네트워크 TCP/IP 4계층, OSI 7계층

이강용·2024년 6월 8일

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TCP/IP 4계층

네트워크 통신을 위한 프로토콜로 4개의 계층으로 구성되어 있음
각 계층은 특정 기능을 수행하며 데이터가 한 계층에서 다음 계층으로 전달될 때 해당 계층의 프로토콜에 따라 처리됨

계층	역할	기능	프로토콜 예시
네트워크 인터페이스 계층 (Network Interface Layer)	물리적 네트워크를 통해 실제 데이터 전송	데이터 링크 계층과 물리 계층의 기능 포함, 프레임 전달	Ethernet, Wi-Fi, ARP
인터넷 계층 (Internet Layer)	패킷의 논리적 전송, 다른 네트워크 간의 데이터 전송 경로 설정	주소 지정, 라우팅, 패킷 분할 및 재조립	IP(IPv4, IPv6), ICMP, IGMP
전송 계층 (Transport Layer)	종단 간의 데이터 전송 관리, 데이터 신뢰성 보장	데이터 분할, 오류 검출 및 수정, 흐름 제어	TCP, UDP
응용 계층 (Application Layer)	사용자가 네트워크에 접근할 수 있는 서비스 제공	애플리케이션 데이터 생성 및 처리, 다양한 네트워크 서비스 제공	HTTP, FTP, SMTP, DNS

1. 네트워크 인터페이스 계층(Network Interface Layer)

물리적 네트워크를 통해 실제 데이터 전송을 담당
데이터 링크 계층과 물리 계층의 기능을 포함
- 프레임(Frame)을 네트워크를 통해 전달
  - 프로토콜 예시 : Ethernet, Wi-Fi, ARP

2. 인터넷 계층(Internet Layer)

패킷의 논리적 전송을 담당하며 다른 네트워트 간의 데이터 전송 경로를 설정
주소 지정, 라우팅, 패킷 분할 및 재조립
- 프로토콜 예시 : IP(IPv4, IPv6), ICMP(Internet Control Message Protocol), IGMP(Internet Group Management Protocol)

3. 전송 계층(Transport Layer)

종단 간의 데이터 전송을 관리하며 데이터의 신뢰성을 보장
데이터 분할, 오류 검출 및 수정, 흐름 제어
- 프로토콜 예시 : TCP(Transmission Control Protocol), UDP(User Datagram Protocol)

4. 응용 계층(Application Layer)

사용자가 네트워크에 접근할 수 있는 서비스를 제공
애플리케이션 데이터 생성 및 처리를 담당하며 다양한 네트워크 서비스를 제공
- 프로토콜 예시 : HTTP, FTP, SMTP, DNS
네트워크 캡슐화, 비캡슐화

캡슐화(Encapsulation)

데이터를 송신 측에서 전송하기 전에 계층별로 처리하여 각 계층의 헤더를 추가하는 과정
이는 데이터가 목적지에 도달할 때까지 각 네트워크 계층에서 적절히 처리될 수 있도록 보장
네트워크 계층모델(OSI 모델, TCP/IP 모델)에서 캡슐화는 각 계층에서 데이터를 받아 상위 계층의 데이터를 하위 계층으로 전달하기 위해 필요한 정보를 추가

캡슐화 과정

응용 계층: 사용자 데이터를 생성하고, 애플리케이션 프로토콜에 따라 처리 (예: HTTP, FTP)
        |
        v
전송 계층: 데이터에 전송 계층 헤더를 추가 (예: TCP 헤더, UDP 헤더). 이 데이터는 세그먼트 또는 데이터그램이라고 합니다.
        |
        v
네트워크 계층: 세그먼트에 네트워크 계층 헤더를 추가 (예: IP 헤더). 이 데이터는 패킷이라고 합니다.
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        v
데이터 링크 계층: 패킷에 데이터 링크 계층 헤더와 트레일러를 추가 (예: Ethernet 헤더). 이 데이터는 프레임이라고 합니다.
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        v
물리 계층: 프레임을 비트 스트림으로 변환하여 전송 매체를 통해 전달

비캡슐화(Decapsulation)

수신 측에서 데이터를 받아 각 계층의 헤더를 제거하고 원래 데이터를 추출하는 과정
이는 데이터가 송신 측에서 전송된 후 수신 측에서 적절히 처리될 수 있도록 보장

PDU(Protocol Data Unit)

네트워크 통신에서 특정 계층의 데이터 전송 단위를 의미
각 네트워크 계층마다 PDU의 형태와 명칭이 다르며, 이는 해당 계층에서 수행하는 기능과 역할에 따라 달라짐

계층	PDU	설명
물리 계층 (Physical Layer)	비트 (Bit)	데이터를 전기 신호나 광 신호로 변환하여 물리적 매체를 통해 전송
데이터 링크 계층 (Data Link Layer)	프레임 (Frame)	물리 계층에서 받은 비트를 프레임으로 묶어 전송. 오류 검출을 위한 트레일러 정보 포함
네트워크 계층 (Network Layer)	패킷 (Packet)	데이터 링크 계층에서 받은 프레임을 패킷으로 처리하여 네트워크를 통해 전달. IP 주소 등 논리적 주소 정보 포함
전송 계층 (Transport Layer)	세그먼트 (Segment) 또는 데이터그램 (Datagram)	TCP의 경우 세그먼트, UDP의 경우 데이터그램을 사용하여 데이터를 전송. 순서 정보와 오류 수정 정보 포함
응용 계층 (Application Layer)	메시지 (Message)	사용자가 직접 상호작용하는 데이터 단위인 메시지를 사용. 이메일, 웹 페이지 데이터 등

CRC와 체크섬 트레일러

네트워크 통신에서 데이터의 무결성을 확인하고 오류를 검출하기 위해 CRC(Cyclic Redundancy Check)와 체크섬(Checksum) 같은 메커니즘이 사용됨
데이터 프레임의 트레일러 부분에 포함되어 전송 중에 발생할 수 있는 오류를 감지

CRC(Cyclic Redundancy Check)

데이터의 무결성을 검증하기 위한 오류 검출 코드
데이터 링크 계층에서 사용되며 다항식을 이용해 데이터 블록의 무결성을 확인
주어진 다항식을 사용해 데이터 블록을 나누고 나머지를 계산하여 데이터에 추가
수신 측에서는 같은 다항식을 사용해 데이터를 나누고, 나머지를 계산하여 비교함으로써 오류를 검출

체크섬(Checksum)

데이터의 각 바이트나 워드를 더하여 합계를 계산하고 이 합계의 일부를 데이터의 끝에 추가
수신측에서는 동일한 방식으로 데이터를 더한 후 체크섬 값을 비교하여 오류를 검출

데이터 무결성 검증 알고리즘

알고리즘	설명	주 사용처
체크섬 (Checksum)	데이터의 각 바이트나 워드를 더하여 합계를 계산하고, 이를 데이터 끝에 추가하여 무결성을 검증하는 간단한 방법	IP 헤더, TCP/UDP
MD5 (Message-Digest Algorithm 5)	128비트 해시 값을 생성하는 알고리즘으로, 복잡한 수학적 연산을 사용하여 데이터 무결성을 검증	파일 무결성 확인, 비밀번호 저장
SHA-256 (Secure Hash Algorithm 256-bit)	256비트 해시 값을 생성하는 알고리즘으로, 높은 보안성과 낮은 충돌 가능성을 제공	데이터 무결성 확인, 디지털 서명, 보안 프로토콜

OSI 7 계층과 TCP/IP 4 계층