으로 표시되는데, 이는 해당 프로토콜을 사용하여 특정 서비스나 리소스에 접근하도록 지시하는 역할을 합니다. 즉, http:// 또는 ftp:// 등의 프로토콜 지정자가 없다면, 컴퓨터나 기기는 어떻게 정보를 교환해야 하는지 알 수 없습니다.

또한 프로토콜은 데이터의 신뢰성과 보안도 보장합니다. 예를 들어 TCP^{Transmission Control Protocol}는 데이터 패킷이 손실되거나 오류가 발생하면 재전송을 요청하여 신뢰성 있는 데이터 전송을 보장합니다. 반면에 HTTPS^{Hypertext Transfer Protocol Secure}는 SSL/TLS 암호화를 사용하여 데이터의 안전성과 보안성을 제공합니다.

프로토콜은 통신의 효율성 또한 증진시킵니다. 예를 들어 UDP^{User Datagram Protocol}는 연결 설정 없이 빠르게 데이터 패킷을 전송할 수 있으므로, 실시간 스트리밍 같은 지연 시간에 민감한 응용 프로그램에서 주로 사용됩니다. 따라서 이처럼 네크워크 상에서 원활하고 안정적인 정보 교환을 위해서는 적절한 프로토콜 선택과 사용이 필수적입니다. 프로토콜은 데이터 통신 중 어떤 방식으로 데이터가 송수신되어야 하는지를 규정하고 이를 통해 데이터의 신뢰성, 보안, 및 효율성을 보장합니다.

프로토콜의 구조

프로토콜의 기본 요소는 데이터 통신의 원활한 진행과 효율성을 보장하기 위한 중요한 부분입니다. 이러한 요소들을 정의함으로써 다양한 시스템 및 기기 간의 통신이 가능하고, 데이터의 정확한 전송과 관리가 이루어집니다.

구문 (Syntax)

형식(Format): 프로토콜은 전송하고자 하는 데이터의 형식을 규정합니다. 이 형식은 어떻게 데이터가 표현되고 패킷으로 구성되는지를 결정합니다. 예를 들어, HTTP 프로토콜에서는 웹 페이지 요청 및 응답의 형식을 정의합니다.
부호화(Coding): 데이터는 전송하기 전에 특정 부호화 방식으로 변환됩니다. 이것은 데이터를 이진 코드로 변환하거나, 압축하는 등의 작업을 포함합니다.
신호 레벨(Signal Level): 프로토콜은 데이터를 물리적인 신호로 변환하는 데 필요한 규칙도 포함할 수 있습니다. 이것은 데이터를 전기 신호, 광 신호 등으로 변환하는 방법과 신호의 전송 속도와 관련이 있습니다.
프레임(Frame): 프로토콜은 데이터를 어떻게 프레임이라는 단위로 패키징할 것인지도 규정합니다. 각 프레임은 헤더, 페이로드(실제 데이터), 그리고 종종 트레일러(데이터 종료 부분)으로 구성됩니다.

의미 (Semantics)

협조 사항(Interoperability): 프로토콜은 두 기기 간에 정보가 정확하게 해석되고 사용될 수 있도록 하는 방법들을 제공합니다. 예를 들어, 메시지 타입이나 코드 값들에 대해 동일한 해석을 하도록 정의할 수 있습니다.
오류 관리(Error Handling): 프로토콜은 데이터 전송 중 발생할 수 있는 오류를 관리하기 위한 제어 정보를 정의합니다. 오류 검출 및 복구, 재전송 규칙 등이 여기에 포함됩니다.
동기화(Synchronization): 프로토콜은 데이터의 전송과 수신을 동기화하기 위한 메커니즘을 제공합니다. 예를 들어, TCP에서는 세 가지 웨이 핸드쉐이크^{three-way handshake}라는 과정을 통해 이를 달성합니다.
흐름 제어(Flow Control): 프로토콜은 송신자가 수신자의 처리 능력을 초과하여 데이터를 보내는 것을 방지하는 방법도 규정합니다. 이것은 네트워크의 혼잡도를 관리하고 패킷 손실을 최소화하는 데 중요한 역할을 합니다.

시간 (Timing)

통신 속도(Communication Speed): 프로토콜은 두 기기 간의 통신 속도를 규정합니다. 이것은 데이터의 전송 속도 및 응답 시간을 제어하는 데 사용됩니다.
메시지 순서(Message Sequencing): 프로토콜은 메시지가 도착한 순서대로 처리되거나 재배열되는 방법 등에 대해 정확하게 규정합니다.
타임아웃(Timeout): 응답 대기 시간인 타임아웃 설정도 포함됩니다. 만약 예상된 시간 내에 응답이 도착하지 않으면, 송신자는 데이터가 손실했다고 가정하고 재전송 요청할 수 있습니다.
시간 스탬핑(Time Stamping): 일부 프로토콜들은 메시지나 패킷에 시간 정보를 첨부하는 기능도 제공합니다. 이것은 네트워크 지연 측정, 순서 재배열 등 다양한 용도로 사용됩니다.

프로토콜의 작동 원리

프로토콜의 작동 원리는 네트워크 통신에서 핵심 역할을 합니다. 클라이언트는 서버에 정보나 서비스를 요청하고, 서버는 요청을 받아 처리하고 응답합니다. 데이터는 패킷 형태로 나눠져 전송되며, 각 패킷은 헤더, 페이로드, 트레일러로 구성됩니다. 프로토콜은 연결 지향과 연결 무향 두 가지 방식으로 나뉩니다. 연결 지향 프로토콜은 안정성과 오류 복구를 중요시하며, 연결 무향 프로토콜은 실시간 통신과 빠른 데이터 전송을 강조합니다. 이러한 작동 원리는 네트워크 통신의 핵심을 이루며 다양한 응용 분야에서 활용됩니다.

클라이언트와 서버 간의 상호 작용

프로토콜은 클라이언트와 서버 간의 효율적인 상호 작용을 가능하게 합니다. 클라이언트는 정보나 서비스를 요청하고, 서버는 해당 요청을 받아들여 처리하고 응답합니다. 이 과정은 주로 요청-응답 모델을 따릅니다.

요청(Request): 클라이언트가 서버에 어떤 작업이나 정보를 요청할 때, 요청 메시지를 생성하여 서버로 보냅니다.
응답(Response): 서버는 클라이언트의 요청을 받으면 적절한 처리를 수행하고 응답 메시지를 생성하여 클라이언트로 전송합니다.

데이터 패킷 구조

프로토콜은 데이터를 패킷^Packet 형태로 나누어 전송합니다. 데이터 패킷은 다음과 같은 구조를 가집니다.

헤더(Header): 패킷의 메타 정보를 담고 있으며, 송신자와 수신자의 주소, 패킷 크기, 오류 확인을 위한 체크섬 등의 정보를 포함합니다.
페이로드(Payload): 실제 데이터를 담고 있는 부분입니다. 예를 들어, 웹 페이지의 내용, 파일의 내용 등이 페이로드로 포함됩니다.
트레일러(Trailer): 패킷의 끝을 나타내며, 종종 오류 검사를 위한 추가 정보가 들어갈 수 있습니다.

연결 지향과 연결 무향 프로토콜

프로토콜은 연결 지향과 연결 무향 두 가지 주요 카테고리로 나눌 수 있습니다.

연결 지향 프로토콜: 이러한 프로토콜은 데이터를 전송하기 전에 먼저 클라이언트와 서버 간의 연결을 설정합니다. 이 연결은 일반적으로 안정적이며 오류 복구가 가능한 통신을 제공합니다. 예를 들어, TCP^{Transmission Control Protocol}가 연결 지향 프로토콜의 대표적인 예입니다.
연결 무향 프로토콜: 이러한 프로토콜은 연결 설정 단계 없이 데이터를 전송합니다. 이로 인해 전송 속도가 빠를 수 있지만 데이터 손실의 가능성이 높을 수 있습니다. UDP^{User Datagram Protocol}가 연결 무향 프로토콜의 예시입니다.

프로토콜 종류

HTTP, HTTPS, FTP, SMTP 등과 같은 프로토콜은 웹 브라우징, 이메일, 파일 전송 등 다양한 인터넷 서비스에서 사용됩니다. 다음은 대표적인 프로토콜을 OSI 7 계층별로 구분한 내용이니 참고합니다.

계층	프로토콜	설명
세션	NetBIOS	LAN 환경에서 컴퓨터 간 통신을 위한 프로토콜로, 파일 및 프린터 공유에 사용됨.
세션	SAP	LAN에서 서비스를 자동으로 발견하고 공유하기 위한 프로토콜.
세션	SDP	원격 디렉터리 액세스 및 파일 공유를 위한 프로토콜.
세션	NWLink	Microsoft의 NWLink는 IPX/SPX 프로토콜을 구현하는 데 사용되며 네트워크 통신에 쓰임.
전송	TCP	신뢰성 있는 데이터 전송을 위한 연결 지향 프로토콜.
전송	UDP	연결 없는 데이터 전송을 위한 프로토콜로, 실시간 스트리밍 및 DNS에 주로 사용됨.
전송	SPX	IPX/SPX 네트워크에서 데이터 패킷의 순서를 보장하는 프로토콜.
네트워크	IP	데이터 패킷의 라우팅과 전달을 담당하는 프로토콜.
네트워크	IPX	Novell NetWare 네트워크에서 사용되는 프로토콜.
데이터 링크	Ethernet	LAN에서 가장 일반적으로 사용되는 데이터 링크 프로토콜.
데이터 링크	Token Ring	데이터 패킷을 전송하기 위한 토큰 링 프로토콜.
데이터 링크	FDDI	고속 네트워크에서 데이터 전송을 위한 광섬유 기반 프로토콜.
데이터 링크	AppleTalk	Apple 컴퓨터 및 장치 간 통신을 위한 데이터 링크 프로토콜.
물리	Ethernet	네트워크 케이블 및 하드웨어를 위한 물리적 표준.
물리	FDDI	FDDI 네트워크의 물리적 표준.
물리	AppleTalk	AppleTalk 네트워크의 물리적 표준.

*Ethernet와 같은 몇 가지 네트워크 기술은 OSI 모델에서 여러 계층에 영향을 미치는 경우가 있습니다. 이로 인해 프로토콜들이 여러 계층에서 동작하거나 상호작용할 수 있습니다.