[CS] TCP/IP 4계층 모델

! '면접을 위한 CS 전공지식 노트'를 계속해서 복습한 내용을 적고 있다.

개요

• 인터넷 프로토콜 스위트 -> 인터넷에서 컴퓨터들이 서로 정보를 주고받는 데 쓰이는 프로토콜의 집합
  • 프로토콜 : 어떤 시스템이 다른 시스템과 통신을 원활하게 수용하도록 해주는 통신 규약, 약속
• 정리된 내용은 TCP/IP 4계층 모델로 -> 네트워크에서 사용되는 통신 프로토콜의 집합으로 계층들은 프로토콜의 네트워킹 범위에 따라 네 개의 추상화 계층으로 구성됨.

1-1) 계층 구조

위에 그림과 같이 OSI 계층은 애플리케이션 계층을 세 개로 쪼개고 링크 계층을 데이터 링크 계층, 물리 계층으로 나눠서 표현하는 것이 다르며, 인터넷 계층을 네트워크 계층으로 부른다는 점이 다르다.

• 이 계층들은 특정 계층이 변경되었을 때 다른 계층이 영향을 받지 않도록 설계되었다.

애플리케이션 계층

• FTTP, HTTP, SSH, SMTP, DNS 등 응용 프로그램이 사용되는 프로토콜 계층
  • 웹 서비스, 이메일 등 서비스를 실질적으로 사람들에게 제공하는 층
  • FTP : 장치와 장치 간의 파일을 전송하는 데 사용되는 표준 통신 프로토콜
  • SSH : 보안되지 않은 네트워크에서 네트워크 서비스를 안전하게 운영하기 위한 암호화 네트워크 프로토콜
  • HTTP : 데이터 통신의 기초이자 웹 사이트를 이용하는데 쓰이는 프로토콜
  • SMTP : 전자 메일 전송을 위한 인터넷 표준 통신 프로토콜
  • DNS : 도메인 이름과 IP 주소를 매핑해주는 서버

전송 계층

• 송신자와 수신자를 연결하는 통신 서비스를 제공하며

• 연결 지향 데이터 스트림 지원, 신뢰성, 흐름 제어를 제공

• 애플리케이션과 인터넷 계층 사이의 데이터가 전달될 때의 중계 역할을 함
  • TCP, UDP 등이 여기에 속함
  • TCP는 패킷 사이의 순서를 보장하고 연결지향 프로토콜을 사용해서 연결을 하여 신뢰성을 구축해 수신 여부를 확인하며 '가상회선 패킷 교환 방식'을 사용함.
  • UDP는 순서를 보장하지 않고 수신 여부를 확인하지 않으며 단순히 데이터만 주는 '데이터그램 패킷 교환 방식'을 사용함.

가상회선 패킷 교환 방식

• 각 패킷에는 가상회선 식별자가 포함되며 모든 패킷을 전송하면 가상회선이 해제되고 패킷들은 전송된 순서대로 도착하는 방식
  
  3,2,1로 이루어진 패킷이 회선을 따라 순서대로 도착함

데이터그램 패킷 교환 방식

• 패킷이 독립적으로 이동하며 최적의 경로를 선택하여 감.

• 하나의 메시지에서 분활된 여러 패킷은 서로 다른 경로로 전송될 수 있으며 도착한 순서가 다를 수 있는 방식
  
  패킷이 순서도 다르고 어떠한 회선을 중심으로 가는 것이 아니라 따로따로 이동하며 순서도 다르게 도착함!

TCP 연결 성립 과정

• TCP는 신뢰성을 확보할 때 '3-웨이 핸드셰이크'라는 작업을 진행한다.
• 이때 나오는 단어
  • SYN : 연결 요청 플래그
  • ACK : 응답 플래그
  • ISN : 초기 네트워크 연결을 할 때 할당된 32비트 고유 시퀀스 번호
    
• 1. SYN 단계 : 클라이언트는 서버에 클라이언트의 ISN을 담아 SYN을 보낸다.
     ISN은 새로운 TCP 연결의 첫 번째 패킷에 할당된 임의의 시퀀스(장치 마다 다를 수 있다)
• 2. SYN + ACK 단계 : 서버는 클라이언트의 SYN을 수신하고 서버의 ISN을 보내며 승인 번호로 클라이언트의 ISN + 1을 보낸다.
• 3. ACK 단계 : 클라이언트는 서버의 ISN + 1 한 값의 승인번호를 담아 ACK를 서버에 보낸다.
• 위 과정 이후에 신뢰성이 구축되고 데이터 전송을 시작한다.

TCP 연결 해제 과정

• 연결 해제시 '4-웨이 핸드셰이크'과정이 발생
  
• 1번 : 클라이언트가 연결을 닫으려고 할 때 FIN으로 설정된 세그먼트를 보냄. 그리고 클라이언트는 FIN_WAIT_1 상태로 들어가고 서버의 응답을 기다린다.
• 2번 : 서버는 클라이언트로 ACK라는 승인 세그먼트를 보냄. 그리고 CLOSE_WAIT 상태에 들어감. 클라이언트가 세그먼트를 받으면 FIN_WAIT_2 상태에 들어감
• 3번 : 서버는 ACK를 보내고 일정 시간 이후에 클라이언트에 FIN이라는 세그먼트를 보냄.
• 4번 : 클라이언트는 TIME_WAIT 상태가 되고 다시 서버로 ACK를 보내서 서버는 CLOSED 상태가 됨. 이후 클라이언트는 어느 정도의 시간을 대기한 후 연결이 닫히고 클라이언트와 서버의 모든 자원의 연결이 해지됨.

TIME_WAIT

• 지연 패킷이 발생할 경우를 대비하기 위함.
  • 패킷이 뒤늦게 도달하고 이를 처리하지 못할 경우 데이터 무결성 문제가 발생함.
  • 데이터 무결성 : 데이터의 정확성과 일관성을 유지하고 보증하는 것

• 두 장치가 연결이 닫혔는지 확인하기 위해서. 만약 LAST_ACK 상태에서 닫히게 되면 다시 새로운 연결을 하려고 할 때 장치는 줄공 LAST_ACK로 되어 있기 때문에 접속 오류가 나타나게 됨.

인터넷 계층

• 장치로부터 받은 네트워크 패킷을 IP 주소로 지정된 목적지로 전송하기 위해 사용되는 계층
• IP, ARP, ICMP 등이 있음
• 패킷을 수신해야 할 상대의 주소를 지정해 데이터를 전달함.
• 상대방이 제대로 받았는지에 대해 보장하지 않는 비연결형적인 특징을 가지고 있다.

링크 계층

• 전선, 광섬유, 무선 등으로 실질적으로 데이터를 전달하며 장치 간에 신호를 주고받는 '규칙'을 정하는 계층

• 물리 계층 : 무선 LAN, 유선 LAN을 통해 0 과 1로 이루어진 데이터를 보내는 계층

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

유선 LAN

• 유선 LAN을 이루는 이더넷은 IEEE802.3이라는 프로토콜을 따르며 전이중화 통신을 쓴다.
• 전이중화 통신
  • 양쪽 장치가 동시에 송수신할 수 있는 방식.
  • 송신로와 수신로로 나눠서 데이터를 주고받으며 현대의 고속 이더넷은 이 방식을 기반으로 통신하고 있다.

• CSMA/CD
  • 이전에는 유선 LAN에 '반이중화 통신' 방식을 썼다.
  • 데이터를 보낸 이후 충돌이 발생한다면 일정 시간 이후 재전송하는 방식을 말함.
  • 수신로와 송신로를 각각 둔 것이 아니고 한 경로를 기반으로 데이터를 보내기 때문에 데이터를 보낼 때 충돌에 대해 대비해야 했기 때문.

무선 LAN

• 수신과 송신에 같은 채널을 사용하기 때문에 반이중화 통신을 사용함.
• 반 이중화 통신
  • 양쪽 자이는 서로 통신할 수 있지만, 동시에는 통신할 수 없으며 한 번에 한 방향만 통신할 수 있는 방식.
  • 장치가 신호를 수신하기 시작하면 응답하기 전에 전송이 완료될 때까지 기다려야함
  • 둘 이상의 장치가 동시에 전송하면 충돌이 발생해 메시지가 손실되거나 왜곡될 수 있기 때문에 충돌 방지 시스템이 필요
• CSMA/CA
  • 반이중화 통신 중 하나로 장치에서 데이터를 보내기 전에 캐리어 감지 등으로 사전에 가능한 한 충돌을 방지하는 방식을 사용함
  • 1. 데이터를 송신하기 전에 무선 매체를 살핌
  • 2. 캐리어 감지: 회선이 비어 있는지를 판단
  • 3. IFS : 랜덤 값을 기반으로 정해진 시간만큼 기다리며, 만약 무선 매체가 사용 중이면 점차 그 간격을 늘려가며 기다림.
  • 4. 이후에 데이터를 송신함.

이더넷 프레임

• 프레임 : 데이터를 담는 컨테이너

• 데이터 링크 계층은 이더넷 프레임을 통해 전달받은 데이터의 에러를 검출하고 캡슐화함.
  
  • Preamble : 이더넷 프레임이 시작임을 알림.
  • SFD : 다음 바이트부터 MAC 주소 필드가 시작됨을 알림
  • DMAC, SMAC : 수신, 송식 MAC 주소
  • EtherType : 데이터 계층 위의 계층인 IP 프로토콜을 정의한다. 예를 들어 IPv4 또는 IPv6가 된다.
  • Payload : 전달받은 데이터
  • CRC : 에러 확인 비트

• MAC 주소
  • 컴퓨터나 노트북 등 각 장치에는 네트워크에 연결하기 위한 장치(LAN 카드)가 있는데, 이를 구별하기 위한 식별 번호

계층간 데이터 송수신 과정

• 애플리케이션 계층에서 전송 계층으로 보내는 요청 값들이 캡슐화 과정을 거쳐 전달되고, 다시 링크 계층을 통해 해당 서버와 통신을 하고, 해당 서버의 링크 계층으로부터 애플리케이션 계층까지 비캡슐화 과정을 거쳐 데이터가 전송된다.

캡슐화 과정

• 상위 계층의 헤더와 데이터를 하위 계층의 데이터 부분에 포함시키고 해당 계층의 헤더를 삽입하는 과정
  
• 애플리케이션 계층의 데이터가 전송 계층으로 전달되면서 '세그먼트' 또는 '데이터그램'화 되며 TCP(L4) 헤더가 붙여지게 됨.
• 그 이후 인터넷 계층으로 가면서 IP(L3) 헤더가 붙여지게 되며 '패킷' 화가 되고, 이후 링크 계층으로 전달되면서 프레임 헤더와 프레임 트레일러가 붙어 '프레임'화가 됨.

비캡슐화 과정

• 캡슐화된 데이터를 받게 되면 링크 계층에서부터 타고 올라오면서 프레임화된 데이터 -> 패킷화 -> 세그먼트, 데이터그램화 -> 메세지화의 과정
• 최종적으로 사용자에게 애플리케이션의 PDU인 메시지로 전달됨.

1-2) PDU

• 네트워크의 어떠한 계층에서 계층으로 데이터가 전달될 때 한 덩어리의 단위를 PDU라고 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)