바이트 순서(byte ordering)와 엔디안 방식(Endian Conversion): 개념과 예제

컴퓨터 메모리 데이터 표현 방식의 하나인 byte ordering에 대한 개념과 8비트로 처리되는 방법을 설명해보고자 합니다. 하드웨어와 소프트웨어서 비트의 처리를 어떻에 변환하는지에 따라 엔디안처리가 이루어지는 방식을 알아봅니다.

바이트 순서(byte ordering)란 무엇인가?

바이트 순서(byte ordering)는 컴퓨터의 메모리에 데이터를 표현하는 방법 중 하나입니다. 컴퓨터에서는 데이터를 바이트(Byte) 단위로 저장하고 전송합니다. 바이트는 8비트로 이루어져 있으며, 2진수로 표현됩니다. 예를 들어, 4바이트 정수 0x12345678은 16진수로 나타내면 12 34 56 78이 됩니다. 바이트 순서는 크게 빅 엔디안(Big-endian) 방식과 리틀 엔디안(Little-endian) 방식으로 나뉩니다.

빅 엔디안(Big-endian) : 상위 바이트(MSB)부터 하위 바이트(LSB) 순서대로 저장합니다. 즉, 0x12345678을 저장할 때는 12 34 56 78 순서대로 저장합니다. 이 방식은 네트워크에서 주로 사용됩니다.
리틀 엔디안(Little-endian) : 하위 바이트(LSB)부터 상위 바이트(MSB) 순서대로 저장합니다. 즉, 0x12345678을 저장할 때는 78 56 34 12 순서대로 저장합니다. 이 방식은 인텔 아키텍처 등에서 주로 사용됩니다.

바이트 순서는 네트워크 통신이나 데이터 형식 변환 등에서 중요한 역할을 합니다. 따라서 서로 다른 바이트 순서를 사용하는 시스템끼리 데이터를 교환할 때에는 바이트 순서를 변환해주어야 합니다.

"most significant"와 "least significant"이란 무엇인가요?

"most significant"는 가장 중요한 또는 가장 상위 비트를 가리키는 용어입니다. 바이트나 비트를 나타내는데 사용되며, 예를 들어 16비트 정수 0x1234에서 "most significant" 비트는 0x12의 가장 상위 비트인 0x1을 가리킵니다. 이 용어는 주로 바이트 순서나 데이터의 비트 순서를 설명하는데 사용됩니다. 빅 엔디안 방식에서는 most significant bit가 상위 비트에 위치하고, 리틀 엔디안 방식에서는 least significant bit가 상위 비트에 위치합니다.

least significant는 "가장 작은 유효숫자"를 의미합니다. 데이터의 최하위 비트나 바이트를 나타내는데 사용되며, 예를 들어 16진수 값 0x12345678에서 가장 작은 유효숫자는 0x78입니다. least significant는 반대로 most significant와 대조되는 개념입니다.

엔디안 컨버전 함수와 빅 엔디안, 리틀 엔디안의 개념

엔디안 컨버전 함수는 컴퓨터 구조에서 사용되는 바이트 순서를 변환하는 함수입니다. 보통 빅 엔디안(Big-endian)과 리틀 엔디안(Little-endian) 두 가지 형태의 엔디안이 있으며, 이러한 엔디안에 따라 데이터를 저장하는 방식이 달라집니다. C/C++ 언어에서는 엔디안 컨버전 함수로 htons, htonl, ntohs, ntohl이 있습니다.

htons는 16비트 데이터를 빅 엔디안에서 네트워크 바이트 순서로 변환하며,
htonl은 32비트 데이터를 변환합니다.
ntohs와 ntohl 함수는 네트워크 바이트 순서에서 호스트 바이트 순서로 데이터를 변환합니다.

예를 들어, 빅 엔디안에서 0x1234라는 16진수 데이터는 메모리에는 0x12 0x34 순서로 저장되지만, 리틀 엔디안에서는 0x34 0x12 순서로 저장됩니다. htons 함수를 사용하면 0x1234 데이터를 네트워크 바이트 순서로 변환할 수 있습니다.

빅 엔디안과 리틀 엔디안 방식의 장단점

빅 엔디안과 리틀 엔디안 방식 각각에는 장단점이 존재합니다. 빅 엔디안(Big-endian) 방식의 장단점은 다음과 같습니다.

1. 장점:

네트워크 통신에서 표준으로 사용되는 바이트 순서이기 때문에 호환성이 좋습니다.
사람이 숫자를 쓰는 방식(상위자리수부터 작성하는 방식)과 비슷하여 읽고 쓰기가 쉽습니다.

2. 단점:

리틀 엔디안보다 메모리 상에서 연산이 불편합니다. 예를 들어, 두 개의 32비트 정수를 더하는 연산을 할 때, 빅 엔디안 방식은 메모리에서 맨 앞의 바이트를 가져와서 계산하고, 리틀 엔디안 방식은 맨 뒤의 바이트를 가져와서 계산합니다. 이로 인해 빅 엔디안 방식에서는 메모리에서 데이터를 읽어오는데 시간이 더 걸립니다.

리틀 엔디안(Little-endian) 방식의 장단점은 다음과 같습니다.

1. 장점:

x86 아키텍처를 비롯한 대부분의 컴퓨터가 리틀 엔디안 방식을 사용하기 때문에, 메모리 상에서 연산이 편리합니다.
작은 크기의 데이터를 다루는 애플리케이션에서는 더 빠르게 동작합니다.

2. 단점:

네트워크 통신에서 사용되는 표준이 아니기 때문에 호환성이 떨어집니다.
숫자를 쓰는 방식과 달라서 읽고 쓰기가 다소 불편합니다.

바이트 순서(byte ordering)되는 C 코드 예제

아래는 C 언어를 사용하여 빅 엔디안에서 리틀 엔디안으로 바이트 순서를 변환하는 예제 코드입니다.

#include <stdio.h>

#include <stdint.h>

// 32비트 정수를 빅 엔디안에서 리틀 엔디안으로 변환하는 함수

uint32_t big_to_little_endian(uint32_t num) {

uint32_t result = 0;

result |= (num & 0x000000ff) << 24; // LSB 1바이트 -> MSB 1바이트

result |= (num & 0x0000ff00) << 8; // 2번째 LSB 1바이트 -> 2번째 MSB 1바이트

result |= (num & 0x00ff0000) >> 8; // 2번째 MSB 1바이트 -> 2번째 LSB 1바이트

result |= (num & 0xff000000) >> 24; // MSB 1바이트 -> LSB 1바이트

return result;

}

int main() {

uint32_t num = 0x12345678; ///< 변수에 값을 설정

uint32_t little_endian = big_to_little_endian(num); ///< 리틀엔디안 방식 변환

printf("빅 엔디안: 0x%x\n", num); ///< 화면으로 빅엔디안 값 출력

printf("리틀 엔디안: 0x%x\n", little_endian); ///< 화면에 리틀엔디안 변환 값 출력

return 0; ///< 프로그램 종료

}

위 코드에서는 32비트 정수를 입력으로 받아서 빅 엔디안에서 리틀 엔디안으로 바이트 순서를 변환하는 big_to_little_endian 함수를 정의하였습니다. 이 함수는 0x12345678 값이 들어온 경우 0x78563412 값을 반환합니다. 메인 함수에서는 입력값과 변환된 값의 결과를 출력하고 있습니다.

엔디안 변환의 필요성과 이유

데이터를 메모리에 저장하거나 네트워크 상에서 전송할 때, 엔디안 변환이 필요한 이유는 다음과 같습니다.

호환성: 서로 다른 엔디안을 사용하는 시스템 간에 데이터를 교환해야 할 때, 엔디안 변환은 호환성을 유지하기 위해 필요합니다. 예를 들어, 빅 엔디안 시스템과 리틀 엔디안 시스템이 통신해야 하는 경우, 데이터를 올바르게 해석하고 처리하기 위해 엔디안 변환이 필요합니다.
네트워크 통신: 네트워크 상에서 데이터를 전송할 때는 보통 표준화된 엔디안 형식을 사용합니다. 따라서 엔디안 변환이 필요한 경우가 많습니다. 네트워크 프로토콜에서는 데이터의 엔디안 변환을 명시하거나, 엔디안 변환을 수행하는 프로토콜을 정의하여 데이터의 일관성을 보장합니다.
다양한 데이터 유형 처리: 데이터의 다양한 유형(정수, 부동 소수점, 문자열 등)은 메모리에 다르게 저장될 수 있습니다. 엔디안 변환은 다양한 데이터 유형을 올바르게 처리하기 위해 필요합니다. 예를 들어, 정수 데이터를 바이트 배열로 저장하고 이를 다시 정수로 변환할 때, 올바른 엔디안 형식을 사용해야 합니다.
하드웨어 제어: 하드웨어에 직접 접근하여 데이터를 처리할 때, 하드웨어의 엔디안 형식과 일치해야 합니다. 따라서 엔디안 변환은 하드웨어 제어와 관련된 프로그래밍에서 중요한 역할을 합니다.

요약하면, 엔디안 변환은 시스템 간 호환성, 네트워크 통신, 다양한 데이터 유형 처리, 하드웨어 제어 등 다양한 상황에서 데이터의 일관성과 올바른 해석을 위해 필요한 과정입니다.

마무리

예제를 이용하여 컴퓨터 내부에서 데이터 비트들이 어떻게 처리가되면, 하드웨어에서와 소프트웨어에서 처리되는 방식의 차이을 알아봤습니다. 특히 컴퓨터 통신에서의 비트 처리는 데이터 전송에 중요한 방식임으로 개념을 명확히 알고 있는 것이 필요합니다.

바이트 순서(byte ordering)와 엔디안 방식(Endian Conversion): 개념과 예제