OSI 4계층: 전송 계층

Choizz·2023년 3월 18일

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오늘은 OSI 계층 중 4 계층인 전송 계층에 대해 포스팅하려고합니다.
3 계층까지 거치면서 데이터를 다른 네트워크로 전달할 수 있게 됐습니다.
하지만, 데이터를 전송하더라도 목적지에 안전하게(데이터 손실 등이 없이) 도착하지 못 할 가능성이 존재합니다.
그래서, 전송 계층인 4계층은 목적지로 데이터를 안전하게 전송할 수 있는 역할을 합니다.

전송 계층

목적지에 신뢰할 수 있는 데이터를 전달하기 위해 필요한 계층.

오류를 체크하는 기능이 있어 오류가 발생하면 데이터를 재전송하도록합니다.
전송된 데이터의 목적지가 어떤 애플리케이션에 전송해야 하는지 알려줍니다.
- 이메일로 가는지, 웹 사이트로 가는지...

연결형 통신과 비연결형 통신

전송 계층의 통신 방식은 연결형과 비연결형으로 나눌 수 있습니다.

연결형 통신(TCP)

신뢰할 수 있고, 정확한 데이터를 전달하는 통신을 이야기합니다.
목적지와 연결하여 서로의 상태를 확인해 가면서 통신하는 방식입니다.

비연결형 통신(UDP)

효율적으로 데이터를 전달하는 통신을 말합니다.
상대편을 확인하지 않고 일방적으로 데이터를 전송하는 방식입니다.

TCP(Transmission Control Protocol, 전송 제어)

전송 계층이 TCP 통신(연결형 통신)을 할 때, 데이터에 TCP 헤더라는 것을 붙입니다.
이러한 TCP 헤더가 붙은 데이터를 세그먼트라고 합니다.
TCP는 연결형 통신이기 때문에 상대방을 확인하면서 데이터를 전송하는데, 커넥션(connection)이라는 가상의 독점 통신로를 확보한 후 연결을 확인하고 데이터를 전송합니다.
TCP 헤더에 코드 비트라는 정보가 붙는데, 여기서 6비트로 연결 제어 정보가 기록됩니다.

초깃 값은 0이고 비트가 활성화 되면 1로 바뀜니다. 연결을 확인하기 위해 필요한 것은 SYN과 ACK입니다.

3-hand-shake

가상의 통신을 하기 위해 커넥션을 확립하기 위해서는 SYN과 ACK을 사용하여 확립합니다.
신뢰할 수 있는 연결을 하려면 데이터를 전송하기 전에 패킷을 교환하는데 세 번에 걸쳐 확인을 하기 때문에 3 hand shake라고 불립니다.

통신을 하려면 목적지에 허가를 받아야하므로 출발지에서 목적지로 연결을 하기 위한 요청(SYN)를 보냅니다.
목적지에 요청을 받은 후 허가한다는 응답을 보내기 위해 연결 확립 응답(ACK)를 보내고, 동시에 목적지에서도 출발지에게 데이터 전송을 허가 받기 위한 SYN을 같이 보냅니다.
출발지에서도 목적지에 요청을 허가한다는 의미로 ACK를 보냅니다.

연결 종료

연결을 종료하기 위해서는 FIN과 ACK을 사용합니다.
출발지에서 목적지로 연결 종료 요청(FIN)을 보냅니다.
목적지에서 출발지로 응답(ACK)를 반환하고 목적지에서도 FIN 요청을 보냅니다.
출발지에서 목적지로 ACK 응답을 합니다.

일련번호와 확인 응답 번호

연결이 확립된 후 실제 데이터를 보내거나 받을 때는 TCP 헤더의 일련번호(sequence number)와 확인 응답 번호(acknowledgement number)를 사용합니다.

일련 번호 : 출발 측에서 목적지에 지금 데이터가 몇 번째 데이터인지 알려주는 기능을 합니다.
( 데이터를 나눠서 보내는 것을 기억해야합니다!)
확인 응답 번호 : 목적지에서 몇 번째 데이터를 수신했는지 출발지에 알려주는 역할을 합니다.
- 이 번호는 다음 번호의 데이터를 요청하는데 사용됩니다.

일련 번호인 2001과 확인 응답 번호인 3001은 연결이 확립될(3-hand-shake) 때, 결정됩니다.
출발지는 목적지로 200 바이트를 전송합니다.
- 출발지에서 데이터 정보(2001)과 확인 응답 번호(3001)을 목적지에 보냅니다.
목적지는 이를 수신하고 다음에 수신하고자 하는 데이터 번호를 확인 응답 번호에 넣습니다. (2001 + 200바이트) 그리고, 일련 번호에 출발지에서 보낸 확인 응답 번호를 넣습니다.
데이터 전송이 완료될 때까지 반복합니다.
일련번호와 확인 응답 번호를 사용해 데이터가 손상되거나 유실된 경우 데이터를 재전송하도록 하는데, 이를 제전송 제어라고 합니다.

윈도우 크기(window size)

위 처럼, 세그먼트를 하나 씩 보낼 때마다 확인 응답을 받는 것은 비효율적입니다.
그래서, 버퍼라는 일시적인 보관소를 사용해서, 세그먼트를 연속으로 보내고 한 번에 확인 응답을 받는 방법을 사용합니다.
이때, 목적지에서 대량으로 세그먼트를 받아서 처리하지 못할 수 있으므로 출발지와 목적지의 버퍼의 한계 크기를 알고있어야 하는데, 이것이 TCP 헤더의 윈도우 크기입니다.
즉, 버퍼에서 얼마나 많은 용랴으이 데이터를 저장해 둘 수 있는지를 나타냅니다.
이것 또한, 3-hand-shake를 할 때, 판단을 합니다.

포트(port)

위에서 언급했지만, 전송 계층에서 목적지가 어떤 앱인지 구분하는 역할이 있습니다.
이러한 구분을 TCP 헤더의 포트 번호로 구분합니다.

TCP 헤더에는 출발지 포트 번호와, 목적지 포트 번호가 저장돼 있습니다.
포트 번호는 0~65535번 까지 사용할 수 있습니다.
0~1023(well-known ports)은 주요 프로토콜이 사용하도록 예약되어 있습니다.
1024는 사용하지 않는 포트이고, 1025 이상은 랜덤 포트로 클라이너트 측의 송신 포트로 사용됩니다.
포트 번호는 아파트의 호수라고 생각하면 되고, 그 집의 주인이 앱이라고 생각하시면 됩니다.
- 예를 들어, 8080 포트로 접속을 하면 주인인 HTTP 애플리케이션을 만나게 되고, 443 포트로 접속을 하면 주인인 HTTPS 애플리케이을 만나게 됩니다.
웹 브라우저에 접속하면, 임의의 포트가 자동으로 할당됩니다. 반면, 서버는 포트 번호를 정해두어야 합니다.

UDP(User Datagram Protocol, 사용자 데이터그램 )

UDP는 비연결 통신이기 때문에, 데이터를 전송할 때, 상대방을 확인하지 않습니다.
즉, 효율성을 중요시 하는 통신입니다.
예를 들어, 동영상과 같은 데이터의 경우 TCP로 통신할 경우 상대방을 확인하는데 시간이 오래걸리지만,
UDP로 통신을 한다면 빠르게 데이터를 주고 받을 수 있습니다.
전송 계층에서 UDP 통신을 하면 UDP 헤더가 붙습니다.
데이터에 UDP 헤더가 붙은 것을 UDP 데이터그램이라고 합니다.
- UDP 헤더에는 출발지 포트, 도착지 포트, 길이, 체크섬 정도의 정보가 있습니다.
- 정확성과 신뢰성을 필요로 하지 않기 때문에 TCP 헤더에 비해 적은 정보가 들어있습니다.
같은 랜에 있는 컴퓨터나 네트워크 장비에 일괄적으로 데이터를 보낼 수 있습니다.<브로드캐스트>
- 이것은 목적지를 정해야 하는 TCP에서는 일괄 통신이 불가능하겠죠?