[CS 전공지식 노트] TCP/IP 4계층 모델

 

'면접을 위한 CS 전공지식 노트'를 읽고 개인적으로 정리한 글입니다.

 

2.2.1 계층 구조

 

인터넷 프로토콜 스위트(internet protocol suite)는 인터넷에서 컴퓨터들이 서로 정보를 주고받는데 쓰이는 프로토콜의 집합이며, 이를 TCP/IP 4계층 모델로 설명하거나 OSI 7계층 모델로 설명하기도함

 

=> 이 책은 TCP/IP 4계층 모델을 중심으로 설명함

 

 

TCP/IP 4계층은 프로토콜의 네트워킹 범위에 따라 4개의 추상화 계층으로 구성됨

 

반면, OSI 7계층은 애플리케이션 계층을 3개로 쪼개고 링크 계층을 2개로 나눠서 표현하며 인터넷 계층을 네트워크 계층으로 부른다는점이 다름

 

 

이런 계층들은 특정 계층이 변경되었을 때 다른 계층이 영향을 받지 않도록 설계됨

 

=> 예를 들어 전송 계층에서 TCP를 UDP로 변경했다고해서 인터넷 웹 브라우저를 다시 설치해야하는게 아니듯 유연하게 설계됨

 

애플리케이션 계층

 

애플리케이션(application) 계층은 FTP, HTTP, SSH, SMTP, DNS 등 응용 프로그램이 사용되는 프로토콜 계층이며 웹 서비스, 이메일 등 서비스를 실질적으로 사람들에게 제공하는 층임

 

• FTP : 장치와 장치 간의 파일을 전송하는데 사용되는 표준 통신 프로토콜
  
  
• SSH : 보안되지 않은 네트워크에서 네트워크 서비스를 안전하게 운영하기 위한 암호화 네트워크 프로토콜
  
  
• HTTP : World Wide Web을 위한 데이터 통신의 기초이자 웹 사이트를 이용하는데 쓰는 프로토콜
  
  
• SMTP : 전자 메일 발송을 위한 인터넷 표준 통신 프로토콜
  
  
• DNS : 도메인 이름과 IP 주소를 매핑해주는 서버
  
  

DNS에 대해 조금 더 살펴보면

www.google.com에 DNS 쿼리가 오면 

Root DNS -> .com DNS -> .google DNS -> .www DNS 의 과정을 거쳐 완벽한 주소를 찾아 IP 주소를 매핑함

=> IP 주소가 바뀌어도 사용자들에게 똑같은 도메인 주소로 서비스할 수 있음

 

전송 계층

 

전송(transport) 계층은 송신자와 수신자를 연결하는 통신 서비스를 제공하며 연결 지향 데이터 스트림 지원, 신뢰성, 흐름 제어를 제공할 수 있으며 애플리케이션과 인터넷 계층 사이의 데이터가 전달될 때 중계 역할을함

 

=> 대표적으로 TCP와 UDP가 있음

 

TCP

 

TCP는 패킷 사이의 순서를 보장하고 연결지향 프로토콜을 사용해서 연결을 하여 신뢰성을 구축해서 수신 여부를 확인하며 '가상회선 패킷 교환 방식' 을 사용함

 

가상회선 패킷 교환 방식

 

가상회선 패킷 교환 방식은 각 패킷에 가상회선 식별자가 포함되며 모든 패킷을 전송하면 가상회선이 해제되고 패킷들을 전송된 순서대로 도착하는 방식을 말함

 

가상회선 패킷 교환 방식

 

 

그림을 보면 3, 2, 1로 이루어진 패킷이 어떠한 회선을 따라 순서대로 도착하는 것을 확인할 수 있음

 

TCP 연결 성립 과정

 

TCP는 신뢰성을 확보할 때 3-way handshake라는 작업을 진행함

 

 

클라이언트와 서버가 통신할 때를 살펴보면

 

1. SYN 단계 : 클라이언트는 서버에 클라이언트의 ISN을 담아 SYN을 보냄

(ISN은 새로운 TCP 연결의 첫 번째 패킷에 할당된 임의의 시퀀스 번호를 말하며 장치마다 다를 수 있음)

 

2. SYN + ACK 단계 : 서버는 클라이언트의 SYN을 수신하고 서버의 ISN을 보내며 승인번호로 클라이언트의 ISN + 1을 보냄

 

3. ACK 단계 : 클라이언트는 서버의 ISN + 1 한 값인 승인번호를 담아 ACK를 서버에 보냄

 

와 같이 3-way handshake 과정 이후 신뢰성이 구축되고 데이터 전송을 시작함
(TCP가 신뢰성이 있는 계층이라고 하는 이유가 이 3-way handshake를 하는 과정이 있기 때문임)

=> UDP는 이 과정이 없기 때문에 신뢰성이 없는 계층이라고함

 

SYN : SYNchronization의 약자로 연결 요청 플래그임

ACK : ACKnowledgement의 약자로 응답 플래그임

ISN : Initial Sequence Numbers의 약어로 초기 네트워크 연결을 할 때 할당된 32비트 고유 시퀀스 번호임

 

TCP 연결 해제 과정

 

TCP가 연결을 해제할 때는 4-way handshake 과정이 발생함

 

 

1. 먼저 클라이언트가 연결을 닫으려고 할 때 FIN으로 설정된 세그먼트를 보냄

=> 그러면 클라이언트는 FIN_WAIT_1 상태로 들어가고 서버의 응답을 기다림

 

2. 서버는 클라이언트로 ACK라는 승인 세그먼트를 보냄

=> 그러면 서버는 CLOSE_WAIT 상태에 들어가고 클라이언트가 세그먼트를 받으면 FIN_WAIT_2 상태에 들어감

 

3. 서버는 ACK를 보내고 일정 시간 이후에 클라이언트에 FIN이라는 세그먼트를 보냄

 

4. 클라이언트는 TIME_WAIT 상태가 되고 다시 서버로 ACK를 보내서 서버는 CLOSED 상태가됨

 

=> 이후 클라이언트는 어느 정도의 시간을 대기한 후 연결이 닫히고 클라이언트와 서버의 모든 자원의 연결이 해제됨

 

TIME_WAIT : 소켓이 바로 소멸되지 않고 일정 시간 동안 유지되는 상태를 말하며 지연 패킷 등의 문제점을 해결하는데 쓰임

그냥 연결을 닫으면 되는데 왜 굳이 TIME_WAIT로 일정 시간 뒤에 닫을까를 생각해볼 수 있음

그 이유는 크게 2가지임

1. 지연 패킷이 발생할 경우를 대비하기 위함

=> 패킷이 뒤늦게 도달하고 이를 처리하지 못한다면 데이터 무결성 문제가 발생함

(데이터 무결성이란 데이터의 정확성과 일관성을 유지하고 보증하는 것)

2. 두 장치가 연결이 닫혔는지 확인하기 위함

=> LAST_ACK 상태에서 닫히게 되면 다시 새로운 연결을 하려고 할 때 장치는 줄곧 LAST_ACK로 되어있기 때문에 접속 오류가 나타남

 

UDP

 

UDP는 순서를 보장하지 않고 수신 여부를 확인하지 않으며 단순히 데이터만 주는 '데이터그램 패킷 교환 방식' 을 사용함

 

데이터그램 패킷 교환 방식

 

데이터그램 패킷 교환 방식은 패킷이 독립적으로 이동하며 최적의 경로를 선택하여 가는데, 하나의 메시지에서 분할된 여러 패킷은 서로 다른 경로로 전송될 수 있으며 도착한 순서가 다를 수 있는 방식을 뜻함

 

 

 

그림을 보면 3, 2, 1로 이루어진 패킷이 순서도 다르고 어떠한 회선을 중심으로 가는 것이 아니라 따로따로 이동하며 순서도 다르게 도착하는 것을 확인할 수 있음

 

인터넷 계층

 

인터넷(internet) 계층은 장치로부터 받은 네트워크 패킷을 IP 주소로 지정된 목적지로 전송하기 위해 사용되는 계층임

 

=> IP, ARP, ICMP 등이 있으며 패킷을 수신해야 할 상대의 주소를 지정하여 데이터를 전달함

(상대방이 제대로 받았는지에 대해 보장하지 않는 비연결형적인 특징을 가지고 있음)

 

링크 계층

 

링크 계층은 전선, 광섬유, 무선 등으로 실질적으로 데이터를 전달하며 장치 간에 신호를 주고받는 '규칙'을 정하는 계층임

 

이를 물리 계층과 데이터 링크 계층으로 나누기도함

 

물리계층 : 무선 LAN과 유선 LAN을 통해 0과 1로 이루어진 데이터를 보내는 계층을 말함

 

데이터 링크 계층 : '이더넷 프레임'을 통해 에러 확인, 흐름 제어, 접근 제어를 담당하는 계층을 말함

 

이더넷 프레임

 

 

 

데이터 링크 계층은 위와 같은 이더넷 프레임을 통해 전달받은 데이터의 에러를 검출하고 캡슐화함

 

• Preamble : 이더넷 프레임이 시작임을 알림
  
  
• SFD(Start Frame Delimiter) : 다음 바이트부터 MAC 주소 필드가 시작됨을 알림
  
  
• DMAC, SMAC : 수신, 송신 MAC 주소를 말함
  
  
• EtherType : 데이터 계층 위의 계층인 IP 프로토콜을 정의함 (ex. IPv4 / IPv6)
  
  
• Payload : 전달받은 데이터
  
  
• CRC : 에러 확인 비트 

MAC 주소란 컴퓨터나 노트북 등 각 장치에는 네트워크에 연결하기 위한 장치(LAN 카드)가 있는데, 이를 구별하기 위한 식별번호를 말하고 6바이트(48비트) 로 구성됨

 

유선 LAN 과 무선 LAN

 

유선 LAN을 이루는 이더넷은 전이중화 통신을 씀

 

전이중화 통신

 

 

 

전이중화(full duplex) 통신은 양쪽 장치가 동시에 송수신할 수 있는 방식을 말함

 

=> 이 방식은 송신로와 수신로로 나눠서 데이터를 주고받으며 현대의 고속 이더넷은 이를 기반으로 통신하고 있음

 

CSMA/CD

 

이전에는 유선 LAN에 '반이중화 통신' 중 하나인 CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) 방식을 썼음

=> 이 방식은 데이터를 보낸 이후 충돌이 발생한다면 일정 시간 이후 재전송 하는 방식을 말함

(수신로와 송신로를 각각 둔게 아니고 한 경로를 기반으로 데이터를 보내기 때문에 충돌에 대해 대비해야했음)

 

 

유선 LAN을 이루는 케이블로는 TP 케이블이라고 하는 트위스트 페어 케이블과 광섬유 케이블이 대표적임

 

트위스트 페어 케이블

 

트위스트 페어 케이블(twisted pair cable)은 하나의 케이블처럼 보이지만 실제로는 여덟 개의 구리선을 두 개씩 꼬아서 묶은 케이블을 지칭함

 

=> 케이블은 구리선을 실드 처리하지 않고 덮은 UTP와 실드 처리하고 덮은 STP로 나눠지는데 보통 많이 볼 수 있는 케이블은 UTP 케이블로 흔히 LAN 케이블이라고함

 

광섬유 케이블

 

광섬유 케이블은 레이저를 이용해서 통신하기 때문에 구리선과 비교할 수 없을 만큼 장거리 및 고속 통신이 가능함

 

 

무선 LAN 장치는 수신과 송신에 같은 채널을 사용하기 때문에 반이중화 통신을 사용함

 

반이중화 통신

 

 

 

반이중화 통신(half duplex)은 양쪽 장치는 서로 통신할 수 있지만, 동시에는 통신할 수 없으며 한 번에 한 방향만 통신할 수 있는 방식을 말함

 

=> 일반적으로 장치가 신호를 수신하기 시작하면 응답하기 전에 전송이 완료될 때까지 기다려야함

 

(둘 이상의 장치가 동시에 전송하면 충돌이 발생하여 메시지가 손실되거나 왜곡될 수 있기에 충돌 방지 시스템이 필요함)

 

CSMA/CA

 

CSMA/CA(Collision Avoidance)는 반이중화 통신 중 하나로 장치에서 데이터를 보내기 전에 일련의 과정을 기반으로 사전에 가능한 한 충돌을 방지하는 방식을 말함

 

CSMA/CA로 프레임을 보낼 때 과정을 살펴보면

 

1. 사용 중인 채널이 있다면 다른 채널을 감지하다 유휴 상태인 채널을 발견

 

2. 프레임 간 공간 시간인 IFS 시간만큼 기다림

=> IFS(InterFrame Space)가 낮으면 우선순위가 높음
(프레임의 우선순위를 정의할 때도 사용됨)

 

3. 프레임을 보내기 전 0~2^k - 1 사이에서 결정된 랜덤 상수를 기반으로 결정된 시간만큼 기다린 뒤 프레임을 보냄

=> 프레임을 보낸 뒤 제대로 송신이 되었고 ACK 세그먼트를 받았으면 마치고 받지 못했다면 k = k + 1 을 하며 이 과정을 반복함

(반복하다 k가 정해진 Kmax보다 커지면 해당 프레임 전송은 버림)

 

이와 반대되는 전이중화 통신은 양방향 통신이 가능하므로 충돌 가능성이 없어 이런 충돌 감지/방지 메커니즘이 필요 X

 

 

 

무선 LAN(WLAN - Wireless Local Area Network)은 무선 신호 전달 방식을 이용하여 2대 이상의 장치를 연결하는 기술임

 

=> 비유도 매체인 공기에 주파수를 쏘아 무선 통신망을 구축하는데 주파수대역은 2.4GHz의 경우 장애물에 강한 특성을 가지고 있지만 전파 간섭이 일어나는 경우가 많고 5GHz 대역은 사용할 수 있는 채널 수도 많고 동시에 사용할 수 있기 때문에 상대적으로 깨끗한 전파 환경을 구축할 수 있기에 보통은 5GHz 대역을 사용하는 것이 좋음

 

와이파이

 

wifi는 전자기기들이 무선 LAN 신호에 연결할 수 있게 하는 기술로, 이를 사용하려면 무선 접속 장치(AP, Access Point)가 있어야함

 

=> 흔히 이를 공유기라고 하며, 이를 통해 유선 LAN에 흐르는 신호를 무선 LAN 신호로 바꿔주어 신호가 닿는 범위 내에서 무선 인터넷을 사용할 수 있게됨

(블루투스도 무선 LAN을 이용한 기술)

 

 

 

BSS

 

BSS(Basic Service Set)는 기본 서비스 집합을 의미하며 단순 공유기를 통해 네트워크에 접속하는 것이 아닌 동일 BSS 내에 있는 AP들과 장치들이 서로 통신이 가능한 구조를 말함

 

=> 근거리 무선 통신을 제공하고, 하나의 AP만을 기반으로 구축이 되어 있어 사용자가 한 곳에서 다른 곳으로 자유롭게 이동하며 네트워크에 접속하는 것은 불가능

 

ESS

 

ESS(Extended Service Set)는 하나 이상의 연결된 BSS 그룹임

=> 장거리 무선 통신을 제공하며 BSS보다 더 많은 가용성과 이동성을 지원함

(사용자는 한 장소에서 다른 장소로 이동하며 중단 없이 네트워크에 계속 연결 가능

 

계층 간 데이터 송수신 과정

 

 

 

HTTP를 통해 웹서버에 있는 데이터를 요청하는 과정을 살펴보면

 

애플리케이션 계층에서 전송 계층으로 보내는 요청(request) 값들이 캡슐화 과정을 거쳐 전달되고, 다시 링크 계층을 통해 해당 서버와 통신을 하고, 해당 서버의 링크 계층으로 부터 애플리케이션까지 비캡슐화 과정을 거쳐 데이터가 전송됨

 

캡슐화 과정

 

 

캡슐화 과정은 상위 계층의 헤더와 데이터를 하위 계층의 데이터 부분에 포함시키고 해당 계층의 헤더를 삽입하는 과정을 말함

 

=> 애플리케이션 계층의 데이터가 세그먼트 또는 데이터그램화 (L4) -> 패킷화 (L3) -> 프레임화 (링크 계층)

(이 때 각 층을 내려갈 때마다 헤더가 붙음)

 

비캡슐화 과정

 

 

 

비캡슐화 과정은 하위 계층에서 상위 계층으로 가며 각 계층의 헤더 부분을 제거하는 과정을 말함

 

=> 링크 계층부터 타고 올라오며 프레임화된 데이터가 패킷화를 거쳐 세그먼트/데이터그램 화를 거쳐 메시지화가 되는 과정

 

(최종적으로 사용자에게 애플리케이션의 PDU인 메시지로 전달됨)

 

 

2.2.2. PDU

 

네트워크의 어떠한 계층에서 계층으로 데이터가 전달될 때 한 덩어리의 단위를 PDU(Protocol Data Unit)라고 함

 

=> PDU는 제어 관련 정보들이 포함된 '헤더', 데이터를 의미하는 '페이로드'로 구성되어 있으며 계층마다 부르는 명칭이 다름

 

• 애플리케이션 계층 : 메시지
  
  
• 전송 계층 : 세그먼트(TCP), 데이터그램(UDP)
  
  
• 인터넷 계층 : 패킷
  
  
• 링크 계층 : 프레임(데이터 링크 계층), 비트(물리 계층)

PDU중 아래 계층인 비트로 송수신하는 것이 모든 PDU 중 가장 빠르고 효율성이 높지만 애플리케이션 계층에서는 문자열을 기반으로 송수신을함

=> 헤더에 authorization 값 등 다른 값들을 넣는 확장이 쉽기 때문