OSI모델의 4계층인 전송 계층에 대해 공부하기

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🌏 전송 계층_신뢰할 수 있는 데이터 전송하기

🚀 What I Will Learn

• 전송 계층의 역할을 이해한다
• 연결형 통신과 비연결형 통신을 이해한다
• TCP를 이해한다
• UDP를 이해한다

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LESSON 23. 전송 계층의 역할

1) 전송 계층의 두 가지 역할

① 데이터가 제대로 도착했는지 확인
② 전송된 데이터의 목적지가 어떤 애플리케이션인지 식별

OSI모델의 물리 계층, 데이터 링크 계층, 네트워크 계층의 3계층이 있으면 목적지에 데이터를 보낼 수 있다.

네트워크 계층에서 다른 네트워크로 데이터를 전송하려면 라우터가 필요하고, 라우터의 라우팅 기능을 사용하여 전송할 수 있지만,

• 라우팅 정보가 잘못될 수 있고
• 많은 라우터를 경유하는 도중에 라우터에 문제가 생기거나
• 패킷이 손상되거나 유실되더라도

이 3계층에서는 아무것도 할 수 있는게 없다

OSI모델의 전송 계층은 목적지에 신뢰할 수 있는 데이터를 전달하기 위해 필요!!!

전송 계층에는 오류를 점검하는 기능이 있어서 오류가 발생하면 데이터를 재전송하도록 요청한다

즉, 네트워크 계층에서는 데이터를 전달하고
전송 계층에서는 데이터가 제대로 도착했는지 확인

전송 계층은
컴퓨터가 데이터를 전달받고 어떤 애플리케이션에 전달해야 하는지 판단 후 해당 애플리케이션에 전달할 수 있도록 해준다

- 전송 계층의 두 가지 역할
① 데이터가 제대로 도착했는지 확인
② 전송된 데이터의 목적지가 어떤 애플리케이션인지 식별

1) 연결형 통신과 비연결형 통신

전송 계층의 특징을 간단히 요약하면 신뢰성/정확성과 효율성으로 구분할 수 있다

• 신뢰성/정확성: 데이터를 목적지에 문제없이 전달하는 것
• 효율성: 데이터를 빠르고 효율적으로 전달하는 것

여기서
신뢰할 수 있고 정확한 데이터를 전달하는 통신을 연결형 통신이라고 하고,

연결형 통신: 신뢰성/정확성이 우선인 통신이라서 여러 번 확인하고 보내는, 상대편과 확인해가며 통신하는 방식

효율적으로 데이터를 전달하는 통신을 비연결형 통신이라고 한다

비연결형 통신: 효율성이 우선인 통신이므로 확인 절차 없이 일방적으로 보내는, 상대편을 확인하지 않고 일방적으로 데이터를 전송하는 방식
예시) 동영상: 데이터가 늦게 도착해서 화면이 버벅거리는 것 보다, 데이터가 약간 유실되더라도 원활하게 보는 것이 좋으니까!

전송 계층의 연결형 통신 프로토콜에는 TCP가 사용되고, 비연결형 통신 프로토콜에는 UDP가 사용된다

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LESSON 24. TCP의 구조

1) TCP(Transmission Control Protocol, 전송 제어 프로토콜)란?

TCP: 전송 계층에서 신뢰할 수 있는 정확한 통신을 제공하는, 신뢰성/정확성이 우선인 연결형 통신 프로토콜인 TCP

• 세그먼트(segment): TCP 헤더가 붙은 데이터
• TCP 헤더: TCP로 전송할 때 붙히는 헤더. 목적지까지 데이터를 제대로 전송하기 위해 필요한 정보가 있다

데이터를 전송하기 전에 연결(connection)이라는 가상의 독점 통신로 확보 작업을 해야하는데, 이 연결을 확립한 후 데이터를 전송할 수 있다

연결(connection): TCP 통신에서 정보를 전달하기 위해 사용되는 가상의 통신로로, 연결을 확립하고 데이터를 전송한다

TCP 헤더에는 코드 비트라는 부분이 있는데, 코드 비트는 TCP 헤더의 연결 제어 정보가 기록되는 곳이다

초기값은 0이고, 연결을 확립하려면 SYN(연결 요청)과 ACK(확인 응답)가 필요하다

2) 3-way 핸드셰이크(three-way handshake)란?

연결(connection)은 SYN(연결 요청)과 ACK(확인 응답)를 사용하여 확립 할 수 있고
신뢰할 수 있는 연결을 하려면 데이터를 전송하기 전에 패킷 교환을 세 번(three-way handshake) 확인 한다

3-WAY 핸드셰이크(three-way handshake): 데이터를 보내기 전에 연결을 확립하기 위해 패킷 요청을 세번 교환하는 것을 의미.
핸드셰이크는 사람들이 상대방을 확인하고 악수를 하는 것처럼 데이터 통신에서도 확실하게 데이터가 전송되었는지 확인하면서 이루어지는 통신 수단이다.

① 통신을 하려면 서버에게 허가를 받아야 하므로, 먼저 클라이언트에서 서버로 연결 확립 허가를 받기 위한 요청(SYN)을 보낸다.
② 서버는 클라이언트가 보낸 요청을 받은 후에 허가한다는 응답을 회신하기 위해 연결 확립 응답(ACK)을 보낸다. 동시에 서버도 클라이언트에게 데이터 전송 허가를 받기 위해 연결 확립 요청(SYN)를 보낸다.
③ 서버의 요청을 받은 클라이언트는 서버로 허가한다는 응답으로 연결 확립 응답(ACK)를 보낸다.

데이터를 전송할 때뿐만 아니라 전송한 후에도 연결을 끊기 위한 요청을 교환해야 한다.
연결을 끊을 때는 FIN(연결 종료)과 ACK(확인 응답)를 사용한다

① 컴퓨터 1에서 컴퓨터 2로 연결 종료 요청(FIN)을 보낸다.
② 컴퓨터 2에서 컴퓨터 1로 연결 종료 응답(ACK)를 반환한다.
③ 또한 컴퓨터 2에서도 컴퓨터 1로 연결 종료 요청(FIN)을 보낸다.
④ 컴퓨터 1에서 컴퓨터 2로 연결 종료 응답(ACK)을 반환한다.

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LESSON 25. 일련번호와 확인 응답 번호의 구조

1) 일련번호와 확인 응답 번호란?

3-way 핸드셰이크가 끝나고 실제 데이터를 보내거나 상대방이 받을 때는
TCP 헤더의 일련 번호(sequence number)와 확인 응답 번호(acknowledgement number)를 사용한다.

TCP는 데이터를 분할해서 보내는데

• 일련번호는 송신 측에서 수신 측에 이 데이터가 몇 번째 데이터인지 알려 주는 역할을 한다.

  • 전송된 데이터에 일련번호를 부여하면 수신자는 원래 데이터의 몇 번째 데이터를 받았는지 알 수 있다.

• 확인 응답 번호는 수신 측이 몇 번째 데이터를 수신했는지 송신 측에 알려주는 역할을 한다.

  • 그래서 이 번호는 다음 번호의 데이터를 요청하는데도 사용한다.

데이터가 항상 올바르게 전달되는 것은 아니므로
일련번호와 확인 응답 번호를 사용해서 데이터가 손상되거나 유실된 경우에 데이터를 재전송하게 되어있다. 이것을 재전송 제어라고 한다.

1) 윈도우 크기란?

윈도우 크기: 버퍼(상대방에게 쌓인 세그먼트를 일시적으로 보관하는 장소) 용량의 크기

TCP의 특징은 세그먼트(데이터) 하나를 보낼 때마다 확인 응답을 한 번 반환하는 통신인데, 한 번 보낼 때마다 한 번 응답을 반환하는 방식이어서 효율이 낮다

하지만, 매번 확인 응답을 기다리는 대신 세그먼트를 연속해서 보내고 난 다음에 확인 응답을 반환하면 효율이 높아지지만 상대방에는 세그먼트가 점점 쌓이게 된다.
상대방에게 쌓인 세그먼트는 버퍼(buffer)라는 장소에 일시적으로 보관한다.

• 버퍼(buffer) 덕분에 세그먼트를 연속해서 보내도 수신 측은 대응할 수 있고 효율도 높아진다
• 하지만 수신 측은 대량으로 데이터가 전송되면 보관하지 못하고 넘쳐 버리는 경우를 오버플로(overflow)라고 한다.

오버플로가 발생하지 않도록 버퍼의 한계 크기를 알고 있어야 한다. 그것이 TCP 헤더의 윈도우 크기(window size) 값에 해당한다.

윈도우 크기: 얼마나 많은 용량의 데이터를 저장해 둘 수 있는지를 나타낸다. 즉, 확인 응답을 일일이 하지 않고 연속해서 송수신할 수 있는 데이터 크기다.

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LESSON 26. 포트 번호(port number)의 구조

1) 포트 번호(port number)란?

포트 번호: 어떤 애플리케이션인지 구분하는 역할

전송 계층의 역할 중 전송된 데이터의 목적지가 어떤 애플리케이션(웹 브라우저나 메일 프로그램 등)인지 구분하는 역할을 하기 위해선
TCP 헤더의 출발지 포트 주소(source port number)와 목적지 포트 주소(destination port number)가 필요하다. TCP 헤더에 포트 번호가 있기 때문에 애플리케이션을 구분할 수 있게 된다.

포트 번호는 0 ~ 65535번 까지 사용할 수 있고, 크게 세 종류로 구분된다.

포트 종류	범위	설명
잘 알려진 포트 (well-known port)	0번 ~ 1023번	주요 프로토콜이 사용하도록 예약되어 있음 일반적으로 서버 측 애플리케이션에서 사용
등록된 포트 (registered port)	1024번 ~ 49151번	- 1024번: 예약되어 있지만 사용되지는 않는 포트 - 1025 이상: 랜덤 포트라고 하고 클라이언트 측의 송신 포트로 사용
동적 포트 (dynamic port)	49152번 ~ 65535번

애플리케이션	포트 번호
SSH	22
SMTP	25
DNS	53
HTTP	80
POP3	110
HTTPS	443

이처럼 동작하는 애플리케이션은 각각 포트 번호가 있어서 다른 애플리케이션과 서로 구분된다.
데이터를 전송할 때는 상대방의 IP 주소가 필요하지만,
어떤 애플리케이션이 사용되고 있는지 구분하려면 TCP는 포트 번호가 필요하다.

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LESSON 27. UDP(User Datagram Protocol)의 구조

1) UDP(User Datagram Protocol)란?

UDP: 사용자 다이어그램 프로토콜. 전송 계층에서 데이터를 효율적이고 빠르게 보낼 때 사용되는 프로토콜

UDP는 비연결형 통신이라서 데이터를 전송할 때 TCP처럼 시간이 걸리는 확인 작업을 일일이 하지 않는다.

UDP는 TCP와 달리 효율성을 중요하게 여기는 프로토콜 이라 TCP와 같은 신뢰성과 정확성을 요구하게 되면 효율이 떨어진다.

UDP의 장점은 데이터를 효율적으로 빠르게 보내는 것이라서 스트리밍 방식으로 전송하는 동영상 서비스와 같은 곳에 사용된다.

• 동영상을 TCP 데이터 통신으로 전송하면 수신을 확인하는데 시간이 너무 오래 걸려서 동영상을 원할하게 볼 수 없다. 그래서 동영상 같은 건 대개 빠른 UDP를 사용한다.

2) UDP 헤더란?

UDP 에서는 UDP 헤더가 붙은 데이터를 UDP 데이터 그램이라고 한다.

• TCP와 UDP 차이

• TCP는 번거롭게 여러 번 확인 응답을 보내면서 전송하지만,
• UDP는 효율성과 빠른 속도가 중요해서 상대방을 확인하지 않고 연속해도 데이터를 보낸다.
  • 또한 UDP를 사용하면 랜에 있는 컴퓨터나 네트워크 장비에 데이터를 일괄로 보낼 수 있다. 이것을 브로드캐스트라고 한다.

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:: 용어 정리💡

• 전송 계층(transport layer, 트랜스포트 계층): 신뢰할 수 있는 데이터를 순차적으로 전달하는 역할을 하므로 상위 계층들이 데이터 전달의 유효성이나 효율성을 신경 쓰지 않도록 한다. 데이터가 중복되거나 누락되지 않고 오류 없이 순서에 맞게 전송되도록 관리한다.

• 연결형(connection-oriented): 데이터를 교환하기 전에 연결을 맺고 데이터를 교환하는 동안 계속 연결을 관리하는 프로토콜의 한 형태다.

• 비연결형(connectionless): 연결(connection)에 대한 초기화 과정이 없는 통신이다.

• TCP(Transmission Control Protocol, 전송 제어 프로토콜): 전송 계층의 프로토콜은 연결형(connection-oriented) 통신 방식이며 신뢰할 수 있는 데이터 전송을 보장한다.

• 대역폭(bandwidth): 정해진 시간 동안 전송될 수 있는 데이터의 양(주로 속도를 의미한다)을 말한다. 대역폭은 제한적이다.

• UDP(User Datagram Protocol): 정보를 서로 주고받을 때 보내는 쪽에서 일방적으로 데이터를 전달하는 통신 프로토콜이다. 연결을 맺을 필요가 없고 정보를 보내거나 받는다는 신호도 필요하지 않다.

• 3-way 핸드셰이트(three-way handshake): TCP 통신에서 사용하는 신뢰성을 제공하기 위한 통신 방식이다. 컴퓨터 간에 연결을 맺기 위한 초기화 과정으로 세 단계로 되어 있어서 three-way라고 부른다.

• 잘 알려진 포트(well-known ports): 특정 애플리케이션이 사용할 수 있도록 예약되어 있는 포트로 1~1023번 포트를 말한다.

• 브로드캐스트(broadcast): 네트워크의 모든 컴퓨터와 장비에 같은 패킷을 일괄 전송하는 방식이다.

• 일련번호(sequence number): TCP에서는 데이터를 보낼 때마다 각 데이터에 고유한 번호를 부여해서 전송을 시도한다. 이 번호를 이용하여 TCP 패킷의 순서를 제어할 수 있다.

• 포트 번호(port number): 컴퓨터가 데이터 통신을 할 때 통하고자 하는 네트워크 서비스나 특정 프로세스를 식별하는 노리 단위다. 포트 번호는 0~65535번을 사용할 수 있다. 0~1023번은 잘 알려진 포트(well-known ports)로 특정 애플리케이션이 사용할 수 있도록 예약된 번호다.