[CS] Computer Networking: Application layer(1) - soket, HTTP, cache

📚컴퓨터 네트워크 전공 수업 정리

Client-server paradigm

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• server:
  • always-on host
  • permanent IP address
  • often in data centers, for scaling
• clients:
  • contact, communicate with server
  • may have dynamic IP addresses

Sokets

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• process sends/receives messages to/from soket
• socket analogous to door
  • sending process relies on transport infrastructure on other side of door to deliver message to socket at receiving process

• socket interface b/w transfer layer

• 어떻게 process(soket)이 특정되는가?
  • IP addr, port-number을 통해
  • 예: web-server = 203.252.112.1:80

Transport protocols

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TCP service

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• reliable transport b/w sending and receiving process
• flow control: sender won’t overwhelm receiver
• congestion control: throttle sender when network overloaded
• connections-oriented: setup required b/w client and server processes
• does no provide: timing, security, minimum throughput guarantee

UDP service

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• faster, lighter than TCP
• unreliable data transfer
• dose no provide: reliability, flow/congestion control, timing, throughput guarantee or connection setup

Web and HTTP

HTTP

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HTTP: hypertext transfer protocol

• Web’s application-layer protocol
• client/serve model
  • client: browser that requests, receives, (using HTTP protocol) and displays Web objects
  • server: Web server sends (using HTTP protocol) objects in response to requests
• HTTP uses TCP:
  1. client initiates TCP connection(creates socket) to server, port 80
  2. server accepts TCP connection from client
  3. HTTP messages(application-layer protocol messages) exchanged between browser(HTTP client) and Web server(HTTP server)
  4. TCP connection closed
• HTTP is stateless: 이전 요청을 기억하지 않는다.

  Non-persistent/persistent HTTP

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  ✅ HTTP가 TCP를 사용하는 방식에는 2가지가 있다.

  1. Non-persistent HTTP
  • TCP connection을 요청이 들어올때마다 생성하고 끝나면 close 2. Persistent HTTP
  • 생성된 TCP connection을 계속 사용
  • Non-persistent보다 효율적
• RTT(Round Trip Time): time for a small packet to travel from client to server and back
  • a small packet은 Transmission Delay를 무시한다는 뜻, 단위 패킷당 네트워크 왕복시간 정도로 해석

• Non-persistent HTTP의 경우
• TCP 커넥션을 생성할 때 마다 1RTT가 소요.
• 원하는 오브젝트를 받기위해 1RTT가 소요.
• 즉 Non-persistent HTTP에서 오브젝트 하나당 2RTT+file transmission time가 소요되고 100개라면 200RTT가 소요

✅ 그래서 HTTP1.1 버전에서는 persistent HTTP를 지원!

• 서버가 Response를 보낸 후에도 TCP 커넥션을 유지
• 커넥션 연결에 1 RTT, 여러 오브젝트들을 전송하는데 약 1RTT
• 여러개의 오브젝트들을 보낸다해도 2RTT + a의 시간이 걸린다.

HTTP request/response Message

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• request message

  맨 윗줄에 GET /index.html HTTP/1.1\r\n

• HEAD: 테스트 목적으로, 본문을 받을 필요가 없을 때 사용
• GET: 조회용 메서드. 파라미터를 URL에 ?로 연결하여 보낸다.
• POST: 서버에 처리를 요청할 때 사용하는 메서드

• PUT: File Upload를 하고 싶을 때 사용

• response message

  data data data…: data, e.g. http request file

  • response status codes:
    • 200: ok
    • 300: Moved Permanently
    • 400: Bad Request
    • 404: Not Found
    • 505: HTTP Version Not Supported

Cookies

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cookie: HTTP의 stateless를 보완하기 위함

• cookie의 four components:
  1. cookie header line of HTTP response message
  2. cookie header line in next HTTP request message
  3. 사용자 브라우저에 의해 관리되는 사용자 호스트에 저장된 쿠키 파일
  4. back-end database at Web site

Web cache

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Web cache: 인터넷에서 자주 접근하는 웹 페이지나 콘텐츠를 임시로 저장해두는 시스템

• “중간 저장소”로 작동

• 클라이언트와 원본 서버 사이에서 데이터를 전달

• operation of Web cache:
  1. 사용자 설정: user configures browser to point to a (local) Web cache
  2. 요청 전달: browser sends all HTTP requests to cache
  3. 캐시 확인:
  • if object in cache: cache returns object to client
  • else: cache requests object from origin server, caches received object, then returns object to client

client가 request하면 server가 아닌 web 프록시(web cache)에서 response하며 http를 request받을때 procxy(web cache)에 정보가 없으면 server에서 프록시로 받아오고 다시 client한테 response. 그 담 요청에는 procxy에 저장되어 있는 정보를 바탕으로 바로 response함

• Web cache는 server/client 역할을 동시에 수행함.
• 또한 origin server는 response header에 캐싱 정책을 명시 가능
  • Cache-Control: max-age=<seconds>: 해당 시간(초) 동안 캐싱 허용
  • Cache-Control: no-cache: 캐싱 금지

✅Web Caching이 왜 필요한가?

1. reduce response time: cache is closer to client
2. reduce traffic on an institution’s access link
3. Internet is dense with caches: 인터넷에는 많은 캐시가 분산되어 있어 효율적인 콘텐츠 전달이 가능
4. enables “poor” content providers to more effectively deliver content

• web caching 시나리오
  

  access link 사용률: 97% → 큰 대기열 지연

• 솔루션:
  1. buy a faster access link
     

     access link: 1.54 Mbps → 154 Mbps (100배 증가)
     access link 사용률: 0.97 → 0.0097 (97% → 0.97%)
     end-end time = 2초 + 밀리초 + 마이크로초

• 이 방법은 효과적이지만 비용이 많이 드는 해결책

1. install a web cache
   

   cache hit rate가 40%인 경우 40%의 요청은 캐시에서 낮은 지연 시간(밀리초)으로 처리
   60%의 요청은 여전히 원본 서버에서 처리
   평균 지연 시간 = 0.6 * (원본 서버에서의 지연) + 0.4 * (캐시에서의 지연)
   = 0.6 * (2.01초) + 0.4 * (밀리초) ≈ 1.2초

Conditional GET

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📚Conditional GET: client의 cache에 이미 최신 버전의 객체가 있다면, 서버가 객체를 다시 보내지 않도록 하는 것

✅작동 방식:

1. Client: HTTP 요청에 If-modified-since: <date> 헤더를 포함하여 자신이 가진 캐시된 버전의 날짜를 명시
2. Server:
   • 요청받은 객체가 날짜 이후로 변경되지 않았다면 → HTTP/1.0 304 Not Modified 응답 (객체 데이터 없음)
   • 요청받은 객체가 날짜 이후로 변경되었다면 → HTTP/1.0 200 OK 응답과 함께 새로운 객체 데이터 전송

HTTP1.1, 2, 3

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💻 HTTP/1.1

• Pipelining: 단일 TCP 연결에서 여러 GET 요청을 순차적으로 보낼 수 있음
• FCFS(First-Come-First-Served) Scheduling: 서버는 요청 받은 순서대로 응답
• HOL(Head-of-Line) 블로킹 문제 발생:
  • 큰 객체 뒤에 작은 객체가 대기해야 하는 상황 발생
  • TCP 패킷 손실 시 모든 객체 전송이 지연

💻 HTTP/2

• HTTP/1.1과 호환성 유지
• Priority Scheduling: 클라이언트가 지정한 우선순위에 따라 전송 순서 결정
• Server Push: 클라이언트가 요청하지 않은 객체도 서버가 미리 전송 가능
• 프레임 분할 및 interleaving: 객체를 작은 프레임으로 나누어 전송하여 HOL 블로킹 완화
  • 객체를 작은 프레임으로 나누어 interleaving 방식으로 전송
  • 큰 객체(예: 비디오 파일)가 전송되는 도중에도 작은 객체(예: CSS, JS 파일)들이 함께 전송가능 → HOL 블로킹 문제를 크게 완화
• HTTP/2 한계
  • 단일 TCP 연결에 의존 → 패킷 손실 발생 시 모든 객체 전송이 지연
  • TCP 연결 자체에는 기본적인 보안 메커니즘이 없음

💻 HTTP/3

• UDP 기반의 QUIC protocol 사용
• 향상된 보안: 기본적으로 암호화 제공
• 객체별 오류 및 혼잡 제어: 하나의 객체 전송 문제가 다른 객체 전송에 영향을 미치지 않음
• more pipelining: 병렬 처리 기능 향상

E-mail, SMTP

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E-mail의 3가지 구성요소

1. user agent
2. mail servers
3. SMTP(simple mail transfer protocol)

• user agent:
  • a.k.a. “mail reader”
  • outgoing, incoming messages stored on server
• mail servers:
  • mailbox: contains incoming messages for user
  • message queue of outgoing (to be sent) mail messages

SMTP between mail servers to send email messages

• client: sending mail server
• server: receiving mail server