3회차 네트워크 | TCP, UDP/로드밸런싱/캐시 관련 기술 면접 질문 정리

24.01.09 나온 질문 공유

1. 신뢰성을 보장한다고 했는데 구체적으로 어떤 상황들을 해결하는가? (4가지)
2. UDP는 항상 신뢰성을 보장하지 않나요?
3. TCP 혼잡 제어 알고리즘
4. UDP 헤더에 checksum 은 왜 존재하는가?
5. 로드밸런싱 개념 및 부하 처리 방식 2가지 - Scale Out 시 서버에 트래픽을 분배
6. TCP 연결 설정 과정(3단계)과 연결 종료 과정(4단계)이 단계가 차이나는 이유는?
7. TCP 와 UDP의 차이점
8. 캐시에 대한 개념
9. 만약 서버에서 FIN 플래그를 전송하기 전에 전송한 패킷이 Routing 지연이나 패킷 유실로 인한 재전송 등으로 인해 FIN 패킷보다 늦게 도착하는 상황이 발생하면 어떻게 될까
10. 초기 Sequence Number인 ISN을 0부터 시작하지 않고 난수를 생성해서 설정하는 이유?
11.  로드 밸런서 장애 대비

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TCP, UDP

✅ TCP와 UDP에 대해서 설명해주세요

• TCP는 신뢰성 있는 통신을 위해 사용하는 연결 지향형 프로토콜로서 높은 신뢰성을 보장하지만, UDP보다는 속도가 느립니다.
• 3-way, 4-way 핸드셰이크로 서버-클라이언트가 1대 1로 통신을 하고, 흐름제어와 혼잡 제어가 이루어지게 됩니다.
• 반면, UDP는 비연결형 프로토콜로서 손상된 데이터에 대해서 재전송하지 않아 신뢰성이 낮다.

그러나 TCP보다 속도는 빨라서 스트리밍 같은 서비스에 주로 사용된다. 마지막으로 1:1, 1:N, N:M 으로 연결 가능하다.

✅ TCP/UDP에 대해서 설명해주세요.

• TCP와 UDP는 네트워크 통신에서 주로 사용되는 두가지 주요한 프로토콜이다. 이 두 프로토콜은 데이터를 전송하는 방식과 목적에 있어서 다른 특징을 가지고 있다.
• TCP는 통신을 시작하기 전에 먼저 연결을 설정하고, 통신이 완료되면 연결을 종료하는데 사용된다. 이렇게 연결을 설정하고 종료하는 것은 데이터의 신뢰성과 정확성을 보장하기 위한 중요한 특징이다. 또한, 데이터 전송 중 손실, 중복 및 오류를 감지하고 복구하는 기능을 가지고 있다.
• UDP는 연결 설정 과정 없이 데이터를 전송하기 때문에 데이터 송수신이 빠르고 간단하다. 하지만 데이터를 전송한 후에 데이터의 손실이나 중복을 검사하거나 복구하지 않는다. 따라서 데이터 손실이나 오류가 발생할 수 있다.

✅ 3-way Handshake와 4-way Handshake 를 설명해주세요

3-way 는 TCP 연결, 4-way는 TCP 연결 해제 시 사용합니다.

• 3-way는 서로 연결 잘 되었는지 확인하는 방법이고, 송신자와 수신자가 총 3번에 걸쳐 상호 통신 가능한 상태인지 확인하는 과정입니다.
• 4-way는 클라이언트가 서버에 연결 해제 통지 후, 상호 4번에 걸쳐 연결 상태를 해지하는 과정입니다.

✅ Connection Timeout과 Read Timeout의 차이에 대해 설명해주세요

• Connection Timeout은 초기 연결을 할때에 대한 시간 초과가 난 상황을 말하고,
• Read timeout은 데이터를 읽는 동안 대기하는 시간 초과입니다. 서버에서 데이터를 받아오는데 시간 초과가 난 경우입니다.

✅TCP가 대역폭 사용량을 제어하는 방식에는 어떤 게 있나요?

• 혼잡 제어로 네트워크 혼잡에 대응

✅TCP의 Segment에는 어떤 정보들이 들어가나요?

• TCP 헤더에 내용

✅ TCP 연결 설정 과정(3단계)과 연결 종료 과정(4단계)이 단계가 차이나는 이유는?

• 클라이언트가 데이터 전송을 마쳤다고 하더라도
• 서버는 아직 보낼 데이터가 남을 수 있기 때문에
• FIN에 대한 ACK만 보내고, 데이터를 모두 전송한 이후에 서버 자신도 FIN 메시지를 보내기 때문이다.

✅ 만약 서버에서 FIN 플래그를 전송하기 전에 전송한 패킷이 Routing 지연이나 패킷 유실로 인한 재전송 등으로 인해 FIN 패킷보다 늦게 도착하는 상황이 발생하면 어떻게 될까?

• 클라이언트에서 세션을 종료시킨 후 늦게 도착하는 패킷은 drop되고 데이터는 유실된다.
• 이런 상황에 대비하여 클라이언트는 서버로부터 FIN을 수신하고 일정 시간(default 240sec)동안 세션을 남겨두고 잉여 패킷을 기다린다**. (TIME_WAIT 과정)**

✅ 초기 Sequence Number인 ISN을 0부터 시작하지 않고 난수를 생성해서 설정하는 이유?

→ 두 통신 호스트가 과거에 사용된 Port 번호 쌍을 사용하는 가능성이 존재한다. 서버에서는 SYN을 보고 패킷을 구분하고, 난수가 아닌 순차적 Number가 전송된다면 이전 Connection으로부터 오는 패킷으로 인식할 수 있다. 이런 문제의 가능성을 줄이기 위해 난수로 ISN을 설정한다.

→ 0에서 시작하는 ISN은 이어지는 Seq를 쉽게 예측하게 만들어 공격에 취약해진다.

✅ UDP는 항상 신뢰성을 보장하지 않나요?

• UDP도 신뢰성을 UDP자체에서 보장하지 않는 것 뿐이지, 개발자가 직접 신뢰성을 보장하도록 할 수 있습니다. HTTP/3의 경우, UDP 기반의 QUIC이라는 프로토콜을 사용합니다. UDP 자체는 신뢰성을 보장하지 않지만, 추가적인 정의를 통해 신뢰성을 보장받을 수 있습니다.

✅ TCP/IP의 흐름제어/혼잡제어에 대해 설명해보세요

흐름 제어란 송신 측과 수신 측의 데이터 처리 속도 차이를 해결하기 위한 기법이다.
receiver가 sender에게 현재 자신의 상태를 feedback 하는 것을 통해 eceiver가 packet을 지나치게 많이 받지 않도록 조절한다.
구체적으로 Stop and Wait, Sliding Window, Window 방식이 있다.
Stop and Wait 방식은 매번 전송한 패킷에 대해 확인 응답을 받아야만 그 다음 패킷을 전송하는 방법이다.
Sliding Window 방식은 일정한 윈도우 크기 내에서 한번에 여러 패킷을 송신하고,
한번의 ACK로 수신확인을 하며, 윈도우 크기를 변경시키며 흐름제어 하는 기법이다.

혼잡제어란 네트워크의 혼잡을 피하기 우해 송신측에서 보내는 데이터의 전송 속도를 강제로 줄이게 되는데, 이러한 작업을 혼잡 제어라 한다.
혼잡제어의 대표적인 방법으로는 AIMD와 Slow Start가 있다.
AIMD 방식은 트워크에 아직 별 문제가 없어서 전송 속도를 더 빠르게 하고 싶다면 혼잡 윈도우 크기를 1씩 증가시키지만, 중간에 데이터가 유실되거나 응답이 오지 않는 등의 혼잡 상태가 감지되면 혼잡 윈도우 크기를 반으로 줄인다.
초기에 네트워크의 높은 대역폭을 사용하지 못하여 오랜 시간이 걸리게 되고, 네트워크가 혼잡해지는 상황을 미리 감지하지 못하는 문제가 있다.
Slow Start 방식은 본적인 원리는 AIMD와 비슷하지만 윈도우 크기를 증가시킬 때는 지수적으로 증가시키다가 혼잡이 감지되면 윈도우 크기를 1로 줄여버리는 방식이다.
AIMD 방식에 비해 초기에 지수적으로 증가하기 때문에 높은 대역폭을 활용할 수 있다는 장점이 있다.
fast retransport (빠른 재전송) 
fast recovery (빠른 회복) | exponential하게 임계치 전까지

 

✅  유니케스트, 멀티캐스트, 브로드캐스트의 차이점에 대해 알고있으신가요?

유니캐스트는 1대1 통신으로 송신자와 수신자의 MAC 주소를 알고 있을 때 전달하는 방식입니다.

브로트캐스트는 같은 네트워크에 있는 모든 장비에게 보내는 통신입니다. 수신자가 특정하지 않을 때 사용할 수 있습니다.

멀티케스트는 1대다 통신으로 한번의 송신으로 여러 컴퓨터에 전송하는 방식입니다.

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로드 밸런싱

✅ 로드 밸런싱(Load Balancing) 에 대해 말해보세요.

A.  로드 밸런싱은 주로 서버 구축 및 활용 시에 고려하는데요. 간단하게 말씀드리면 서버에 가해지는 부하를 적절하게 분산시켜주는 장치 또는 기술을 뜻합니다. 처음에 구축했던 서버가 수용할 수 있는 범위보다 더 큰 트래픽으로 기존 서버를 사용할 수 없게 되는 경우가 있습니다. 이 때 서버 트래픽을 분산시키기 위해 사용합니다.

✅ 서버 확장의 두 가지 방법(Scale-Up, Scale-Out) 에 대해 설명해보세요.

A.  Scale-Up 방식은 서버 자체의 성능을 향상시키는 것으로, 서버 CPU, RAM 등을 교체하여 서버의 성능을 향상시킵니다.

반면, Scale-Out 방식은 기존 서버와 동일하거나 낮은 서버를 여러 대 증설하여 운영하는 것을 뜻합니다. 보통 Scale-Out 방식을 사용하는데, 그 이유는 서버 성능을 향상시키는 것보다 여러 대의 서버를 증설하는 것이 비용적 측면에서 효과적이기 때문입니다.

✅ 로드 밸런싱 알고리즘 중 대표적인 라운드 로빈, 최소 연결 방식 에 대해 설명해보세요.

A.  라운드 로빈(Round Robin) 알고리즘은 서버에 들어오는 요청들을 순서대로 돌아가면서 배정하는 알고리즘입니다. 뭐가되었든 하나씩 배정하기 때문에 여러 대의 서버 성능이 비슷하고 세션이 오래 지속되지 않는 경우에 적합합니다.

반면, 최소 연결 방식(Least Connection Method) 은 요청이 서버에 들어왔을 때 가장 연결이 적은 서버에 배정하는 알고리즘입니다. 서버 트래픽이 일정하지 않고 세션이 길어질 때 적합합니다.

이 외에도 서버마다 가중치를 매겨 가중치에 맞게 요청을 배정하는 가중 라운드 로빈 방식, 클라이언트의 IP주소를 해싱하여 분배하는 IP 해싱 방식, 서버의 현재 연결 상태와 응답 시간을 고려하여 배분하는 최소 리스폰 타임 알고리즘이 있습니다.

✅ 로드 밸런싱이란 무엇인가요?

분산식 웹 서비스로 여러 서버에 부하(Load)를 나누어 줌, Round Robin, Least Connection, Response Time, Hash 등의 기법이 있음

1. Round Robin : 각 서버에 session을 순서대로 연결하는 방식, 모든 클라이언트를 똑같이 취급 하고, 서버별 처리량을 기억하고 있어야 함
2. Least Connextion : 클라이언트와 서버별 연결된 connection 수를 고려하여 가장 적은 서버에 연결하는 방식

로드 밸런싱은 api gateway나 proxy서버 등에서 주로 처리한다.

1대의 서버가 모든 트래픽을 감당하기 힘들기 떄문에 하드웨어의 성능을 높이거나, 여러대의 서버가 나눠서 일을 하도록 한다.

이 때 여러 서버가 균등하게 트래픽을 감당하는 것을 로드 밸런싱이라고 한다.

✅ 로드밸런싱 처리방식

1. Round Robbin: CPU 스케쥴링 방식처럼 시간을 두고 돌림
2. Least Connections: 연결 개수가 가장 적은 서버 선택
3. Source: 사용자IP를 해싱해서 분배 - 특정 사용자가 항상 같은 서버로 연결

✅ 장애 대비

• 로드 밸런서 자체에 문제가 생길 수 있기 때문에 로드 밸런서를 이중화 하여야함
• 많은 트래픽이 발생할 경우 어떤식으로 대처할 수 있나요?

✅ L4 로드 밸런싱과 L7 로드 밸런싱에 대해 설명하고, 차이를 말해보세요.

A.  L4 로드 밸런싱은 Layer 4(네트워크 계층 또는 트랜스포트(전송) 계층) 의 정보를 바탕으로 트래픽을 분산하는 방식입니다. 즉, TCP, UDP, IP 정보들을 바탕으로 분산하는데요. 이는 정보가 어떻게 생겼는지 보지 않고 패킷 레벨에서만 트래픽을 분산하기 때문에 속도가 빠르고 효율성이 높습니다. 그리고 L7 로드 밸런싱보다 저렴합니다.

반면, L7 로드 밸런싱은 Layer 7(애플리케이션(응용) 계층) 의 정보를 바탕으로 요청을 분산합니다. HTTP Header, Cookie 등과 같이 사용자가 요청한 정보들을 바탕으로 트래픽을 분산하기 때문에 섬세한 라우팅이 가능하고 비정상적인 트래픽을 판별할 수 있습니다. 하지만, L4 로드 밸런싱보다 비용이 높습니다.

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캐시

✅ 캐시의 장단점과 어떤 부분에 활용하는지 설명해주세요.

캐시의 장점으로는 디스크나 네트워크에서 데이터를 가져오는 것보다 훨씬 빠른 속도로 데이터에 접근할 수 있습니다. 또한 매번 데이터를 새로 요청하는 것보다 캐시를 사용하면 서버 부하를 줄이고, 빠른 응답 시간과 성능 개선 효과를 얻을 수 있습니다.

단점으로는 캐시에 저장할 수 있는 데이터의 양이 메모리 용량에 따라 한계가 있어 큰 용량의 데이터를 다루기가 어렵습니다. 또한 코드의 복잡성이 증가해 관리와 유지보수에 대한 비용이 증가할 수 있습니다.

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추가 질문

• 로드밸런싱 최소 연결 방식에서 연결이란?L7 - 세션
• L4 - 가상회선
• 최근에는 FIN /ACK 를 동시에 보내는데 이때의 ACK는 뭘 의미하는지?
• 조사 필요
• 빠른 재전송, 3번 중복
• 손실 패킷에 관련된 SN으로 이후 요청에 대한 응답을 보냄

내용 보완

글로벌 캐시는 캐시 서버를 외부에 둬서 같이 사용하기 때문에, 변경사항을 동기화 할 필요가 없음

CDN- 글로벌 캐시 활용 예시

TCP 대역폭 제한하는 방식은? → 혼잡제어