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HTTP 캡슐화와 역캡슐화를 직접 구현하며 네트워크 통신의 본질 이해하기

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    김민석
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Introduction

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상황

HTTP는 인터넷 통신의 프로토콜로, 클라이언트와 서버 간 데이터를 교환하기 위해 TCP/IP 계층 위에서 동작한다. 이 과정에서 캡슐화와 역캡슐화는 중요한 역할을 한다.

하지만 HTTP 레벨의 데이터 전송에만 집중하기 때문에, 네트워크 계층에서 데이터가 실제로 어떻게 처리되는지에 대한 이해가 부족하다고 생각했다.

이번 프로젝트에서는 HTTP 데이터를 TCP/IP 계층에서 캡슐화하고, 다시 역캡슐화하는 과정을 직접 구현하며 네트워크 통신의 기본 구조를 학습하고자 했다.

데이터를 전송하고 복원하는 실제 과정에서 발생할 수 있는 문제점과 그 해결 방식을 익히는 데 목적이 있다.

문제

HTTP는 TCP/IP 계층 위에서 작동하지만, 실제로 데이터를 TCP 세그먼트와 IP 패킷으로 변환하는 과정을 생략한다. 이러한 과정이 이해되지 않으면 패킷 분할, 데이터 손실, 또는 전송 병목 현상 등 네트워크 문제를 해결하기 힘들것이다.

캡슐화와 역캡슐화 과정은 데이터를 계층별로 나누는 것이 아니라, 헤더 생성 및 데이터 통합, 프로토콜 규격 같은 세부적인 처리 과정을 포함한다.

특히, 아래와 같은 복잡성이 존재했다

  • 캡슐화: HTTP 데이터를 TCP 세그먼트로, 이후 IP 패킷과 이더넷 프레임으로 변환하며 계층별 헤더를 추가해야 한다.
  • 역캡슐화: 이더넷 프레임에서 헤더를 제거한 후, 순차적으로 IP 패킷과 TCP 세그먼트를 분석하여 HTTP 데이터를 추출해야 한다.

시퀀스 다이어그램

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구현

캡슐화 과정

캡슐화는 데이터를 송신 측에서 전송 계층부터 물리 계층까지 변환하며 헤더를 추가하는 과정이다.

class Encapsulation {
    public static String encapsulate(String httpData) {
        String tcpSegment = "TCP Header + " + httpData;
        String ipPacket = "IP Header + " + tcpSegment;
        String ethernetFrame = "Ethernet Header + " + ipPacket;
        return ethernetFrame;
    }

    public static void main(String[] args) {
        String httpData = "GET / HTTP/1.1\\r\\nHost: localhost\\r\\n";
        String encapsulatedData = encapsulate(httpData);
        System.out.println("캡슐화된 데이터: " + encapsulatedData);
    }
}

역캡슐화 과정

역캡슐화는 수신 측에서 각 계층의 헤더를 제거하고 데이터를 복원하는 과정이다.

class Decapsulation {
    public static String decapsulate(String encapsulatedData) {
        // Ethernet Header 제거
        String ipPacket = encapsulatedData.replace("Ethernet Header + ", "");
        // IP Header 제거
        String tcpSegment = ipPacket.replace("IP Header + ", "");
        // TCP Header 제거
        String httpData = tcpSegment.replace("TCP Header + ", "");
        return httpData;
    }

    public static void main(String[] args) {
        String encapsulatedData = "Ethernet Header + IP Header + TCP Header + GET / HTTP/1.1\\r\\nHost: localhost\\r\\n";
        String httpData = decapsulate(encapsulatedData);
        System.out.println("역캡슐화된 데이터: " + httpData);
    }
}

실행 결과

  • 캡슐화
캡슐화된 데이터: Ethernet Header + IP Header + TCP Header + GET / HTTP/1.1 Host: localhost
  • 역캡슐화
역캡슐화된 데이터: GET / HTTP/1.1 Host: localhost

해결

  • 캡슐화 학습

HTTP 데이터를 송신하기 위해 TCP/IP 계층에서 어떻게 헤더를 추가하고 패킷으로 변환하는지 이해했다. 캡슐화 과정에서 TCP 헤더, IP 헤더, 이더넷 헤더가 순차적으로 추가되며, 최종적으로 네트워크 상에 데이터가 전송된다.

  • 역캡슐화 학습

수신 측에서 데이터를 복원하기 위해 헤더를 제거하고 원본 데이터를 추출하는 과정을 구현했다. 각 계층의 역할을 구분하고, 데이터 흐름의 구조를 이해할 수 있었다.

초기에는 캡슐화 과정에서 데이터가 손실되거나 역캡슐화 과정에서 잘못된 데이터를 반환하는 문제가 발생했다.

이를 해결하기 위해 각 계층의 데이터를 구분하고, 헤더와 데이터의 경계를 정의하여 무결성을 보장했다.

결말

이번 프로젝트를 통해 HTTP 요청과 응답 데이터를 송수신하는 과정에서 TCP/IP 계층의 캡슐화와 역캡슐화가 어떻게 작동하는지 명확히 이해할 수 있었다. 이 과정을 직접 코드로 구현하면서 HTTP가 TCP/IP 위에서 어떻게 동작하는지 학습할 수 있었다.

특히, 네트워크 통신의 본질을 이해함으로써 네트워크 문제를 해결할 수 있는 능력을 키웠다.

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