들어가기전

우선, TCP/IP 4계층 모델에 대해 알아보기 전에 인터넷 프로토콜 스위트 에 대해 알아야 한다.

• 인터넷 프로토콜 스위트 이란?

  인터넷 프로토콜 스위트는 인터넷에서 컴퓨터들이 서로 정보를 주고받는 데 쓰이는 프로토콜에 집합이다.

프로토콜,,??
이는 컴퓨터 내부에서 또는 컴퓨터 사이에서 데이터를 교환하는 방식을 정의하는 규칙체계를 말한다.
이러한 집합을 인터넷 프로토콜 스위트라고 하는데,이를 설명할 때 TCP/IP 4계층 모델 이 등장을 한다.
사실 이뿐만 아니라 OSI 7계층 모델로 설명하기도 하지만 이번 블로깅에선 TCP/IP 4계층 모델`에 대해 다루어보려 한다.

계층 구조

TCP/IP 4계층 모델은 애플리케이션 계층, 전공 계층, 인터넷 계층, 링크 계층 총 4개로 이루어져 있다. 이 계층들은 특정 계층이 변경되었을 때 다른 계층이 영향을 받지 않도록 설계되었다. 어떤 것을 교체해도 굴러 가도록 유연하게 설계되었다.

이제부터 이 계층별로 하나씩 어떤 계층인지 봐보자.

애플리케이션 계층

애플리케이션(application) 계층은 FTP, HTTP, SSH, SMTP, DNS 등 응용 프로그램이 사용되는 프로토콜 계층이다.
웹 서비스, 이메일 등 서비스를 실질적으로 사람들에게 제공하는 층이다.

약간 이해가 안갈 것 같아서 예시를 들어보겠다.
SMTP같은 경우 전자 메일 전송을 위한 인터넷 표준 통신 프로토콜로 전자 메일을 사용할 때 쓴다. 이처럼 사용자가 데이터를 집접 주고 받는 부분에 대한 계층이 애플리케이션 계층이다.

전송 계층

전송(transport) 계층은 송신자와 수신자를 연결하는 통신 서비스를 제공하며 연결 지향 데이터 스트림 지원, 신뢰성, 흐름 제어를 제공할 수 있으며 애플리케이션과 인터넷 계층 사이의 데이터가 전달될 때 중게 역할을 한다.

이는 쉽게 말하면 사용자와 인터넷 사이의 데이터의 주고 받는 역할을 하는 부분이다.

예시로는 TCP 와 UDP가 있다.
1. TCP는 패킷 사이의 순서를 보장하고 연결지향 프로토콜을 사용해서 연결을 하여 신뢰성을 구축해서 수신여부를 확인하며 가상회선 패킷 교환 방식 을 사용한다.

• 가상회선 패킷 교환 방식?
  가상회선 패킷 교환 방식은 각 패킷에는 가상회선 식별자가 포함되며 모든 패킷을 전송하면 해제되고 패킷들은 전송된 순서대로 전송된다.

2. UDP는 순서를 보장하지 않고 수신 여부를 확인하지 않으며 단순히 데이터만 주고받는 데이터그램 패킷 교환 방식을 사용한다.
   

• 데이터그램 패킷 교환 방식?
  이는 패킷이 독립적으로 이동하며 최적의 경로를 선택하여 가는데, 하나의 메시지에서 분할된 여러 패킷은 서로 다른 경로로 전송될 수 있다. 이 때문에 도착한 순서가 다를 수 있다.

TCP 연결 성립 과정

TCP는 신뢰성을 구축하고 UDP는 그런게 없다.. 뭐가 다르길래??

TCP는 신뢰성을 확보하기 위해 3-웨이 핸드셰이크(3-way handshake)라는 작업을 진행한다.

위에 그림처럼 총 3단계를 거쳐서 신뢰성을 확보한다.

1. SYN단계 (연결 요청)
   -> 클라이언트는 서버에 클라이언트의 32비트의 고유 시퀀스 번호 SYN을 보낸다. ISN은 첫번 째 패킷에 할당된 임의의 시퀀스 번호를 말한다.
2. SYN + ACK 단계 (연결 요청 + 응답)
   -> 서버는 클라이언트의 SYN을 수신하고 서버의 ISN을 보내며 승인번호로 클라이언트의 ISN + 1 을 보낸다.
   -> 클라이언트의 고요 번호를 받고 새로운 서버의 고유번호에 + 1하여 승인번호도 보낸다.
3. ACK단계 (응답)
   -> 클라이언트는 서버의 ISN + 1한 값인 승인번호를 담아 ACK를 서버에 보냅니다.

이러한 과정을 거쳐서 신뢰성이 구축되며, 이 상태에서 데이터 전송을 시작한다.
TCP에는 이 과정이 있고, UDP에는 이것이 없다.

TCP 연결 해체 과정

TCP 연결 성립 과정에 대해 알아보았다면 해체할때는 어떤 과정을 거칠까?
이때는 4-웨이 핸드셰이크(4-way handshake) 과정이 발생한다.
이에 대해서도 알아보자.

1. FIN_WAIT_1
   먼저 클라이언트가 연결을 닫으려 할 때 FIN으로 설정된 세그먼트를 보낸다. 그리고 클라이언트는 FIN_WAIT_1 상태로 들어가고 서버의 응답을 기다린다.
2. FIN_WAIT_2
   서버는 클라이언트로 ACK라는 승인 세그먼트를 보낸다. 그리고 CLOSE_WAIT 상태에 들어간다. 클라이언트가 세그먼트를 받으면 FIN_WAIT_2 상태에 들어간다.
3. CLOSE_WAIT
   서버는 ACK를 보내고 일정 시간 이후에 클라이언트에 FIN이라는 세그먼트를 보낸다.
4. TIME_WAIT
   클라이언트는 TIME_WAIT 상태가 되고 다시 서버로 ACK를 보내서 서버는 CLOSED 상태가 된다. 이후 클라이언트는 어느 정도의 시간을 대기한 후 연결이 닫히고 클라이언트와 서버의 모든 자원의 연결은 해제된다.

약간 의문점이 드는점이 있다. 4번에 TIME_WAIT에 어느 정도의 시간을 대기한 후에 연결히 닫힌다? 왜 대기하는가? 이유가 있을 것이다.

1. 지연 패킷 발생 대비
   -> 뒤늦게 도달하여 처리하지 못한 데이터가 있다면 데이터 무결성 문제가 발생한다.
2. 두 장치가 연결이 닫혔는지 확인
   -> LAST_ACK 상태에서 닫히게 되면 다시 새로운 연결을 하려고 할 때 계속 LAST_ACK로 되어 있을 것이다. -> 접속 오류
   두 장치가 완전히 닫힐때까지 잠시 대기하는 것이다.

인터넷 계층

인터넷(internet) 계층은 장치로부터 받은 네트워크 패킷을 IP주소로 지정된 목적지로 전송하기 위해 사용되는 계층이다.

• 장치 -> IP주소

예시로는 IP, ARP, ICMP 등이 있으며 패킷을 수신해야 할 상대의 주소를 지정하여 데이터를 전달한다. 상대방이 제대로 받았는지에 대한 것은 보장하지 않는다는 비연결형적인 특징이 있다. 보내면 끝. 제대로 받던지 말던지

링크 계층

링크 계층은 점선, 광섬유, 무선 등으로 실질적으로 데이터를 전달하며 장치 간에 신호를 주고 받는 규칙을 정하는 계층이다.
다른 이름으로는 네트워크 접근 계층 이라고도 한다.

이에는 물리 계층과 데이터 계층으로 나누기도 한다.

• 물리 계층은 무선 LAN과 유선 LAN을 통해 0과 1로 이루어진 데이터를 보내는 계층을 말한다.
• 데이터 링크 계층은 이더넷 프레임을 통해 에러 확인, 흐름 제어, 접근 제어를 담당하는 계층을 말한다.

유선 LAN

유선 LAN을 이루는 이더넷은 IEEE802.3이라는 프로토콜을 따르며 전이중화 통신을 쓴다.

전이중화 통신?

전이중화 통신(full duplex) 통신은 양쪽 장치가 동시에 송수신할 수 있는 방식을 말한다. 이는 송신로와 수신로로 나눠서 데이터를 주고 받을 수 있다. 현대 고속 이더넷은 이 방식을 기반으로 하고 있다.

CSMA / CD

전이중화 통신을 사용하기 이전에 쓴 방식으로 이는 반이중화 통신 의 방식을 사용한다. 이 방식은 데이터를 보낸 후 충돌이 발생한다면 일정 시간 이후에 재전송하는 방식을 말한다. 이는 수신로와 송신로를 동시에 두기 전으로, 한 경로를 기반으로 데이터를 보내기 떄문에 데이터를 보낼 때 충돌에 대비한 방식이었다. 참고로 알아두자.

유선 LAN 대표 케이블

1. 트위스트 페어 케이블
2. 광섬유 케이블

무선 LAN

무선 LAN은 수신과 송신이 같은 채널에서 발생하기 때문에 반이중화 통신 을 사용해야 된다.

반이중화 통신

반이중화 통신은 양쪽 장치는 서로 통신할 수 있지만, 동시에는 통신할 수 없으며 한번에 한 방향만 통신할 수 있는 방식을 말한다.

이러한 통식방식 때문에 충돌 방지 시스템이 필요하다.

CSMA / CA

이는 반이중화 통신 중 하나로 장치에서 데이터를 보내기 전에 캐리어 감지 등으로 사전에 가능한 한 충돌을 방지하는 방식을 사용한다.
충돌을 방지하는 방법은 다음과 같다.

1. 데이터를 송신하기 전에 무선 매체를 살핀다.
2. 캐리어 감지: 회선이 비어있는지 판단
3. IFS(Inter FrameSpace): 랜덤 값을 기반으로 정해진 시간만큼 기다리며, 만약 무선 매체가 사용 중이면 점차 그 간격을 늘려가며 기다린다.
4. 이후로 데이터를 송신한다.

무선 LAN을 이루는 주파수

무선 LAN 같은 경우에는 무선 신호 전달 방식을 이용하며 2대 이상의 장치를 연결하는 기술이다.
이때 사용되는 주파수는 2.4GHz 또는 5GHz 대역 중 하나를 써서 구축한다. 하지만 2.4GHz는 전자레인지나 무선 등 전파 간섭이 일어나는 경우가 많아 5GHz를 추천한다.

무선 LAN의 예시

1. 와이파이
2. BSS
3. ESS

계층 간 데이터 송수신 과정

들어가기전, 이더넷 프레임?

링크 계층은 이더넷 프레임을 통해 전달받은 데이터의 에러를 검출하고 캡슐화하여 아래와 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: 에러 확인 비트

자 이제 계층구조에 전체적인 부분을 배웠다. 그렇다면 이것들이 어떻게 상호작용하고 작동할까?

본인이 컴퓨터를 통해 다른 컴퓨터로 데이터를 요청한다면? 예를 들어 HTTP를 통해 웹 서버에 있는 데이터를 요청한다면?

애플리케이션 계층에서 전송 계층으로 필자가 보내는 요청값들을 캡슐화 과정을 거쳐 전달되고, 다시 링크 계층을 통해 해당 서버와 통신을 하고, 해당 서버의 링크 계층으로부터 애플리케이션까지 비캡슐화 과정을 거쳐 데이터가 전송된다.

캡슐화 과정? 비캡슐화 과정? 이는 무엇인가. 이에 대해 알아보자.

캡슐화 과정

캡술화 과정은 상위 계층의 헤더와 데이터를 하위 계층의 데이터 부분에 포함시키고 해당 계층의 헤더를 삽입 시키는 과정을 말한다.
예시로 애플리케이션 계층에서 전송 계층으로 전달되면서 세그먼트 또는 데이터그램화 되며 TCP(L4) 헤더가 붙여지게 된다.

비캡슐화 과정

비캡슐화 과정은 캡슐화의 반대로 하위 계층에서 상위 계층으로 가며 각 계층의 캡슐화를 통해 추가한 헤더를 제거하는 과정을 말한다.

PDU

네트워크의 어떠한 계층에서 계층으로 데이터가 전달 될 때 한 덩어리의 단위를 PDU(Protocol Data Unit)이라고 한다. 위에서 보았던 캡슐화, 비캡슐화 할때 만드는 것이 이것이라고 할 수 있다.
PDU에는 제어 관련 정보들이 포함된 헤더 와 데이터를 의미하는 페이로드 로 구성되어 있고 이는 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)

마무리

이번 시간에는 인터넷에서 컴퓨터들이 서로 정보를 주고 받는 방식에 대해 알아보았고, 그 중에서도 TCP/IP 4계층 모델 중에 계층 구조에 대해 알아보았다. 상당히 방대한 양을 짧게 정리하느라 생략한 부분이 상당히 있다. 이 블로깅을 읽고 조금 이해가 안가는 부분이 있다면 좀 더 자세히 공부하기를 추천한다.
이 블로깅에서는 전체적인 흐름을 잡아가는 느낌으로 공부하길 바란다.