2 네트워크

2.2 TCP/IP 4계층 모델

인터넷 프로토콜 스위트(internet protocol suite)
인터넷에서 컴퓨터들이 서로 정보를 주고받는 데 쓰이는 프로토콜의 집합

• TCP/IP 4계층 모델, OSI 7계층 모델 등등
  • 네트워크에서 사용되는 통신 프로토콜의 집합
  • 각 계층들은 프로토콜의 네트워킹 범위에 따라 네 개의 추상화 계층으로 구성됨

2.2.1 계층 구조

애플리케이션 계층
FTP, HTTP, SSH, SMTP, DNS 등 응용 프로그램이 사용되는 프로토콜 계층이며 웹서비스, 이메일 등 서비스를 실질적으로 사람들에게 제공하는 층

• FTP(File Transfer Protocol) : 장치와 장치 간의 파일을 전송하는 데 사용되는 표준 통신 프로토콜
• SSH(Secure SHell) : 보안되지 않은 네트워크에서 네트워크 서비스를 안전하게 운영하기 위한 암호화 네트워크 프로토콜
• HTTP(HyperText Transfer Protocol) : World Wide Web을 위한 데이터 통신의 기초이자 웹 사이트를 이용하는데 쓰는 프로토콜
• SMTP(Simple Mail Transfer Protocol) : 전자 메일 전송을 위한 인터넷 표준 통신 프로토콜
• DNS(Domain Name System) : 도메인 이름과 IP 주소를 매핑해주는 서버

전송 계층
송신자와 수신자를 연결하는 통신 서비스 제공, 연결 지향 데이터 스트림 지원, 신뢰성, 흐름 제어 제공, 애플리케이션과 인터넷 계층 사이의 중계 역할

• TCP(Transmission Control Protocol) : 패킷 사이의 순서를 보장하고 연결지향 프로토콜을 사용해서 연결을 하여 신뢰성을 구축해서 수신 여부를 확인하며 '가상회선 패킷 교환 방식'을 사용함
  • 가상회선 패킷 교환 방식 : 각 패킷에는 가상회선 식별자가 포함되며 모든 패킷을 전송하면 가상회선이 해제되고 패킷들은 전송된 순서대로 도착하는 방식
    
• UDP(User Datagram Protocol) : 순서를 보장하지 않고 수신 여부를 확인하지 않으며 단순히 데이터만 주는 '데이터그램 패킷 교환 방식'을 사용함
  • 데이터그램 패킷 교환 방식 : 패킷이 최적의 경로를 선택하여 독립적으로 이동, 하나의 메세지에서 분할된 여러 패킷은 서로 다른 경로로 전송될 수 있으며 도착한 순서가 다를 수 있는 방식
    

TCP 연결 성립 과정(3-way handshake)

1. SYN 단계 : 클라이언트는 서버에 ISN을 담아 SYN을 전송, ISN은 새로운 TCP 연결의 첫 번째 패킷에 할당된 임의의 시퀀스 번호
2. SYN + ACK 단계 : 서버는 클라이언트의 SYN을 수신하고 서버의 ISN을 보내며 승인번호로 클라이언트의 ISN+1을 보냄
3. ACK 단계 : 클라이언트는 승인번호로 서버의 ISN+1을 보냄

위 과정을 통해 TCP는 신뢰성을 구축함

TCP 연결 해제 과정 (4-way handshake)

1. 클라이언트가 연결을 닫으려 할 때 FIN으로 설정된 세그먼트를 전송 후 FIN_WAIT_1 상태로 돌입하여 서버의 응답 대기
2. 서버는 클라이언트로 ACK라는 승인 세그먼트 전송 후 CLOSE_WAIT 상태로 돌입. 클라이언트는 세그먼트 수신 후 FIN_WAIT_2 상태 돌입
3. 서버는 ACK 송신 일정 시간 후 클라이언트에 FIN이라는 세그먼트 송신
4. 클라이언트는 TIME_WAIT 상태가 되고 다시 서버로 ACK 송신. 서버는 CLOSED 상태로 돌입. 일정 시간 대기 후 연결 해제

클라이언트가 TIME_WAIT → CLOSED까지 일정시간 대기하는 이유

1. 지연 패킷의 발생을 대비하여 데이터 무결성을 지키기 위함
2. 두 장치가 연결이 닫혔는지 확인하여 다음 접속 시 오류를 방지하기 위함

인터넷 계층
장치로부터 받은 네트워크 패킷을 IP 주소로 지정된 목적지로 전송하기 위해 사용되는 계층. IP, ARP, ICMP 등이 있으며 패킷을 수신해야 할 상대의 주소를 지정하여 데이터를 전달함. 상대방의 수신 여부를 보장하지 않는 비연결형적인 특징을 가짐

링크 계층
전선, 광섬유, 무선 등으로 실질적으로 데이터를 전달하며 장치 간의 신호를 주고받는 규칙을 정하는 계층. 네트워크 접근 계층이라고도 함.

OSI 7계층에선 이를 물리 계층, 데이터 링크 계층으로 나눔. 물리 계층은 무선 LAN과 유선LAN을 통해 0과 1로 이루어진 데이터를 보내는 계층, 데이터 링크 계층은 '이더넷 프레임'을 통해 에러 확인, 흐름 제어, 접근 제어를 담당하는 계층임

• 유선 LAN(IEEE802.3) : 유선 LAN을 이루는 이더넷은 IEEE802.3이라는 프로토콜을 따르며 전이중화 통신을 사용함
  • 전이중화 통신 : 송신로와 수신로를 나눠 데이터를 주고받아 양쪽 장치가 동시에 송수신할 수 있는 방식. 현대의 고속 이더넷은 이 방식을 기반으로함
  • CSMA/CD : 한 경로를 기반으로 데이터를 주고받는 반이중화 통신 방법 중 하나. 데이터를 보낸 이후 충돌이 발생한다면 일정 시간 이후 재전송하는 방식
  • TP케이블, 광섬유 케이블을 주로 활용
• 무선 LAN(IEEE802.11) : 수신과 송신에 같은 채널을 사용하기 때문에 반이중화 통신 사용
  • 반이중화 통신 : 양쪽장치는 서로 통신할 수 있지만, 동시에는 통신할 수 없으며 한번에 한 방향만 통신할 수 있음. 둘 이상의 장치가 동시에 전송하면 충돌이 발생하여 데이터 왜곡이 발생할 수 있기 때문에 충돌 방지 시스템 필요
  • CSMA/CA : 데이터를 보내기 전에 일련의 과정을 기반으로 사전에 가능한 한 충돌을 방지하는 반이중화 통신 중 하나
  • 와이파이, BSS(Basic Service Set), ESS(Extended Service Set) 등을 활용
• 이더넷 프레임 : 데이터 링크 계층에서 전달받은 데이터의 에러 검출, 캡슐화를 담당

계층 간 데이터 송수신 과정

1. 클라이언트 컴퓨터의 애플리케이션 계층 → 전송 계층을 거쳐 데이터가 캡슐화됨
2. 클라이언트 컴퓨터와 서버 컴퓨터가 링크 계층을 통해 통신
3. 서버 컴퓨터의 전송 계층 → 애플리케이션 계층까지의 비캡슐화 과정을 통해 데이터가 전송됨

• 캡슐화 과정
  

1. 애플리케이션 계층 → 전송 계층 과정 : TCP(L4) 헤더가 붙어 데이터가 '세그먼트' 또는 '데이터그램'화됨
2. 전송 계층 → 인터넷 계층 과정 : IP(L3) 헤더가 붙어 '패킷'화됨
3. 인터넷 계층 → 링크 계층 과정 : 프레임 헤더와 프레임 트레일러가 붙어 '프레임'화됨

• 비캡슐화 과정
  
  캡슐화의 역순으로 헤더를 제거해가며 최종적으로 사용자에게 애플리케이션의 PDU인 메시지로 전달됨

2.2.2 PDU

네트워크의 어떠한 계층에서 계층으로 데이터가 전달될 때 한 덩어리의 단위를 PDU(Protocol Data Unit)이라 함

PDU는 제어 관련 정보들이 포함된 '헤더', 데이터를 의미하는 '페이로드'로 구성되어 있으며 계층마다 명칭이 다름

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