CS 전공지식 정리 - 네트워크 2. TCP/IP 4계층 모델

제훈·2025년 1월 1일

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TCP/IP 4계층 모델

인터텟 프로토콜 스위트 : 인터넷에서 컴퓨터들이 서로 정보를 주고받는 데 쓰이는 프로토콜의 집합이다.

TCP/IP 4계층 모델 or OSI 7계층 모델로 설명한다. TCP/IP 4계층을 보자.

2 - 5. 계층 구조

위와 같이 비교할 수 있다.

애플리케이션 계층부터 보자.

애플리케이션 계층

FTP, HTTP, SSH, SMTP, DNS 등 응용 프로그램이 사용되는 프로토콜 계층이다.

FTP : 장치와 장치 간의 파일을 전송하는 데 사용되는 표준 통신 프로토콜

HTTP : World Wide Web (www) 을 위한 데이터 통신의 기초이자 웹 사이트를 이용하는 데 쓰는 프로토콜

SSH : 보안되지 않은 네트워크에서 안전하게 서비스 운영을 하기 위해 사용하는 암호화 네트워크 프로토콜

SMTP : 이메일 전송과 같이 전자 메일 전송을 위한 인터넷 표준 통신 프로토콜

DNS : 도메인 이름과 IP 주소를 매핑해주는 서버. IP 주소가 바뀌어도 도메인 주소로 서비스할 수 있다.

전송 계층

송신자와 수신자를 연결하는 통신 서비스를 제공한다.
연결 지향 데이터 스트림 지원, 신뢰성, 흐름 제어를 제공할 수 있다.

애플리케이션 계층과 인터넷 계층 사이의 데이터가 전달될 때 중계 역할을 한다.

TCP, UDP, QUIC 가 있다.

TCP : 패킷 사이의 순서를 보장하고 연결 지향 프로토콜을 사용해 연결하기 때문에 신뢰성을 구축해 수신 여부를 확인할 수 있다. 가상회선 패킷 교환 방식을 사용한다.

UDP : 순서를 보장하지 않고 수신 여부도 확인하지 않는다. 단순히 데이터만 주는 데이터그램 패킷 교환 방식을 사용한다.

가상회선 패킷 교환 방식과 데이터그램 패킷 교환 방식 을 알아보자.

가상회선 패킷 교환 방식

각 패킷에는 가상회선 식별자가 포함돼 모든 패킷을 전송하면 가상회선이 해제되고 패킷들은 전송된 순서대로 도착한다.

데이터그램 패킷 교환 방식

패킷이 독립적으로 이동해 최적의 경로를 선택해서 간다.
하나의 메시지에서 분할된 여러 패킷은 서로 다른 경로로 전송될 수 있어서 보낸 메시지의 순서가 다르게 도착할 수 있다.

TCP 연결 성립 과정

TCP는 신뢰성을 확보할 때 3-way handshake 라는 작업을 진행한다.

SYN 단계 : 클라이언트는 서버에 클라이언트의 ISN을 담아 보낸다.

ISN : 새로운 TCP 연결의 첫 번째 패킷에 할당된 임의의 시퀀스 번호

SYN + ACK 단계 : 서버는 클라이언트의 SYN을 수신하고 서버의 ISN을 보내며 승인번호로는 ISN + 1 값을 보낸다.
ACK 단계 : 그 승인번호를 클라이언트가 담아 ACK 서버에 보낸다.

SYN : 연결 요청 플래그

ACK : 응답 플래그

ISN : 초기 네트워크 연결할 때 할당된 32비트 고유 시퀀스 번호

TCP는 3-way handshake 로 인해 신뢰성이 있는 계층으로 볼 수 있다.

TCP 연결 해제 과정

연결을 해제할 때는 4-way handshake 과정을 진행한다.

클라이언트가 연결을 닫으려고 할 때 FIN 으로 설정된 세그먼트를 보낸다.

클라이언트는 FIN_WAIT_1 상태로 들어가 서버의 응답을 기다린다.

서버는 클라이언트로 ACK라는 승인 세그먼트를 보낸다.

서버도 CLOSE_WAIT 상태로 들어간다.
클라이언트가 세그먼트를 받으면 FIN_WAIT_2 상태로 들어간다.

서버는 ACK를 보내고 일정 시간이 지난 뒤 클라이언트에 FIN이라는 세그먼트를 보낸다.
클라이언트는 TIME_WAIT 상태가 되고 다시 서버로 ACK를 보내 서버는 CLOSED 상태가 된다.
이후 클라이언트는 어느 정도의 시간을 대기한 뒤 연결이 닫히고 모든 자원의 연결이 해제된다.

어느 정도의 시간을 대기한 뒤에 닫는 이유?
1. 지연 패킷이 발생할 경우를 대비하기 위해

그냥 연결을 닫앗다가 패킷이 뒤늦게 도착해 처리하지 못하면 데이터 무결성 문제가 발생한다.

두 장치가 연결이 닫혔는지 확인하기 위해

LAST_ACK 상태에서 닫히게 되면 다시 새로운 연결을 하려고 할 때 장치는 줄곧 LAST_ACK로 돼 있어 접속 오류가 생긴다.

데이터 무결성 : 데이터의 정확성과 일관성을 유지하고 보증하는 것

인터넷 계층

장치로부터 받은 네트워크 패킷을 IP 주소로 지정된 목적지로 전송하기 위해 사용하는 계층

IP, ARP, ICMP 등이 있고 패킷을 수신해야 할 상대의 주소를 지정해 데이터를 전달한다.

상대방이 제대로 수신했는지에 대해서는 보장하지 않는 비연결형이라는 특징을 가지고 있다.

링크 계층 (네트워크 접근 계층)

전선, 광섬유, 무선 등으로 실질적으로 데이터를 전달하며 장치 간 신호를 주고 받는 규칙을 정하는 계층

링크 계층을 물리 계층 / 데이터 링크 계층 으로 나누기도 한다.

물리 계층 : 무선 LAN 과 유선 LAN을 통해 0 과 1로 이루어진 데이터를 보내는 계층
데이터 링크 계층 : 이더넷 프레임을 통해 에러 확인, 흐름 제어, 접근 제어를 담당하는 계층

이더넷 프레임 : 데이터 링크 계층은 이더넷 프레임을 통해 데이터의 에러를 검출하고 캡슐화해 아래 구조를 갖는다.

Preamble : 이더넷 프레임이 시작임을 알리는 것

SFD : 다음 바이트부터 MAC 주소 필드가 시작됨을 알리는 것

DMAC, SMAC : 수신, 송신 MAC 주소를 말하는 것

EtherType : 데이터 계층 위의 계층인 IP 프로토콜을 정의한다.

IPv4 or IPv6

Payload : 전달받은 데이터

CRC : 에러 확인 비트

MAC 주소 : 컴퓨터, 노트북 등 각 장치에는 네트워크에 연결하기 위한 장치 (LAN 카드)가 있는데 구별하기 위한 식별번호를 말한다.

다음 게시글은 네트워크 계층 별 장치들에 대해서 알아볼 것이고, 유선 LAN 관련해서 알아보자.

유선 LAN

전이중화(full duplex) 통신 : 양쪽 장치가 동시에 송수신할 수 있는 방식

동축케이블, 광케이블 등을 기반으로 만들어진유선 LAN을 이루는 이더넷은 IEEE802.3 이라는 프로토콜을 따르며 전이중화 통신을 쓴다.

IEEE802.3 : 이더넷프레임은 어떤 구조를 기반으로 할 것인지, 케이블의 최대 전송량,
어떤 케이블만이 가능하도록 할 것인지 등을 정한 규칙

그럼 전이중화 통신에 대해서도 알아보자.

전이중화 통신

송신로, 수신로로 나눠서 데이터를 주고 받으며 현대의 고속 이더넷은 이 방식으로 통신한다.

반이중화 통신 중 CSMA/CD

반이중화 통신 : 양쪽 장치가 통신은 가능하지만, 동시에는 불가능해 한 번에 한 방향만 통신할 수 있는 방식을 말한다.

이전에는 유선 LAN에다가 반이중화 통신 중 하나인 CSMA/CD 방식을 사용했다.

CSMA/CD : 회선을 사용하는지를 파악한 후 사용하지 않는다면 데이터를 보내고 충돌이 발생한다면 일정 시간 이후 재전송하는 방식

이전에는 송신로, 수신로가 따로 있던 전이중화 방식이 아닌, 하나의 회선으로 주고 받았다.

그럼 양쪽에서 데이터를 보내게 되면 충돌이 발생할 것이고 그것을 예방하기 위해 사용하는 방식이 CSMA/CD 방식인 것이다.

케이블

트위스트페어케이블

쉴드 처리를 한 케이블 : STP
안 한 케이블 : UTP

이 UTP 케이블이 바로 LAN 선이다.

광섬유 케이블

레이저를 이용해 통신하며 보통 100Gbps의 데이터를 전송하는 케이블

빛의 굴절률이 높은 부분을 코어, 낮은 부분을 클래딩 이렇게 다른 밀도를 가지는 유리나
플라스틱 섬유를 기반으로 제작한다.

한 번 들어간 빛이 내부에서 계속해서 반사하며
전진하여 반대편 끝까지 가는 원리를 이용한 것이다.

무선 LAN

유선 LAN은 IEEE802.3 표준 규격을 따랐다면, 무선 LAN 은 IEEE802.11 표준규격을 따르며, 반이중화 통신을 따랐다.

반이중화 통신

반이중화 통신(half duplex) : 양쪽 장치는 서로 통신할 수 있지만, 동시에는 통신할 수 없으며 한 번에 한 방향만 통신할 수 있는 방식

CSMA/CA

CSMA/CD 와 다르다.

장치에서 데이터를 보내기 전에 일련의 과정을 기반으로 사전에 가능한 한 충돌을 방지하는 방식

사용중인 채널이 있다면 다른 채널을 감지하다가 유후 상태인 채널을 발견한다.
프레임 간 공간 시간인 IFS(InterFrame Space)시간만큼 기다린다.

IFS는 프레임의
우선순위를 정의할 때도 사용된다.
IFS가 낮으면 우선순위가 높다.

프레임을 보내기전 $0$ ~ $2^k - 1$ 사이에서 결정된 랜덤상수를 기반으로 결정된 시간만큼 기다린 뒤 프레임을 보낸다.
프레임을 보낸 뒤 제대로 송신이 되었고 ACK 세그먼트를 받았다면 끝.
그러나 받지 못했다면, $k = k + 1$ 을 하며 이 과정을 반복
반복하다 $k$ 가 정해진 $Kmax$ 보다 더 커진다면 해당 프레임전송은 버린다. (abort)

대표 기술

Wifi

와이파이는 전자기기들이 무선 LAN 신호에 연결할 수 있게 하는 기술

근거리 무선망이라고 하면 틀린 개념이다.
근거리 무선망에 속하는 것

블루투스
지그비

주파수, 2.4GHz, 5GHz의 차이

간단하게 말하면 2.4GHz 는 장애물이 많은 곳에서 좋다. (속도는 조금 느리다.)
5GHz 는 뻥 뚫린 곳에서 좋다. (속도가 2.4GHz 보다 빠르기 때문에)

제훈

백엔드 개발자 꿈나무

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