TCP/IP 계층 직접 구현으로 데이터 전송 원리 개인적인 정리

Introduction

상황
문제
시퀀스 다이어그램
구현
해결
결말

상황

HTTP는 인터넷 통신의 핵심 프로토콜로, TCP/IP 위에서 동작하여 클라이언트와 서버 간 데이터를 교환한다.

개발자는 HTTP 요청과 응답에 집중하지만, TCP/IP 계층의 동작 방식을 직접 이해하고 구현해 봄으로써 네트워크의 기본 구조와 데이터 흐름을 보다 깊이 이해할 수 있다.

이번 구현에서는 HTTP 요청을 처리하기 위해 TCP/IP 계층의 기본 동작을 직접 구현하고, 그 과정을 학습하는 것을 목표로 진행했다.

문제

HTTP 추상화의 한계
- HTTP는 TCP/IP 위에서 동작하지만, 나는 TCP 연결이나 IP 데이터의 작동 방식에 대해 알지 못했다.
- 네트워크 병목 현상이나 패킷 손실 등의 문제가 발생할 경우 TCP/IP 계층을 이해하지 못하면 해결이 어려운 상황이 발생할 수도 있다.
TCP/IP 직접 구현의 복잡성
- TCP 연결 설정 과정(3-way handshake)과 데이터 송수신, 흐름 제어, 오류 복구 등의 동작을 코드로 표현하기 어렵다.
- IP 계층에서 패킷 분할과 재조립, 라우팅 등을 처리해야 하며, 구현 난이도가 높아졌다는 생각이 들었다.

시퀀스 다이어그램

HTTP 요청을 위한 TCP/IP 통신 흐름

구현

TCP 계층 구현

TCP 연결 설정(3-way handshake) 및 데이터 송수신을 처리하는 코드를 작성했다.

TCP 서버

public class TCPServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080);
        System.out.println("TCP 서버가 포트 8080에서 실행 중입니다.");

        while (true) {
            try (Socket clientSocket = serverSocket.accept()) {
                System.out.println("클라이언트 연결 성공!");

                BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(clientSocket.getInputStream()));
                PrintWriter writer = new PrintWriter(clientSocket.getOutputStream(), true);

                String request = reader.readLine();
                System.out.println("클라이언트로부터 수신한 메시지: " + request);

                writer.println("HTTP/1.1 200 OK\r\nContent-Type: text/plain\r\n\r\nHello, World!");
            }
        }
    }
}

TCP 클라이언트

public class TCPClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        try (Socket socket = new Socket("localhost", 8080)) {
            PrintWriter writer = new PrintWriter(socket.getOutputStream(), true);
            BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));

            writer.println("GET / HTTP/1.1\r\nHost: localhost\r\n\r\n");

            String responseLine;
            while ((responseLine = reader.readLine()) != null) {
                System.out.println("서버로부터 응답: " + responseLine);
            }
        }
    }
}

실행 결과

TCP 서버 실행 결과

TCP 서버가 포트 8080에서 실행 중입니다.
클라이언트 연결 성공!
클라이언트로부터 수신한 메시지: GET / HTTP/1.1
Host: localhost

서버는 클라이언트로부터 HTTP 요청 메시지를 수신하고, HTTP 응답을 전송했다.

TCP 클라이언트 실행 결과

서버로부터 응답: HTTP/1.1 200 OK
서버로부터 응답: Content-Type: text/plain
서버로부터 응답: 
서버로부터 응답: Hello, World!

클라이언트는 서버의 응답을 수신하며, 메시지가 올바르게 처리되었음을 확인했다.

IP 계층의 기본 시뮬레이션

IP 패킷 생성 및 전송의 기본 동작을 시뮬레이션 했다.

public class IPPacket {
    private String sourceIP;
    private String destinationIP;
    private String data;

    public IPPacket(String sourceIP, String destinationIP, String data) {
        this.sourceIP = sourceIP;
        this.destinationIP = destinationIP;
        this.data = data;
    }

    public void send() {
        System.out.println("패킷 전송: " + sourceIP + " -> " + destinationIP + " | 데이터: " + data);
    }
}

public class IPSimulation {
    public static void main(String[] args) {
        IPPacket packet = new IPPacket("192.168.0.1", "192.168.0.2", "Hello, TCP/IP!");
        packet.send();
    }
}

IP 계층 시뮬레이션 실행 결과

패킷 전송: 192.168.0.1 -> 192.168.0.2 | 데이터: Hello, TCP/IP!

IP 계층은 패킷을 생성하고, 지정된 목적지로 전송하는 과정을 보여줬다.

해결

TCP 계층 구현
- 3-way handshake와 데이터 송수신 과정을 구현하며, TCP 연결 설정 및 유지의 기본 원리를 이해했습니다. 또한 서버는 클라이언트로부터 HTTP 요청을 수신하고, HTTP 응답을 반환하는 역할을 수행했다.
IP 계층 시뮬레이션
- IP 패킷의 생성, 전송, 그리고 데이터그램의 분할과 재조립 과정을 시뮬레이션했다.
문제 해결
- TCP 계층의 흐름 제어와 오류 복구를 직접 구현하며, 네트워크 병목 현상과 데이터 손실에 대처하는 방법을 학습했다.
- IP 계층에서는 패킷 크기를 기준으로 데이터를 분할하여 전송하며, 각 패킷이 독립적으로 전달되는 구조를 확인했다.

결말

이번 프로젝트를 통해 HTTP 요청과 응답이 TCP/IP 계층 위에서 어떻게 작동하는지를 직접 구현하며 학습할 수 있었다. 또한 TCP 계층의 신뢰성 있는 데이터 전송과 IP 계층의 패킷 전송 원리를 이해하고, 이를 코드로 표현할 수 있었다.