[면접을 위한 CS 전공 지식 노트] 2.2 TCP/IP 4계층 모델

Section 2. TCP/IP 4계층 모델

인터넷 프로토콜 스위트란?

인터넷에서 컴퓨터들이 서로 정보를 주고받는 데 쓰이는 프로토콜의 집합을 의미한다. TCP/IP 4계층 또는 OSI 7계층 모델로 설명하기도 한다.

 

인터넷 프로토콜 스위트(TCP/IP, OSI 계층)의 특징

특정 계층이 변경되었을 때 다른 계층이 영향을 받지 않도록 설계되었다.

예를 들어, 전송 계층에서 TCP -> UDP 변경이 이뤄졌다 하더라도, 인터넷 웹 브라우저를 다시 설치할 필요는 없다. 즉, 유연하게 설계되었다는 것이다.

 

 2.2.1 계층 구조

TCP/IP 4계층 모델이란?

네트워크에서 사용되는 통신 프로토콜의 집합으로, 계층들은 프로토콜의 네트워킹 범위에 따라 4 개의 추상화 계층으로 구성된다.

 

 

1. 애플리케이션 계층

• 개념: FTP, HTTP, SSH, SMTP, DNS 등 응용 프로그램이 사용되는 프로토콜 계층이다. 웹 서비스, 이메일 등 서비스를 실직적으로 사람들에게 제공한다.
• 용어
  • FTP: 장치와 장치 간 '파일' 전송에 사용되는 표준 통신 프로토콜
  • SSH: 암호화 네트워크 프로토콜. 보안되지 않는 네트워크에서 네트워크 서비스를 안전하게 운영하기 위함.
  • HTTP: World Wide Web을 위한 데이터 통신의 기초이자 웹 사이트를 이용하는데 쓰는 프로토콜
  • SMTP: 전자 메일 전송을 위한 인터넷 표준 통신 프로토콜
  • DNS: 도메인 이름과 IP 주소를 매핑해주는 서버. www.naver.com에 DNS 쿼리가 오면 root> .com> .naver. > .www 과정을 거쳐 완벽한 주소를 찾아 IP 주소를 매핑한다. www.naver.com의 IP 주소가 바뀌어도 동일한 주소로 서비스가 가능하다.

2. 전송 계층

 

개념

• 송신자와 수신자를 연결하는 통신 서비스를 제공한다.
• 연결 지향 데이터 스트림 지원, 신뢰성, 흐름 제어를 제공할 수 있다.
• 애플리케이션과 인터넷 계층 사이의 데이터가 전달될 때 중계 역할을 한다. 
• TCP, UDP - [참고] TCP, UDP의 공통점 차이점, 특징
  • TCP: 패킷 사이의 순서 보장. 연결지향 프로토콜을 사용해 연결을 하여 신뢰성을 구축해서 수신 여부를 확인. '가상회선 패킷 교환 방식' 사용
  • UDP: 순서 보장 X. 수신 여부 확인 X. 단순히 데이터만 주는 '데이터그램 패킷 교환 방식' 사용.

출처: https://9gag.com/gag/an5d7xV

 

심화

 

☑️ TCP와 UDP의 패킷 교환 방식 비교

TCP의 '가상회선 패킷 교환 방식'	UDP의 '데이터그램 패킷 교환 방식'
개념: 각 패킷에는 가상회선 식별자가 포함되며 모든 패킷을 전송하면 가상회선이 해제되고 패킷들은 전송된 '순서대로' 도착하는 방식을 의미한다.	개념: 패킷이 독립적으로 이동하며 최적의 경로를 선택하여 가는데, 하나의 메시지에서 분할된 여러 패킷은 서로 다른 경로로 전송될 수 있고, 도착한 순서가 다를 수 있는 방식을 의미한다.
3,2,1로 이루어진 패킷이 어떠한 회선을 따라 순서대로 도착한다.	3,2,1로 이루어진 패킷이 따로따로 이동하며 순서도 다르게 도착한다.

 

☑️ TCP 연결 성립 과정: 3-웨이 핸드셰이크(3-way handshake)

클라이언트와 서버가 통신할 때, 다음과 같은 세 단계의 과정을 거쳐 신뢰성 있는 연결을 맺어 준다.

1. SYN 단계:
   • 클라이언트 --{클라이언트의 ISN(initial segment number)을 담은 SYN}--> 서버에게 전달
   • ISN은 새로운 TCP 연결의 첫 번째 패킷에 할당된 임의의 시퀀스 번호(Ex.12010)
   • 클라이언트 왈 "지금부터 내가 tcp handshake를 할 것이다." - 연결 요청을 보냄
2. SYN + ACK 단계:
   • 서버는 클라이언트의 SYN Flag를 수신하고 서버의 ISN을 보내며 승인번호로 클라이언트의 ISN+1을 보낸다.
   • 서버 왈 "SYN(x) 잘 받았으니, 그 신호로 ACK와 SYN 패킷 보낼게(seq:y, ACK: x+1)" - 요청 수락. 패킷 발송. 응답 기다림
3. ACK 단계: 
   1. 클라이언트는 서버의 ISN+1한 값인 승인번호를 담아 ACK를 서버에 보낸다. 
   2. 이 이후로부터는 연결이 이루어지고 데이터가 오가게 된다. 

• [참조]
  • [네트워크] TCP/UDP와 3 -Way Handshake & 4 -Way Handshake
  • [ 네트워크 쉽게 이해하기 22편 ] TCP 3 Way-Handshake & 4 Way-Handshake

☑️ TCP 연결 해제 과정: 4-웨이 핸드셰이크(4-way handshake)

1. 먼저 클라이언트가 연결을 닫으려고 할 때 FIN으로 설정된 세그먼트를 보낸다. 그리고 클라이언트는 FIN_WAIT_1 상태로 들어가고 서버의 응답을 기다린다.
2. 서버는 클라이언트로 ACK라는 승인 세그먼트를 보낸다. 그리고 CLOSE_WAIT 상태에 들어간다. 클라이언트가 세그먼트를 받으면 FIN_WAIT_2 상태에 들어간다.
3. 서버는 ACK를 보내고 일정 시간 이후에 클라이언트에 FIN이라는 세그먼트를 보낸다.
4. 클라이언트는 TIME_WAIT* 상태가 되고 다시 서버로 ACK를 보내서 서버는 CLOSED 상태가 된다. 이후 클라이언트는 어느 정도의 시간을 대기한 후 연결이 닫히고 클라이언트와 서버의 모든 자원의 연결이 해제된다.
   • *TIME_WAIT: 소켓이 바로 소멸되지 않고 일정 시간 유지되는 상태이며 지연 패킷 등의 문제점을 해결하는데 쓰인다. CentIS6, 우분투에는 60초로 설정되어 있으며 윈도우는 4분으로 설정되어 있다. 즉, OS마다 조금씩 다를 수 있다.
   • 그냥 연결을 닫지 않고 왜 일정 시간 뒤에 닫을까?
     1. 지연 패킷이 발생할 경우 대비: 패킷이 뒤늦게 도달하여 일부가 처리되지 못한다면 데이터 무결성 문제가 발생함.
     2. 두 장치가 연결이 닫혔는지 확인하기 위함: LASK_ACK 상태에서 닫히게 되면 다시 새로운 연결을 할 때 줄곧 LASK_ACK 로 되어 있어 접속 오류가 나타날 수 있다. 

 

3. 인터넷 계층 

 

인터넷 계층: 장치로부터 받은 -네트워크 패킷을-> IP 주소로 지정된 목적지로 전송하기 위해 사용되는 계층이다. IP, ARP, ICMP 등이 있으며 패킷을 수신해야 할 상대의 주소를 지정하여 데이터를 전달한다. 상대방이 제대로 받았는지에 대해 보장하지 않는 비연결형적인 특징을 갖고 있다.

 

4. 링크 계층

 

링크 계층: 전선, 광섬유, 무선 등으로 실질적으로 데이터를 전달하며 장치 간에 신호를 주고받는 '규칙'을 정하는 계층이다. 참고로 네트워크 접근 계층이라고도 한다.

링크 계층을 물리 계층과 데이터 링크 계층으로 나누기도 한다.

물리 계층	무선 LAN과 유선 LAN을 통해 0과 1로 이루어진 데이터를 보내는 계층
데이터 링크 계층	'이더넷 프레임*'을 통해 에러 확인, 흐름 제어, 접근 제어를 담당하는 계층

*이더넷 프레임: 이더넷 프레임은 이더넷 기반의 네트워크에서 데이터를 전송할 때 사용되는 기본 단위이다. 컴퓨터와 네트워크 장치 간에 정보를 교환하기 위해 사용되며, 이더넷 프레임은 표준화된 구조를 가지고 있어 서로 다른 장치들 간의 데이터 전송을 원활하게 한다.

 

유선 LAN(IEEE802.3)

유선 LAN을 이루는 이더넷은 IEEE802.3 프로토콜을 따르며 전이중화 통신을 쓴다. 

 

전이중화 통신이란?

양쪽 장치가 동시에 송수신할 수 있는 방식을 의미한다. 송신로와 수신로로 나눠서 데이터를 주고받으며 현대의 고속 이더넷은 이 방식을 기반으로 통신하고 있다. 

 

과거) CSMA/CD:

이전에 사용하던 유선 LAN에 '반이중화 통신' 중 하나의 방식이다. 데이터를 '보낸 이후' 충돌이 발생한다면 일정 시간 이후 재전송하는 방식을 의미한다. 송신로/수신로로 나누지 않고 한 경로를 기반으로 데이터를 보내기 때문에 데이터를 보낼 때 충돌에 대해 대비해야 했다.

 

유선 LAN을 이루는 케이블

트위스트 페어 케이블	8 개의 구리선을 두 개씩 꼬아서 묶은 케이블	UTP케이블: 구리선 실드 처리 않고 덮은 케이블. 흔히 보이는 케이블이며 LAN 케이블이라고도 불리운다.
		STP케이블: 실드 처리함.
광섬유 케이블	광섬유로 만든 케이블이다. 레이저를 이용해서 통신하기 때문에 장거리 및 고속 통신이 가능하다. 보통 100Gbps의 데이터를 전송한다.

 

 

무선 LAN(IEEE802.11)

무선 LAN 장치는 수신과 송신에 같은 채널을 사용하기 때문에 반이중화 통신을 사용한다.

 

반이중화 통신이란? (<-> 전이중화 통신)

양쪽 장치는 서로 통신 가능하지만, 동시 통신이 불가능하다. 한 번에 한 방향만 통신할 수 있는 방식이다.

장치가 신호를 수신하기 시작하면 응답하기 전에 전송이 완료될 때까지 기다려야 한다. 또한, 둘 이상의 장치가 동시에 전송하면 충돌이 발생하여 메시지가 손실되거나 왜곡될 수 있기 때문에 충돌 방지 시스템이 필요하다.

 

• CSMA/CD
  • 반이중화 통신 중 하나로 장치에서 데이터를 보내기 전에 캐리어 감지 등으로 사전에 가능한 한 충돌을 방지하는 방식을 사용한다. 과정은 다음과 같다.
    1. 데이터 송신 전 무선 매체를 살핀다.
    2. 캐리어 감지: 회선이 비어 있는지 판단
    3. IFS(Inter FrameSpace): 랜덤 값을 기반으로 정해진 시간만큼 기다리며, 만약 무선 매체가 사용 중이면 점차 그 간격을 늘려가며 기다린다.
    4. 이후에 데이터를 송신한다.

무선 LAN을 이루는 주파수

무선 LAN은 무선 신호 전달 방식을 이용하여 2대 이상의 장치를 연결하는 기술이다. 2.4GHz, 5GHz 대역이 있다. 사용할 수 있는 채널 수도 많고 동시 사용이 가능한 5GHz 대역을 사용하는 것이 일반적으로 더 좋다.

 

와이파이

전자기기들이 무선 LAN 신호에 연결할 수 있게 하는 기술이다. 이를 사용하려면 공유기(무선 접속 장치 AP, Access point)가 있어야 한다. 이를 통해 유선 LAN에 흐르는 신호를 무선 LAN 신호로 바꿔주어 신호가 닿는 범위 내에서 무선 인터넷을 사용할 수 있게 된다. 

 

BSS(Basic Service Set)

기본 서비스 집합을 의미하며, 단순 공유기가 아닌 동일 BSS 내에 있는 AP들과 장치들이 서로 통신이 가능한 구조를 말한다. 근거리 무선 통신을 제공하고, 하나의 AP만을 기반으로 구축되어 있어 사용자가 한 곳에서 다른 곳에서 자유롭게 이동하며 네트워크에 접속하는 것은 불가능하다.

 

ESS(Extended Service Set)

하나 이상의 연결된 BSS 그룹이다. 장거리 무선 통신을 제공하며 BSS보다 더 많은 가용성과 이동성을 지원한다. 즉, 사용자는 한 장소에서 다른 장소로 이동하며 중단 없이 네트워크에 계속 연결할 수 있다.

 

이더넷 프레임

데이터 링크 계층은 이더넷 프레임을 통해 전달받은 데이터의 에러를 검출하고 캡슐화하며 다음과 같은 구조를 가진다.

Preamble	SFD (Start Frame Delimiter)	DMAC	SMAC	EtherType	Payload	CRC
이더넷 프레임의 시작을 알림	다음 바이트부터 MAC 주소 필드가 시작됨을 알림	수신, 송신 MAC 주소*		데이터 계층 위의 계층인 IP 프로토콜을 정의함. IPv4, IPv6가 된다.	전달받은 데이터	에러 확인 비트

*MAC 주소: 컴퓨터나 노트북 등 각 장치에는 네트워크에 연결하기 위한 장치(LAN 카드)가 있는데, 이를 구별하기 위한 식별번호를 말한다. 6바이트(48비트)로 구성된다.

 

---

계층 간 데이터 송수신 과정

컴퓨터를 통해 다른 컴퓨터로 데이터를 요청하면 어떤 일이 일어날까?

• 애플리케이션 계층에서 -> 전송 계층으로 필자가 보내는 요청(request) 값들이 캡슐화 과정을 거쳐 전달되고
• 다시 링크 계층을 통해 해당 서버와 통신을 하고
• 해당 서버의 링크 계층으로부터 ->  애플리케이션까지 비캡슐화 과정을 거쳐 데이터가 전송된다.

캡슐화 과정이란?

캡슐화 과정이란 상위 계층의 헤더 · 데이터를 하위 계층의 데이터 부분에 포함시키고 해당 계층의 헤더를 삽입하는 과정이다.

• 세그먼트 · 데이터그램화: 애플리케이션 + 헤더 TCP(L4)-> 전송 계층
• 패킷화: + 헤더 IP(L3) -> 인터넷 계층
• 프레임화: + 프레임 헤더, 프레임 트레일러 -> 링크 계층 

비캡슐화 과정이란?

비캡슐화 과정이란 하위 계층에서 상위 계층으로 가며 각 계층의 헤더 부분을 제거하는 과정이다.

캡슐화된 데이터를 받게 되면 링크 계층에서부터 타고 올라오면서 프레임화된 데이터는 다시 패킷화를 거쳐 세그먼트, 데이터화그램화를 거쳐 메시지화가 되는 비캡슐화 과정이 일어난다. 그 이후 최종적으로 사용자에게 애플리케이션의 PDU인 메시지로 전달된다.

 

2.2.2 PDU

PDU(Protocol Data Unit) 란?

네트워크의 계층 간 계층으로 데이터가 전달될 때 한 덩어리의 단위를 PDU(Protocol Data Unit)라고 한다.

PDU = 헤더(제어 관련 정보 포함) + 페이로드(데이터) 로 구성되어 있으며 계층마다 부르는 명칭이 다르다.

• 애플리케이션 계층: 메시지
  • 예) HTTP 헤더는 문자열로 구성된다. 응답(response) 헤더 값이 모두 문자열인 것을 알 수 있다.
• 전송 계층: 세그먼트(TCP), 데이터그램(UDP)
• 인터넷 계층: 패킷
• 링크 계층: 프레임(데이터 링크 계층), 비트(물리 계층)