2.2 TCP/IP 4계층 모델

2.2.1 계층 구조

TCP/IP 계층은 네 개의 계층을 가지고 있으며 OSI 7계층과 많이 비교한다

OSI계층은 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

FTP, HTTP, SSH, SMTP, DNS 등 응용 프로그램이 사용되는 프로토콜 계층이며 웹 서비스, 이메일 등 서비스를 실질적으로 사람들에게 제공하는 층

전송 계층

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 역할을 한다

• TCP: 패킷 사이의 순서를 보장하고 연결지향 프로토콜을 사용해서 연결을 하여 신뢰성을 구축해서 수신 여부를 확인하며 가상회선 패킷 교환 방식을 사용
• UDP: 순서를 보장하지 않고 수신 여부를 확인하지 않으며 단순히 데이터만 주는 데이터그램 패킷 교환 방식을 사용

가상회선 패킷 교환 방식

각 패킷에는 가상회선 식별자가 포함되며 모든 패킷을 전송하면 가상회선이 해제되고 패킷들은 전송된 순서대로 도착하는 방식

데이터그램 패킷 교환 방식

패킷이 독립적으로 이동하며 최적의 경로를 선택하여 가는데, 하나의 메시지에서 분할된 여러 패킷은 서로 다른 경로로 전송될 수 있으며 도착한 순서가 다를 수 있는 방식

TCP 연결 성립 과정

TCP는 신뢰성을 확보할 떄 3-웨이 핸드셰이크 라는 작업을 진행



3-웨이 핸드셰이크 과정 이후 신뢰성이 구축되고 데이터 전송을 시작

• TCP는 이 과정이 있기 때문에 신뢰성이 있는 계층이라고 한다
• UDP는 없기 때문에 신뢰성이 없는 계층이라고 한다

TCP 연결 해제 과정

TCP가 연결을 해제할 때는 4-웨이 핸드셰이크 과정이 발생

TIME_WAIT가 일정 시간 뒤에 닫는 이유는?

1. 지연 패킷이 발생할 경우를 대비하기 위해
   패킷이 뒤늦게 도달하고 이를 처리하지 못한다면 데이터 무결성 문제가 발생
2. 두 장치가 연결이 닫혔는지 확인하기 위해
   LAST_ACK 상태에서 닫히게 되면 다시 새로운 연결을 하려고 할 때 장치는 줄곧 LAST_ACK로 되어 있기 때문에 접속 오류가 나타난다

인터넷 계층

• 장치로부터 받은 네트워크 패킷을 IP주소로 지정된 목적지로 전송하기 위해 사용되는 계층
• IP, ARP, ICMP 등이 있으며 패킷을 수신해야 할 상대의 주소를 지정하여 데이터를 전달
• 상대방이 제대로 받았는지에 대해 보장하지 않는 비연결형적인 특징을 가지고 있다

링크계층

전선, 광섬유, 무선 등으로 실질적으로 데이터를 전달하며 장치 간에 신호를 주고받는 규칙을 정하는 계층
네트워크 접근 계층이라고도 한다
물리계층과 데이터 링크 계층으로 나누기도 하는데 물리계층은 무선 LAN과 유선 LAN을 통해 0과 1로 이루어진 데이터를 보내는 계층을 말하며 데이터 링크계층은 이더넷 프레임을 통해 에러 확인, 흐름 제어, 접근 제어를 담당하는 계층을 말한다

유선 LAN

• 전이중화 통신
  양쪽 장치가 동시에 송수신할 수 있는 방식
  송신로와 수신로로 나눠서 데이터를 주고 받으며 현대의고속 이더넷은 이 방식을 기반으로 통신
  

• CSMA/CD
  데이터를 보낸 이후 충돌이 발생한다면 일정 시간 이후 재전송하는 방식
  수신로와 송신로를 각각 둔 것이 아니고 한 경로를 기반으로 데이터를 보내기 때문에 데이터를 보낼 때 충돌에 대해 대비해야 했기 때문

유선 LAN을 이루는 케이블

• 트위스트 페어 케이블
  여덟 개의 구리선을 두 개씩 꼬아서 묶은 케이블을 지칭

• 광섬유 케이블
  광섬유로 만든 케이블
  레이저를 이용해서 통신하기 때문에 장거리 및 고속 통신이 가능

무선 LAN

• 반이중화 통신
  양쪽 장치로는 서로 통신할 수 있지만, 동시에는 통신할 수 없으며 한 번에 한 방향만 통신 할 수 있는 방식
  장치가 신호를 수신하기 시작하면 응답하기 전에 전송이 완료될 때까지 기다려야 한다
  둘 이상의 장치가 동시에 전송하면 충돌이 발생하여 메시지가 손실되거나 왜곡될 수 있기 때문에 충돌 방지 시스템이 필요하다

• CSMA/CA
  과정
  

무선 LAN을 이루는 주파수

무선 신호 전달 방식을 이용하며 2대 이상의 장치를 연결하는 기술
비유도 매체인 공기에 주파수를 쏘아 무선 통신망을 구축하는데, 주파수 대역은 2.4GHz대역 또는 5GHz대역 중 하나를 써서 구축

• 와이파이
  전자기기들이 무선 LAN 신호에 연결할 수 있게 하는 기술
  지그비, 블루투스 등도 무선LAN을 이용한 기술

• BSS
  기본 서비스 집합을 의미하며, 동일 BSS내에 있는 AP들과 장치들이 서로 통신이 가능한 구조
  근거리 무선 통신을 제공하고 하나의 AP만을 기반으로 구축이 되어 있어 사용자가 한곳에서 다른곳으로 자유롭게 이동하며 네트워크에 접속하는 것은 불가능

• ESS
  하나 이상의 연결된 BSS 그룹
  장거리 무선 통신을 제공하며 BSS보다 더 많은 가용성과 이동성을 지원
  사용자는 한 장소에서 다른 장소로 이동하며 중단 없이 네트워크에 계속 연결할 수 있다

이더넷 프레임

데이터 링크 계층은 이더넷 프레임을 통해 전달받은 데이터의 에러를 검출하고 캡슐화한다

계층 간 데이터 송수신 과정

애플리케이션 계층에서 전송 계층으로 보내는 요청 값들이 캡슐화 과정을 거쳐 전달 되고 다시 링크 계층을 통해 해당 서버와 통신을 하고 해당 서버의 링크 계층으로부터 애플리케이션까지 비캡슐화 과정을 거쳐 데이터가 전송

캡슐화 과정

상위 계층의 헤더와 데이터를 하위 계층의 데이터 부분에 포함시키고 해당 계층의 헤더를 삽입하는 과정

애플리케이션 계층의 데이터가 전송 계층으로 전달되면서 세그먼트 또는 데이터그램화 되며 TCP헤더가 붙는다
이후 인터넷 계층으로 가면서 IP헤더가 붙여지게 되며 패킷화되고 링크 계층으로 전달되면서 프레임 헤더와 프레임 트레일러가 붙어 프레임화가 된다

비캡슐화 과정

하위 계층에서 상위 계층으로 가며 각 계층의 헤더 부분을 제거하는 과정

캡슐화된 데이터를 받게 되면 링크 계층에서부터 타고 올라오면서 프레임화된 데이터는 다시 패킷화를 거쳐 세그먼트, 데이터그램화를 거쳐 메시지화가 되는 비캡슐화 과정이 일어난다
최종적으로 사용자에게 애플리케이션의 PDU인 메시지로 전달

2.2.2 PDU

네트워크의 어떠한 계층에서 계층으로 데이터가 전달될 때 한 덩어리의 단위를 PDU라고 한다
PDU는 제어 관련 정보들이 포함된 헤더, 데이터를 의미하는 페이로드로 구성되어 있으며 계층마다 부르는 명칭이 다르다

PDU중 아래 계층인 비트로 송수신하는 것이 모든 PDU중 가장 빠르고 효율성이 높다
하지만 애플리케이션 계층에서는 문자열을 기반으로 송수신을 하는데 헤더에 authorization값 등 다른 값들을 넣는 확장이 쉽기 때문