1. 계층구조
인터넷 프로토콜 스위트(Internet Protocal Suite)는 인터넷에서 컴퓨터들이 서로 정보를 주고받는 데 쓰이는 프로토콜의 집합이다.
인터넷 프로토콜 스위트는 TCP/IP 4계층 모델로 설명하거나 OSI 7계층 모델로 설명한다.
TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol) 4계층은 네트워크에서 사용되는 통신 프로토콜의 집합
- 프로토콜의 네트워킹 범위에 따라 네 개의 추상화 계층으로 구성된다.
OSI 7계층은 TCP/IP와 달리 7개의 계층으로 나뉘어 각 계층에서 이루어지는 네트워크 통신을 보다 세분화한 네트워크 통신 프로토콜의 집합
- OSI 게층은 애플리케이션 계층을 새 개로 쪼개고, 링크 계층을 데이터 링크 계층, 물리 계층으로 나눠서 표현하며 인터넷 계층을 네트워크 계층으로 부른다는 점이 TCP/IP와 다르다.
TCP/IP와 OSI 모델은 네트워크 통신을 설명하는 두 가지 방식으로, TCP/IP는 실제 구현을 중심으로 만들어진 반면, OSI는 네트워크 통신의 개념적 모델을 제공하며 이론적인 구조를 설명한다.
이러한 계층들은 특정 계층이 변경되었을 때 다른 계층이 영향을 받지않도록 설계가 되어있다.
1-1. 애플리케이션 계층
애플리케이션(Application)계층은 FTP, HTTP, SSH, SMTP, DNS 등 응용 프로그램이 사용되는 프로토콜 계층
- 웹 서비스, 이메일 등 서비스를 실질적으로 사람들에게 제공하는 계층이다.
📢 FTP, HTTP, SSH, SMTP, DNS란 무엇인가??🤔
- FTP : 파일을 서버와 클라이언트 간에 전송하는 데 사용되는 표준 네트워크 프로토콜
- HTTP : World Wide Web을 위한 데이터 통신의 기초이자 웹 사이트를 이용하는데 사용되는 프로토콜, 웹 브라우저와 웹 서버 간에 데이터를 주고받기 위한 프로토콜
- SSH : 보안되지 않은 네트워크에서 네트워크 서비스를 안전하게 운영하기 위한 암호화 네트워크 프로토콜
- SMTP : 전자 메일 전송을 위한 인터넷 표준 통신프 프로토콜
- DNS : 도메인 이름과 IP 주소를 매팽해주는 서버
1-2. 전송 계층
전송(Transport) 계층은 네트워크 통신에서 데이터를 신뢰성 있게 송수신하도록 지원하는 역할을 하는 계층
- 송신자와 수신자를 연결하는 통신 서비스를 제공하며 연결 지향 데이터 스트림 지원, 신뢰성, 흐름 제어를 제공한다.
- 연결 지향 데이터 스트림 지원, 신뢰성, 흐름 제어를 제공할 수 있으며 애플리케이션과 인터넷 계층 사이의 데이터가 전달될 때 중계 역할을 한다.
- 대표적으로 TCP와 UDP가 있다.
TCP는 패킷 사이의 순서를 보장하고 연결지향 프로토콜을 사용해서 연결한다. 또한, 신뢰성을 구축해서 수신 여부를 확인하며 '가상회선 패킷 교환 방식'을 사용한다.
UDP는 패킷 사이의 순서를 보장하지 않고 수신 여부를 확인하지 않으며 단순히 데이터만 주는 '데이터그램 패킷 교환 방식`을 사용한다.
가상회선 패킷 교환 방식
가상회선 패킷 교환 방식은 각 패킷에는 가상회선 식별자가 포함되며 모든 패킷을 전송하면 가상회선이 해제되고 패킷들은 전송된 '순서대로' 도착하는 방식
데이터그램 패킷 교환 방식
데이터그램 패킷 교환 방식은 패킷이 독립적으로 이동하며 최적의 경로를 선택하여 가고 하나의 메시지에서 분할된 여러 패킷은 서로 다른 경로로 전송될 수 있으며 도착한 '순서가 다를 수 있는' 방식
TCP 연결 성립 과정
TCP는 신뢰성을 확보할 때 3-Way-Handshake라는 작업을 진행한다.
다음 그림과 같이 클라이언트와 서버가 통신할 때 세 단계의 과정을 거친다.
세단계의 과정 설명
-
SYN단계 : 클라이언트는 서버에 클라이언트의 ISN을 담아 SYN을 보낸다. ISN은 새로운 TCP 연결의 첫 번째 패킷에 할당된 임의의 시퀀스 번호를 의미하며 이는 장치마다 다르다. -
SYN + ACK단계 : 서버는 클라이언트의SYN을 수신하고 서버의ISN을 보내며 승인번호로 클라이언트의ISN + 1을 보낸다. -
ACK단계 : 클라이언트는 서버의ISN + 1한 값인 승인번호를 담아ACK를 서버로 보낸다.
3-Way-Handshake 과정 이후 신뢰성이 구축되고 데이터 전송을 시작한다. TCP는 이 과정이 있기 때문에 신뢰성이 보장되는 계층이라고 불리며, UDP는 이 과정이 없기 때문에 신뢰성이 보장되지 않는 계층이라고 한다.
📢 SYN, ACK, ISN이란 무엇인가?🤔
- SYN : 연결 요청 플래그
- ACK : 응답 플래그
- ISN : 초기 네트워크 연결을 할 때 할당되는 32비트 고유 시퀀스 번호
TCP 연결 해제 과정
TCP 연결을 해제할 때는 4-Way-Handshake 과정이 발생한다.
단계의 과정 설명
순서 1: 먼저 클라이언트가 연결을 닫을려고 할 때 FIN으로 설정된 세그먼트를 보낸다. 클라이언트는 FIN_WAIT_1 상태로 들어가고 서버의 응답을 기다린다.
순서 2 : 서버는 클라이언트로 ACK라는 승인 세그먼트를 보낸다. 그리고 CLOSE_WAIT 상태에 들어간다. 클라이언트가 세그먼트를 받으면 FIN_WAIT_2 상태에 들어간다.
순서 3 : 서버는 ACK를 보내고 일정 시간 이후에 클라리언트에 FIN이라는 세그먼트를 보낸다.
순서 4 : 클라이언트는 TIME_WAIT 상태가 되고 다시 서버로 ACK를 보내서서버는 CLOSED 상태가 된다. 이후 클라이언트는 어느 정도의 시간을 대기한 후 연결이 닫히고 클라이언트와 서버의모든 자원의 연결이 해제된다.
TIEM_WAIT를 두는 이유?🤔
첫 번째, 지연 패킷이 발생하는 경우를 대비하기 위해서 둔다.
두 번째, 두 장치가 연결이 닫혔는지 확인하기 위해서 둔다.
📢 TIME_WAIT란?🤔
소켓이 바로 소멸되지 않고 일정 시간 유지되는 상태를 말하며 지연 패킷 등의 문제점을 해결하는데 사용된다.
1-3. 인터넷 계층
인터넷(Internet) 계층은 장치로부터 받은 네트워크 패킷을 IP 주소로 지정된 목적지로 전송하기 위해 사용되는 계층
- 패킷을 수신해야 할 상대의 주소를 지정하여 데이터를 전달한다.
- IP, ARP, ICMP 등이 존재한다.
- 상대방이 제대로 받았는지에 대해 보장하지 않는 비연결형적인 특징을 가지고 있다.
📢 IP, ARP, ICMP란 무엇인가??🤔
IP (Internet Protocol) : 네트워크 상에서 데이터를 전송하기 위해 사용되는 주요 프로토콜
- 데이터를 패킷으로 분할하여 송신자와 수신자 간에 전달하는 역할을 한다.
- 주로 라우팅을 담당하며, 송신자의 IP 주소와 수신자의 IP 주소를 기반으로 데이터를 목적지까지 전달한다.
ARP (Address Resolution Protocol) : IP 주소를 물리적인 MAC 주소로 변환하는 프로토콜
- IP 주소만으로는 같은 네트워크 내의 장치와 직접 통신할 수 없기 때문에 ARP는 IP 주소에 해당하는 물리적인 네트워크 인터페이스(네트워크 카드)의 MAC 주소를 찾아낸다.
ICMP (Internet Control Message Protocol) : 네트워크 장치들 간의 오류 메시지 전달과 네트워크 상태를 모니터링하는 데 사용되는 프로토콜
- 데이터 전송 중에 문제가 발생했을 때, ICMP는 해당 문제를 송신자에게 알려 네트워크 오류를 처리하거나 진단할 수 있도록 한다.
1-4. 링크 계층(=네트워크 계층)
링크(Link) 계층은 전선, 광섬유, 무선 등으로 실질적으로 데이터를 전달하며 장치 간에 신호를 주고받는
규칙을 정하는 계층
- 링크 계층은 OSI 7계층에서는 물리 계층과 데이터 링크 계층으로 나뉜다.
- 물리 계층은 무선 LAN과 유선 LAN을 통해 0과 1로 이루어진 데이터를 보내는 계층을 의미한다.
- 데이터 링크 계층은 '이더넷 프레임'을 통해 에러 확인, 흐름 제어, 접근 제어를 담당하는 계층을 의미한다.
유선 LAN(IEEE802.3)
유선 LAN을 이루는 이더넷은 IEEE802.3이라는 프로토콜을 따르며 전이중화통신, CSMA/CD을 사용한다.
전이중화 통신(Full Duplex)
전이중화(Full Duplex) 통신은 양쪽 장치가 동시에 송수신할 수 있는 방식
- 송신로와 수신로로 나눠서 데이터를 주고받으며 현대의 고속 이더넷은 빙식을 기반으로 통신하고 있다.
CSMA/CD
CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)는 데이터를
보낸 이후충돌이 발생한다면 일정 시간 이후 재전송하는 방식
- 수신로와 송신로를 각각 둔 것이 아니고 한 경로를 기반으로 데이터를 보내기 때문에 보낼 때 충돌에 대해 대비하는 방식이다.
유선 LAN을 이루는 케이블
트위스트 페어 케이블(TP 케이블)
하나의 케이블처럼 보이지만 실제로는 여덟 개의 구리선을 두 개씩 꼬아서 묶은 케이블
TP 케이블 종류
- UTP 케이블(LAN 케이블) : 구리선을 실드 처리하지 않고 덮은 케이블
- STP 케이블 : 구리선을 실드 처리하고 덮은 케이블
📢 LAN 케이블을 꽂을 수 있는 커넥터 = RJ-45 커넥터
광섬유 케이블
광섬유로 만든 케이블
- 레이저를 이용해서 통신하기 때문에 구리선과는 비교할 수 없을 만큼의 장거리 및 고속 통신이 가능하다.
무선LAN(IEEE802.11)
무선 LAN 장치는 수신과 송신에 같은 채널을 사용하기 때문에 반이중화 통신, CSMA/CA을 사용한다.
반이중화 통신
반이중화 통신(Half duplex)는 양쪽 장치는 서로 통신할 수 있지만, 동시에는 통신할 수 없으며 한 번에 한 방향만 통신할 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
CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)는 장치에서 데이터를 보내기 전에 일련의 과정을 기반으로 사전에 가능한 한 충돌을 방지하는 방식
무선LAN을 이루는 주파수
무선 LAN(WLAN, Wireless Local Area Network)은 무선 신호 전달 방식을 이용하여 2대 이상의 장치를 연결하는 기술을 의미한다.
공기 즉 비유도 매체로 주파수를 쏘아 무선 통신망을 구축하며 주파수 대역은 2.4GHz, 5GHz 대역 중 하나를 사용해서 구축한다.
2.4GHz는 장애물에 강한 특성을 가지고 있지만 전자레인지, 무선 등 전파 간섭이 일어나는 경우가 많다.
5GHz는 사용할 수 있는 채널 수도 많고 동시에 사용할 수 있으므로 상대적으로 깨끗한 전퐈 환경을 구축할 수 있다.
➡️ 이러한 이유로 5GHz 대역을 사용하는 것이 좋다.
와이파이(WIFI)
전자기기들이 무선 LAN 신호에 연결할 수 있게 하는 기술
- WIFI를 사용하기 위해서는 무선 접속 장치(AP: Access Point) = 공유기가 있어야 한다.
- 공유기는 유선 LAN에 흐르는 신호를 무선 LAN 신호로 바꿔주어 신호가 닿는 범위 내에는 무선 인터넷을 사용할 수 있게 도와준다.
BSS(Basic Service Set)
기본 서비스 집합을 의미하며 단순 공유기를 통해 네트워크에 접속하는 것이 아닌 동일 BSS 내에 있는 AP들과 징치들이 서로 통신이 가능한 구조
- 하나의 AP만을 기반으로 구축이 되어 있어 사용자가 한 곳에서 다른 곳으로 자유롭게 이동하며 네트워크에 접속하는 것은 불가능하다.
ESS(Extended Service Set)
하나 이상의 연결된 BSS 그룹
- 장거리 무선 통신을 제공하며 BSS보다 더 많은 가용성과 이동성을 지원한다.
- 그러므로 사용자는 한 장소에서 다른 장소로 이동하며 중단 없이 네트워크에 계속 연결할 수 있다.
이더넷 프레임
이더넷(Ethernet) 네트워크에서 데이터를 전송할 때 사용하는 데이터 전송 단위
데이터 링크 계층에서 이더넷 프레임을 통해 전달받은 데이터의 에러를 검출하고 캡슐화한다.
1-5. 계층 간 데이터 송수신 과정
하나의 컴퓨터에서 다른 컴퓨터로 데이터를 요청하게 된다면 애플리케이션 계층에서 전송 계층으로 보내는 요청(Request) 값들이 캡슐화 과정을 거쳐서 전달되고, 다시 링크 계층을 통해 해당 서버와 통신을 하고, 해당 서버의 링크 계층으로부터 애플리케이션까지 비캡슐화 과정을 거쳐 데이터가 전송된다.
캡슐화 과정
상위 계층의 헤더와 데이터를 하위 계층의 데이터 부분에 포함시키고 해당 계층의 헤더를 삽입하는 과정
- 애플리케이션 계층의 데이터가 전송 계층으로 전달되게 되면
세그먼트또는데이터그램화가 되어 TCP 헤더(L4)에 붙여지게 된다. - 인터넷 계층으로 가면서 IP 헤더(L3)가 붙여지게 되고
패킷화가 된다. - 링크 계층으로 전달되면서 프레임 헤더와 프레임 트레일러가 붙어
프레임화가 된다.
비캡슐화 과정
하위 계층에서 상위 계층으로 가며 각 계층의 헤더 부분을 제거하는 과정
- 캡술화된 데이터를 받게 되면 링크 계층에서부터 타고 올라가면서
프레임화된 데이터는 다시패킷화를 거쳐세그먼트,데이터그램화를 거쳐메시지화가 되는 비캡술화 과정이 이루어지게 된다. - 해당 과정을 전부 수행하고 나면 사용자에게 애플리케이션의
PDU인 메시지로 전달된다.
2. PDU
PDU(Protocol Data Unit)란 네트워크의 어떠한 계층에서 계층으로 데이터가 전달될 때 한 덩어리의 단위
PDU는 제어 관련 정보들이 포함된 헤더, 데이터를 의미하는 페이로드로 구성되어 있으며 계층마다 부르는 명칭이 다르다.
계층별 부르는 PDU의 명칭
- 애플리케이션 계층 : 메시지
- 전송 계층 : 세그먼트(TCP), 데이터그램(UDP)
- 인터넷 계층 : 패킷
- 링크 계층 : 프레임(데이터 링크 계층), 비트(물리 계층)
