sehee

SGD (Stochastic Gradient Descent)

Laplace Mechanism
Gaussian Mechanism
Exponential Mechanism
Local Sensitivity Sampling (LSS)
Multiplicative Weights Exponential Mechanism (MWEM)
High-Dimensional Matrix Mechanism (HDMM)
Multiplicative Weights Update (MWU)
Projected Gradient Descent (PGD)
PrivBayes
DualQuery

1. 경사 하강법(Stochastic Gradient Descent, SGD)

장점
연속적인 최적화: SGD는 연속적인 최적화를 통해 합성 데이터를 생성할 수 있어, 쿼리 결과에 대한 차이가 최소화된다.
확장성: 대규모 데이터셋에서도 효과적으로 작동한다.

유연성: 다양한 데이터셋과 쿼리 유형에 적용할 수 있다.
단점
수렴 문제: 학습률(lr)과 같은 하이퍼파라미터에 민감하며, 잘못 설정된 경우 수렴하지 않을 수 있다.
비선형 관계: 데이터의 비선형 관계를 다루는 데 한계가 있을 수 있다.

2. Multiplicative Weights Update (MWU) Mechanism

MWU 메커니즘은 적응적으로 쿼리를 선택하고, 각 쿼리의 응답을 업데이트하는 방법이다. 이 방법은 데이터의 각 레코드에 가중치를 할당하고, 각 쿼리 응답에 따라 가중치를 업데이트한다.
장점
적응적 쿼리 선택: 가장 정보가 많은 쿼리를 선택하여 효율성을 높인다.
프라이버시 보호: 프라이버시 예산을 효율적으로 사용한다.
단점
복잡성: 구현이 복잡하고, 계산 비용이 높을 수 있다.
적용 범위 제한: 일부 특정 쿼리 유형에만 효과적일 수 있다.

3. High-Dimensional Matrix Mechanism (HDMM)

HDMM은 고차원 데이터에 대해 최적화된 방식으로 쿼리를 처리하는 메커니즘이다. 쿼리 집합에 대한 응답을 선형 결합으로 표현하고, 이를 통해 최적의 노이즈 추가 방법을 찾아낸다.
장점
고차원 데이터 처리: 고차원 데이터셋에 대해 효과적으로 작동한다.
최적화된 노이즈 추가: 노이즈 추가를 최적화하여 정확도를 높인다.
단점
계산 복잡성: 계산 비용이 높아 대규모 데이터셋에 적용하기 어려울 수 있다.
제한된 쿼리 유형: 일부 쿼리 유형에 제한적일 수 있다.

4. Projected Gradient Descent (PGD)

PGD는 경사 하강법을 사용하는 투영 메커니즘 중 하나로, 최적화 과정에서 정규화 제약 조건을 적용한다. 이는 주어진 제약 조건 내에서 최적의 해를 찾는 데 효과적이다.
장점
정확도: 제약 조건 내에서 최적화하므로, 정확한 결과를 얻을 수 있다.
제약 조건 적용: 다양한 제약 조건을 쉽게 적용할 수 있다.
단점
수렴 문제: 학습률과 같은 하이퍼파라미터에 민감하며, 잘못 설정된 경우 수렴하지 않을 수 있다.
복잡성: 구현이 복잡할 수 있다.

5. Local Sensitivity Sampling (LSS)

주요 개념

국소 민감도 (Local Sensitivity): 특정 데이터셋에서 특정 쿼리에 대한 민감도를 계산한다. 이는 데이터셋의 특정 부분에서 쿼리 결과의 변동성을 측정한다.
노이즈 추가: 민감도에 따라 적절한 노이즈를 추가하여 프라이버시를 보호한다.
장점
효율적 노이즈 추가: 국소 민감도를 사용하여 보다 효율적으로 노이즈를 추가할 수 있다.
높은 정확도: 민감도에 맞춰 노이즈를 추가함으로써 데이터의 유용성을 유지한다.
단점
복잡성: 민감도를 계산하는 과정이 복잡할 수 있다.
특정 쿼리에 맞춤: 특정 쿼리에 대해 민감도를 계산하므로, 모든 유형의 쿼리에 적용하기 어려울 수 있다.

6. Private Gaussian Mechanism (PGM)

PGM은 Gaussian 노이즈를 추가하여 차등 프라이버시를 보장하는 메커니즘이다. Gaussian 노이즈는 데이터의 평균을 중심으로 정규 분포를 따르는 노이즈를 추가한다.
주요 개념
글로벌 민감도 (Global Sensitivity): 데이터셋 전체에서 특정 쿼리에 대한 민감도를 계산한다. 이는 데이터셋에서 최악의 경우에 쿼리 결과가 얼마나 변할 수 있는지를 측정한다.
Gaussian 노이즈: 정규 분포를 따르는 노이즈를 추가하여 프라이버시를 보호한다.
장점
프라이버시 강화: Gaussian 노이즈를 사용하여 데이터의 민감한 정보를 효과적으로 보호할 수 있다.
적용 범위: 다양한 유형의 데이터셋과 쿼리에 적용할 수 있다.
단점
노이즈 크기: 글로벌 민감도를 기준으로 노이즈를 추가하므로, 데이터셋의 크기와 민감도에 따라 노이즈가 커질 수 있다.
데이터 유용성: 노이즈가 커질수록 데이터의 유용성이 떨어질 수 있다.

7. PrivBayes

PrivBayes는 차등 프라이버시를 보장하는 베이지안 네트워크 기반의 합성 데이터 생성 기법이다. 원본 데이터의 분포를 학습하고, 그 분포를 기반으로 합성 데이터를 생성한다.
장점
정확한 데이터 생성: 원본 데이터의 통계적 특성을 잘 반영한 합성 데이터를 생성할 수 있다.
유용성: 다양한 데이터 분석 및 머신러닝 모델 학습에 사용할 수 있다.
단점
복잡성: 베이지안 네트워크 학습과 파라미터 추정 과정이 복잡하고 계산 비용이 높을 수 있다.
스케일링 문제: 매우 큰 데이터셋에 적용하기 어려울 수 있다.

8. DualQuery

DualQuery는 차등 프라이버시를 보장하는 데이터 쿼리 응답 기법이다. 이 방법은 데이터의 중요한 통계적 쿼리에 대한 정확한 응답을 제공하기 위해 노이즈를 적응적으로 조절한다.

장점
높은 정확도: 적응적 노이즈 조절을 통해 정확한 쿼리 응답을 제공할 수 있다.
적응성: 중요도가 높은 쿼리에 더 적합한 노이즈 수준을 선택할 수 있다.
단점
복잡성: 적응적 노이즈 조절 및 쿼리 선택 과정이 복잡하고 계산 비용이 높을 수 있다.
제한된 쿼리 응답: 특정 유형의 쿼리에 대해서만 적용할 수 있다.

9. MWEM (Multiplicative Weights Exponential Mechanism)

MWEM은 차등 프라이버시를 보장하면서 데이터의 분포를 추정하기 위한 기법이다. 이 방법은 데이터의 가중치를 반복적으로 업데이트하여 실제 데이터 분포에 가까운 분포를 생성한다.

주요 개념
Multiplicative Weights: 데이터의 각 레코드에 가중치를 할당하고, 반복적으로 업데이트한다.
Exponential Mechanism: 쿼리 응답에 노이즈를 추가하여 차등 프라이버시를 보장한다.
장점
정확한 분포 추정: 반복적인 업데이트를 통해 실제 데이터 분포에 가까운 분포를 생성할 수 있다.
적응성: 다양한 쿼리 유형에 대해 적용할 수 있다.
단점
계산 비용: 반복적인 가중치 업데이트 과정이 복잡하고 계산 비용이 높을 수 있다.
수렴 문제: 반복 과정에서 수렴하지 않을 위험이 있다.

상황별추천

대규모 데이터셋:

SGD: 확장성이 좋고, 대규모 데이터셋에서 효과적으로 작동한다.
PGD: 제약 조건이 있는 최적화 문제에 효과적이다.

고차원 데이터셋:

HDMM: 고차원 데이터에 최적화된 방식으로 쿼리를 처리한다.

적응적 쿼리 응답:

MWU: 적응적 노이즈 조절로 높은 정확도를 유지할 수 있다.
DualQuery: 중요한 쿼리에 대한 높은 정확도를 유지할 수 있다.

프라이버시 보호와 데이터 유용성:

MWEM: 반복적인 업데이트를 통한 정확한 분포 추정이 가능한다.
PrivBayes: 원본 데이터의 통계적 특성을 잘 반영한 합성 데이터를 생성할 수 있다.

복잡한 조건부 의존성 처리:

PrivBayes: 베이지안 네트워크를 사용하여 복잡한 조건부 의존성을 처리할 수 있다.

PrivBayes: 원본 데이터의 통계적 특성을 잘 반영한 합성 데이터를 생성할 수 있지만, 계산 비용이 높다.
DualQuery: 적응적 노이즈 조절을 통해 높은 정확도의 쿼리 응답을 제공하지만, 구현이 복잡할 수 있다.
MWEM: 다양한 쿼리 유형에 적용할 수 있으며, 반복적인 업데이트를 통해 정확한 분포를 추정할 수 있지만, 계산 비용이 높을 수 있다.

상위호환 관계

1. SGD < PGD

제약 조건을 추가하여 최적화 문제를 해결할 수 있다.

- PGD: 제약 조건을 적용한 경사 하강법, 데이터의 특정 조건을 만족해야 하는 최적화 문제에 적합하다.

2. Laplace < Gaussian Mechanism

고차원 데이터에 적합, 델타 파라미터 사용하여 노이즈를 추가한다.

3. MWU < MWEM

쿼리 응답과 데이터 분포 추정에 대해 더 복잡하고 정밀한 업데이트를 수행한다.

4. LSS < PGM

국소 민감도를 사용하여 노이즈 추가하는 방식에서, 글로벌 민감도를 기반으로 Gaussian 노이즈를 추가한다.

High-Dimensional Matrix Mechanism (HDMM)
PrivBayes
DualQuery

1. 원핫 인코딩 (One-Hot Encoding)

설명: 각 범주를 이진 벡터로 변환한다. 각 벡터는 하나의 1과 나머지 0으로 구성된다.
장점: 단순하고 직관적, 범주 간 순서나 크기를 가정하지 않음
단점: 차원이 높아질 수 있음, 범주가 많을 경우 메모리 사용량이 증가함
적합성: 많은 노이즈를 추가해야 하는 경우가 많아질 수 있으며, 고차원 데이터는 계산 복잡도를 증가시킬 수 있다.

2. 레이블 인코딩 (Label Encoding)

설명: 각 범주를 고유한 정수로 매핑한다.
장점: 단순하고 메모리 효율적, 차원이 증가하지 않음
단점: 범주 간 순서나 크기를 가정하게 되어 모델이 이를 잘못 해석할 수 있음
적합성: 범주 간의 순서나 크기 정보가 노출될 수 있어 적합하지 않을 수 있다.

3. 순서 인코딩 (Ordinal Encoding)

설명: 범주형 데이터를 순서가 있는 정수로 변환한다.
장점: 순서가 있는 데이터를 잘 표현할 수 있음, 메모리 효율적
단점: 범주 간의 거리를 동일하게 가정, 범주 간 순서가 중요하지 않은 경우 부적절할 수 있음
적합성: 순서가 중요한 경우 유용하지만, 범주 간 순서 정보가 노출될 수 있어 적합하지 않을 수 있다.

4. 바이너리 인코딩 (Binary Encoding)

설명: 각 범주를 고유한 숫자로 매핑하고, 이 숫자를 이진수로 변환한다.
장점: 차원이 원핫 인코딩보다 낮음, 원핫 인코딩과 레이블 인코딩의 중간 정도의 복잡도와 메모리 사용량을 가짐
단점: 복잡도가 증가할 수 있음, 일부 정보가 손실될 수 있음
적합성: 차원이 적당히 낮고, 범주 간의 순서 정보가 직접적으로 노출되지 않아 적합하다.

바이너리 인코딩은, 
차원 감소: 원핫 인코딩보다 낮은 차원을 가지므로 계산 복잡도가 줄어든다.
정보 노출 최소화: 범주 간의 순서나 크기 정보가 직접적으로 노출되지 않는다.
프라이버시 보호: 적당한 수준의 노이즈를 추가하여 프라이버시를 보호할 수 있다.

virtual private network는 공용 인터넷을 통해 가상의 사설 네트워크를 구성해서 프라이빗 통신을 제공함

AWS에서 제공하는 관리형 VPN 서비스: site-to-site VPN, 클라이언트 VPN

Site-to-Site VPN

Site-to-Site VPN은 서로 다른 지리적 위치에 있는 두 네트워크 간에 안전한 연결을 생성한다. 이는 주로 기업 환경에서 사용되며, 두 사이트의 네트워크가 마치 같은 로컬 네트워크 내에 있는 것처럼 통신할 수 있게 해준다.

예를 들어, 본사의 네트워크와 지사의 네트워크를 연결하여 자원을 공유할 수 있다. Site-to-Site VPN은 일반적으로 라우터나 게이트웨이 장치에 구성되며, 모든 트래픽은 이 장치들을 통해 자동으로 암호화되어 전송된다.

클라이언트 VPN (Remote Access VPN)

클라이언트 VPN, 또는 Remote Access VPN은 개별 사용자가 원격 위치에서 기업 네트워크에 안전하게 접속할 수 있게 해주는 기술이다. 사용자는 VPN 클라이언트 소프트웨어를 사용하여 인터넷을 통해 기업의 VPN 서버에 연결하고, 인증 후 네트워크 리소스에 접근할 수 있다. (e.g., 재택 근무나 출장 중인 직원들이 회사의 시스템이나 데이터베이스에 안전하게 접속해야 할 때)

차이점

• 적용 범위: Site-to-Site VPN - 전체 네트워크 간의 연결, 클라이언트 VPN - 개별 사용자가 네트워크에 원격 접속 시 사용
• 구성: Site-to-Site VPN은 네트워크 경계에 위치한 장비에 구성되는 반면, 클라이언트 VPN은 사용자의 장치에 VPN 클라이언트 소프트웨어를 설치하여 사용한다.
• 사용 사례: Site-to-Site VPN은 기업의 다른 위치에 있는 사무실들을 연결하는 데 주로 사용되고, 클라이언트 VPN은 개별 사용자가 어디에서든 안전하게 회사 네트워크에 접속해야 할 때 사용된다.

두 VPN 유형 모두 데이터의 보안과 프라이버시를 보장하는 중요한 도구이며, 사용 사례에 따라 적절한 유형을 선택하여 사용할 수 있다.

VPN, Virtual Private Cloud: 독립된 가상의 클라우드 네트워크 AWS 클라우드 내 논리적으로 독립된 섹션을 제공하여, 사용자가 정의한 가상 네트워크상에서 다양한 AWS 리소스를 실행할 수 있게 지원 인스턴스와 서브넷 레벨에서 인바운드/아웃바운드 필터링을 수행할 수 있도록 보안 그룹과 네트워크 ACL을 제공해서 보안을 강화할 수 있음

사용자 생성 VPC에서 AWS 퍼블릭 서비스나 다른 VPC로 통신이 필요할 경우 일반적으로 외부 인터넷 구간인 퍼블릭 네트워크를 통해 통신이 이루어짐 → 격리된 프라이빗 서브넷에 자원이 생성되어야 함 (금융 서비스처럼 강력한 보안 요건을 만족하기 위해)

VPC 엔드포인트: AWS 퍼블릭 서비스나 직접적으로 생성한 AWS 서비스에 대해 외부 인터넷 구간을 통한 접근이 아닌 직접적으로 접근할 수 있는 프라이빗 액세스 기능

엔드포인트: AWS 퍼블릭 서비스 대상에 대한 프라이빗 연결

• 게이트웨이 엔드포인트: AWS 퍼블릭 서비스 중 S3와 DynamoDB에 대한 연결
• 인터페이스 엔드포인트: 위 대상 외에 나머지 AWS 퍼블릭 서비스에 대한 연결 엔드포인트 서비스: 사용자가 지정한 서비스 대상에 대한 프라이빗 연결

Stateful vs Stateless

Stateful: 이전 상태 정보를 기억하고 있다가 다음 단계에서 그 상태 정보를 활용할 수 있다.

Stateless: 이전 상태 정보를 기억하지 않아 다음 단계에 관여하지 않는다.

보안 그룹

Stateful 접근 제어 동작에서, 인바운드(대상→인스턴스)로 들어오는 트래픽에 대해 인바운드 규칙에 따라 대상이 허용된다면, 그 상태 정보를 기억하고 있어서 아웃바운드로 되돌아갈 때(리턴 트래픽) 아웃바운드 규칙 상관없이 허용된다.

- 허용 규칙만 존재(유형, 프로토콜, 포트 범위, 소스, 설명-선택사항), 지정된 대상이 아닌 것은 자동으로 거부됨

네트워크 ACL

Stateless 접근 제어 동작에서, 인바운드(대상→서브넷)로 들어오는 트래픽에 대해 인바운드 규칙에 따라 대상이 허용한다 해도 그 상태 정보는 상관없다. 아웃바운드로 되돌아갈 때(리턴 트래픽) 아웃바운드 규칙에 따라 허용할지 거부할지 결정한다.

- 허용 규칙과 거부 규칙이 둘 다 존재함(규칙(100-400번), 유형, 프로토콜, 포트 범위, 소스, 허용/거부

- 마지막 규칙은 모든 트래픽에 대해 거부하는 규칙(자동 설정)

References

김원일, 서종호, 따라하며 배우는 AWS 네트워크 입문, enBergen, BOOKK, 07. 네트워크 보안 | 보안 그룹과 네트워크 ACL

[TCP/IP Protocol #14] Part 3 | Chapter 14. UDP

[TCP/IP Protocol #15] Part 3 | Chapter 15. TCP

UDP

비연결형, 신뢰성 없는 전송 프로토콜

호스트 대 호스트 통신 대신에 프로세스 대 프로세스 통신을 제공하는 것 이외에는 IP 서비스에 추가하는 기능이 아무것도 없다.

Q. UDP가 아무런 기능이 없다면 왜 프로세스는 이것을 사용하는가?

A. 단점이 때론 장점이 되기도 한다. UDP는 최소한의 오버헤드만 사용하는 매우 간단한 프로토콜이다. 작은 메시지를 보내고자 하고 또한 신뢰성에 대해서 걱정하지 않는 프로세스는 UDP를 사용할 수 있다.

비연결형 서비스

UDP에 의해 전송되는 각각의 사용자 데이터그램은 서로 독립적이라는 것을 의미한다.

* 데이터그램: 패킷 교환 네트워크와 관련된 기본 전송 단위

흐름 제어 기능 없음 → 수신 측에서는 들어오는 메시지로 인해 오버플로우가 발생할 수 있다

오류 제어 메커니즘이 없음 → 메시지가 손실되거나 중복되었는지 송신자가 알 수 없다는 것이다

혼잡 제어 제공하지 않음 → UDP에서 패킷은 작고 산발적으로 전송된다

검사합

UDP 검사합의 계산은 IP의 경우와도 다르다

의사 헤더(pseudoheader), UDP 헤더, 응용 계층으로부터 온 데이터의 세 부분을 포함한다.

패킷이 TCP에 속하지 않고 UDP에 속한다는 것을 확인하기 위해 프로토콜 필드가 추가되었다.(프로토콜 필드 값은 17)

만약 이 값이 전송 도중 변하면 수신 측에서의 검사합 계산은 이것을 발견할 것이고 UDP는 이 패킷을 폐기할 것이다.

캡슐화

UDP를 통해 보낼 메시지가 있는 프로세스는 UDP로 메시지와 한 쌍의 소켓 주소 그리고 데이터의 길이를 보낸다.

그 이후 UDP 헤더를 추가하여, 소켓 주소들과 함께 사용자 데이터그램을 IP로 보낸다.

큐잉

큐가 없다면 UDP는 사용자 데이터그램을 폐기하고 ICMP 프로토콜에게 'port unreachable' 메시지를 서버로 보낼 것을 요청한다.

다중화와 역다중화

TCP/IP 프로토콜을 수행하고 있는 호스트에서는 UDP는 하나지만 UDP 서비스를 사용하기를 원하는 프로세스는 여러 개 있을 수 있기에 다중화/역다중화를 사용한다.

송신자 측에서는 사용자 데이터그램을 보내고자 하는 프로세스가 여러 개 있을 수 있다. 그러나 UDP는 하나이므로 이것은 다-대-일 관계이고 다중화를 요구한다.

다중화: UDP는 프로세스마다 할당된 포트 번호에 의해서 구분되는 서로 다른 프로세스로부터 메시지를 수신한다. UDP는 헤더를 추가한 후 IP로 사용자 데이터그램을 보낸다.

역다중화: UDP는 사용자 데이터그램을 IP로부터 받는다. 오류를 점검하고 헤더를 없앤 후 UDP는 포트 번호에 의거하여 각 메시지를 적절한 프로세스로 보낸다.

대표적인 응용(TCP와의 차이)

UDP는 단순한 요청-응답 통신을 필요로 하고 흐름 제어와 오류 제어에는 큰 관심이 없는 프로세스에 적절하다.

FTP와 같이 대량의 데이터를 보내야 하는 프로세스에서는 보통 사용되지 않는다.

TFTP(Trivial File Transfer Protocol) 프로세스는 흐름 제어와 오류 제어 메커니즘을 내부에 가지고 있으므로 쉽게 UDP를 사용할 수 있다.

- TFTP: 사용자 인증 없이 기본 파일 전송 기능을 제공하는 단순 프로토콜

UDP는 멀티캐스팅에 적합한 전송 프로토콜이다.(멀티캐스팅 기능은 UDP 소프트웨어에 내장되어 있지만 TCP 소프트웨어는 그렇지 못하다.)

UDP는 SNMP와 같은 관리 프로세스에 사용된다.

- SNMP에 UDP 쓰는 이유: SNMP 메시지는 실시간으로 빠르게 처리되어야 하며, UDP는 세션 설정 지연 없이 즉시 데이터를 전송할 수 있다.

UDP는 수신된 메시지의 조각들 간의 지연이 동일하지 않으면 안되는 실-시간 응용들에 의해서 일반적으로 사용된다.

TCP

다중화와 역다중화 수행

연결 지향 서비스

A 노드에 있는 프로세스가 B 노드에 있는 프로세스와 데이터를 주고받고자 하는 경우에는 다음 세 단계가 발생한다.

두 TCP 간에 가상 연결이 설정된다 → 양방향으로 데이터가 교환된다 → 연결이 종료된다

TCP 세그먼트는 IP 데이터그램으로 캡슐화되어 순서에 어긋나게 전송되거나 손실되거나 훼손되고 재전송 될 수 있다.(물리적인 연결이 아니므로)

그렇지만, TCP는 스트림 기반의 환경을 제공하여 상대방에게 순서에 맞게 바이트를 전달할 책임이 있다.

신뢰성 서비스

TCP는 신뢰성 있는 전송 프로토콜이다. 데이터가 안전하고 오류 없이 잘 도착했는지를 확인하기 위하여 확인응답 메커니즘을 이용한다.

연결 설정

TCP는 전 이중(full-duplex) 방식으로 데이터를 전송한다. 두 기기에 있는 두 개의 TCP가 연결되면, 그들은 동시에 세그먼트를 주고받을 수 있다.

- 세그먼트: TCP에서의 패킷

즉, 데이터의 교환이 이루어지기 전에 한 편에서는 통신을 개시하고 다른 편에서는 통신 개시의 요구에 대한 승인이 먼저 이루어져야 한다.

3단계 핸드셰이크

클라이언트라고 하는 응용 프로그램은 서버라고 하는 또 다른 응용 프로그램과 전송 계층 프로토콜인 TCP를 이용해 연결을 설정하고자 한다. 3단계 핸드셰이크 절차는 서버에서부터 시작한다.

서버: 자신의 TCP에게 연결을 수락할 준비가 되어 있다는 것을 알린다.(이러한 요청: 수동 개방(passive open))

클라이언트: 능동 개방(active open)을 위한 요청을 실행한다. 자신의 TCP에게 특정한 서버와 연결을 설정할 것이라는 것을 알린다.

1) 클라이언트는 첫 번째 세그먼트로서 SYN 플래그가 1로 설정된 SYN 세그먼트를 전송한다. 이 세그먼트는 순서 번호의 동기화가 목적이다. 클라이언트는 임의의 값을 첫 번째 순서 번호로 선택한 후 이 번호를 서버로 전송하는데, 이 순서 번호를 초기 순서 번호(ISN: initial sequence number)라고 한다. (이 세그먼트에는 확인응답 번호나 윈도우 크기가 포함되지 않는다.)

SYN 세그먼트는 단지 하나의 제어 세그먼트이며 어떠한 데이터도 전달하지 않지만, 하나의 순서 번호를 소비한다.

데이터 전송이 시작되면 순서 번호는 1만큼 증가한다. 즉, SYN 세그먼트는 실제의 데이터를 전달하지 않지만 하나의 가상 바이트를 포함하고 있기에 하나의 순서 번호를 소비하는 것이다.

2) 서버는 두 번째 세그먼트로서 SYN과 ACK 플래그 비트가 각각 1로 설정된 SYN+ACK 세그먼트를 전송한다.

이 세그먼트는 두 가지 목적을 가지고 있다.

첫 번째, 반대 방향으로의 통신을 위한 SYN 세그먼트이다. - 서버는 서버로부터 클라이언트로 전송되는 바이트의 순서화를 위한 순서 번호를 초기화하기 위해 이 세그먼트를 사용한다.

두 번째, 서버는 ACK 플래그를 1로 설정하고 클라이언트로부터 수신하기를 기대하는 다음 순서 번호를 표시함으로써 클라이언트로부터의 SYN 세그먼트 수신을 확인 응답한다. - 이 세그먼트는 확인 응답 번호를 포함하고 있다.

3) 클라이언트가 단순히 ACK 세그먼트를 전송한다.

ACK 플래그와 확인응답 번호 필드를 이용해서 두 번째 세그먼트의 수신을 확인한다.

이 세그먼트에 있는 순서 번호는 SYN 세그먼트에 있는 것과 동일한 값으로 설정된다. (∵ ACK 세그먼트는 어떤 순서 번호도 소비하지 않기 때문)

데이터의 첫 번째 바이트의 바이트 번호를 나타내는 새로운 순서 번호를 가지고 있어야 한다.

데이터를 전달하지 않고 어떠한 순서 번호도 소비하지 않는다.

동시 개방

두 프로세스가 동시에 서로에게 능동 개방을 요구하는 상황이 발생한다면, 양쪽 TCP는 서로에게 SYN + ACK 세그먼트를 전송하게 되고 하나의 단일 연결이 두 TCP 사이에 설정된다.

SYN 플러딩 공격

TCP의 연결 설정 과정은 SYN 플러딩 공격이라는 중요한 보안 문제에 노출되어 있다.

악의에 찬 공격자가 데이터그램의 발신지 IP 주소를 위조함으로써 서로 다른 클라이언트로 가장한 후에 많은 수의 SYN 세그먼트를 하나의 서버에 전송하는 경우에 발생한다.

TCP 서버가 핸드셰이크의 세 번째 단계를 기다리는 동안에 자원들은 사용되지 않는 상태로 할당되어 있을 것이다.

이 짧은 시간 동안 전송되는 SYN 세그먼트의 수가 많으면, 서버는 궁극적으로 자원을 다 소비하게 되어 유효한 클라이언트로부터 들어오는 연결 요청을 받아들이지 못하게 될 것 - 서비스 거부 공격(denial of service attack)

TCP에서는 SYN 공격의 영향을 경감하기 위해 몇 가지 방법을 사용한다.

1) 미리 정해진 시간동안 들어오는 연결 요구의 수를 제한하는 방법

2) 원하지 않는 발신지 주소로부터 들어오는 데이터그램을 여과해서 제거하는 방법

- 쿠키(cookie)라고 하는 것을 이용해서 전체 연결이 설정되기 전까지 자원의 할당을 연기하는 것이다. - SCTP가 사용하는 전략

- SCTP: 스트림 제어 전송 프로토콜, 멀티호밍(하나의 연결이 여러 IP 주소를 사용할 수 있어, 네트워크 경로 문제 발생 시 연결의 안정성 높임

연결 종료

일반적으로 클라이언트에서 종료를 시작한다.

3단계 핸드셰이크와 반-닫기(half-close) 옵션을 가진 4단계 핸드셰이크 등 2가지 옵션이 사용된다.

3단계 핸드셰이크

1) 클라이언트 프로세스로부터 close 명령을 수신한 클라이언트 TCP는 첫 번째 세그먼트로서 FIN 플래그를 1로 설정한 FIN 세그먼트를 전송한다. 이 FIN 세그먼트는 클라이언트로부터 전송되는 데이터를 포함할 수도 있으며, 단지 제어 세그먼트일 수도 있다.(제어로 동작하는 경우는 하나의 순서 번호를 소비한다.)

2) FIN 세그먼트를 수신한 서버 TCP는 서버 프로세스에게 연결 종료 상황을 알려준다. 그리고 서버 TCP는 클라이언트 TCP로부터의 수신을 확인하고 동시에 다른 방향으로의 연결 종료를 알려주기 위해 두 번째 세그먼트 FIN + ACK를 전송한다. 이 세그먼트가 서버로부터 수신한 데이터를 포함하지 않는 경우는 하나의 순서 번호를 소비한다.

3) 클라이언트 TCP는 서버 TCP로부터의 FIN 세그먼트 수신을 확인하기 위해 마지막 세그먼트인 ACK 세그먼트를 전송한다. 이 세그먼트는 서버로부터 수신한 FIN 세그먼트에 있는 순서 번호에 1을 더한 값으로 설정되는 확인응답 번호가 포함된다. 이 세그먼트는 데이터를 전달하지 않으며 순서 번호를 소비하지도 않는다.

반-닫기(4-way handshake)

TCP에서는 한 쪽에서 데이터를 수신하면서 데이터 전송을 종료할 수 있다. 이것을 반-닫기라고 한다.

서버나 클라이언트 어느 쪽에서도 반-닫기(half-close) 요청을 시작할 수 있다.(서버에서 모든 데이터를 수신한 후 처리가 시작되는 경우에 발생)

1) 클라이언트는 FIN 세그먼트를 전송함으로써 연결을 반-닫기 한다.

2) 서버는 ACK 세그먼트를 전송함으로써 반-닫기를 수락한다. 그렇지만, 서버는 여전히 데이터를 전송할 수 있다.

3) 서버가 처리된 모든 데이터를 전송한 후에는 FIN 세그먼트를 전송한다.

4) 클라이언트로부터 ACK를 전송하여 확인응답한다.

반-닫기 이후 데이터는 서버로부터 클라이언트로 전달, 확인응답은 클라이언트로부터 서버로 전달된다.

두 번째 세그먼트(ACK)는 어떠한 순서 번호도 소비하지 않는다.

연결이 최종적으로 종료되는 경우에 마지막 ACK 세그먼트의 순서 번호도 증가하지 않는다.(∵ 클라이언트로부터 서버 방향으로 순서 번호가 하나도 소비되지 않았기 때문)

연결 리셋

RST 비트를 1로 설정함으로써 연결 요청을 거절하거나 중단하거나, 휴지 상태에 있는 연결을 종료한다.

Reference

Behrouz A. Forouzan (2009), TCP/IP 프로토콜(Protoccol Suite), 4th Edition

[TCP/IP Protocol #11] Part 2 | Chapter 11. 유니캐스트 라우팅 프로토콜(RIP, OSPF and BGP)

유니캐스트 라우팅 프로토콜1(거리 벡터 RIP, 링크 상태 OSPF)

RIP(Routing Information Protocol): 거리 벡터 프로토콜

OSPF(Open Shortest Path First): 링크 상태 프로토콜

BGP(Border Gateway Protocol): 경로 벡터 프로토콜

3. 경로 벡터 라우팅

거리 벡터와 링크 상태 라우팅은 모두 도메인 내부 라우팅 프로토콜이다. 하지만 이 두 프로토콜은 확장성으로 인해 도메인 간 라우팅에는 대부분 적합하지 않다.

- 거리 벡터 라우팅은 동작하는 도메인에 수 홉 이상이 존재하게 되면 불안정해질 수 있다.

- 링크 상태 라우팅은 라우팅 테이블을 계산하기 위해 아주 많은 양의 자원을 필요로 한다. + 플러딩으로 인해 많은 트래픽을 유발할 수도 있다.

* 플러딩: 모든 다른 라우터로 효과적이며 안전한 방법으로 LSP들을 발송하는 것

→ 제 3의 라우팅 프로토콜이 필요, 이것이 경로 벡터 라우팅(path vector routing)

경로 벡터 라우팅의 원리는 거리 벡터 라우팅과 유사하다.(각 자율 시스템에 하나의 스피커 노드만이 다른 것들과 통신할 수 있다는 것을 제외하고는)

자율 시스템 내에 있는 하나의 노드를 스피커 노드(speaker node)라고 부른다.

(다른 AS들에 정보를 제공하기 위해 각 AS는 그 AS에 있는 각 망의 도달 가능성 정보를 모으는 적어도 하나의 경로 벡터 라우팅을 가져야만 한다.)

BGP

경계 게이트웨이 프로토콜(BGP: Border Gateway Protocol), 자율 시스템 간의 라우팅 프로토콜

자율 시스템의 유형

인터넷은 자율 시스템이라고 불리는 계층적 도메인으로 나뉜다.

3개의 범주로 나눌 수 있음: 스터브, 멀티홈, 경유(transit) 시스템

스터브 AS

Stub AS, 다른 자율 시스템과 단 하나의 연결만을 가진다.

스터브 AS 내의 도메인 간 데이터 트래픽은 AS 내에서 생성되거나 사라질 수 있다. 그러나 데이터 트래픽은 스터브 AS를 통해 지나갈 수는 없다. 스터브 AS는 송신자 이거나 수신자 일 수 있다.

멀티홈 AS

Multihomed AS, 다른 자율 시스템과 하나 이상의 연결을 가진다.

하나의 자율 시스템에서 다른 시스템으로 지나가는 트래픽은 허용되지 않고, 데이터 트래픽의 송신자나 수신자만 될 수 있다.

e.g., 지나가는 트래픽을 허용하지 않는 하나 이상의 지역혹은 국가 AS에 연결된 큰 조직이 될 수 있다.

경유 AS

지나가는 트래픽을 허용하는 멀티홈 AS

e.g., 국가 혹은 국제 ISP(인터넷 백본)

CIDR

BGP는 클래스 없는 도메인 간 라우팅 어드레스(CIDR)을 사용한다.

경로 속성

경로는 자율 시스템의 목록으로 표현되었지만 사실은 속성(attributes)들의 목록이라고 할 수 있다.

각 속성은 경로에 대한 정보를 제공한다.

속성들은 두 개의 큰 영역으로 나뉜다. 하나는 잘 알려진 것이고 하나는 옵션이다.

1) 잘 알려진 속성들: 모든 BGP 라우터가 반드시 인식해야만 하는 것들

- 필수 속성: 경로를 기술하는 데 반드시 있어야 한다.

(e.g., ORIGIN: 경로 정보(RIP, OSPF 등)를 제공하는 발신지를 나타낸다.

AS_PATH: 목적지에 도달하기 위해 거쳐야 하는 자율 시스템의 목록

NEXT-HOP: 데이터 패킷이 보내져야 할 다음 라우터

- 임의(discretionary) 속성: 각 라우터가 반드시 인식할 수 있어야 하나 모든 갱신 메시지에 포함되지 않아도 되는 것

2) 선택적인 속성들(옵션): 모든 라우터에서 인식될 필요는 없는 것들

- 천이(transitive): 이 라우터가 이 속성을 지원하지 않더라도 다음 라우터로 전달되어야만 하는 것

- 비천이(nontransitive): 수신한 라우터가 이 속성을 지원하지 않으면 버려지는 것

BGP 세션

BGP를 사용해서 두 라우터 간 라우팅 정보를 교환하는 것은 세션에서 일어난다.

세션은 라우팅 정보를 교환하기 위해서만 두 BGP 라우터들 간에 설정되는 연결이다.

신뢰성 있는 환경을 만들기 위해 BGP는 TCP 서비스를 사용한다. 그러나 BGP를 위해 만들어진 TCP 연결은 다른 응용 프로그램에서와는 다른 약간의 차이가 있다. BGP를 위해 TCP 연결이 만들어지면 무언가 일반적이지 않은 일이 발생하기 전까지 오랜 시간 동안 유지된다.

→ BGP 세션은 반영구적 연결이라고도 불린다.

외부 및  내부 BGP

BGP에는 두 가지 종류의 세션이 있다.

1) 외부(external) BGP(E-BGP) 세션: 서로 다른 자율 시스템에 속하는 두 스피커 노드들 간에 정보 교환을 위해 사용된다.

- 두 스피커 라우터들은 인터넷에 있는 네트워크에 관해 자신이 아는 정보를 교환한다.

e.g., AS1과 AS2 사이에 설정된 세션

2) 내부(internal) BGP(I-BGP) 세션: 자율 시스템 내의 두 라우터 간에 정보 교환을 위해 사용된다.

- 스피커 라우터들이 자율 시스템 내의 다른 라우터로부터 정보를 수집하기 위해 필요하다.

패킷 형식

4가지 패킷 종류: open, update, keepalive, notification

개방(Open) 메시지

BGP가 동작중인 라우터가 이웃 관계를 생성하기 위해서는 그 이웃과 TCP 연결을 열고 개방 메시지를 전송한다.

이웃 관계를 받아들이면 두 라우터 간 이웃 관계가 성립되었다는 뜻으로 킵얼라이브(keepalive) 메시지를 보내게 된다.

- 필드: BGP 버전(현재는 4), 자율 시스템 번호, 유지 시간, BGP 식별자(개방 메시지를 전송한 라우터), 선택 매개 변수들 및 길이

갱신(Update) 메시지

BGP 프로토콜의 중심, 라우터로 하여금 전에 광고된 목적지를 취소하거나 새로운 목적지로의 경로를 알리는 데 사용된다.

- 필드: 불가능 경로 길이(다음 필드의 길이), 취소된 경로(광고된 목록 중에서 삭제되어야 하는 모든 경로를 나열), 경로 속성 및 길이(도달 가능한 네트워크까지의 경로에 대한 속성), 네트워크 계층 도달 가능 정보

킵얼라이브(Keepalive) 메시지

BGP가 동작되는 라우터들은 상대방에게 자신들이 살아있음을 알리기 위해 유지 시간이 만료되기 전에 정기적으로 킵얼라이브 메시지를 교환한다.

- 필드: 공통 헤더만으로 구성됨

통지(Notification) 메시지

오류 상황이 감지되거나 연결을 닫기 원할 때 라우터에 의해 전송된다.

- 필드; 오류 코드, 오류 서브 코드(유형), 오류 데이터

캡슐화

BGP 메시지는 잘 알려진 포트 179를 사용하여 TCP 세그먼트에 캡슐화된다. 이는 오류 제어나 흐름 제어가 필요하지 않음을 의미한다.

TCP 연결이 개설되면 종료(cease) 유형의 통지(notification) 메시지가 전송될 때까지 갱신, 킵얼라이브, 통지 메시지의 교환이 게속된다.

Reference

Behrouz A. Forouzan (2009), TCP/IP 프로토콜(Protoccol Suite), 4th Edition

[TCP/IP Protocol #11] Part 2 | Chapter 11. 유니캐스트 라우팅 프로토콜(RIP, OSPF and BGP)

유니캐스트 통신: 하나의 송신자와 하나의 수신자 간의 통신을 의미, one-to-one 통신

유니캐스트 통신을 지원하기 위해 라우터에 생성되는 라우팅 테이블에 관해 논의할 것

자율 시스템(AS: Autonomous System)

비용 또는 메트릭

라우터가 패킷을 수신했을 때, 어느 네트워크로 패킷을 보내야 하는가? 이 결정은 최적화 과정에 기반을 둔다.
그렇다면 최적의 경로란 무엇인가? 최적이라는 용어의 정의는 무엇인가?

망을 통해 전달되는 비용(cost)를 할당하는 것, 이 비용을 메트릭(metric))이라 부른다.

망에서 성능을 최대한 혹은 지연 시간을 최소로 하고 싶다면 성능이 높은 것/낮은 지연 시간이 낮은 비용을 의미한다.

도메인 내 및 도메인 간 라우팅

근래 들어 인터넷은 한 가지 라우팅 프로토콜로 모든 라우터의 라우팅 테이블을 갱신하는 작업을 수행하기에는 부족할 정도로 너무 많이 확장되었다. 이런 이유로 인터넷은 자율 시스템(AS: Autonomous System)으로 나눠진다.

- 자율 시스템: 하나의 단일 관리 기관 하에 있는 라우터와 네트워크의 그룹

- 도메인 내(intradomain) 라우팅: 자율 시스템 내에서의 라우팅 (e.g., 거리 벡터(RIP), 링크 상태(OSPF))

- 도메인 간(interdomain) 라우팅: 자율 시스템 간의 라우팅 (e.g., 경로 벡터(BGP))

RIP(Routing Information Protocol): 거리 벡터 프로토콜

OSPF(Open Shortest Path First): 링크 상태 프로토콜

BGP(Border Gateway Protocol): 경로 벡터 프로토콜

1. 거리 벡터 라우팅

distance vector routing

모든 라우터와 망들로 구성된 AS를 노드의 집합과 이 노드들을 연결하는 선(에지)들로 구성된 그래프로 간주한다.

그래프 이론은 노드들 간의 거리가 주어진 망에서 노드들 간의 최단 거리를 찾기 위해 Bellman-Ford(또는 Ford-Fulkerson)라고 불리는 알고리즘을 사용한다.

Bellman-Ford 알고리즘

임의의 두 노드 쌍 간의 비용을 안다면 두 노드 간의 최소 비용(최단 거리)을 찾을 수 있다.

1) 각 노드와 자신 간의 최단 거리 및 비용을 0으로 초기화함

2) 각 노드와 다른 노드와의 최단 거리를 무한대로 설정함. 그 후 노드와 다른 노드 간의 비용을 주어진 값으로 설정하되 연결이 없으면 무한대로 유지함

3) 최단 거리 벡터에 변경 사항이 더 없을 때까지 알고리즘을 반복함

거리 벡터 라우팅 알고리즘

Bellman-Ford 알고리즘은 도시 간의 도로 지도에 매우 잘 적용된다. (∵ 동일한 지역에 있는 각 노드 간의 초기 정보가 모두 주어지기 때문)

비용: 홉 수 (즉, 목적지에 도달하기 위해 얼마나 많은 망을 거쳐 가야 하는 가, 두 노드 간의 비용은 1로 설정)

각 라우터 필수 보유 정보: 목적지 망, 비용, 다음 홉(next-hop) 정보

무한대로의 카운트

라우팅 프로토콜이 잘 동작하기 위해서는 링크가 고장 나서 비용이 무한대로 바뀌었을 때 모든 다른 라우터들이 이를 즉시 인식할 수 있어야 하는데, 거리 벡터 라우팅에서는 이에 시간이 소요된다.

이 문제: 무한대로의 카운트

두 노드 루프

노드 A와 B는 노드 X에 도달하는 방법을 알고 있다. 그러나 갑자기 A와 X 사이의 링크가 실패했다고 하며 노드 A는 자신의 테이블을 변경한다.

만약 노드 A가 즉각적으로 B에게 테이블을 전송하면 문제가 없다. 그러나 만약 B가 라우팅 테이블을 A로부터 받기 전에 자신의 라우팅 테이블을 보내게 되면 시스템이 불안정해진다.

무한대의 정의

첫 번째 해결책, 무한대를 16과 같은 작은 수로 재정의 (거리 벡터 라우팅의 대부부 구현에서 16을 무한대로 정의)

→ 각 방향으로의 망의 크기가 15 홉을 넘을 수 없음
→ 거리 벡터 라우팅이 큰 시스템에서 사용될 수 없음을 의미

수평 분할

각 인터페이스를 통해 테이블을 플러딩(flooding)하는 대신에 각 인터페이스를 통해 자신 테이블의 일부만을 전송

노드 B가 X에 도달하는 최적의 경로가 A를 거치는 것이라는 것을 안다면 다시 알릴 필요 없음 (이미 A는 알고 있기 때문)

수평 분할과 poison reverse

보통 거리 벡터 프로토콜은 타이머를 사용하고, 경로 상에 새로운 소식이 없으면 테이블에서 이 경로를 제거함

혹은 수평 분할 시나리오에서 노드 B가 A로 보내는 광고에 X로의 경로를 제거해 버림

→ (수평 분할 정책의 단점) 노드 A: 수평 분할 정책 때문에 그런 것인지, B가 최근에 X에 관한 소식을 받지 못해서인지 예측할 수 없음

→ (poison reverse) 동일하게 광고하되, 거리 값을 무한대로 설정해서 "이 값을 사용하지 말라"고 경고함

세 노드 불안정성

X가 도달 가능하지 않음을 발견한 후 노드 A가 이 상황을 노드 B와 C에 패킷을 전송해 알림

노드 B는 즉각적으로 테이블을 갱신했으나 노드 C로 가는 패킷은 유실

RIP

경로 정보 프로토콜
RIP에서 사용되는 메트릭으로, 거리는 목적지에 도달하기 위해 사용되어야만 하는 링크(네트워크)의 수로 정의된다. 이런 이유로 RIP에서의 메트릭은 홉 수라고 불린다.

2. 링크 상태 라우팅

도메인 내의 각 라우터가 도메인의 전체 토폴로지 -노드들과 링크들의 리스트, 그 유형, 비용(메트릭) 및 링크가 살아 있는지 죽어 있는지와 같은 상태를 포함해서 어떻게 연결되어 있는지- 를 알고 있다면 노드는 딕스트라(Dijkstra) 알고리즘을 사용하여 라우팅 테이블을 만들 수 있다.

라우팅 테이블 만들기

1) 각 노드에 의해 링크 상태를 생성하는 것: 이는 링크 상태 패킷(LSP: link state packet)이라고 함

2) 모든 다른 라우터로 효과적이며 안전한 방법으로 LSP들을 발송하는 것: 플러딩(flooding)이라고 부름

3) 각 노드에서 최단 경로 트리의 생성

4) 최단 경로 트리에 기반을 둔 라우팅 테이블의 계산

OSPF

Open Shortest Path First 프로토콜, 라우팅을 적절하게 수행하기 위해 OSPF는 자율 시스템을 여러 지역으로 나눈다.

지역(areas)이란 자율 시스템 내에 포함되는 호스트, 라우터 및 네트워크의 모음이다.

하나의 자율 시스템은 여러 개의 다른 지역들로 나뉠 수 있다. 지역 내의 모든 네트워크들은 연결되어야만 한다.

링크의 유형

네트워크는 링크(link)라고 불린다. 4가지 유형의 링크가 정의 되는데 각각 점-대-점(point-to-point), 경유(transient), 스터브(stub), 가상(virtual) 링크이다.

점-대-점 링크

라우터 간을 그 사이에 어떤 다른 호스트나 라우터 없이 직접 연결하는 것, 링크(네트워크)의 목적은 단지 라우터 간을 연결하는 것

경유 링크

몇 개의 라우터가 연결되어 있는 네트워크, 데이터는 어떤 라우터로도 들어갈 수 있고 어떤 라우터로부터도 떠날 수 있다.

각 라우터가 하나의 단일 네트워크를 통해 다른 라우터들과 연결되어 있다는 것을 보여주기 위해 네트워크 자체는 단일 노드로 표현되어야 한다. 그러나 여기서 문제가 되는 것은 네트워크가 장치가 아니므로 라우터로 동작할 수 없다는 것이다.

따라서 네트워크에 있는 라우터 중 하나가 이런 책임을 맡아야 한다. 이 라우터에게는 두 가지 목적이 주어지는데 하나는 실제 라우터로서 이고, 다른 하나는 지정(designated) 라우터로서 이다.

스터브 링크

단지 하나의 라우터에만 연결된 네트워크이다. 데이터 패킷은 이 단일 라우터를 통해서만 네트워크에 들어가거나 나갈 수 있다.

이런 상황을 나타내기 위해서는 라우터를 노드로, 네트워크를 지정 라우터로 표시해야 한다.

가상 링크

두 라우터간의 연결이 끊어지면 관리자는 여러 라우터를 거쳐 돌아가는 더 긴 경로를 사용하더라도 그 둘 사이에 가상 링크를 연결해야 한다.

Reference

Behrouz A. Forouzan (2009), TCP/IP 프로토콜(Protoccol Suite), 4th Edition

ELB (Elastic Load Balancing)

0. 로드밸런서의 탄생

VPC 내 단일 서버를 통한 서비스를 구성해서 사용자가 접근하는 환경에서는, 단일 서버가 장애가 발생되면 서비스를 받을 수 없다.

지속적인 서비스 제공을 위해 서버를  다중화 구성해서 서비스의 연속성을 보장하는 고가용성 구성이 필요하다.

다수의 서버를 구성해서 서비스를 제공하면, 인스턴스 하나의 장애가 발생하더라도 다른 인스턴스로 서비스를 받을 수 있다.

하지만 서비스 타깃을 사용자 입장에서 일일이 지정해줘야 하는데,
사용자 입장에서 장애를 인지하여 타깃을 변경하기 전까지는 서비스를 받을 수 없을 것이고 이러한 환경은 서비스 연속성을 보장하는 고가용성 구성이라고 할 수 없을 것이다.

이러한 문제를 해결하기 위해 부하 분산 기술인 로드 밸런서(Load Balancer)가 존재한다.

1. 웹 트래픽 증가에 대한 처리 방식

1) Scale-up

CPU, 메모리, 디스크 등의 기능을 업그레이드 하는 방식

기존보다 높은 성능을 보유한 서버로 시스템을 업그레이드함으로써 문제를 해결하는 방식으로,

필요로 하는 성능이 높아질수록 비용이 기하급수적으로 늘어나는 단점이 있다.

또한 하나의 서버에서 웹 서비스를 제공하여 서버 중지 및 장애로 인해 웹 서비스 가용성에 문제가 발생할 수 있다.

2) Scale-out

저렴한 노드 여러 개를 하나의 Cluster로 구성하는 방식

Cluster 내 하나의 노드에 문제가 발생해도 웹 서비스가 중단되지 않으므로 가용성이 높은 웹 서비스를 구성할 수 있다.

로드 밸런싱은 Scale-out 방식의 웹 서비스 구성에 주로 사용되고, 트래픽을 분산 처리함으로써 높은 가용성과 부하 분산을 통한 고효율 웹 서비스를 제공한다.

2. ELB 정의

EC2(Elastic Compute Cloud) 인스턴스의 상태를 확인하고 데이터를 분산해서 전달하는 단일 접점 역할을 수행한다.

* EC2: 컴퓨팅 리소스를 제공하는 서비스

로드 밸런서는 크게 자신이 서비스하는 대상을 정의하는 리스너(Listener)와 부하 분산 대상을 정의하는 대상 그룹(Target Group)으로 이루어져 있다.

- 리스너: 부하 분산 처리를 위한 서비스 정의

프로토콜 및 포트를 사용하여 연결 요청을 확인하는 프로세스, 로드 밸런서에서 서비스하고자 하는 프로토콜과 포트를 지정하는 규칙을 생성(TCP, TLS, UDP, HTTP(S) 등)

- 대상 그룹: 부하 분산 대상 그룹 정의

 하나 이상의 대상을 라우팅하여 부하 분산을 하는 데 사용됨. 대상 그룹(target group)에 속한 대상에 대해 주기적으로 확인하는 프로세스(keepalive)를 통해 상태 확인(health check)을 수행한다.

3. 로드 밸런싱 방식

Round Robin

Real 서버의 Session 연결을 순차적으로 맺어주는 방식

연결되어 있는 Session 수에 상관 없이 순차적으로 연결시키는 방식으로 Session에 대한 보장을 제공하지 않는다.

Hash

hash 알고리즘을 이용한 로드 밸런싱 방식

Client와 Server 간에 연결된 Session을 계속 유지해 주는 방식으로 Client가 특정 Server로 연결된 이후 동일 서버로만 연결되는 구조로 Session에 대한 보장을 제공한다.

Least Connection

Session 수를 고려하여 가장 작은 Session을 보유한 서버로 Session을 맺어주는 연결 방식

Sesison에 대한 보장을 제공하지 않는다.

4. ELB 종류

Application Load Balancer, Network Load Balancer, Classic Load Balancer 3가지 유형

ALB

HTTP나 HTTPS와 같이 웹 애플리케이션에 대한 분산 처리를 제공(7계층)

URL 경로 기반 라우팅, 호스트 기반 라우팅, HTTP 헤더 기반 라우팅 등과 같이 다양한 규칙을 생성하여

포워드, 리다이렉션, 지정 HTTP 응답 등의 작업 수행 가능

NLB

TCP나 UDP, TLS 프로토콜에 대한 포트 정보를 정의하여 네트워크 기반의 분산 처리를 제공(4계층)

가장 빠른 처리 속도가 가능하고 고정 IP나 탄력적 IP를 보유할 수 있다.
* 탄력적 IP: 동적 클라우드 컴퓨팅을 위해 고안된 정적 IP주소, AWS 계정에 할당되고 릴리스할 때까지 할당된 상태로 유지된다.

CLB

VPC의 예전 버전인 EC2-Classic에 대해서도 분산 처리를 제공, 이전 세대의 로드 밸런서

3-4계층에서 작동, EC2-Classic 네트워크 내에 구축된 애플리케이션을 대상으로 제공

5. ELB 통신 방식

인터넷 연결 (Internet Facing Load Balancer)

퍼블릭 주소를 보유해서, 인터넷을 통해 요청을 로드 밸런서에 등록된 EC2 인스턴스로 라우팅한다.

내부 (Internal Load Balancer)

프라이빗주소를 보유해서, 로드 밸런서를 위한 VPC 내부에 액세스하여 등록된 EC2 인스턴스 등 컴퓨팅 자원으로 라우팅한다.

6. ELB 특징

1) 상태 확인 서비스(Health Check)

대상 그룹에 대한 Keepalive를 통해 주기적으로 상태를 확인한다.

ELB와 연결된 인스턴스의 연결 상태를 수시로 체크해서, 연결 장애나 서비스 가능 여부에 대한 Health Check를 지속적으로 수행한다.

Health Check가 실패하는 경우 해당 인스턴스로 트래픽을 전달하지 않는다.

(이를 위해 HTTP, HTTPS 상태 확인 빈도, 실패 임계치, 성공 시 응답 코드로 임의 설정)

HTTP나 HTTPS 방식은 특정 웹 페이지의 접속 시도에 따른 응답 코드(200)가 정상 반환 여부를 확인해서 Health Check 성공/실패 여부를 판단한다.

2) Sticky Session

처음 연결된 Client에 별도의 HTTP 기반의 쿠키 값을 생성해서 다음 번 연결 요청에 대해 처음 접속했던 서버로 계속 연결하도록 트래픽을 처리한다.

∵ ELB로 트래픽을 부하 분산하는 경우 기본적으로는 Round Robin 방식으로 트래픽을 분산하면 한 번 연결된 Session이 다음 연결 시 그대로 연결되지 않고 다른 인스턴스로 연결될 수 있어 애플리케이션의 Session을 유지할 수 없게 된다.(웹 사이트의 로그인/인증 정보 유지X)

3) 고가용성 구성

ELB로 인입되는 트래픽을 다수의 대상으로 분산하여 고가용성(High Availability)을 유지한다.

고가용성 구성을 위해 Route 53와 같은 AWS의 다른 서비스와의 연계를 통해 가용성 서비스를 제공할 수 있다.

4) 보안 기능

보안 옵션을 부여할 수 있다. (NLB는 보안 그룹이 적용되지 않는다.)

ELB의 SSL Termination 기능을 사용하면 개별 인스턴스에 SSL 인증서를 직접 설치할 필요가 없다.

- 웹 사이트에 SSL 인증서를 적용하여 HTTPS와 같은 방식으로 암호화 통신을 하기 위해서는 개별 웹 서버에 별도의 공인인증서를 구매 후 적용해야 한다.

5) 4계층/7계층 로드밸런싱: 각 계층의 로드 밸런싱을 사용할 수 있음(HTTP/HTTPS: 7계층, TCP/UDP: 4계층)

6) 운영 모니터링: ELB 애플리케이션 성능을 실시간으로 모니터링한다.

References

김원일, 서종호, 따라하며 배우는 AWS 네트워크 입문, enBergen, BOOKK

권영환, 아마존 웹 서비스(AWS Discovery Book), 정보문화사