[CS] 네트워크 - 인터넷 프로토콜 스위트, TCP/IP 4계층 모델의 개념 및 구성

Janet·2023년 6월 28일

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인터넷 프로토콜 스위트란?

인터넷 프로토콜 스위트(internet protocol suite)는 인터넷에서 컴퓨터들이 서로 정보를 주고받는 데 쓰이는 프로토콜의 집합이다.
인터넷 프로토콜 스위트는 TCP/IP 4계층 모델이나 OSI(Open Systems Interconnection) 7계층 모델로 설명하기도 한다.

TCP/IP의 개념

TCP(전송 제어 프로토콜, Transmission Control Protocol)란? 한 기기에서 다른 기기로 데이터 전송하는 것을 담당한다.
IP(인터넷 프로토콜, Internet Protocol)는 데이터의 조각을 최대한 빨리 대상 IP 주소로 보내는 역할을 표시합니다.
데이터 전송의 과정에서 TCP와 IP 각각 담당하는 작업이 있지만, 결국에는 같은 결과를 목표로 하기 때문에 한 명칭으로 알려지기도 한다.

TCP/IP 4계층의 개념

네트워크에서 사용되는 통신 프로토콜의 집합(통신 규칙의 모음)으로 계층들은 프로토콜의 네트워킹 범위에 따라 네 개의 추상화 계층으로 구성된다.
TCP/IP 모델이 다양한 기기와 앱에서 효율적으로 ‘통신’하고 데이터를 전송할 수 있도록 하는 방식이다.
특정 계층이 변경되었을 때 다른 계층이 영향을 받지 않도록 설계되었다.
▼ TCP/IP 4계층과 OSI 7계층 구조 비교

TCP/IP 4계층의 구성

1. 응용 계층(Application Layer)

응용 계층은 FTP, HTTP, SSH, DNS, SMTP 등 응용 프로그램이 사용되는 프로토콜 계층이다.
웹 서비스, 이메일, 원격 파일 접근 및 전송, 공유 데이터베이스 관리 등의 서비스를 실질적으로 사람들에게 제공하는 층이다.
cf. 용어 정리
- FTP(File Transfer Protocol): 장치와 장치 간의 파일을 전송하는 데 사용되는 표준 통신 프로토콜
- HTTP(HyperText Transfer Protocol): World Wide Web을 위한 데이터 통신의 기초이자 웹 사이트를 이용하는 데 쓰는 프로토콜
- SSH(Secure Shell): 보안되지 않은 네트워크에서 네트워크 서비스를 안전하게 운영하기 위한 암호화 네트워크 프로토콜
- DNS(Domain Name System): 도메인 이름과 IP 주소를 매핑해주는 서버.
- SMTP(Simple Mail Transfer Protocol): 전자 메일 전송을 위한 인터넷 표준 통신 프로토콜

2. 전송 계층(Transport Layer)

전송 계층은 말그대로 전송을 담당하는 계층으로 송신자와 수신자를 연결하는 통신 서비스를 제공한다.
응용 계층과 인터넷 계층 사이의 데이터가 전달될 때 중계 역할을 한다.

전송 계층에는 대표적으로 TCP와 UDP가 있는데, 응용 프로그램이 해당 응용 환경에 적합한 기능을 지원하기 위해 연결형 서비스인 TCP를 사용할지 비연결형 서비스인 UDP가 필요한지를 판단하여 선택한다.

UDP(User Datagram Protocol)의 특징
- UDP는 TCP보다 단순하며, 다른 데이터에 비해 안전하게 보호되어야 할 필요가 없는 실시간 응용 프로그램에서 흔히 이용된다.
- TCP보다 신뢰도가 낮고 오류 검출, 흐름 제어 등의 기능을 제공하지 않음.
- 수신 여부를 확인하지 않으며 단순히 데이터만 준다.
- 패킷을 빠르게 전송하는 응용 계층에서 이용되고 있다.
- 패킷 사이의 전송 순서를 보장하지 않는다.
- 데이터그램 패킷 교환 방식을 사용한다.
- 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 말한다.

TCP(Transmission Control Protocol)의 특징
- TCP는 두 네트워크 사이에 연결을 형성하고 효율적인 작업을 위해 데이터를 작은 패킷으로 나눠서 데이터를 전송한다.

패킷 사이의 전송 순서를 보장한다.
연결지향 프로토콜을 사용해서 연결을 하여 데이터 신뢰성을 구축해서 수신 여부를 확인한다.
TCP는 UDP에 비해 신뢰도가 높지만 속도가 느리다.
가상회선 패킷 교환 방식을 사용한다.
가상회선 패킷 교환 방식: 각 패킷에는 가상회선 식별자가 포함되며 모든 패킷을 전송하면 가상회선이 해제되고 패킷들은 전송된 순서대로 도착하는 방식을 말한다.

TCP 연결 성립 과정: 3-way handshake
- TCP는 신뢰성을 확보할 때 ‘3-way handshake’라는 작업을 진행한다. 해당 과정을 통해 신뢰성을 구축하고 데이터 전송을 시작한다. UDP는 이 과정이 없기에 신뢰성이 없는 계층이라고 한다.

SYN 단계: 클라이언트는 서버에 클라이언트의 ISN을 담아 SYN을 보낸다.
- cf. ISN(Initial Sequence Number)은 초기 네트워크 연결을 할 때 할당된 32비트 고유 시퀀스 번호
SYN + ACK 단계: 서버는 클라이언트의 SYN을 수신하고 서버의 ISN을 보내며 승인번호(ACK)로 클라이언트의 ISN + 1 을 보낸다.
ACK 단계: 클라이언트는 다시 서버로 부터 받은 ISN에 + 1한 값인 승인번호를 담아 ACK를 서버에 보낸다.

cf. TCP State(연결 상태 설명)

상태	설명
CLOSED	연결 수립을 시작하기 전의 기본 상태 (연결 없음)
LISTEN	포트가 열린 상태로 연결 요청 대기 중
SYN-SENT	SYN 요청을 한 상태
SYN-RECEIVED	SYN 요청을 받고 상대방의 응답을 기다리는 중
ESTABLISHED	연결 수립이 완료된 상태, 서로 데이터 교환 가능

cf. TCP Flag (모든 플래그는 1비트로 정의 된다)
- SYN(Synchronization): 연결 요청 플래그. 송수신 간에 순서번호의 동기화. TCP 세션을 initiate하기 위해 가장 먼저 보내는 시퀀스 비트.
- ACK(Acknowledgment): 승인. 응답 플래그로 상대방으로부터 패킷을 받았다는걸 알림. 확인 응답 필드에 확인 응답 번호 값이 세팅 됐음을 알림. SYN패킷에 응답하는 패킷으로 일반적으로 +1하여 응답하는 비트.
- RST(Reset): 강제 연결 종료. 연결 확립(ESTABLISHED)된 회선에 강제 리셋 요청. 비정상적인 세션을 끊거나 즉시 연결을 끊고자 하는 초기화 제어 비트.
- PSH(Push): 주로 대화형 패킷에 사용되고, 대기 시간 없이 즉시 7계층으로 바로 전송하는 비트. 버퍼링된 데이터를 가능한 빨리 상위 계층 응용프로그램에 즉시 전달.
- URG(Urgent): 긴급 데이터. 송신측 상위 계층이 긴급 데이터라고 알리면 긴급비트를 설정하고 순서에 상관없이 먼저 송신됨.
- FIN(Finish): 연결 종료 요청. 세션 연결을 종료시킬 때 사용되며 더 이상 전송할 데이터가 없음을 나타낸다.
  - cf. Sequence number 값으로 무작위 수를 사용하는 이유?
    - 연결을 맺을 때 사용하는 포트는 유한 범위 내에서 사용하고 시간에 지남에 따라 재사용된다. 서버 측에서는 패킷의 SYN을 보고 패킷을 구분하는데 이전의 연결로부터 오는 패킷으로 인식하는 문제 발생 가능성을 줄이기 위함이다.
TCP 연결 해제 과정: 4-way handshake의 과정

클라이언트가 서버와의 연결 종료를 위해 FIN 세그먼트를 보내고 클라이언트는 FIN_WAIT_1 상태로 들어가고 서버의 응답을 기다린다.
서버는 클라이언트로부터 FIN을 받고 응답(승인) 세그먼트인 ACK를 보낸다. 그리고 서버는 CLOSE_WAIT 상태에 들어간다. 클라이언트가 ACK 세그먼트를 받으면 FIN_WAIT_2 상태에 들어간다.
서버는 ACK를 보내고 일정 시간 이후에 클라이언트에 FIN 세그먼트를 보낸다.
클라이언트는 TIME_WAIT 상태가 되고 다시 서버로 ACK를 보내면 서버는 CLOSED 상태가 된다. 이후 클라이언트는 어느 정도의 시간을 대기한 후 연결이 닫히고 클라이언트와 서버의 모든 자원의 연결이 해제된다.
- TIME_WAIT가 상태가 필요한 이유
  - TIME_WAIT: 소켓이 바로 소멸되지 않고 일정 시간 유지되는 상태. OS마다 시간은 조금씩 다를 수 있음.
  - 지연 패킷이 발생할 경우를 대비하기 위함. 패킷이 뒤늦게 도달하고 이를 처리하지 못한다면 데이터 무결성 문제가 발생한다.
  - 데이터 무결성(data integrity): 데이터의 정확성과 일관성을 유지하고 보증하는 것
  - 두 장치가 연결이 닫혔는지 확인하기 위함.

cf. TCP State

상태	설명
CLOSE	커넥션 없음
LISTEN	Passive open, SYN을 기다리는 상태
SYN-SENT	SYN을 보내고 ACK를 기다리는 상태
SYN-RCVD	SYN+ACK을 보내고 ACK를 기다리는 상태
ESTABLISHED	커넥션이 생성된 상태, 데이터를 전송할 수 있다.
FIN-WAIT-1	첫 FIN이 보내진 상태, ACK를 기다리고 있다.
FIN-WAIT-2	첫 FIN에 대한 ACK를 받은 상태, 2번째 FIN을 기다리고 있다.
CLOSE-WAIT	첫 FIN을 받고 ACK를 보낸 상태, 어플리케이션의 종료를 기다리고 있다.
TIME-WAIT	2번째 FIN을 받고 ACK를 보낸 상태, 동일 포트와 주소에 커넥션이 생성되지 않도록 하는 시간(2MSL time out)을 기다리는 상태
LAST-ACK	2번쨰 FIN을 보내고 ACK를 기다리는 상태
CLOSING	양쪽이 동시에 닫기로 한 상태

3. 인터넷 계층(Internet Layer)

인터넷 계층은 장치로부터 받은 네트워크 패킷을 IP 주소를 통해 지정된 목적지로 전송하기 위해 사용되는 계층이다.
인터넷 계층에는 IP, ARP, IGMP, ICMP 등이 있다.
비연결형적인 특징을 갖고있어서 상대방이 제대로 받았는지에 대해 보장하지 않는다.
- cf. 용어 정리
  - IP(Internet Protocol): 인터넷이 통하는 네트워크에서 어떤 정보를 송수신하는 통신에 대한 규약(프로토콜).
  - ARP(Address Resolution Protocol): 주소 결정 프로토콜(ARP)은 네트워크 상에서 IP주소를 물리적 네트워크 주소로 대응(bind)시키기 위해 사용되는 프로토콜.
  - IGMP(Internet Group Management Protocol): 그룹 멤버십을 구성하거나, 그룹 관리를 위한 프로토콜
  - ICMP(Internet Control Message Protocol): 인터넷 통신 서비스 환경에서 오류에 대한 알림과 관련된 메시지를 전달하는 목적의 프로토콜

4. 데이터 링크(Datalink Layer) = 네트워크 접근 계층(Network Access Layer)

데이터 링크 계층은 전선, 광섬유, 무선 등으로 실질적으로 데이터를 전달하며 장치 간에 신호를 주고받는 규칙을 정하는 계층이다.
물리 계층과 데이터 링크 계층으로 나누기도 한다.
- 물리 계층: 무선 LAN과 유선 LAN을 통해 0과 1로 이뤄진 데이터를 보내는 계층.
  - 유선 LAN(IEEE802.3)의 개념 및 LAN 케이블 종류
    - 유선 LAN을 이루는 이더넷은 IEEE802.3 프로토콜을 따른다.
    - 전이중화 통신(Full duplex)을 사용한다.
      - cf. 전이중화 통신(Full duplex): 양방향 통신. 양쪽 장치가 동시에 송수신할 수 있는 방식이다. 송신로와 수신로로 나눠서 데이터를 주고받으며 현대의 고속 이더넷은 이 방식을 기반으로 통신한다.
      - 이전에는 유선 LAN에 반이중화 통신(Half duplex) 중 하나인 CSMA/CD 방식을 썼었다.
    - 대표적으로 TP 케이블과 광섬유 케이블이 있다.
      - TP 케이블(Twisted Pair Cable)
        
        하나의 케이블 내부에 8개의 구리선을 2개씩 꼬아서 묶은 구조이다.
        
        TP 케이블의 종류
        
        UTP 케이블: 비차폐 연선(Unshielded Twisted Pair)은 구리선을 실드 처리하지 않고 덮은 케이블. (LAN 케이블이 이에 속한다)
        
        STP 케이블: 차폐 연선(Shielded Twisted Pair)은 구리선을 실드 처리하고 덮은 케이블
      - 광섬유 케이블(Optical fiber cable)
        
        레이저를 이용해서 통신하기에 구리선과 비교할 수 없을 만큼의 장거리 및 고속 통신이 가능하다.
        
        보통 100Gbps의 데이터를 전송한다.
        
        광섬유 내부와 외부를 다른 밀도를 가지는 유리나 플라스틱 섬유로 제작해서 한 번 들어간 빛이 내부에서 계속적으로 반사하며 전진하여 반대편 끝까지 가는 원리를 이용한다.
        
        빛의 굴절률이 높은 부분을 코어(core), 낮은 부분을 클래딩(cladding)이라고 한다.
  - 무선 LAN의 개념 특징
    - 무선 LAN(WLAN, Wireless Local Area Network)의 개념
      - 무선 LAN은 무선 신호 전달 방식을 이용하여 2대 이상의 장치를 연결하는 기술이다.
      - 수신과 송신에 같은 채널을 사용하므로 반이중화 통신을 사용한다.
      - 반이중화 통신(Half duplex): 단방향 통신. 양쪽 장치는 서로 통신할 수 있지만, 동시에는 통신할 수 없으며 한 번에 한 방향만 통신할 수 있는 방식을 말한다.
      - 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.
      - 충돌 방지 시스템으로 CSMA/CD 방식 등이 있다.
      - cf. CSMA/CD의 개념 및 동작 과정
        
        Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection(반송파 감지 다중 접속 및 충돌 탐지)는 반이중화 통신 중 하나로 장치에서 데이터를 보내기 전에 캐리어 감지 등으로 사전에 가능한 한 충돌을 방지하는 방식이다.
        
        만약 데이터를 보낸 이후 충돌이 발생하면 일정 시간 이후에 재전송한다. 이는 수신로와 송신로를 각각 두지 않고 한 경로를 기반으로 데이터를 보내기에 충돌에 대비가 필요하기 때문이다.
        
        CSMA/CD의 동작 과정
        1. 데이터를 송신하기 전에 무선 매체를 살핀다.
        2. 캐리어 감지: 회선이 비어 있는지를 판단한다.
        3. 랜덤 값을 기반으로 정해진 시간만큼 기다리며, 만약 무선 매체가 사용 중이면 점차 그 간격을 늘려가며 기다린다.
        4. 이후에 데이터를 송신한다.
  - 무선 LAN을 이루는 주파수
    - 무선 LAN은 비유도 매체인 공기에 주파수를 쏘아 무선 통신망을 구축하는데, 주파수 대역은 2.4GHz 대역 또는 5GHz 대역 중 하나를 써서 구축한다.
    - 2.4GHz 대역은 장애물에 강한 특성을 가지고 있지만 전자레인지, 무선 등 전파 간섭이 일어나는 경우가 많다.
    - 5GHz 대역은 사용할 수 있는 채널 수도 많고 동시에 사용 가능 하기 때문에 상대적으로 깨끗한 전파 환경을 구축할 수 있다.
  - 무선 LAN을 이용한 기술
    - 와이파이(Wifi)
      - 전자기기들이 무선 LAN 신호에 연결할 수 있게 하는 기술.
      - 사용하려면 무선 접속 장치(AP, Access Point), 흔히 말하는 공유기가 있어야 한다.
      - 공유기를 통해 유선 LAN에 흐른느 신호를 무선 LAN 신호로 바꿔주어 신호가 닿는 범위 내에서 무선 인터넷을 사용할 수 있게 된다.
    - BSS(Basic Service Set)
      - 기본 서비스 집합을 의미하며, 단순 공유기를 통해 네트워크에 접속하는 것이 아닌 동일 BSS 내에 있는 AP들과 장치들이 서로 통신이 가능한 구조를 말한다.
      - 근거리 무선 통신을 제공하고, 하나의 AP만을 기반으로 구축되어 있어 사용자가 한 곳에서 다른 곳으로 자유롭게 이동하며 네트워크에 접속하는 것은 불가능하다.
    - ESS(Extended Service Set)
      - 하나 이상의 연결된 BSS 그룹이다.
      - 장거리 무선 통신을 제공하며 BSS보다 더 많은 가용서과 이동성을 지원한다.
      - 사용자는 한 장소에서 다른 장소로 이동하며 중단 없이 네트워크에 계속 연결 가능하다.
- 데이터 링크 계층: 이더넷 프레임을 통해 전달받은 데이터의 에러를 검출하고 캡슐화한다.
  - 이더넷 프레임의 구조
    - Preamble: 이더넷 프레임이 시작임을 알림.
    - SFD(Start Frame Delimiter): 다음 바이트부터 MAC 주소 필드가 시작됨을 알림.
    - DMAC(Destination MAC 혹은 DA(Destination Address)), SMAC(Source MAC 혹은 SA(Source Address)): 수신, 송신 MAC 주소
    - Length / EtherType: 데이터 계층 위의 계층인 IP 프로토콜을 정의한다. (IPv4 혹은 IPv6). 0x 600 이하면 Length로 해석, 이상이면 Type으로 해석.
    - Payload (Data, Padding): 전달받은 데이터.
    - FCS(Frame Check Sequence) 혹은 CRC: 수납된 데이터의 에러검출을 위한 에러 확인 비트
      - cf. MAC 주소: 컴퓨터나 노트북 등 각 장치의 네트워크 연결을 위한 LAN카드가 있는데, 이를 구별하기 위한 식별번호이다. 6바이트(48비트)로 구성된다.
      - cf. MAC 프레임 길이
        
        최소 프레임 길이: 64 바이트
        
        MAC 헤더(14) + 데이터 (46) + FCS (4) = 64
        
        최대 프레임 길이: 1518 바이트
        
        MAC 헤더(14) + 데이터 (1500) + FCS (4) = 15198
  - 계층 간 데이터 송수신 과정 (캡슐화 / 역캡슐화)
    - HTTP를 통해 웹 서버에 있는 데이터를 요청한다면, 응용 계층에서 전송 계층으로 사용자가 보내는 요청(request)값들이 캡슐화 과정을 거쳐 전달되고, 다시 데이터 링크 계층을 통해 해당 서버와 통신하고, 해당 서버의 링크 계층으로부터 애플리케이션까지 비캡슐화 과정을 거쳐 데이터가 전송된다.
    - 캡슐화 과정(encapsulation)
      - 상위 계층의 헤더와 데이터를 하위 계층의 데이터 부분에 포함시키고 해당 계층의 헤더를 삽입하는 과정을 말한다.
      1. 응용 계층의 데이터가 전송 계층으로 전달되면서 ‘세그먼트’ 또는 ‘데이터그램’화 되며 TCP(L4) 헤더가 붙여지게 된다.
      2. 인터넷 계층으로 가면서 IP(L3) 헤더가 붙여지게 되며 ‘패킷’화가 된다.
      3. 링크 계층(네트워크 접근 계층)으로 전달되면서 프레임 헤더와 프레임 트레일러가 붙어 ‘프레임’화 된다.
        
        응용 계층 → 전송 계층 → 인터넷 계층 → 링크 계층 → 물리 계층
        데이터(메시지) 세그먼트(데이터그램) 패킷 프레임 비트
    - 비캡슐화(역캡슐화) 과정(decapsulation)
      - 하위 계층에서 상위 계층으로 가며 각 계층의 헤더 부분을 제거하는 과정이다.
      1. 캡슐화된 데이터를 받게 되면 링크 계층(네트워크 접근 계층)에서부터 타고 올라오면서 ‘프레임’화된 데이터는 인터넷 계층으로 간다.
      2. 인터넷 계층에서 ‘패킷’화 된다.
      3. 전송 계층에서 ‘세그먼트’ 또는 ‘데이터그램’화를 거친다.
      4. 응용 계층에서 ‘메시지’화가 되는 역캡슐화 과정이 일어난다. 최종적으로 사용자에게 애플리케이션의 ‘PDU’인 메시지로 전달된다.
        
        물리 계층 → 링크 계층 → 인터넷 계층 → 전송 계층 → 응용 계층
        비트 프레임 패킷 세그먼트(데이터그램) 데이터(메시지)

응용 계층 →	전송 계층 →	인터넷 계층 →	링크 계층 →	물리 계층
데이터(메시지)	세그먼트(데이터그램)	패킷	프레임	비트

물리 계층 →	링크 계층 →	인터넷 계층 →	전송 계층 →	응용 계층
비트	프레임	패킷	세그먼트(데이터그램)	데이터(메시지)

PDU(Protocol Data Unit)

PDU의 개념
- 네트워크의 어떠한 계층에서 계층으로 데이터가 전달될 때 한 덩어리의 단위를 PDU(Protocol Data Unit)라고 한다.
- PDU는 헤더(제어 관련 정보 포함)와 페이로드(데이터)로 구성되어 있으며 계층마다 부르는 명칭이 다르다.
  - 응용 계층: 메시지
  - 전송 계층: 세그먼트(TCP), 데이터그램(UDP)
  - 인터넷 계층: 패킷
  - 링크(네트워크 접근) 계층: 프레임(데이터 링크 계층), 비트(물리 계층)