[10분 테코톡] 🔮 수리의 TCP/IP

출처 : https://www.youtube.com/watch?v=BEK354TRgZ8

📌 웹 브라우저에 www.google.com을 입력했을 때 어떤 과정으로 웹 페이지가 표시되는가?

웹 브라우저가 구글 웹서버에 HTTP 요청을 보내고, 이 요청은 TCP/IP 계층을 거쳐 패킷으로 변환되어 전송됩니다. DNS를 통해 IP 주소를 찾고, ARP로 MAC 주소를 얻으며, TCP 3-way 핸드쉐이킹으로 연결을 설정한 뒤, 라우팅을 거쳐 구글 서버에 도착하여 응답을 받아 웹 페이지를 표시합니다.

💡 이 과정에서 TCP/IP가 신뢰할 수 있는 프로토콜인 이유는 무엇인가?

TCP는 흐름 제어, 오류 제어, 혼잡 제어를 통해 복잡한 네트워크 환경에서도 데이터 유실 없이 올바른 순서로 신뢰성 있는 데이터 전송을 보장하기 때문입니다.

1. 인터넷과 TCP/IP 프로토콜의 기본 이해

1.1. 인터넷의 정의 및 통신 원리

1. 인터넷의 정의: 인터넷은 전 세계에 걸쳐 파일 전송 등의 데이터 통신 서비스를 받을 수 있는 컴퓨터 네트워크 시스템이다.
2. 인터넷 사용 환경:
   1. 사용자는 인터넷 통신 비용을 지불하고 사업자가 구축한 네트워크 인프라를 사용한다.
   2. 거대한 인프라를 통해 데이터가 디지털 신호로 변환되어 전달되고, 수신된 디지털 신호는 다시 데이터로 변환되면서 네트워크 통신이 이루어진다.
3. 프로토콜의 정의: 네트워크 통신을 위해 미리 정해 놓은 공통된 매뉴얼을 프로토콜이라고 한다.
4. TCP/IP의 정의: TCP/IP는 인터넷에서 컴퓨터들이 서로 정보를 주고받는 데 쓰이는 프로토콜의 집합을 말한다.

1.2. TCP/IP 4계층 모델의 구성 및 역할

TCP/IP는 애플리케이션 레이어, 트랜스포트 레이어, 인터넷 레이어, 네트워크 액세스 레이어의 4계층으로 구성되어 있다.

1. 애플리케이션 레이어 (Application Layer)

   1. 역할: 특정 서비스를 제공하기 위해 애플리케이션과 정보를 주고받을 수 있게 해준다.
   2. 예시: 브라우저와 웹 서버가 HTTP 요청 및 응답을 통해 통신하는 것을 예로 들 수 있다.
   3. 사용 프로토콜: HTTP, FTP, DNS 등과 같은 프로토콜이 사용된다.

2. 트랜스포트 레이어 (Transport Layer)

   1. 역할: 송신된 데이터를 수신 측 애플리케이션에게 확실하게 전달하게 해준다.
   2. 작동 방식: 네트워크 통신을 하는 애플리케이션은 포트 번호를 사용하며, 트랜스포트 레이어는 이 포트 번호를 사용하여 애플리케이션을 찾아주는 역할을 한다.
   3. 사용 프로토콜: TCP, UDP 같은 프로토콜이 사용된다.

3. 인터넷 레이어 (Internet Layer)

   1. 역할: 수신 측까지 데이터를 전달하기 위해 사용되며, 송신 측과 수신 측 모두 가지고 있는 IP 주소를 바탕으로 올바른 목적지로 찾아갈 수 있도록 해준다.
   2. 사용 프로토콜: IP, ARP 같은 프로토콜이 사용된다.

4. 네트워크 액세스 레이어 (Network Access Layer)

   1. 역할: 네트워크에 직접 연결된 기기 간 데이터 전송을 도와준다.
   2. 작동 방식: 물리적 주소인 맥 주소(MAC Address)를 사용한다.
   3. 사용 프로토콜: 이더넷, TPP, 토큰 링과 같은 프로토콜이 사용된다.

   

2. 웹 브라우저에 'www.google.com' 입력 시 TCP/IP 통신 흐름

2.1. 패킷 생성 및 목적지 IP 주소 확보 (DNS 활용)

1. HTTP 요청 메시지 생성: 웹 브라우저에 www.google.com을 입력하는 것은 구글 웹 서버의 80번 포트로 HTTP 리퀘스트 메시지를 보내는 것이다.
2. 패킷 구성 준비: 해당 요청을 인터넷을 통해 전달하기 위해 각 계층에 필요한 정보가 담긴 패킷을 만들어야 하며, 여기서는 HTTP, TCP, IP, 이더넷 프로토콜을 사용한다고 가정한다.
3. 애플리케이션 레이어: 패킷의 애플리케이션 레이어에는 작성된 HTTP 리퀘스트가 들어간다.
4. 트랜스포트 레이어 (TCP 헤더):
   1. TCP 패킷 헤더에서 중요하게 볼 것은 시작 포트 번호(SP)와 목적지 포트 번호(DP)이다.
   2. 시작 포트 번호는 내 컴퓨터에서 만든 소켓의 포트 번호이므로 알고 있으며, 목적지 포트 번호는 웹 서버의 웰노운 포트 번호인 80번으로 알고 있다.
5. 인터넷 레이어 (IP 헤더):
   1. IP 헤더에서 중요한 정보는 시작 IP 주소(SA)와 목적지 IP 주소(DA)이다.
   2. 시작 IP 주소는 알고 있지만, 목적지 IP 주소는 도메인 정보(www.google.com)만 알고 있어 아직 모른다.
6. DNS 프로토콜을 통한 IP 주소 획득:
   1. DNS 요청: DNS 프로토콜을 통해 도메인 정보로 IP 주소를 알아낼 수 있으며, 브라우저는 DNS에게 IP 주소를 요청한다.
   2. OS DNS 서버 요청: OS는 이미 컴퓨터에 등록된 DNS 서버 주소로 요청을 보낸다.
   3. DNS 통신 특성: DNS는 HTTP와 같은 애플리케이션 계층 프로토콜이며, 53번 포트를 사용한다.
   4. 쿼리 및 응답: DNS는 도메인이 담긴 쿼리를 도메인 서버로 보내고, 도메인 서버는 IP 주소를 응답해 준다.
7. UDP 사용: DNS는 트랜스포트 레이어에서 UDP 프로토콜을 사용한다.
   1. UDP의 특징: UDP는 TCP와 다르게 헤더가 간단하며 포트 번호 외에 다른 정보가 없다.
   2. 비연결 지향형: 이는 UDP가 비연결 지향형 프로토콜이기 때문이다.
8. 결과: DNS를 통해 도메인 이름에 대한 IP 주소를 성공적으로 받아오게 된다.

2.2. 네트워크 액세스 레이어 준비 및 TCP 3-Way Handshaking

1. 맥 주소 확보 필요성: 마지막으로 이더넷 프로토콜에 대한 헤더를 만들어야 하지만, 아직 맥 주소를 모른다.
2. 목적지 맥 주소 결정:
   1. 목표인 구글 서버의 맥 주소가 필요한 것이 아니라, 물리적으로 연결된 우리 집 공유기(게이트웨이)의 맥 주소가 필요하다.
   2. 게이트웨이 정보는 이미 알고 있으며, netstat 명령어를 통해 확인할 수 있다.
3. ARP 프로토콜 사용: IP 주소로 맥 주소를 알아내기 위해 ARP(Address Resolution Protocol) 프로토콜을 사용한다.
4. TCP 연결 설정 (3-Way Handshaking):
   1. TCP는 연결 지향형 프로토콜이므로 데이터를 전송하기 전에 송신 측과 수신 측이 서로 연결되는 작업이 필요하다.
   2. 이 작업을 쓰리웨이 핸드쉐이킹이라고 부르며, TCP 헤더의 SYN과 ACK 플래그(컨트롤 비트)가 사용된다.
   3. 연결 과정:
      1. 클라이언트가 서버에게 접속을 요청하는 SYN 패킷을 보낸다.
      2. 서버는 요청을 받고 클라이언트에게 수락한다는 ACK과 SYN 플래그가 설정된 패킷을 보낸다.
      3. 클라이언트는 서버에게 다시 ACK을 보낸다.
   4. 결과: 이제 연결이 이루어지고 데이터가 오가게 된다.

2.3. 데이터 전송 및 구글 서버 도착 과정

1. NAT (Network Address Translation):
   1. 사용 컴퓨터는 외부 네트워크에서 찾지 못하는 프라이빗 IP를 사용하고 있다.
   2. 따라서 공유기를 통해 나갈 때 퍼블릭 IP 주소로 변환하여 나가는 작업이 필요하며, 이를 NAT라고 한다.
2. 라우팅:
   1. 공유기를 거친 패킷은 구글 서버에 도착하기 위해 여러 라우터를 거쳐가야 한다.
   2. 라우터는 네트워크와 네트워크를 연결해 주는 역할을 하며, 라우터가 목적지 경로를 찾아 나가는 과정을 라우팅이라고 한다.
3. 목적지 서버 맥 주소 획득:
   1. 라우팅을 거쳐 구글 서버가 연결된 라우터에 도착하면, 패킷의 IP 헤더에 기록된 구글 서버 IP 주소를 통해 맥 주소를 얻어와야 한다.
   2. 이때 다시 ARP 프로토콜을 사용한다.
   3. 라우터는 연결된 네트워크에 브로드캐스팅을 하고, 목적지 구글 서버가 자신의 IP 주소로 온 ARP 요청을 받고 맥 주소를 응답해 준다.
4. 물리적 전달: 이제 목적지 구글 서버의 맥 주소를 알았으므로 데이터가 물리적으로 전달될 수 있다.
5. 도착 확인: ARP 프로토콜을 통해 맥 주소를 얻고, 드디어 목적지 구글 서버에 데이터가 도착한다.
6. 계층별 확인: 인터넷 레이어의 IP 주소와 네트워크 액세스 레이어의 맥 주소를 사용해서 올바른 목적지에 도착했으므로, 트랜스포트 레이어부터 처리가 진행된다.

3. 서버에서의 데이터 처리 및 연결 종료 (4-Way Handshaking)

1. 트랜스포트 레이어 처리:
   1. 트랜스포트 레이어의 목적지 포트 번호(80번)를 보고, 80번 포트를 사용하고 있는 애플리케이션에게 데이터를 전달해 줘야 하는 것을 알 수 있다.
2. 애플리케이션 레이어 처리:
   1. 애플리케이션 레이어까지 오면 웹 서버가 사용할 HTTP 리퀘스트 데이터를 얻을 수 있게 된다.
3. 서버 응답:
   1. 서버는 정상적으로 HTTP 리퀘스트를 받고 응답을 돌려보낸다.
   2. 슬래시(/)에 매핑된 GET 요청을 처리하여 적절한 HTML을 응답해 줄 것이며, 실제 크롬 개발자 분석 도구를 통해 HTML을 받았음을 확인할 수 있다.
4. 연결 종료 (4-Way Handshaking):
   1. HTTP 요청과 응답 과정이 끝나면 연결을 종료해야 하며, 이때 TCP 컨트롤 비트 중 ACK와 FIN 플래그가 사용된다.
   2. 종료 과정:
      1. 클라이언트가 서버로 연결을 종료하겠다는 FIN 플래그를 전송한다.
      2. 서버는 클라이언트에게 ACK 메시지를 보내고 자신의 통신이 끝날 때까지 기다린다.
      3. 서버가 통신이 끝나면 클라이언트로 FIN을 보낸다.
      4. 클라이언트는 확인했다는 의미로 서버에게 ACK을 보내면 연결 종료가 완료된다.
   3. 단계: 총 4단계에 걸쳐 진행되며, 이를 포웨이 핸드쉐이킹이라고 부른다.
5. TIME_WAIT 상태의 필요성:
   1. 서버가 FIN을 보내기 전에 보냈던 데이터가 FIN보다 늦게 도착할 경우 문제가 발생할 수 있다.
   2. 클라이언트가 서버로부터 FIN을 수신하자마자 소켓을 닫아버리면, 늦게 도착한 잉여 패킷을 받을 수 없게 된다.
   3. 따라서 클라이언트는 FIN 요청을 받더라도 일정 시간 동안 소켓을 닫지 않고 혹시나 아직 도착하지 않은 잉여 패킷을 기다린다.
   4. 포웨이 핸드쉐이킹 과정이 완료되어도 소켓을 닫지 않고 잉여 패킷을 기다리는 상태를 TIME_WAIT이라고 한다.

4. TCP가 신뢰할 수 있는 프로토콜인 이유

1. 신뢰성 요구 배경:
   1. 현대에는 엄청나게 큰 데이터를 주고받기 때문에 한 개의 패킷으로 전송하기 어려워 데이터를 잘게 쪼개서 많은 패킷을 보낸다.
   2. 이러한 패킷들은 복잡한 인터넷을 통해 이동하며, 이 복잡한 환경에서 데이터가 유실되지 않고 올바른 순서대로 잘 도착할 수 있도록 보장하는 것이 필요하다.
2. TCP의 신뢰성 보장:
   1. 신뢰할 수 있는 프로토콜인 TCP가 이 어려운 것을 가능하게 해준다.
   2. TCP는 흐름 제어, 오류 제어, 혼잡 제어를 통해 신뢰성 있는 데이터 전송을 보장할 수 있다.
3. 추가 학습 권장: TCP의 흐름 제어, 오류 제어, 혼잡 제어에 대해 더 공부해 볼 것을 권장한다.