애플리케이션 계층 심화: DNS와 P2P - Computer Networking 3

DNS가 도메인 이름을 어떻게 해석하는지, 왜 분산 구조를 가지는지, 그리고 P2P가 중앙 서버 없이 어떻게 동작하는지 정리합니다.

xmoonanx 12 min
애플리케이션 계층 심화: DNS와 P2P - Computer Networking 3

📚컴퓨터 네트워크 전공 수업 정리

DNS(Domain Name System)

DNS: 인터넷에서 사람이 이해하기 쉬운 domain name(예: google.com)을 컴퓨터가 이해할 수 있는 IP address(예: 172.217.21.24)로 변환해주는 시스템 DNS는 UDP packet으로 전송된다.

그러면 IP address와 domain name 사이를 어떻게 매핑하는가?

그게 DNS가 하는 역할이다

✅ DNS의 주요 서비스
  1. hostname-to-IP-address translation: 도메인 이름을 IP 주소로 변환
  2. host aliasing: 하나의 서버에 여러 도메인 이름을 지정 가능
  3. mail server aliasing
  4. load distribution: 하나의 도메인 이름에 여러 IP 주소를 연결하여 트래픽을 분산
❌ DNS를 centralize 하지 않는 이유
  • Single Point of Failure: 중앙 서버가 다운되면 전체 인터넷이 마비
  • traffic volume: 엄청난 양의 쿼리를 하나의 서버가 처리하기 어려움
  • distant centralized database: 지리적 거리로 인한 지연 시간이 발생
  • maintenance

그래서 DNS는 분산 데이터베이스, 계층적 구조를 가진다.

DNS hierarchical structure

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1. Root DNS Servers

📚 ICANN이 직접 관리하는 절대 존엄 서버로, TLD DNS 서버 IP들을 저장해두고 안내하는 역할

  • 전 세계에 13개의 논리적 루트 서버가 있다.

모든 DNS 서버들은 이 Root DNS Server의 주소를 기본적으로 갖고 있다 그래서 모르는 Domain name이 온다면 가장 먼저 Root DNS에게 물어보게 되는 것 하지만 Root DNS Server의 목록에도 해당 Domain Name의 IP 정보가 없다면 다음 DNS 서버로 리턴을 해준다. 그것이 바로 TLD(최상위 도메인) servers

  • Root DNS Server : “나한텐 해당 도메인 주소가 없다. 대신 google.com의 주소중 .com의 주소를 알고 있으니, com DNS주소에게 물어봐라.”
2. TLD servers(Top-Level Domaion)

📚 .com, .org, .net과 같은 일반 최상위 도메인과 .kr, .jp, .uk와 같은 국가 코드 최상위 도메인을 관리

  • 다양한 기관에서 관리:
    • Network Solutions: .com, .net TLD 관리
    • Educause: .edu TLD 관리
3. Authoritative DNS Servers

📚 각 조직의 DNS 서버로, 해당 조직의 도메인 이름에 대한 IP 주소 매핑을 제공

만일 google.com을 요청했다면, TLD 서버에서 .com을 파악하고 그 앞에 달린 문자열을 보고 구글 서버에게 요청

4. Local DNS server
  • 컴퓨터의 LAN선을 통해 인터넷이 연결되면, 가입했던 각 통신사의 기지국 DNS 서버(local DNS server)가 등록되게 된다.
  • 사용자가 DNS 쿼리를 요청하면, 이는 먼저 local DNS 서버로 전송된다.
  • local DNS server의 두가지 응답:
    1. local cache에서 최근 이름-주소 변환 쌍을 확인(캐시가 오래되었을 수 있음)
    2. DNS 계층 구조로 요청을 전달하여 해결

DNS name resolution

1. iterated query(반복 쿼리)

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  1. engineering.nyu.edu에 있는 사용자가 gaia.cs.umass.edu의 IP 주소를 알고 싶어함
  2. 사용자는 local DNS 서버(dns.nyu.edu)에 쿼리를 전송
  3. local DNS 서버는 root DNS 서버에 쿼리를 전송
  4. root DNS 서버는 .edu 도메인을 담당하는 TLD(Top-Level Domain) DNS 서버 정보를 return
  5. local DNS 서버는 TLD DNS 서버에 쿼리를 전송
  6. TLD 서버는 umass.edu 도메인을 담당하는 authoritative DNS 서버(dns.cs.umass.edu) 정보를 return
  7. local DNS 서버는 authoritative DNS 서버에 쿼리를 전송
  8. 권한 있는 DNS 서버는 gaia.cs.umass.edu의 IP 주소를 return
  9. local DNS 서버는 이 IP 주소를 사용자에게 전달

2. recursive query(재귀 쿼리)

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  1. 사용자는 local DNS 서버에 gaia.cs.umass.edu의 IP 주소를 요청
  2. local DNS 서버는 root DNS 서버에 재귀적 쿼리를 전송
  3. root DNS 서버는 TLD DNS 서버에 쿼리를 전송
  4. TLD DNS 서버는 authoritative DNS 서버에 쿼리를 전송
  5. authoritative DNS 서버는 TLD DNS 서버에 return
  6. TLD DNS 서버는 root DNS 서버에 return
  7. root DNS 서버는 local DNS 서버에 return
  8. local DNS 서버는 사용자에게 return

DNS Caching

위 과정을 통해서 우리는 gaia.cs.umass.edu의 IP주소를 받아왔다.

몇 분 후 다시 gaia.cs.umass.edu에 방문하려고 했을 때, 또다시 위와 같은 과정을 반복해서 IP 주소를 받아와야하나?

그러면 너무 비 효율적이다. 때문에, PC에는 DNS Cache라는 Cache를 활용해 Cache안에 자주쓰는 Domain Name 주소를 저장s해 놓는다.

  • 캐시 항목은 일정 시간(TTL, Time To Live)이 지나면 만료된다.

DNS Records

📚 DNS는 분산 데이터베이스로, 다양한 유형의 resource record(RR)를 저장

  • RR format
    1

    RR format: (name, value, type, ttl)

✅ DNS record type:

  1. A record (Address)
    • name: hostname
    • value: IP address
    • ex: (example.com, 192.168.1.1, A, 3600)
  2. NS record (Name Server)
    • name: domain
    • value: 도메인의 authoritative name 서버의 호스트 이름
    • ex: (example.com, ns1.example.com, NS, 86400)
  3. CNAME record (Canonical Name)
    • name: 별칭 이름
    • value: 정식(canonical) 이름
    • ex: (www.example.com, example.com, CNAME, 3600)
  4. MX record (Mail Exchange)
    • name: domain
    • value: 해당 도메인과 관련된 메일 서버 이름
    • ex: (example.com, mail.example.com, MX, 3600)

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DNS protocol messages

DNS 쿼리와 응답 메시지는 동일한 형식을 가진다.

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✅DNS 메시지 구조:

  1. message header
    • identification: 쿼리를 식별하는 16비트 번호, 응답 시 같은 번호 사용
    • flag: 쿼리/응답, 재귀 희망, 재귀 가능, 응답이 권한 있는지 여부 등
  2. section
    • questions: 쿼리의 name, type 필드
    • answers: 쿼리에 대한 응답 RR
    • authority: 권한 있는 서버에 대한 레코드
    • additional: 추가 “도움이 될 만한” 정보

P2P(Peer-to-Peer) Architect

📚 P2P/: 서버 없이 클라이언트(피어)끼리 통신하는 것

✅ 특징:

  • 중앙 서버 없음
  • 직접 통신: 참여하는 시스템들이 서로 직접 통신
  • 피어들은 다른 피어들에게 서비스를 요청하고, 또한 다른 피어들에게 서비스를 제공
  • 자가 확장성: 새로운 피어는 새로운 서비스 용량과 새로운 서비스 수요를 함께 가져옴
  • 간헐적 연결: 피어들은 항상 연결되어 있지 않으며, IP 주소가 변경될 수 있음
  • 중앙 관리 시스템이 없어 관리가 복잡
  • ex: BitTorren, KanKan, Skype

Client-Server VS P2P

1. Client-Server

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  • server: N개의 파일 복사본을 순차적으로 업로드 → NF/us(N개 복사본 전송 시간)
  • client: F/dmin(최소 클라이언트 다운로드 시간)
  • Client-Server 방식의 총 배포 시간(Dc-s): Dc-s ≥ max{NF/us, F/dmin}
  • 시간은 N이 증가할수록 선형적으로 증가하는 특성
2. P2P

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  • server: 서버는 최소한 하나의 복사본을 업로드
    • 한 개 복사본 전송 시간: F/us
  • client: 각 클라이언트는 파일 복사본을 다운로드
    • 최소 클라이언트 다운로드 시간: F/dmin
  • clients: 든 클라이언트는 총 NF 비트를 다운로드
    • 최대 업로드 속도(최대 다운로드 속도 제한): us + Σui
  • P2P 방식의 총 배포 시간(DP2P): DP2P ≥ max{F/us, F/dmin, NF/(us + Σui)}

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  • P2P는 N이 증가해도, 한 피어의 다운로드 bandwidth가 비정상적으로 나쁘지 않은 이상, 배포시간은 획기적으로 단축
  • 결과적으로 서버의 파일 업로드 부담을 줄였고, 작은 크기의 청크로 인해 한 피어가 부담하는 업로드 Bandwidth또한 줄었다

P2P file distribution: BitTorrent

📝BitTorrent 기본 개념

  • Chunk: 파일은 256KB 크기의 작은 chunk로 분할
  • Tracker: 토렌트에 참여하는 peer list를 관리하는 서버
  • Torrent: 하나의 file chunk를 교환하는 peer group

✅BitTorrent 작동 방식

  1. torrent joining:
    • new peer는 처음에 chunk X → 시간이 지나면서 다른 peer로 부터 chunk 수집
    • 트래커에 등록하여 피어 목록을 받고, 일부 피어(neighbors)에 연결
  2. 다운로드와 업로드 동시 진행:
    • 다운로드하면서 동시에 다른 피어에게 청크를 업로드
    • 피어는 청크 교환 상대를 바꿀 수 있다
  3. Churn: 피어는 언제든지 들어오고 나갈 수 있습니다.
  4. 파일 완성 후 선택: 파일은 모두 받은 peer는 selfish(이기적: 떠남) or altruistic(이타적: 남아서 chunk 공유)

✅Chunk requesting, sending

  1. Chunk requesting
    • 피어마다 서로 다른 청크의 부분집합을 가지고 있다.
    • 주기적으로 다른 피어에게 그들이 가진 청크 목록을 요청
    • 가장 희귀한 청크부터 요청
  2. Chunk sending: Tit-for-Tat
    • 피어는 자신에게 가장 빠른 속도로 청크를 제공하는 상위 4개 피어에게만 청크를 보냄
    • 다른 피어들은 “막힘(choked)” 상태
    • 10초마다 상위 4개 피어를 재평가
    • 30초마다 무작위로 다른 피어를 선택하여 청크 전송을 시작(optimistically unchoke)

참고: https://inpa.tistory.com/entry/WEB-🌐-DNS-개념-동작-완벽-이해-★-알기-쉽게-정리 [Inpa Dev 👨‍💻:티스토리]