📚 TCP/IP 4계층 모델

• 인터넷 프로토콜 스위트(Internet Protocal suite)
  • 인터넷에서 컴퓨터들이 서로 정보를 주고받는 데 쓰이는 프로토콜의 집합.
    -> TCP/IP 4계층 모델 또는 OSI 7계층 모델로 설명.

🌫️ 계층 구조

• TCP/IP 4계층 vs OSI 7계층
  

• 특정 계층이 변경되었을 때 다른 계층이 영향을 받지 않도록 설계됨.

📱 애플리케이션(Application) 계층

• FTP, HTTP, SSH, SMTP, DNS 등 응용 프로그램이 사용되는 프로토콜 계층.
• 웹 서비스, 이메일 등의 서비스를 실질적으로 사람들에게 제공하는 층.

• FTP
  • 장치와 장치 간의 파일을 전송하는 데 사용되는 표준 통신 프로토콜
• SSH
  • 보안되지 않은 네트워크에서 네트워크 서비스를 안전하게 운영하기 위한 암호화 네트워크 프로토콜
• HTTP
  • World Wide Web을 위한 데이터 통신의 기초이자 웹사이트를 이용하는 데 쓰는 프로토콜
• SMTP
  • 전자 메일 전송을 위한 인터넷 표준 통신 프로토콜
• DNS
  • 도메인 이름과 IP 주소를 매핑해주는 서버
  • IP 주소가 바뀌어도 사용자들에게 똑같은 도메인 주소로 서비스할 수 있게 함

📨 전송(Transport) 계층

• 송신자와 수신자를 연결하는 통신 서비스를 제공
• 연결 지향 데이터 스트림 지원, 신뢰성, 흐름 제어 제공
• 애플리케이션과 인터넷 계층 사이의 데이터가 전달될 때의 중계 역할
• 대표적으로 TCP, UDP가 있음

• TCP
  • 패킷 사이의 순서를 보장
  • 연결지향 프로토콜을 사용한 연결을 통해 신뢰성 구축 및 수신 여부 확인
  • 가상회선 패킷 교환 방식 사용
• UDP
  • 패킷 사이의 순서를 보장하지 않음
  • 수신 여부를 확인하지 않음
  • 데이터그램 패킷 교환 방식 사용

가상회선 패킷 교환 방식

각 패킷에 가상회선 식별자를 포함하며, 모든 패킷을 전송하면 가상회선이 해제되고 패킷이 전송된 순서대로 도착하는 방식

데이터그램 패킷 교환 방식

패킷이 독립적으로 이동하며 최적의 경로를 선택하여 가며, 하나의 메시지에서 분할된 여러 패킷이 서로 다른 경로로 전송될 수 있으며 도착한 순서가 다를 수 있는 방식

TCP 연결 성립 과정

TCP는 연결시 3-웨이 핸드셰이크(3-way handshake)를 통해 신뢰성 확보

• 3-웨이 핸드셰이크 과정 이후 신뢰성이 구축되고 데이터 전송 시작.

• TCP는 3-웨이 핸드셰이크 과정이 있기 때문에 신뢰성이 있는 계층. UDP는 이 과정이 없어서 신뢰성이 없음.
  

• SYN 단계

  • 클라이언트가 서버에 클라이언트의 ISN을 담아 SYN을 보내는 단계

• SYN + ACK 단계

  • 서버가 클라이언트의 SYN을 수신하고 서버의 ISN을 보내며 승인번호(클라이언트의 ISN + 1)를 보내는 단계

• ACK 단계

  • 클라이언트가 승인번호(서버의 ISN + 1)를 담아 ACK를 서버에 보냄

• SYN(SYNchronization)
  • 연결 요청 플래그
• ACK(ACKnowledgement)
  • 응답 플래그
• ISN(Initial Sequence Numbers)
  • 초기 네트워크 연결을 할 때 할당된 32비트 고유 시퀀스 번호
  • 새로운 TCP 연결의 첫 번째 패킷에 할당된 임의의 시퀀스 번호
  • 장치마다 다를 수 있음

TCP 연결 해제 과정

TCP는 연결 해제시 4-웨이 핸드셰이크(4-way handshake) 과정 발생

1. FIN_WAIT_1
   • 클라이언트가 연결을 닫으려고 할 때 FIN으로 설정된 세그먼트를 보냄.
   • 클라이언트는 FIN_WAIT_1 상태로 들어가고 서버의 응답을 기다림.
2. CLOSE_WAIT
   • 서버는 클라이언트로 ACK라는 승인 세그먼트를 보내고 CLOSE_WAIT 상태에 들어감.
   • 클라이언트가 세그먼트를 받으면 FIN_WAIT_2 상태로 들어감.
3. LAST_ACK
   • 서버는 ACK를 보내고 일정 시간 이후에 클라이언트에 FIN이라는 세그먼트를 보냄.
4. TIME_WAIT
   • 클라이언트는 TIME_WAIT 상태가 되고 다시 서버로 ACK를 보냄.
   • 서버는 CLOSED 상태가 됨.
   • 이후 클라이언트는 어느 정도의 시간을 대기 후 연결이 닫힘.
   • 클라이언트와 서버의 모든 자원의 연결이 해제됨.

• TIME_WAIT
  • 소켓이 바로 소멸되지 않고 일정 시간 유지되는 상태.
  • CentOS6, 우분투 : 60초
  • Windows : 4분
    -> OS마다 조금씩 다를 수 있음.

• TIME_WAIT의 존재 이유
  1. 지연 패킷이 발생할 경우를 대비
     -> 지연 패킷을 처리하지 못하면 데이터 무결성 문제 발생
  2. 두 장치가 연결이 닫혔는지 확인하기 위해
     -> LAST_ACK 상태에서 닫힐 경우 새로운 연결을 할 때 LAST_ACK 상태에 있기 때문에 접속 오류 발생.

• 데이터 무결성
  • 데이터의 정확성과 일관성을 유지하고 보증하는 것

🌐 인터넷(Internet) 계층

장치로부터 받은 네트워크 패킷을 IP 주소로 지정된 목적지로 전송하기 위해 사용되는 계층.

• IP, ARP, ICMP 등이 있음.
• 패킷을 수신해야 할 상대의 주소를 지정하여 데이터를 전달.
• 비연결형적
  • 상대방이 제대로 받았는지에 대해 보장하지 않는 특징

🪢 링크(Link) 계층

또는 네트워크 접근 계층

전선, 광섬유, 무선 등으로 실질적으로 데이터를 전달하며 장치 간에 신호를 주고받는 규칙을 정하는 계층

• 물리 계층과 데이터 링크 계층으로 나누기도 함.

물리 계층

• 무선 LAN과 유선 LAN을 통해 0과 1로 이루어진 데이터를 보내는 계층

유선 LAN

• 유선 LAN을 이루는 이더넷은 IEEE802.3 프로토콜을 따르며 전이중화 통신 사용
• 주로 트위스트 페어(TP, Twisted Pair) 케이블 또는 광섬유 케이블로 이루어 짐

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

• 송신로와 수신로로 나눠서 데이터를 주고받음.
• 현대의 고속 이더넷이 통신하는 방식

CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)
이전에 사용하던 반이중화 통신 방식 중 하나로 데이터를 보낸 이후 충돌이 발생한다면 일정 시간 이후 재전송하는 방식

• 수신로와 송신로가 별도로 존재하지 않음.
  -> 충돌에 대비해야 함.

트위스트 페어 케이블
여덟 개의 구리선을 두 개씩 꼬아서 묶은 케이블

• UTP 케이블
  • 구리선을 실드 처리하지 않고 덮은 케이블
  • 많이 볼 수 있음.
  • 흔히 LAN 케이블이라고 함
• STP 케이블
  • 구리선을 실드 처리하고 덮은 케이블

• RJ-45 커넥터
  • LAN 케이블을 꽂을 수 있는 커넥터

광섬유 케이블
광섬유로 만든 케이블

• 레이저를 이용해서 통신하기 때문에 장거리 및 고속 통신이 가능함.
• 보통 100Gbps의 데이터 전송.
• 내부와 외부의 밀도가 다를 때 빛의 전반사가 일어나는 성질을 이용.
  • 내부 : 코어(Core)
    -> 빛의 굴절률이 높음.
  • 외부 : 클래딩(Cladding)
    -> 빛의 굴절률이 낮음.

무선 LAN(WLAN, Wireless Local Area Network)
무선 신호 전달 방식을 이용하여 2대 이상의 장치를 연결하는 기술

• IEEE802.11 프로토콜 을 따름. 수신과 송신에 같은 채널을 이용하는 반이중화 통신 사용.
• 비유도 매체인 공기에 주파수를 쏘아 무선 통신망 구축. 주파수 대역은 2.4GHz 또는 5GHz 사용.
• 2.4GHz
  • 장애물에 강한 특성을 가짐.
  • 전자레인지, 무선 등 전파 간섭이 일어나는 경우가 많음.
• 5GHz
  • 사용할 수 있는 채널 수도 많고 동시에 사용 가능.
    -> 상대적으로 깨끗한 전파 환경 구축 가능
    -> 보통은 5GHz 대역 사용

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

• 장치가 신호를 수신하기 시작하면 응답하기 전에 수신이 완료될 때까지 기다려야 함.
• 둘 이상의 장치가 동시에 전송하면 충돌이 발생하여 메시지가 손실되거나 왜곡될 수 있음.
  -> 충돌 방지 시스템 필요.

CSMA/CA
반이중화 통신 중 하나. 데이터를 보내기 전에 캐리어 감지 등으로 사전에 가능한 한 충돌을 방지하는 방식을 사용.

1. 데이터를 송신하기 전에 무선 매체를 살핀다.
2. 회선이 비어 있는지 판단한다.(캐리어 감지)
3. 랜덤 값을 기반으로 정해진 시간만큼 기다리며, 만약 무선 매체가 사용 중이면 점차 그 간격을 늘려가며 기다린다.(IFS(Inter Frame Space))
4. 이후 데이터 송신

와이파이(wifi)
전자기기들이 무선 LAN 신호에 연결할 수 있게 하는 기술.

• 사용하기 위해선 무선 접속 장치(AP, Access Point)가 있어야 함.
  -> 흔히 공유기라고 함.
  -> 유선 LAN에 흐르는 신호를 무선 LAN 신호로 바꿔주어 신호가 닿는 범위 내에서 무선 인터넷을 사용할 수 있게 함.

BSS(Basic Service Set)
기본 서비스 집합. 단순 공유기를 통해 네트워크에 접속하는 것이 아닌 동일 BSS 내에 있는 AP들과 장치들이 서로 통신이 가능한 구조.

• 근거리 무선 통신 제공.
• 하나의 AP만을 기반으로 구축되어 사용자가 자유롭게 이동하며 네트워크에 접속하는 것은 불가능.

ESS(Extended Service Set)
하나 이상의 연결된 BSS 그룹.

• 장거리 무선 통신 제공.
• BSS보다 더 많은 가용성과 이동성을 지원.

데이터 링크 계층

• 이더넷 프레임을 통해 전달받은 데이터의 에러를 검출하고 캡슐화하는 계층

이더넷 프레임

• Preamble
  • 이더넷 프레임의 시작임을 알림
• SFD(Start Frame Delimiter)
  • 다음 바이트부터 MAC 주소 필드가 시작됨을 알림
• DMAC, SMAC
  • 수신, 송신 MAC 주소
• EtherType
  • 데이터 계층 위의 계층인 IP 프로토콜을 정의.(IPv4 또는 IPv6)
• Payload
  • 전달받은 데이터
• CRC
  • 에러 확인 비트

• MAC 주소
  • LAN카드(컴퓨터나 노트북 등의 각 장치에 있는, 네트워크에 연결하기 위한 장치)를 식별하기 위한 식별번호.
  • 6바이트(48비트)로 구성됨.

📡 계층 간 데이터 송수신 과정

송신 측의 요청(Request)이 캡슐화 과정을 거쳐 애플리케이션 계층에서 링크 계층까지 전달됨. 수신측의 링크 계층부터 애플리케이션 계층까지 비캡슐과 과정을 거쳐 데이터가 전송됨.

캡슐화 과정

상위 계층의 헤더와 데이터를 하위 계층의 데이터 부분에 포함시키고 해당 계층의 헤더를 삽입하는 과정

• 세그먼트화 또는 데이터그램화
  • 애플리케이션 계층의 데이터가 전송 계층으로 전달되면서 TCP(L4) 헤더가 붙여짐.
• 패킷화
  • 인터넷 계층으로 가면서 IP(L3) 헤더가 붙여짐.
• 프레임화
  • 링크 계층으로 전달되면서 프레임 헤더와 프레임 트레일러가 붙여짐.

비캡슐화 과정

하위 계층에서 강위 계층으로 가며 각 계층의 헤더 부분을 제거하는 과정

• 프레임화된 데이터 -> 패킷화 -> 세그먼트화 또는 데이터그램화 -> 메시지화
• 최종적으로 사용자에게 애플리케이션의 PDU인 메시지로 전달됨.

PDU(Protocol Data Unit)

네트워크의 어떠한 계층에서 계층으로 데이터가 전달될 때 한 덩어리의 단위.

• 제어 관련 정보들이 포함된 헤더, 데이터를 의미하는 페이로드로 구성됨.
• 계층마다 부르는 명칭이 다름.

• 애플리케이션 계층
  • 메시지
• 전송 계층
  • 세그먼트(TCP), 데이터그램(UDP)
• 인터넷 계층
  • 패킷
• 링크 계층
  • 프레임(데이터 링크 계층), 비트(물리 계층)

• PDU 중 비트로 송수신 하는 것이 모든 PDU중 가장 빠르고 효율성이 높음.
• 애플리케이션 계층은 헤더에 authorization 값 등 다른 값들을 넣는 확장이 쉬워서 문자열을 기반으로 송수신함.