0. TCP/IP 4계층 모델

인터넷 프로토콜 스위트는 인터넷에서 컴퓨터들이 서로 정보를 주고받는 데 쓰이는 프로토콜의 집합이다.
이의 정이가 2가지 존재하는데 TCP/IP 4계층 모델과 OSI 7계층 모델이 있다.
여기서는 TCP/IP 4계층 모델을 중심으로 설명하겠다.

1. 계층 구조

TCP/IP 계층은 4개의 계층을 갖고 있으며 OSI 7계층과 많이 비교한다.

OSI 계층은 애플리케이션 계층을 3개로 쪼개고 링크 계층을 2개로 나눠서 표현하는 점이 다르다.
특히 인터넷 계층을 네트워크 계층이라고 부르는 용어도 다르다.

이 계층들은 특정 계층이 변경되었을 때 다른 계층이 영향을 받지 않도록 설계되어 있다.
예를 들어 TCP를 UDP로 변경했다 한들 웹 브라우저를 다시 설치해야 하는 것은 아니다.

1.1 애플리케이션 계층

애플리케이션 계층에는

• FTP
  • 장치 간 파일을 전송하는데 사용
• HTTP
  • World Wide Web를 위한 통신의 기초. 웹 사이트를 이용하는데 쓰임
• SSH
  • 암호화 네트워크 프로토콜
• SMTP
  • 전자 메일 전송을 위해 사용
• DNS
  • Domain Name Service

등 응용 프로그램이 사용되는 프로토콜 계층이며 웹 서비스와 같은 서비스를 실직적으로 사람들에게 제공하는 층이다.

1.2 전송 계층

전송 계층은 송신자와 수신자를 연결하는 통신 서비스를 제공한다.

연결 지향 데이터 스트림 지원, 신뢰성, 흐름 제어를 제공할 수 있다.

애플리케이션과 인터넷 계층 사이의 데이터가 전달될 때 중계 역할을 하는데 대표적으로 TCP , UDP가 있다.

TCP의 가상회선 패킷 교환 방식

가상회선 패킷 교환 방식은 각 패킷에는 가상회선 식별자가 포함되어 모든 패킷을 전송하면 가상회선이 해제되고 패킷들은 전송된 순서대로 도착하는 방식이다.

UDP의 데이터그램 패킷 교환 방식

데이터그램 패킷 교환 방식은 패킷이 독립적으로 이동하며 최적의 경로로 가는 방식이다. 하지만 하나의 메시지에서 분할된 여러 패킷은 서로 다른 경로로 전송될 수 있으며 도착한 순서도 다를 수 있다.

TCP 연결 성립 과정

TCP는 신뢰성을 확보할 때 3-way handshake 라는 작업을 진행한다.

1. SYN 단계 (요청)
2. SYN + ACK 단계
3. ACK 단계 (응답)

이렇게 3-웨이 핸드셰이크 과정 이후 신뢰성이 구축되고 데이터 전송을 시작한다. TCP는 이 과정이 있기에 신뢰성 있는 계층이라고 하며 UDP는 없기에 신뢰성 없는 계층이라고 부른다.

TCP 연결 해제 과정

TCP가 연결을 해제할 때는 4-way handshake 과정이 발생한다.

1. 클라가 닫으려고 할 때 FIN으로 설정된 세그먼트 전송, 클라는 FIN_WAIT_1 상태로 서버의 응답을 기다림
2. 서버가 클라에게 ACK라는 승인 세그먼트 전송, CLOSE_WAIT 상태가 되고 클라가 세그먼트 받으면 FIN_WAIT_2 상태로 변경
3. 서버는 ACK를 보내고 일정 시간 이후 클라에게 FIN 세그먼트 전송
4. 클라는 TIME_WAIT 상태가 되고 다시 서버로 ACK를 보냄 서버는 CLOSED 상태가 된다. 이후 클라는 어느 정도 시간 이후 연결이 닫히고 클라, 서버의 모든 자원의 연결이 해제된다.

여기서 TIME_WAIT을 왜 사용하는가? 이처럼 그냥 연결을 바로 닫지 않고 일정 시간 뒤에 닫는 이유는

1. 지연 패킷이 발생할 경우를 대비하기 위함이다.
2. 지연 패킷을 처리하지 못한다면 데이터 무결성 문제가 발생하기 때문이다.

TIME_WAIT

소켓이 바로 소멸되지 않고 일정 시간 유지되는 상태. 지연 패킷 등의 문제점을 해결하는 데 쓰인다.

데이터 무결성

데이터의 정확성과 일관성을 유지하고 보증하는 것

1.3 인터넷 계층

인터넷 계층은 장치로부터 받은 네트워크 패킷을 IP 주소로 지정된 목적지로 전송하기 위해 사용되는 계층이다.
IP, ARP, ICMP 등이 있으며 패킷을 수신해야 할 상대의 주소를 지정하여 데이터를 전달한다.
상대방이 제대로 받았는지에 대해 보장하지 않는 비연결형적인 특징을 가지고 있다.

1.4 링크 계층

링크 계층은 네트워크 접근 계층이라고도 하며 전선, 광섬유, 무선 등으로 실질적으로 데이터를 전달하며 장치 간 신호를 주고받는 규칙을 정하는 계층이다.

물리 계층(유무선 LAN), 데이터 링크 계층(이더넷 프레임통한 제어)으로 나누어 지기도 한다.

계층 간 데이터 송수신 과정

예를 들어 HTTP를 통해 웹 서버에 있는 데이터를 요청한다면 어떤 과정이 일어나는지 알아보자.

앱 계층에서 전송 계층으로 자신이 보내는 요청 값들이 캡슐화 -> 링크 계층에서 서버와 통신 -> 비캡슐화를 거쳐 데이터가 전송된다.

캡슐화 과정

캡슐화 과정은 상위 계층의 헤더와 데이터를 하위 계층의 데이터 부분에 포함시키고 해당 계층의 헤더를 삽입하는 과정이다.

1. 앱 계층의 데이터가 전송 계층으로 전달되면서 세그먼트 또는 데이터그램화 되며 TCP(L4) 헤더가 붙는다.
2. 그 이후 인터넷 계층으로 가면서 IP(L3) 헤더가 붙여져 패킷화가 되고
3. 이후 링크 계층으로 전달되면서 프레임 헤더와 프레임 트레일러가 붙어 프레임화가 된다.

비캡슐화 과정

비캡슐화 과정은 하위 계층에서 상위 계층으로 가며 각 계층의 헤더 부분을 제거하는 과정을 말한다.

2. PDU (Protocol Data Unit)

네트워크의 어떠한 계층에서 계층으로 데이터가 전달될 때 한 덩어리의 단위를 PDU라고 한다.
제어 관련 정보들이 포함된 헤더, 데이터를 의미하는 페이로드로 구성되어 있다.

PDU 중 아래 계층인 비트로 송수신하는 것이 모든 PDU중 가장 빠르고 효율성이 높은데 앱 계층에서 문자열 기반으로 송수신을 한다. 그 이유는 헤더에 authorization 값 등 다른 값들을 넣는 등 확장이 쉽기 때문이다.

3. 인터넷 계층을 처리하는 기기

인터넷 계층을 처리하는 기기로는 라우터와 L3 스위치가 있습니다.

라우터

라우터는 여러 개의 네트워크를 연결, 분할, 구분시켜주는 역할을 한다. 다른 네트워크에 존재하는 장치끼리 서로 데이터를 주고받을 때 패킷 소모를 최소화하고 경로를 최적하하여 최소 경로로 패킷을 포워딩하는 라우팅을 하는 장비이다.

L3 스위치

L3 스위치는 L2 스위치의 기능과 라우팅 기능을 갖춘 장비를 말한다.
즉 라우터라고 해도 무방하다. 하드웨어 기반의 라우팅을 담당하는 장치를 L3 스위치라고 한다.

4. 데이터 링크 계층을 처리하는 기기

데이터 링크 계층을 처리하는 기기로는 L2 스위치와 브리지가 있다.

L2 스위치

L2 스위치는 장치들의 MAC 주소를 MAC 주소 테이블을 통해 관리하며 연결된 장치로부터 패킷이 왔을 때 패킷 전송을 담당한다.

브리지

브리지는 두 개의 LAN을 상호 접속할 수 있도록 하는 통신망 연결 장치다. 포트와 포트 사이의 다리 역할을 한다.

5. 물리 계층을 처리하는 기기

물리 계층을 처리하는 기기는 NIC, 리피터, AP가 있다.

NIC

NIC는 네트워크와 빠른 속도로 데이터를 송수신할 수 있도록 컴퓨터 내에 설치하는 확장 카드이다.

리피터

리피터는 들어오는 약해진 신호 정도를 증폭하여 다른 쪽으로 전달하는 장치이다.

AP (Access Point)

AP는 패킷을 복사하는 기기이다.
AP에 LAN을 연결한 후 다른 장치에서 무선 랜 기술을 사용해 무선 네트워크를 연결할 수 있다.