네트워크 (3)

조정훈·2024년 3월 27일
CS
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TCP/IP 4계층 모델

4개의 계층을 가지고 있으며 OSI 7계층과 자주 비교된다.

  • TCP
    안정적이고 효율적인 데이터 전송을 위한 네트워크 프로토콜

  • OSI (Open Systems Interconnection)
    7개 계층으로 구성된 네트워크 통신 모델

OSI 는 TCP/IP 와 다르게 애플리케이션 계층을 3개로 나눠놨고
링크 계층 -> 데이터 링크 계층
인터넷 계층 -> 네트워크 계층

으로 부르는것이 다르다.


1. 애플리케이션 계층

FTP, HTTP, SSH, SMTP, DNS 등 응용프로그램이 사용되는 프로토콜 계층
웹서비스, 이메일 등의 서비스를 실질적으로 사람들에게 제공하는 층

  • FTP
    장치와 장치간의 파일을 전송하는데 사용되는 표준 통신 프로토콜

  • SSH
    보안되지 않은 네트워크에서 네트워크 서비스를 안전하게 운영하기 위한 암호화 네트워크 프로토콜

  • HTTP
    World Wide Web을 위한 데이터 통신의 기초이자 웹 사이트를 이용하는 데 쓰는 프로토콜

  • SMTP
    전자 메일 전송을 위한 인터넷 표준 통신 프로토콜

  • DNS
    도메인 이름과 ip 주소를 매핑해주는 서버. ip주소가 바뀌더라도 주소를 통해 ip주소를 찾을 수 있다.


2. 전송 계층

송신자와 수신자를 연결하는 통신 서비스를 제공하며 연결 지향 데이터 스트림 지원, 신뢰성, 흐름 제어를 제공할 수 있으며 애플리케이션과 인터넷 계층 사이의 데이터가 전달될 때 중개 역할을 한다. ex) TCP, UDP

TCP

데이터 전송 전에 두 컴퓨터 간 연결을 설정하고 데이터 전송이 끝나면 연결끊는다.
가상회선 패킷 교환방식(연결지향, 신뢰성, 패킷교환을 하는) 사용

장점: 신뢰성 높은 데이터 전송, 순서 유지, 흐름 제어

  흐름제어 : 수신자와 송신자 간의 데이터 흐름을 관리하는 메커니즘.
  데이터 전송 과정에서 수신측의 버퍼 상태를 모니터링하고,
  너무 많은 데이터가 한번에 전송되어 네트워크가 혼잡해지지 않도록 조절하는것.

단점: 연결 설정 및 끊기에 시간 소요, 오버헤드 발생

  • 오버헤드 : 데이터 전송을 위해 사용하는 추가 정보로인해 발생하는 부하

    종류

    1. 헤더 오버헤드 : 패킷에 포함되는 헤더 정보로 인해 발생하는 오버헤드

    2. 연결 오버헤드 : 연결 설정/끊기 과정에서 발생하는 오버헤드

      오버헤드가 발생하면 데이터 전송속도 감소, 트래픽 증가, 지연시간 증가
      -> 해결방법 : MSS옵션, Nagle알고리즘, Keepalive 옵션

    • MSS (Maximum Segment Size) 옵션: 최대 전송 단위를 늘려 헤더 오버헤드 비율을 감소시킬 수 있다.
    • Nagle알고리즘 : 작은 데이터 패킷을 하나로 합쳐 전송하여 헤더 오버헤드 줄일 수 있다.
    • Keepalive 옵션 : 연결 유지 시간을 설정하여 불필요한 연결 끊기/ 재설정 오버헤드를 줄일 수 있다.

  • 가상회선 패킷 교환 방식

각 패킷에는 가상회선 식별자가 포함되며 모든 패킷을 전송하면 가상회선이 해제되고 패킷들은 전송된 순서대로 도착하는 방식


  • TCP 연결 성립 과정
    TCP는 신뢰성을 확보할 때 '3-way handshake' 라는 작업을 진행합니다.

    1. SYN 단계
    클라이언트는 서버에 클라이언트의 ISN을 담아 SYN을 보낸다. 연결요청

    2. SYN + ACK 단계
    서버는 클라이언트의 SYN을 수신하고 서버의 ISN을 보내며 승인번호로 클라이언트의 ISN + 1 을 보낸다

    3. ACK 단계
    클라이언트는 서버의 ISN + 1 한 값인 승인번호를 담아 ACK를 서버에 보낸다.

    - ISN : 새로운 TCP연결의 첫 번째 패킷에 할당된 임의의 시퀀스 번호
    - ACK : 수신측에서 데이터 패킷을 성공적으로 받았다고 알리는 숫자

  • TCP 연결 해제 과정

    • 1번
      클라이언트가 연결 닫을려고 할 때 FIN으로 설정된 세그먼트를 보낸다. 그리고 클라이언트는 FIN_WAIT_1 상태로 들어가고 서버의 응답을 기다립니다.

    • 2번
      서버는 클라이언트로 ACK라는 승인 세그먼트를 보냅니다. 그리고 CLOSE_WAIT 상태에 들어갑니다. 클라이언트가 세그먼트를 받으면 FIN_WAIT_2 상태에 들어갑니다.

    • 3번
      서버는 ACK를 보내고 일정 시간 이후에 클라이언트에 FIN이라는 세그먼트를 보냅니다.

    • 4번
      클라이언트는 TIME_WAIT 상태가 되고 다시 서버로 ACK를 보내서 서버는 CLOSED 상태가됩니다. 이후 클라이언트는 어느 정도의 시간을 대기한 후 연결이 닫히고 클라이언트와 서버의 모든 자원의 연결이 해제됩니다.

      TIME_WAIT

      소켓이 바로 소멸되지 않고 일정 시간 유지되는 상태를 말한다.

      사용이유

      1. 지연 패킷이 발생할 경우를 대비하기 위해
      2. 두 장치가 연결이 닫혔는지 확인하기 위해

UDP

연결 설정 없이 데이터를 일방적으로 전송한다. 순서 보장x, 수신 여부 확인x
(데이터그램 패킷 교환 방식)

장점: 빠른 데이터 전송, 연결 설정 및 끊기에 시간 소요 없음, 오버헤드 적음
단점: 데이터 손실 가능성, 순서 보장 없음, 흐름 제어 없음

  • 데이터그램 패킷 교환 방식

    패킷이 독립적으로 이동하며 최적의 경로를 선택하여 가는데, 하나의 메시지에서 분할된 여러 패킷은 서로 다른 경로로 전송될 수 있으며 도착한 순서가 다를 수 있다는 방식
    그림을 보면 3,2,1 순서가 다르게 도착했고 회선도 지멋대로 따로 이동한다

3. 인터넷 계층

장치로부터 받은 네트워크 패킷을 ip주소로 지정된 목적지로 저송하기 위해 사용되는 계층
IP, ARP, ICMP 등이 있으며 패킷을 수신해야 할 상대의 주소를 지정하여 데이터를 전달한다. 상대방이 제대로 받았는지에 대해 보장하지 않는 비연결형적인 특징을 갖는다.


4. 링크 계층

전선, 광섬유, 무선등으로 실질적으로 데이터를 전달하며 장치간에 신호를 주고받는 규칙을 정하는 계층. 네트워크 접근 계층이라고도 한다.
물리계층와 데이터링크 계층으로 나누기도 한다.

  • 물리계층 : 무선LAN, 유선LAN을 통해 0과1로 이루어진 데이터를 보내는 계층
  • 데이터링크계층 : '이더넷 프레임'을 통해 에러확인, 프름제어, 접근제어를 담당하는 계층
  • 유선LAN (IEEE802.3) : IEEE802.3이라는 프로토콜을 따르며 전이중화 통신을 쓴다

전이중화 통신

  • CSMA/CD
    예전에는 유선 LAN에 반이중화 통신중 하나인 CSMA/CD를 썼다. 이 방식은 데이터를 보낸 이후 충돌이 발생하면 일정 시간 이후 재전송하는 방식을 말한다.
    -> 수신로, 송신로를 따로 둔게 아니라 한 경로를 기반으로 데이터를 보냈기 때문에 충돌에 대해 대비하려고 한것

  • 유선LAN을 이루는 케이블
    TP케이블이라고 하는 트위스트페어 케이블, 광섬유 케이블이 대표적이다

    • 트위스트 페어 케이블

      여덟개의 구리선을 두 개씩 꼬아서 묶은 케이블

    • 광섬유 케이블
      광섬유로 만든 케이블. 레이저를 이용해서 통신하기 때문에 구리선을 쓰는 트위스트 페어 케이블보다 훨씬 빠르고 장거리 통신이 가능하다. 보통 100Gbps의 데이터를 전송 할 수 있다.


반이중화 통신

무선LAN (IEEE802.11) 은 수신과 송신에 같은 채널을 사용하기 때문에 반이중화 통신을 사용한다.
반이중화 통신은 양쪽 장치는 서로 통신할 수 있지만, 동시에는 통신이 불가능하며 한 방향으로만 통신할 수 있는 방식을 말한다.

  • CSMA/CA
    반이중화 통신 중 하나로 장치에서 데이터를 보내기 전에 일련의 과정을 기반으로 사전에 가능한 한 충돌을 방지하는 방식

    과정

    1. 사용중인 채널이 있다면 다른 채널을 감지하다가 유후 상태인 채널을 발견
    2. IFS 시간만큼 기다린다. IFS가 낮으면 우선순위가 높다.
    3. 프레임을 보내기 전 0 ~ 2^k - 1 사이에서 결정된 랜덤 상수를 기반으로 결정된 시간만큼 기다린 뒤 프레임을 보냅니다. 프레임을 보낸 뒤 제대로 송신이 되었고 ACK 세그먼트를 받았다면 마칩니다. 그러나 받지 못했다면 k = k + 1을 하며 이 과정을 반복합니다. 반복하다 k가 정해진 Kmax보다 더 커진다면 해당 프레임 전송은 버립니다(abort).

  • 무선 LAN을 이루는 주파수
    주파수 대역 2.4GHz or 5GHz 대역 중 하나를 써서 구축한다.
    2.4GHz : 장애물에 강하다. 무선 전파간섭이 자주 일어난다.
    5GHz : 채널수가 많고 동시에 사용할 수 있기 때문에 깨끗한 전파 환경 구축 가능.
    그러므로 5GHz 대역을 사용하는 것이 좋다

    • 와이파이
      전자기기들이 무선LAN 신호에 연결할 수 있게 하는 기술
      무선 접속 장치 (공유기)가 있어야하며 유선 LAN에 흐르는 신호를 무선 LAN 신호로 바꿔주어 신호가 닿는 범위 내에 무선 인터넷을 사용할 수 있게 된다.
      무선LAN 다른 기술로 지그비, 블루투스도 있다
    • BSS (Basic Service Set)
      기본 서비스 집합을 의미하며 단순 공유기를 통해 네트워크에 접속하는 것이 아닌 동일 BSS내에 있는 AP들과 장치들이 서로 통신이 가능한 구조를 말한다.
      근거리무선통신, 자유롭게 이동해서 네트워크 접속하는것은 불가능
    • ESS (Extend Service Set)
      하나 이상의 연결된 BSS그룹. 장거리 무선통신, BSS보다 더 많은 가용성과 이동성
      다른장소로 이동하며 중단없이 네트워크 접속 가능

  • 이더넷 프레임
    데이터 링크 계층은 이더넷 프레임을 통해 전달받은 데이터의 에러를 검출하고 캡슐화하며 다음과 같은 구조를 가진다.

    - Preamble： 이더넷 프레임이 시작임을 알립니다.
    - SFD（Start Frame Delimiter）： 다음 바이트부터 MAC 주소 필드가 시작됨을 알립니다.
    - DMAC, SMAC： 수신, 송신 MAC 주소를 말합니다.
    - EtherType： 데이터 계층 위의 계층인 IP 프로토콜을 정의합니다. 예를 들어 IPv4 또는 IPv6가 됩니다.
    - Payload： 전달받은 데이터
    - CRC： 에러확인비트

  • 계층 간 데이터 송수신 과정
    컴퓨터를 통해 다른 컴퓨터로 데이터를 요청한다면? 예를들어 HTTP 웹 서버에 있는 데이터를 요청한다면?

    애플리케이션 계층에서 전송 계층으로 보내는 요청 값들이 캡슐화 과정을 거쳐 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

      순서

      1. 애플리케이션계층 에서 전송계층으로 데이터가 전달되면서 '세그먼트'or'데이터그램'화 되며 TCP(L4)헤더가 붙여진다.
      2. 인터넷 계층으로 가면서 IP(L3)헤더 붙여져서 '패킷'화 된다
      3. 링크 계층으로 전달되면서 프레임헤더 + 프레임 트레일러가 붙어서 '프레임'화 된다.

    • 비캡슐화 과정
      하위계층에서 상위계층으로 가면서 각 계층의 헤더부분을 제거하는 과정

      캡슐화된 데이터를 받으면 링크계층에서부터 타고 올라오면서 프레임화된 데이터는 다시 역으로 패킷화를 거쳐 세그컨트, 데이터그램화를 거쳐 메시지화가 된다.
      그 이후 최종적으로 사용자에게 애플리케이션 PDU인 메세지로 전달된다.



PDU

Ptorocol Data Unit
네트워크의 어떠한 계층에서 계층으로 데이터가 전달될 때 한 덩어리의 단위
PDU는 제어 관련 정보들이 포함된 '헤더', 데이터를 의미하는 '페이로드'로 구성되어 있으며 계층마다 부르는 명칭이 다르다.

  • 애플리케이션 계층 : 메시지

  • 전송 계층 : 세그먼트(TCP), 데이터그램(UDP)

  • 인터넷 계층 : 패킷

  • 링크 계층 : 프레임(데이터 링크 계층), 비트(물리 계층)

    PDU 중에는 아래 계층인 비트로 송수신하는 것이 모든 PDU중에서 가장 빠르고 효율성이 높다.
    하지만 애플리케이션 계층 에서는 문자열을 기반으로 송수신을 하는데, 그 이유는 헤더에 authorization 값 등 다른 값들을 넣는 확장이 쉽기 때문이다.


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