Overview of Computer Networks — 컴퓨터 네트워크 개요

컴퓨터 네트워크는 현대 IT 인프라의 근간이다. 웹 브라우저를 열든, 카카오톡을 보내든, 넷플릭스를 스트리밍하든 — 모든 것은 네트워크 위에서 동작한다. 이 글에서는 네트워크의 기본 정의부터 인터넷의 구조, 프로토콜의 개념, 그리고 표준화 체계까지 컴퓨터 네트워크의 전체 그림을 잡는다.

네트워크란 무엇인가

네트워크(Network)란 2개 이상의 엔티티(entity) 사이에서 상품(commodity)을 운반하는 시스템이다. 교통망은 사람과 차량을, 전력망은 전기를, 우편망은 편지를 운반한다. 네트워크는 본질적으로 노드(Node)와 링크(Link)로 구성된다.

“A network is, in its simplest form, a collection of points (i.e., nodes) joined together in pairs by lines (i.e., edges).” — M.E.J. Newman, Networks: An Introduction (2010)

컴퓨터 네트워크의 정의

컴퓨터 네트워크(Computer Network)는 범용 컴퓨터들이 통신 채널로 상호 연결되어 정보를 주고받는 시스템이다. 불특정 다수의 네트워크(와 최근에는 서버)의 집합을 클라우드(Cloud)라고 부르기도 한다.

Tanenbaum의 정의가 간결하다:

“We will use the term ‘computer network’ to mean a collection of autonomous computers interconnected by a single technology.”

교통망과 컴퓨터 네트워크 비교

컴퓨터 네트워크의 개념은 교통망에 비유하면 직관적으로 이해할 수 있다.

교통 네트워크	컴퓨터 네트워크
차량/사람 (Vehicles/People)	패킷/페이로드 (Packets/Payload)
도로 주소 (Street address)	IP 주소 (IP address)
교차로 (Intersection)	브리지/라우터 (Bridge/Router)
도로, 고속도로 (Street, highway)	링크/광대역/경로 (Link/Broadband/Path)
교통 체증 (Traffic jam)	네트워크 혼잡 (Network congestion)
신호등 (Traffic light)	흐름 제어 (Flow control)
우회 경로 (Alternative path)	대체 경로 (Alternative route)
차량 충돌 (Collision)	패킷 충돌 (Collision of packets)
HOV 차선 (HOV lane)	스트림 우선순위 (Stream priority)
등교 경로 (Route to school)	라우팅 알고리즘 (Routing algorithm)

네트워크 구성 요소

네트워크는 크게 두 가지 요소로 이루어진다.

• 노드(Node): PC, 서버, 스위치, 브리지, 라우터 등 특수 목적 장치
• 링크(Link): 노드 간의 연결. 광섬유(Optical fiber), 동축 케이블(Coaxial cable), 무선(Wireless) 등

인터넷이란 무엇인가

인터넷(Internet)은 “network of networks”, 즉 네트워크들의 네트워크이다. 수백만 개의 Access ISP들이 계층적으로 연결된 구조다.

여기서 대문자 Internet과 소문자 internet의 의미가 다르다. Internet은 우리가 사용하는 특정 글로벌 네트워크를, internet은 네트워크를 상호 연결할 수 있는 기술 자체를 의미한다. 또한 공개된 Internet과 사설 intranet(특정 조직 내부에서만 사용하는 사설 네트워크)도 구분해야 한다.

인터넷의 구성 요소

인터넷을 구성하는 핵심 요소는 다음과 같다.

• 호스트(Host) = 종단 시스템(End System): 네트워킹이 가능한 컴퓨팅 장치. 클라이언트와 서버로 나뉜다. 인터넷의 가장자리(edge)에 위치하며 네트워크 애플리케이션을 실행한다.
• 통신 링크(Communication Link): 광섬유, 구리선, 라디오, 위성 등의 물리적 매체. 데이터를 전송하는 속도를 대역폭(bandwidth)이라 한다.
• 패킷 스위치(Packet Switch): 데이터 덩어리인 패킷(packet)을 전달하는 장치. 라우터(router)와 스위치(switch)가 대표적이다.
• 네트워크(Network): 장치, 라우터, 링크의 집합으로, 특정 기관이 관리하는 단위이다.

인터넷의 두 가지 관점

인터넷은 두 가지 시각으로 바라볼 수 있다.

구조적 관점: 수백만 개의 Access ISP들이 계층적으로 연결된 interconnected network이다.

서비스 관점: 분산 애플리케이션을 위한 통신 인프라이다. 웹, VoIP, 이메일, 게임, 전자상거래 등 다양한 분산 애플리케이션을 가능하게 한다. 두 가지 통신 서비스를 제공하는데, 신뢰적(reliable) 데이터 전달과 비신뢰적(best-effort) 데이터 전달이 그것이다.

인터넷 구조 — 세 영역

인터넷의 물리적 구조는 세 영역으로 나뉜다.

• 네트워크 에지(Network Edge): 호스트(클라이언트, 서버)가 위치하는 인터넷의 가장자리. 서버는 주로 데이터센터에 배치된다.
• 접속 네트워크(Access Network): 최종 사용자를 네트워크에 연결하는 부분. 유선/무선 통신 링크로 이루어지며, 다양한 링크 기술(DSL, 케이블, 광섬유, WiFi, 4G/5G 등)이 사용된다.
• 네트워크 코어(Network Core): 상호 연결된 라우터들로 이루어진 인터넷의 핵심부. “network of networks” 구조다.

인터넷의 역사

1961~1972: 패킷 교환의 태동

• 1961: Kleinrock의 큐잉 이론(queueing theory)이 패킷 교환의 효율성을 입증
• 1964: Baran — 군사 네트워크를 위한 패킷 교환 제안. 공격을 받아도 끊기지 않는 통신 시도
• 1967: ARPA(Advanced Research Projects Agency)가 ARPAnet 구상
• 1969: 최초의 ARPAnet 노드 가동
• 1972: ARPAnet 공개 시연, NCP(Network Control Protocol) — 최초의 호스트 간 프로토콜, 최초의 이메일 프로그램 등장. ARPAnet 15개 노드 달성

1972~1980: 인터네트워킹과 독점 네트워크

• 1970: ALOHAnet — 하와이의 위성 네트워크
• 1974: Cerf와 Kahn이 네트워크 상호 연결 아키텍처를 설계. 이때 정립된 원칙이 오늘날 인터넷 아키텍처의 근간이다:
  1. 최소주의(Minimalism) & 자치(Autonomy) — 네트워크 내부 변경 없이 상호 연결
  2. 최선형 서비스(Best-effort service model)
  3. 비상태 라우팅(Stateless routing) — 매번 보낼 때마다 경로를 찾음
  4. 분산 제어(Decentralized control)
• 1976: Xerox PARC에서 이더넷(Ethernet) 탄생 (근거리 네트워크)
• 1979: ARPAnet 200개 노드 달성

1980~1990: 새로운 프로토콜의 확산

• 1982: SMTP 이메일 프로토콜 정의
• 1983: TCP/IP 배치 — 현대 인터넷 프로토콜의 시작
• 1983: DNS — 도메인 이름 → IP 주소 변환 정의
• 1985: FTP 프로토콜 정의
• 1988: TCP 혼잡 제어(congestion control)
• 새로운 국가 네트워크(CSnet, BITnet, NSFnet, Minitel) 등장. 10만 호스트 달성

1990~2000년대: 웹의 상용화

• 1990년대 초: ARPAnet 해체, 웹(Web) 탄생 (HTML, HTTP — Berners-Lee)
• 1994: NCSA Mosaic 브라우저, 이후 Netscape
• 1990년대 말: 인터넷의 상용화, 닷컴 버블
• 인스턴트 메시징, P2P 파일 공유, 네트워크 보안 부상
• 5천만 호스트, 1억 명 이상의 사용자, 백본 링크 Gbps 수준

2005~현재: 규모, SDN, 모바일, 클라우드

• 광대역 가정 접속 보급 (10~100 Mbps)
• 2008: 소프트웨어 정의 네트워킹(SDN, Software-Defined Networking)
• 고속 무선 접속 보편화 (4G/5G, WiFi)
• Google, Meta, Microsoft 등 서비스 제공자가 자체 네트워크 구축 — 상용 인터넷을 우회하여 사용자에게 가까이 접근
• 기업들이 클라우드(AWS, Azure)에서 서비스 운영
• 2017: 모바일 기기가 고정 기기보다 많아짐
• 2023: 약 150억 대의 기기가 인터넷에 연결 (statista.com)

오늘날의 인터넷 구조

수백만 개의 Access ISP를 어떻게 연결할 것인가? 모든 ISP를 1:1로 직접 연결하면 $O(N^2)$개의 연결이 필요하다. 확장성이 없다(doesn’t scale).

해결책은 계층적 구조이다.

ISP 계층 구조

계층	역할	예시
Tier 1 ISP	국가/국제 커버리지를 가진 상위 상용 ISP	Level 3, Sprint, AT&T, NTT
Regional ISP	지역 단위로 access net을 ISP에 연결	—
Access ISP (Local ISP)	최종 사용자가 인터넷에 접속하는 통신사	KT, SK브로드밴드, LGU+
IXP (Internet Exchange Point)	복수의 ISP가 직접 트래픽을 교환하는 지점	과거 NAP(Network Access Point)
Content Provider Network	자체 데이터센터를 인터넷에 직접 연결하는 사설 네트워크	Google, Meta

• Access ISP는 상위 ISP에 접속하고, 상위 ISP끼리는 피어링 링크(peering link) 또는 IXP를 통해 상호 연결된다.
• Google, Meta 같은 대형 콘텐츠 제공자는 자체 네트워크를 구축하여 Tier 1 ISP나 Regional ISP를 우회하기도 한다. 목표는 사용자에게 더 가까이 서비스와 콘텐츠를 전달하는 것이다.

프로토콜이란 무엇인가

프로토콜(Protocol)은 통신 규칙이다. 무엇을, 어떻게, 언제 주고받을지를 정의한다.

사람 간 대화도 프로토콜이 있다. “안녕”이라고 인사하면 상대도 “안녕”으로 응답하고, 그 후에 요청을 주고받는다. 네트워크 프로토콜도 같은 구조를 따른다.

핵심은 프로토콜이 분산된 엔티티 간의 통신을 다룬다는 점이다. 각 엔티티는 상대방의 상태를 완전히 알 수 없으므로, 메시지 교환(message exchange)을 통해 데이터 통신이나 상태 동기화를 수행한다.

프로토콜의 3요소

요소	설명
구문(Syntax)	메시지의 형식/구조. 헤더 비트 구성이나 문자열 형태
의미(Semantics)	어떤 요청/응답/동작을 할지 정의
타이밍(Timing)	이벤트의 순서. 언제 무엇을 보낼지 명시

표준(Standard)이란 무엇인가

표준(Standard)이란 “무언가를 하는 널리 합의된 방법”이다. 표준이 없으면 기술은 동작하지 않는다.

표준화 기구 (SDO)

표준 개발 기구(SDO, Standard Development Organization)는 공정한 절차를 통해 표준을 개발하는 조직이다.

기구	풀네임	역할
IETF	Internet Engineering Task Force	인터넷 프로토콜 표준 개발 (가장 중요)
IEEE	Institute of Electrical and Electronics Engineers	전기/전자 분야 표준 (WiFi 등)
W3C	World Wide Web Consortium	웹 표준 (HTML, CSS 등)
ISO, IEC, ANSI, ITU-T, ETSI	—	기타 국제/지역 표준화 기구

De facto vs De jure 표준

• 사실상 표준(De facto standard): 산업과 사용자에 의해 자연스럽게 채택된 표준. 예: PDF(1993년 생성, 사실상 표준으로 자리 잡음)
• 공식 표준(De jure standard): 공인 기관이 승인한 표준. 예: PDF/A — 2005년 ISO 19005-1:2005로 공식 표준화

인터넷 표준과 RFC

인터넷은 자율적이고 느슨하게 조직된 네트워크들의 국제적 협력으로 이루어진다. 호스트 간 통신은 인터넷 표준(Internet Standard)에 정의된 공개 프로토콜을 통해 이루어진다.

인터넷 표준의 분류:

• Internet-Drafts: IETF에 제출된 초기 사양
• RFC (Request for Comments): 인터넷 권위 기관의 추천을 받아 출판되는 기술 문서. 각 RFC에는 고유 번호가 부여된다
• Proposed Standard: 안정적이고 잘 이해되며, 여러 그룹에 의해 구현/검증된 사양
• Internet Standard: 철저히 검증되어 인터넷 종사자들이 준수하는 최종 표준

과거에는 Draft Standard 단계가 있었으나 현재는 폐기되었다 (RFC 6410).

규제 기관

모든 통신 기술은 정부 기관의 규제를 받는다.

• 방송통신위원회(KCC): 한국의 방송통신 서비스 규제
• FCC (Federal Communications Commission): 미국의 통신 관련 규제
• ECC (Electronic Communications Committee): 유럽의 무선 장비 및 주파수 스펙트럼 관련 규제

인터넷 관리 조직

• IESG (Internet Engineering Steering Group): IETF 활동과 인터넷 표준 프로세스의 기술적 관리
• IRSG (Internet Research Steering Group): 장기적 인터넷 연구 주제에 집중하는 연구 그룹
• IAB (Internet Architecture Board): 인터넷 아키텍처와 표준 프로세스 감독
• IETF Administration LLC: IETF, IAB, IRTF의 행정/재정 지원
• IANA (Internet Assigned Numbers Authority): IP 주소, 도메인 이름 등 인터넷 자원 관리