프로토콜 — 왜 패킷 교환을 쓰는가

인터넷이 패킷 교환 방식을 채택한 이유와 역사적 배경. Paul Baran과 Donald Davies가 독립적으로 발명한 아이디어가 현대 인터넷의 기초가 된 과정을 설명한다.

Seobway · · 10분

왜 프로토콜이 필요한가

1960년대 컴퓨터들은 서로 통신할 수 없었다.
IBM 컴퓨터는 DEC 컴퓨터를 이해하지 못했고, 미국 군의 컴퓨터는 대학 연구소의 컴퓨터와 연결할 방법이 없었다.

이 문제를 해결하는 방법은 하나뿐이었다: 공통 규칙을 정하는 것.
그 공통 규칙이 프로토콜(Protocol)이다.[1]

프로토콜은 세 가지를 정의한다.

  1. 문법(Syntax): 데이터를 어떤 형식으로 표현할 것인가
  2. 의미(Semantics): 각 비트 패턴이 무엇을 의미하는가
  3. 타이밍(Timing): 언제 데이터를 보내고 얼마나 빠르게 전송할 것인가

회선 교환의 시대 — 왜 변화가 필요했는가

패킷 교환이 등장하기 전, 모든 통신은 회선 교환(Circuit Switching) 방식을 사용했다.
전화망이 대표적 예다.[2]

회선 교환은 통화를 시작하기 전에 출발지에서 목적지까지 전용 경로를 물리적으로 예약한다.
통화하는 동안 그 경로는 다른 사람이 사용할 수 없다.

%% desc: 회선 교환 방식 — 통화 내내 전용 경로가 점유되는 구조
sequenceDiagram
  participant A as 발신자
  participant N as 교환망
  participant B as 수신자

  A->>N: 연결 요청
  N->>B: 전용 경로 설정
  B-->>N: 수락
  N-->>A: 연결 완료

  Note over A,B: 전용 경로 점유 (침묵 구간에도 자원 낭비)

  A->>B: 음성 데이터 전송
  Note over A,B: 실제 데이터 전송은 전체 시간의 10% 미만
  A->>N: 연결 종료
  N->>B: 연결 해제

회선 교환의 세 가지 문제

1. 자원 낭비
음성 통화에서 실제로 말하는 시간은 전체의 30~40%에 불과하다.
컴퓨터 데이터 통신은 더 심해서 실제 데이터 전송은 전체 시간의 10% 미만이다.
나머지 90%는 경로가 점유되어 있으면서도 아무 데이터도 흐르지 않는다.

2. 단일 경로 의존성
경로 중 한 지점만 끊어져도 통신 전체가 불가능해진다.
1960년대 냉전 시대, 핵 공격으로 일부 인프라가 파괴되더라도 통신이 유지되어야 했다.
회선 교환망은 이 요구를 만족할 수 없었다.

3. 확장성 한계
사용자가 늘수록 필요한 전용 회선 수가 기하급수적으로 증가한다.
N명이 동시에 통신하려면 최대 N(N-1)/2개의 회선이 필요하다.

패킷 교환의 발명 — 두 개의 독립된 아이디어

1960년대 초, 대서양 양편에서 동일한 문제를 해결하는 동일한 아이디어가 독립적으로 나타났다.

Paul Baran — RAND Corporation, 1962

미국 공군은 RAND Corporation의 Paul Baran에게 핵 공격 이후에도 살아남을 수 있는 통신 네트워크 설계를 의뢰했다.

Baran의 답은 세 가지 원칙이었다.[3]

  1. 분산 네트워크: 단일 명령 센터 없이 모든 노드가 동등하게 연결
  2. 메시지 블록 분할: 메시지를 작은 블록으로 쪼개 독립적으로 전송
  3. 저장-전달(Store and Forward): 각 노드가 수신한 블록을 임시 저장하고 다음 노드로 전달

그는 이 방식을 "분산 적응형 메시지 블록 교환(Distributed Adaptive Message Block Switching)"이라 불렀다.
1962년 RAND Paper P-2626으로 처음 발표했고, 1964년 11권짜리 기술 보고서 On Distributed Communications로 완성했다.

AT&T 엔지니어들은 그의 아이디어를 비웃었다. "당신은 통신을 이해 못 한다"고 했다.

Donald Davies — National Physical Laboratory, UK, 1965

영국 NPL의 Donald Davies는 전혀 다른 문제에서 출발했다.
그의 관심사는 효율성이었다.

당시 시분할 컴퓨팅 시스템은 사용자마다 전용 전화선을 유지해야 했다.
Davies는 컴퓨터 통신이 버스티(Bursty)하다는 것을 간파했다.
즉, 짧은 데이터 폭발과 긴 침묵이 반복된다.

그는 이 특성에 최적화된 방식을 독립적으로 설계했고,
언어학자와 상담한 끝에 데이터 블록에 "패킷(Packet)"이라는 이름을 붙였다.
이 단어가 여러 언어로 깔끔하게 번역된다는 이유에서였다.

1967년 Davies의 발표를 들은 ARPANET 설계팀(BBN)이 그의 아이디어를 직접 채택했다.
Baran의 1964년 논문보다 Davies의 1967년 발표가 실용적 인터넷의 직접적 출발점이 됐다.

두 사람은 동일한 크기의 패킷을 독립적으로 제안했다: 1024비트.
이 일치는 통신 역사상 가장 놀라운 우연 중 하나로 꼽힌다.

%% desc: 패킷 교환 방식 — 각 패킷이 독립적으로 라우팅되고 목적지에서 재조립되는 흐름
flowchart LR
  SRC[출발지 호스트]

  subgraph 패킷 분할
    P1[패킷 1<br/>seq=1]
    P2[패킷 2<br/>seq=2]
    P3[패킷 3<br/>seq=3]
  end

  R1[라우터 A]
  R2[라우터 B]
  R3[라우터 C]

  DST[목적지 호스트<br/>재조립]

  SRC --> P1 & P2 & P3
  P1 --> R1 --> DST
  P2 --> R2 --> DST
  P3 --> R1 --> R3 --> DST

  style P1 fill:#3b82f6,color:#fff
  style P2 fill:#8b5cf6,color:#fff
  style P3 fill:#10b981,color:#fff

각 패킷은 독립적으로 라우팅되어 서로 다른 경로를 취할 수 있다.
한 경로가 혼잡하거나 끊어져도 나머지 경로로 우회한다.
목적지에서 시퀀스 번호로 올바른 순서로 재조립한다.

패킷 교환이 해결한 것들

문제 회선 교환 패킷 교환
자원 효율 전용 경로 독점 → 낭비 경로 공유 → 효율적
장애 내성 경로 단절 = 통신 불가 우회 경로로 자동 전환
확장성 N² 회선 필요 공유 인프라로 확장 용이
지연 예측성 일정한 지연 혼잡 시 지연 변동 가능
멀티미디어 단순 음성에 최적화 모든 종류의 데이터 전송 가능

패킷 교환 위의 프로토콜들

패킷 교환이라는 기반 위에, 각기 다른 목적의 프로토콜들이 계층을 이룬다.

%% desc: 패킷 교환을 기반으로 각 계층 프로토콜이 쌓이는 구조
flowchart BT
  PS[패킷 교환 — 기반 원칙]
  IP[IP — 주소 지정과 경로 선택]
  ARP[ARP — IP↔MAC 주소 변환]
  TCP[TCP — 신뢰성 있는 전송]
  UDP[UDP — 빠른 비신뢰성 전송]
  HTTP[HTTP/HTTPS — 웹 문서 전송]

  PS --> IP
  PS --> ARP
  IP --> TCP & UDP
  TCP --> HTTP

각 프로토콜의 상세 내용은 아래 글에서 다룬다.

참고

  1. Communication protocol, Wikipedia ↩
  2. Circuit switching, Wikipedia ↩
  3. Paul Baran, *On Distributed Communications* (RAND Corporation, 1964) — Wikipedia ↩

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