AI 네트워킹 — 중간 종합 요약
AI 네트워킹 = AI를 네트워크에 적용해 성능·효율·운영(관리성)을 높이는 것. AI로 네트워크를 운영하면 AIOps.
흐름: 도입 → 계층 모델 → 물리 → 데이터링크 → 네트워크 → 전송 → 미래 인터넷 → 보안
도입 — AI Networking
- AI 네트워킹= AI를 네트워크에 적용해 성능·효율·운영(관리성)을 높이는 것. AI로 네트워크를 운영하면 AIOps.
- 핵심 개념 6가지: Automation(자동화), Optimization(최적화), Predictive Analytics(예측 분석), Security(보안), Self-Healing(자가 복구), Intelligent Traffic Management(QoS 기반 지능형 트래픽 관리).
- 응용 분야 6개: Enterprise, Data Center, Telecom(네트워크 슬라이싱), IoT, Cloud, Networking for ML.
- AI 배경: AI ⊃ ML ⊃ DL— 안쪽으로 갈수록 데이터 의존·자동화↑. ML은 데이터로 규칙을 학습, DL은 feature 추출 + 분류를 End-to-End로 수행.
- 딥러닝 핵심 = Backpropagation + Gradient Descent + Neural Network, 대표 문제 = Overfitting, 최신 흐름 = Transformer · Federated Learning.
계층 모델 — OSI 7계층 & TCP/IP
OSI 7계층
- PDU = SDU + PCI(PCI = Header + 경우에 따라 Trailer). 계층별 PDU: Application=Message, Transport=Segment, Network=Packet, Data Link=Frame, Physical=Bit.
- 수평 방향 = Protocol(같은 계층끼리 규약), 수직 방향 = Interface(계층 간). Peer-to-Peer(논리적 대응), 송신=Encapsulation, 수신=Decapsulation.
- Data Link = hop-to-hop(MAC 주소, hop마다 바뀜)
- Network = end-to-end(IP 주소, 불변)
- Transport = process-to-process(Port / Socket)
- 빈출 비교: Flow control(수신자 보호) vs Congestion control(네트워크 전체), CSMA/CD(유선) vs CSMA/CA(무선), TTL(라우팅 루프 방지).
TCP/IP Protocol Suite & Address
- TCP/IP는 본래 4계층(Host-to-Network · Internet · Transport · Application), OSI 대응 시 5계층. L1·L2는 표준화 안 하고 L3(IP)부터 관리.
- 네트워크 계층 보조 프로토콜 4종: ARP(IP→MAC), RARP(MAC→IP, DHCP가 대체), ICMP(오류·ping), IGMP(멀티캐스트 그룹).
- 전송 계층: TCP(연결·신뢰·순서·재전송) / UDP(비연결·빠름) / SCTP(메시지 지향·멀티홈).
- 주소 4종 ↔ 계층: Specific(App) · Port(Transport, 16bit) · Logical IP(Network) · Physical MAC(Data Link, 48bit). MAC은 hop마다 변경, IP는 end-to-end 유지.
물리 계층 — Bandwidth Utilization
- 대역폭 활용 2목표: 효율 → Multiplexing, 보안 → Spreading(확산).
- 멀티플렉싱 3종:
- FDM(주파수 분할, 아날로그) — shift → combine → filter → shift back
- WDM(파장 분할, 광)
- TDM(시간 분할, 디지털)
- TDM 비교: Synchronous(고정 슬롯 · sync bit · 빈 슬롯 낭비) vs Statistical(동적 슬롯 · 주소 n=log₂N · 동기 비트 없음).
- T-1 공식: 64 kbps(DS-0) × 24채널 + 1 sync = 193 bit/frame× 8000 fps = 1.544 Mbps.
- Spread Spectrum(확산): FHSS(주파수 도약) / DSSS(1비트 → n chip 확산) — 도청·재밍 방지. (참고: 16-QAM = 4 bit/symbol)
데이터 링크 계층
Switching(교환)
- 스위치 = 장치 간 **임시 연결(on-demand)**을 만드는 장치.
- 분류: Circuit / Packet(Datagram · Virtual Circuit) / Message(미사용).
- Circuit: 전용 경로 독점(지연↓·효율↓), 확장성 N(N−1)/2, Crossbar N².
- Datagram: 자원 예약 없음, 패킷 독립 처리 → 인터넷 IP가 사용.
- Virtual Circuit: 둘의 혼합, VCI(로컬값·매 홉 변경), L2 구현.
Data Link Control(흐름·오류 제어)
- L2 = 흐름 제어 + 오류 제어(혼잡 제어는 L2 아님). 핵심 = ARQ.
- Stop-and-Wait ARQ: 1개씩 전송, modulo-2 번호(0/1), 타이머·복사본·ACK 재전송, 파이프라이닝 없음.
- BDP = Bandwidth × Delay, Utilization = frame size / BDP.
- Go-Back-N: 송신 윈도우 W·수신 윈도우 1, 오류 시 그 지점부터 전부 재전송,
W ≤ 2^m − 1. - Selective Repeat: 송·수신 윈도우 모두 사용,
2^(m−1), 손상분만 재전송 + NAK. - (Stop-and-Wait = Go-Back-N의 특수경우 W=1)
Multiple Access(다중 접근)
- 데이터 링크 = 상위(Data Link Control) + 하위(MAC). 3분류: Random / Controlled / Channelization.
- Pure ALOHA: 취약시간 2Tfr, S=G·e^(−2G), Smax=0.184.
- Slotted ALOHA: 취약시간 Tfr, S=G·e^(−G), Smax=0.368.
- CSMA: 취약시간=Tp(전파 지연), Persistence 3종(1-/non-/p-persistent). CSMA/CD 최소 프레임 조건 Tfr ≥ 2Tp, CSMA/CA(무선)는 IFS + Contention Window + ACK.
- Channelization: FDMA(주파수+Guard Band) / TDMA(시간 슬롯) / CDMA(직교 코드: A·A=N, A·B=0, Walsh table).
Error Detection & Correction
- 탐지 조건 d_min ≥ s+1, 수정 조건 d_min ≥ 2t+1. Hamming distance = 두 코드워드 XOR 후 1의 개수.
- 패리티: 단순 패리티(n=k+1, d_min=2, 홀수 개 에러만 탐지) → 2차원 패리티 → Hamming code(d_min=3, n=2^m−1, syndrome 2진값 = 오류 위치).
- CRC: 이진(다항식) 나눗셈, 나머지 0이면 정상, 성능은 생성다항식 g(x)에 의존.
- Checksum: 합 + 1의 보수, 수신 측 합이 전부 1이면 정상(16비트). L2에서는 미사용.
네트워크 계층 — 주소 & 라우팅
Addressing(주소)
- 인터넷 = LAN/WAN을 잇는 인터네트워크. 노드-to-노드는 데이터링크, end-to-end·라우팅은 네트워크 계층.
- IPv4 = Best-effort / Unreliable / Connectionless(데이터그램), 신뢰성은 상위 TCP에 위임. 헤더 20~60B.
- Classful(A~E, 첫 비트 0 / 10 / 110 / 1110 / 1111)은 주소 낭비 → CIDR로 전환. Mask AND IP = 네트워크 주소.
- 서브넷 수 = 2^(빌린 비트), 호스트 수 = 2^(호스트 비트) − 2(예: /27 → 32개 중 30개).
- Supernetting(/24 × 4 → /22), NAT(사설 ↔ 공인 IP 변환).
Routing(라우팅)
- Direct delivery(같은 망, 라우터 X) vs Indirect delivery(다른 망, 라우터 경유). Forwarding= 테이블 조회 → next-hop·interface 결정.
- CIDR 라우팅 테이블 4컬럼(Mask / Network / Next-hop / Interface), Longest mask matching(긴 prefix 우선).
- Address aggregation: 연속·동일 prefix 블록을 묶어 prefix 축소(/26 × 4 → /24).
- Intra-domain: RIP(Distance Vector, hop ≤ 15) / OSPF(Link State, Dijkstra). Inter-domain: BGP(Path Vector, AS 경로 전체).
- AS(자율 시스템)= 단일 관리 주체의 네트워크 집합.
전송 계층 — TCP
- TCP = 버퍼 기반 + 연결 지향 + 신뢰성전송. 바이트 스트림을 세그먼트로 분할/재조립.
- 4대 기능: Numbering(byte별 번호, seq = 세그먼트 첫 byte), Flow / Error / Congestion Control.
- 연결: 3-way handshake(SYN → SYN+ACK → ACK), 종료(FIN → FIN+ACK → ACK), Half-Close, 상태 전이.
- Error Control 3요소: Checksum, ACK, Time-out 재전송.
- 윈도우: Flow=rwnd, Congestion=cwnd, 실제 윈도우 = min(rwnd, cwnd).
- 혼잡 제어: Slow Start(지수) → Additive Increase(선형) → Multiplicative Decrease(AIMD), RED(L3, 큐가 차기 전 확률적 드롭).
미래 인터넷 — Future Internet
- 변화 요구 증가 → 기존 TCP/IP의 근본 가정을 재고하는 클린 슬레이트탐색 시점.
- 두 접근: **진화적(Incremental — SDN / Overlay)**vs 혁신적(Clean-slate — ICN). 최신 화두 = Intent-Based Networking.
- SDN: 제어/전달 분리 + 컨트롤러 중앙화. ICN: Host 중심 → 이름 붙은 정보(Information) 중심(대표 CCN). Overlay + LISP: 위치자/식별자 분리.
- 인터넷 성장 4단계(연구 → 초기 공공 → 국제 공공 → 도전기), 4단계 핵심 이슈 = 망 중립성.
- 현재 인터넷: 장점(견고성·개방성) / 단점(확장성·이동성·보안·QoS 부족) → 미래 인터넷은 설계 단계부터 이를 고려 + AI 적용이 화두.
네트워크 보안 (AI for Security)
보안 소개
- 5대 용어: Attack(실행) vs Threat(가능성), Mechanism(수단) vs Service(기능).
- 4대 위협-속성 매핑: Interruption → 가용성, Interception → 기밀성, Modification → 무결성, Fabrication → 인증성.
- Passive(수동: 기밀성만 침해·탐지 곤란) vs Active(능동: 상태 변경·DoS 등).
- Security Service 6종, Mechanism은 Specific vs Pervasive, 보안 모델 핵심 = Gatekeeper.
Message Authentication & Key Management
- 메시지 인증 3방식: 대칭키 암호화 / 평문+태그 / MAC. 핵심 = “secret key + function”.
- Secure Hash 3조건: Preimage · 2nd preimage · Collision저항성. SHA-1=160bit/80step, MD5=128bit/64step.
- HMAC= 키로 두 번 해싱(ipad/opad) → length extension attack 방지.
- 비대칭키: RSA(소인수분해, 암호화·서명) vs Diffie-Hellman(이산로그, 키 교환, MITM 취약).
Intruders & Firewalls
- 침입자 3유형: Masquerader / Misfeasor / Clandestine. UNIX 비밀번호 = salt + shadow file.
- 침입 탐지: Statistical anomalyvs Rule-based.
- 방화벽 4제어: Service / Direction / User / Behavior. 유형 3종: Packet Filter / Application Gateway / Circuit-Level.
- 가장 안전한 구성 = Screened Subnet(라우터 2개 + DMZ). Trusted System= No read up / No write down.