2.2 TCP/IP 4계층 모델

인터넷 프로토콜 스위트 : 인터넷에서 컴퓨터들이 서로 정보를주고 받는 데 쓰이는 프로토콜의 집합
-> 이를 TCP/IP 4계층이나 OST 7계층 모델로 설명함

계층 구조

계층들은 특정 계층이 변경되었을 때 다른 계층이 영향을 받지 않도록 설계되었음.

애플리케이션 계층

웹서비스, 이메일 등 서비스를 실질적으로 사람들에게 제공하는 층임.
프로토콜 : FTP(파일 전송), HTTP(데이터 통신 기초, 웹사이트 이용시 사용), SSH(암호화 네트워크 프로토콜), SMTP(전자 메일 전송), DNS(도메인 이름과 IP 주소 매핑) 등

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 함.
프로토콜 : TCP(패킷 사이의 순서를 보장하고 연결 지향 프로토콜 사용, 신뢰성 구축, 수신 여부 확인, 가상회선 패킷 교환 방식), UDP(순서를 보장하지 않고 수신 여부를 확인하지 않음, 데이터그램 패킷 교환 방식)

가상회선 패킷 교환 방식

각 패킷에는 가상회선 식별자가 포함되며 모든 패킷을 전송하면 가상 회선 해제되고, 전송된 순서대로 도착하는 방식을 말함

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 방식을 말함

TCP 연결 성립 과정

3-way handshake 작업을 진행함.

1. SYN : 클라이언트는 서버에 클라이언트의 ISN을 담아 SYN 보냄. ISN은 새로운 TCP 연결의 첫번째 패킷에 할당된 임의의 시퀀스 번호를 말함
2. SYN + ACK : 서버는 클라이언트의 SYN을 수신하고, 서버의 ISN을 보내며 승인 번호로 클라이언트의 ISN + 1을 보냄
3. ACK : 클라이언트는 서버가 보내준 ISN + 1한 값인 승인 번호를 담아 ACK를 서버로 보냄

이 과정을 바탕으로 신뢰성이 구축되고 데이터 전송을 시작함.
(SYN은 연결 요청 플래그, ACK는 응답 플래그, ISN는 고유 시퀀스 번호)

TCP 연결 해제 과정

4-way handshake 작업을 진행함.

1. FIN : 클라이언트가 연결을 닫을 때 FIN으로 설정된 세그먼트를 보냄. 클라이언트는 FIN_WAIT_1 상태로 들어가고 서버의 응답을 기다림.
2. ACK : 서버는 클라이언트로 ACK라는 승인 세그먼트를 보냄. CLOSE_WAIT 상태에 들어가고 클라이언트가 세그먼트를 받으면 FIN_WAIT_2 상태에 들어감.
3. FIN : 서버는 ACK를 보내고 일정 시간 이후에 클라이언트에 FIN 세그먼트를 보냄.
4. ACK : 클라이언트는 TIME_WAIT 상태가 되고, 다시 서버로 ACK를 보내서 서버는 CLOSED 상태가 됨. 클라이언트는 어느정도 대기 후 연결 닫히고 클라이언트와 서버의 모든 자원의 연결이 해제됨.

• TIME_WAIT가 필요한 이유? (TIME_WAIT는 소켓이 바로 소멸되지 않고 일정 시간 유지되는 상태를 말함)
  • 지연 패킷이 발생할 경우를 대비하기 위함 (패킷이 뒤늦게 도달하고 이를 처리하지 못하면 데이터 무결성 문제가 발생함.)
  • 두 장치가 연결이 닫혔는지 확인하기 위함 (LAST_ACK 상태에서 닫히면 새로운 연결시에 장치는 계속 LAST_ACK로 되어 있어 접속 오류)

인터넷 계층

장치로부터 받은 네트워크 패킷을 IP 주소로 지정된 목적지로 전송하기 위해 사용되는 계층.
패킷을 수신해야 할 상대의 주소를 지정해 데이터를 전달. 상대방이 제대로 받았는지에 대해 보장하지 않는 비연결형적인 특징
프로토콜 : IP, ARP, ICMP 등

링크 계층

전선, 광섬유, 무선 등으로 실질적으로 데이터를 전달하며 장치 간에 신호를 주고 받는 규칙을 정하는 계층. 네트워크 접근 계층이라고도 함.
물리 계층과 데이터 링크 계층을 나누기도 하는데,
물리 계층은 무선 LAN과 유선 LAN을 통해 0과 1로 이루어진 데이터를 보내는 계층을 말하며,
데이터 링크 계층은 이더넷 프레임을 통해 에러 확인, 흐름 제어, 접근 제어를 담당하는 계층을 말함.

유선 LAN

유선 LAN을 이루는 이더넷은 IEEE802.3이라는 프로토콜을 따르며 전이중화 통신을 씀.

• 전이중화 통신

  • 양쪽 장치가 동시에 송수신할 수 있는 방식을 말함.
  • 송신로와 수신로로 나누어 데이터 주고 받으며 현대 고속 이더넷이 이 방식 사용.
  • 양방향 통신이 가능해서 충돌 가능성이 없기에 충돌 감지나 방지 매커니즘이 필요하지 않음.

• CSMA/CD

  • 반이중화 통신 중 하나임.(전이중화 통신 전에는 이를 사용함.)
  • 데이터를 보낸 이후 충돌이 발생하면 일정 시간 이후 재전송하는 방식을 말함.
  • 수신로와 송신로를 각각 둔 것이 아니고 한 경로를 기반으로 데이터를 보내서 데이터를 보낼 때 충돌에 대비해야 했기 때문.

유선 LAN을 이루는 케이블

• TP 케이블(트위스트 페어 케이블)
• 광섬유 케이블

• TP 케이블
  • 하나의 케이블로 보이나 실제로는 여덟 개의 구리선을 두개씩 꼬아서 묶은 케이블을 지칭함.
  • 구리선을 실드 처리하지 않고 덮은 UTP 케이블 (흔히 LAN 케이블이라고 함)과 실드 처리하고 덮은 STP 케이블로 나누어짐.
  • UTP 케이블을 꽂을 수 있는 커텍터를 RJ-45 커넥터라고 함.
• 광섬유 케이블
  • 광섬유로 만든 케이블.
  • 레이저를 이용하여 통신하기에 구리선과 비교할 수 없을 정도로 장거리 및 고속 통신 가능.
  • 100Gbps의 데이터를 전송하여 광섬유 내부와 외부를 다른 밀도를 가지는 유리나 플라스틱 섬유로 제작해서 한번 들어간 빛이 내부에서 계속적으로 반사하며 전진하여 반대편 끝까지 가는 원리를 이용
  • 빛의 굴절률이 높은 부분을 코어, 낮은 부분을 클래딩이라고 함.

• 반이중화 통신

  • 양쪽 장치는 서로 통신할 수 있지만, 동시에는 통신할 수 없으며 한 번에 한 방향만 통신할 수 있는 방식을 말함.
  • 일반적으로 장치가 신호를 수신하기 시작하면 응답하기 전에 전송이 완료될 때까지 기다려야 함.
  • 둘 이상의 장치가 동시에 전송하면 충돌이 발생하여 메시지가 손실되거나 왜곡될 수 있기 떄문에 충돌 방지 시스템이 필요.

• CSMA/CA

  • 반이중화 통신 중 하나임.
  • 장치에서 데이터를 보내기 전에 일련의 과정을 기반으로 사전에 가능한 한 충돌을 방지하는 방식을 말함.
  1. 사용중인 채널이 있으면 다른 채널 감지하다 유후 상태인 채널 발견
  2. 프레임 간 공간 시간인 IFS 시간만큼 기다림. IFS는 프레임이 우선순위를 정의할 때도 사용 (IFS가 낮으면 우선순위 높음)
  3. 프레임을 보내기 전 0~2^k - 1 사이에서 결정된 랜덤 상수를 기반으로 결정된 시간만큼 기다린 뒤 프레임을 보냄. 프레임을 보낸 뒤 제대로 송신이 되었고 ACK 세그먼트를 받았다면 마침. 그러나 받지 못했다면 과정을 k값을 올려주며 과정 반복하다 k가 정해진 K max보다 더 커지면 해당 프레임 전송은 버림.

무선 LAN

무선 신호 전달 방식을 이용해 2대 이상의 장치를 연결하는 기술임.
비유도 매체인 공기에 주파수를 쏘아 무선 통신망을 구축하는데, 주파수 대역은 2.4나 5GHz 중 하나를 사용함.
2.4는 장애물에 강하지만 전파 간섭이 일어나는 경우가 많고, 5 대역은 사용할 수 있는 채널 수도 많고 동시에 사용할 수 있기 때문에 상대적으로 깨끗한 전파 환경 구축 가능.
-> 따라서 보통 5 대역을 사용하는 것이 좋음!

• 와이파이

  • 전자기기들이 무선 LAN 신호에 연결할 수 있게 하는 기술
  • AP라는 무선 접속 장치가 필요함. (흔히 공유기라고 함)
  • AP를 통해 유선 LAN에 흐르는 신호를 무선 LAN 신호로 바꿔서 신호가 닿는 범위 내에서 무선 인터넷을 사용할 수 있게 됨.

• BSS

  • 기본 서비스 집합을 의미하며, 단순 공유기를 통해 네트워크에 접속하는 것이 아닌 동일 BSS 내에 있는 AP들과 장치들이 서로 통신 가능한 구조를 말함.
  • 근거리 무선 통신을 제공하고 하나의 AP만을 기반으로 구축되어 있어 사용자가 한 곳에서 다른 곳으로 자유롭게 이동하여 네트워크에 접속하는 것은 불가능함.

• ESS

  • 하나 이상의 연결된 BSS 그룹임.
  • 장거리 무선 통신을 제공하여 BSS보다 더 많은 가용성과 이동성을 지원함.
  • 사용자는 한 장소에서 다른 장소로 이동하며 중단 없이 네트워크에 계속 연결할 수 있음.

이더넷 프레임

데이터링크 계층은 이더넷 프레임을 통해 전달받은 데이터의 에러를 검출하고 캡슐화함.

• Preamble : 시작을 알림
• SFD : 다음 바이트부터 MAC 주소 필드 시작됨을 알림
• DMAC, SMAC : 수신, 송신 MAC 주소를 말함
• EtherType : 데이터 계층 위의 게층인 IP 프로토콜을 정의. IPv4 / IPv6
• Payload : 전달받은 데이터
• CRC : 에러 확인 비트

(MAC 주소는 네트워크에 연결하기 위한 LAN 카드라는 장치의 식별 번호임)

계층 간 데이터 송수신 과정

애플리케이션 계층 -> 전송 계층 -> 인터넷 계층 -> 링크 계층 : 내가 보내려는 요청값들이 캡슐화 과정을 거쳐 전달됨
링크 계층에서 해당 서버와 통신을 한 후,
링크 계층 -> 인터넷 계층 -> 전송 계층 -> 애플리케이션 계층 : 비캡슐화 과정을 거쳐 데이터가 전송됨

캡슐화 과정

상위 계층의 헤더와 데이터를 하위 계층의 데이터 부분에 포함시키고 해당 계층의 헤더를 삽입하는 과정을 말함

애플리케이션 계층 -> 전송 계층으로 전달되며 세그먼트 or 데이터그램화 됨. TCP 헤더 붙여짐
전송 계층 -> 인터넷 계층으로 가면서 IP 헤더가 붙여지며 패킷화됨.
인터넷 계층 -> 링크 계층으로 가면서 프레임 헤더와 프레임 트레일러가 붙어 프레임화됨.

비캡슐화 과정

위로 올라가면서 프레임화되었던 데이터는 패킷화를 거쳐 세그먼트나 데이터그램화, 메시지화됨.
최종적으로 사용자에게 애플리케이션의 PDU인 메시지로 전달됨.

PDU

네트워크의 어떠한 계층에서 계층으로 데이터가 전달될 때 한 덩어리의 단위를 PDU라고 함.
제어 관련 정보들이 포함된 헤더, 데이터를 의미하는 페이로드로 구성되어 있음.

• 애플리케이션 : 메시지
• 전송 : 세그먼트(TCP), 데이터그램(UDP)
• 인터넷 : 패킷
• 링크 : 프레임(데이터링크 계층), 비트(물리 계층)

이 PDU 중 가장 아래 계층인 비트로 송수신하는 것이 모든 PDU 중 가장 빠르고 효율성이 높음.
하지만 애플리케이션 계층에서는 문자열을 기반으로 송수신하는데, 헤더에 authorization 값 등 다른 값들을 넣는 확장이 쉽기 때문임.

참고

https://mindnet.tistory.com/entry/%EB%84%A4%ED%8A%B8%EC%9B%8C%ED%81%AC-%EC%89%BD%EA%B2%8C-%EC%9D%B4%ED%95%B4%ED%95%98%EA%B8%B0-22%ED%8E%B8-TCP-3-WayHandshake-4-WayHandshake
https://nice-engineer.tistory.com/entry/%EB%84%A4%ED%8A%B8%EC%9B%8C%ED%82%B9-ethernet-%ED%94%84%EB%A0%88%EC%9E%84