TCP/IP 4계층 모델

인터넷 프로토콜 스위트

인터넷에서 컴퓨터들이 서로 정보를 주고받는 데 쓰이는 프로토콜의 집합
-> TCP/IP 4계층 모델 or OSI 7계층 모델로 설명

TCP/IP 4계층

네트워크에서 사용되는 통신 프로토콜 집합
계층들은 프로토콜의 네트워킹 범위에 따라 네개의 추상화 계층으로 구성

특정 계층이 변경되었을 때 다른 계층이 영향을 받지 않도록 설계되어있다 : 유연한 설계
ex) 전송 게층에서 TCP -> UDP로 변경했다고 해서 인터넷 웹 브라우저를 다시 설치해야 하는 것은 아님

애플리케이션 계층

FTP, HTTP, SSH, SMTP, DNS 등 응용프로그램이 사용되는 프로토콜 계층
서비스를 실질적으로 사람들에게 제공

• FTP
  파일 전송에 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 전송을 위한 인터넷 표준 통신 프로토콜
• DNS
  도메인 이름과 IP주소를 매핑해주는 서버

전송 계층

송신자와 수신자를 연결하는 통신 서비스를 제공
연결 지향 데이터 스트림 지원, 신뢰성, 흐름 제어 제공
애플리케이션과 인터넷 계층 사이의 데이터가 전달될 때 중계역할
TCP, UDP..

• TCP
  패킷 사이의 순서를 보장
  연결지향 프로토콜 사용해 연결하여 신뢰성을 구축해서 수신여부 확인
  '가상회선 패킷 교환 방식' 사용
• UDP
  순서 보장 x
  수신 여부 확인 x
  '데이터그램 패킷 교환 방식' 사용

<가상회선 패킷 교환 방식>

• 각 패킷에는 가상 회선 식별자가 포함
• 모든 패킷을 전송하면 가상회선이 해제되고, 패킷들은 전송된 '순서대로' 도착
  

<데이터그램 패킷 교환 방식>

• 패킷이 독립적으로 이동
• 최적의 경로를 선택하여 감
• 하나의 메시지에서 분할된 여러 패킷은 서로 다른 경로로 전송될 수 있으며, 도착 순서가 다를 수 있는 방식
  

<TCP 연결 성립 과정>
TCP는 신뢰성 확보를 위해, 3-way handshake 진행

1. SYN
   클라이언트가 서버에 클라의 ISN을 담아 SYN을 보낸다.

   • ISN
     Initial Sequence Numbers
     초기 네트워크 연결 할 때 할당된 32비트 고유 시퀀스 번호
     : 새로운 TCP 연결의 첫 번째 패킷에 할당된 임의의 시퀀스 번호
     장치마다 다를 수 있다.

2. SYN + ACK
   서버는 클라이언트의 SYN을 수신하고, 서버의 ISN와 승인번호를 보낸다.

   • (여기서) 승인번호
     클라이언트의 ISN + 1

3. ACK
   클라이언트는 승인번호를 담아 ACK를 서버에 보낸다.

   • (여기서) 승인번호
     서버의 ISN + 1

이 과정 이후 신뢰성이 구축되고 데이터 전송 시작.

• TCP : 3-way handshake있음 -> 신뢰성 있는 계층
• UDP : 3-way handshake 없음 -> 신뢰성 없는 계층

• SYN
  Synchronization
  연결 요청 플래그
• ACK
  Acknowledgement
  응답 플래그

<TCP 연결 해제 과정>
TCP가 연결 해제시, 4-way handshake 과정 발생
1. 클라이언트가 연결을 닫으려 할 때, FIN으로 설정된 세그먼트를 보낸다.
클라이언트는 FIN_WAIT_1 상태로 들어가고 서버의 응답을 기다린다.

• FIN
  TCP 세그먼트 필드 안에 Control Bit 또는 Flag Bit로 정의되어있는것
  연결 종료 요청
  세션연결을 종료시킬때 사용되며, 더 이상 전송할 데이터가 없음을 나타낸다.

2. 서버는 클라이언트로 ACK라는 승인 세그먼트를 보낸다.
   CLOSE_WAIT 상태로 들어간다.
   클라이언트가 해당 세그먼트를 받으면 FIN_WAIT_2 상태로 들어간다.
3. 서버는 ACK를 보내고 일정시간 이후에 클라이언트에게 FIN이라는 세그먼트를 보낸다.
4. 클라이언트는 TIME_WAIT 상태가 되고, 다시 서버로 ACK 보내서, 서버는 CLOSED 상태가 된다.
   이후 클라이언트는 어느정도 시간 대기한 후 연결이 닫히고 클라이언트와 서버의 모든 자원 연결이 해제된다.

여기서 중요한 것!TIME_WAIT
그냥 연결을 닫으면 되지, 왜 굳이 일정시간 뒤에 닫을까?

1. 지연 패킷이 발생할 경우를 대비
   : 패킷이 뒤늦게 도달했는데, 처리하지못하면 데이터 무결성 문제 발생

2. 두 장치가 연결이 닫혔는지 확인하기 위해
   : 만약 LAST_ACK 상태에서 닫히면 새로운 연결을 하려고 할 때, 접속 오류가 날 것

• TIME_WAIT
  소켓이 바로 소멸되지 않고 일정 시간 유지되는 상태
  지연 패킷 등의 문제점 해결
  CentOS6, 우분투에는 60초. 윈도우는 4분 : OS마다 조금씩 다를 수 있다.
• 데이터 무결성
  데이터의 정확성과 일관성을 유지하고 보증하는 것

인터넷 계층

장치로부터 받은 네트워크 패킷을 IP주소로 지정된 목적지로 전송하기 위해 사용되는 계층
IP, ARP, ICMP...
패킷을 수신해야 할 상대의 주소를 지정하여 데이터 전달
상대방이 제대로 받았는지 보장하지 않는 비연결형적인 특징

• IP
  인터넷 프로토콜(Internet Protocol)의 약자
  인터넷이 통하는 네트워크에서 어떤 정보를 수신하고 송신하는 통신에 대한 규약
• ARP
  주소 결정 프로토콜(Address Resolution Protocol)
  네트워크 상에서 IP 주소를 물리적 네트워크 주소(MAC 주소)로 대응시키기 위해 사용되는 프로토콜
• ICMP
  인터넷 제어 메시지 프로토콜
  오류를 처리하고 IP 메시지를 제어

링크 계층

= 네트워크 접근 계층
전선, 광섬유, 무선 등으로 실질적으로 데이터를 전달하며 장치 간에 신호를 주고받는 규칙을 정하는 계층
물리계층과 데이터링크 계층으로 나누기도 하는데,

• 물리계층
  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
    컴퓨터 네트워크 기술의 하나로, 일반적으로 LAN, MAN 및 WAN에서 가장 많이 활용되는 기술 규격

<유선 LAN>
유선 LAN을 이루는 이더넷은 IEEE802.3 이라는 프로토콜을 따른다.
전이중화 통신을 쓴다

• 전이중화 통신
  양쪽 장치가 동시에 송수신할 수 있는 방식
  송신로와 수신로로 나눠서 데이터를 주고받으며 현대의 고속 이더넷 방식이다.

<유선 LAN을 이루는 케이블>

• 트위스트 페어 케이블(TP 케이블)
  하나의 케이블처럼 보이지만 실제로는 여덟개의 구리선을 두 개씩 꼬아 묶은 케이블
  

케이블

• UTP 케이블
  구리선을 실드 처리하지 않고 덮음
• STP 케이블
  실드 처리하고 덮음

• 광섬유 케이블
  광섬유로 만든 케이블
  레이저를 이용해 통신 : 장거리 및 고속 통신 가능
  광섬유 내부와 외부를 다른 밀도를 가지는 섬유로 제작해 한 번 들어간 빛이 내부에서 계속적으로 반사하며 전진하여 반대편 끝까지 가는 원리 이용
  

• 코어
  빛의 굴절률이 높은 부분
• 클래딩
  빛의 굴절률이 낮은 부분

<무선 LAN>
무선 LAN 장치는 수신과 송신에 같은 채널 사용
반이중화 통신 사용

• 반이중화 통신
  양쪽 장치는 서로 통신할 수 있지만, 동시는 불가능
  장치가 신호를 수신하기 시작하면, 전송이 완료될 때까지 기다려야한다.
  둘 이상의 장치가 동시에 전송하면 충돌이 발생해 메시지가 손실되거나 왜곡될 수 있다.
  -> 충돌 방지 시스템 필요
• CSMA/CA
  반이중화 통신 중 하나
  장치에서 데이터를 보내기 전에 캐리어 감지 등으로 사전에 가능한 한 충돌을 방지하는 방식

1. 데이터 송신 전, 무선 매체를 살핀다.
2. 캐리어 감지 : 회선이 비어있는지 판단한다.
3. IFS(Inter FrameSpace) : 랜덤값을 기반으로 정해진 시간만큼 기다리며, 무선 매체가 사용 중이면 점차 그 간격을 늘려가며 기다린다.
4. 이후 데이터 송신

<무선 LAN을 이루는 주파수>
무선 신호 전달 방식 이용해 2대 이상의 장치 연결
공기에 주파수 쏘아 무선 통신망 구축
대역폭
*2.4GHz
장애물에 강한 특성
전파 간섭이 일어나는 경우가 많음
*5 GHz
사용할 수 있는 채널 수 많고, 동시 사용 가능
깨끗한 전파 환경 구축 가능

• 와이파이
  전자기기들이 무선 LAN 신호에 연결할 수 있게 하는 기술
  사용을 위해 무선 접속 장치 (AP, Access Point) 필요 : 흔히, 공유기라고 함
  AP = 유선 LAN에 흐르는 신호를 무선 LAN 신호로 바꿔주어 신호가 닿는 범위 내에서 무선 인터넷 사용 가능
  -> 무선 LAN 이용한 기술에 지그비, 블루투스도 포함

계층 간 데이터 송수신 과정

애플리케이션 계층에서 전송 계츠으로 필자가 보내는 요청 값들이 캡슐화 과정을 거쳐 전달됨
링크 계층 통해 해당 서버와 통신
해당 서버의 링크 계층트로부터 애플리케이션까지 비캡슐화 과정을 거쳐 데이터 전송

<캡슐화 과정>
상위 계층 헤더와 데이터를 하위 계층의 데이터 부분에 포함시키고, 해당 계층의 헤더 삽입하는 과정

<비캡슐화 과정>
하위 계층에서 상위 계층으로 가며 각 계층의 헤더 부분을 제거하는 과정

PDU

Protocol Data Unit
네트워크의 어떠한 계층에서 계층으로 데이터가 전달될 때 한 덩어리의 단위

구성 = 제어 관련 정보들이 포함된 '헤더' + 데이터를 의미하는 '페이로드'
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)