TCP/IP 4계층 모델과 PDU

Ryu·2023년 4월 17일
CS네트워크
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'면접을 위한 CS 전공지식 노트'를 읽으며 공부한 내용

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계층 구조

TCP/IP 계층은 네 개의 계층을 가지고 있으며 OSI 7계층과 많이 비교합니다.

이 계층들은 특정 계층이 변경되었을 때 다른 계층이 영향 받지 않도록 설계되었습니다.

애플리케이션 계층

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

[용어]
FTP : 장치와 장치 간의 파일을 전송하는데 사용되는 표준 통신 프로토콜 
SSH : 보안되지 않는 네트워크에서 네트워크 서비스를 안전하게 운영하기위한 암호화 네트워크 프로토콜
HTTP : World Wide Web을 위한 데이터 통신의 기초이자 웹 사이트를 이용하는데 쓰는 프로토콜 
SMTP : 전자 메일 전송을 위한 인터넷 표준 통신 프로토콜 
DNS : 도메인 이름과 IP 주소를 매핑해주는 서버

전송 계층

전송(transport) 계층은 송신자와 수신자를 연결하는 통신 서비스를 제공하며 애플리케이션과 인터넷 계층 사이의 데이터가 전달될 때 중계 역할을 합니다. 또한 연결 지향 데이터 스트림, 신뢰성, 흐름 제어를 제공할 수 있습니다.

대표적으로 TCP와 UDP가 있습니다.

TCP

TCP는 패킷 사이의 순서를 보장하고 연결지향 프로토콜을 사용해서 연결을 하여 신뢰성을 구축해서 수신 여부를 확인하며 '가상회선 패킷 교환 방식'을 사용합니다.

UDP

UDP는 순서를 보장하지 않고 수신 여부를 확인하지 않으며 단순히 데이터만 주는 '데이터그램 패킷 교환 방식'을 사용합니다.

가상회선 패킷 교환 방식이란?

각 패킷에는 가상회선 식별자가 포함되며 모든 패킷을 전송하면 가상회선이 해제되고 패킷들은 전송된 '순서대로' 도착하는 방식을 말합니다.

데이터그램 패킷 교환 방식이란?

패킷이 독립적으로 이동하며 최적의 경로를 선택하여 가는데, 하나의 메세지에서 분할된 여러 패킷을 서로 다른 경로로 전송될 수 있으며 도착한 '순서가 다를 수' 있는 방식을 뜻합니다.

TCP 연결 성립 과정

TCP는 3-웨이 핸드셰이크라는 작업을 통해 신뢰성을 확보하고 데이터를 전송합니다.
TCP는 이 과정이 있으므로 신뢰성이 있는 계층, UDP는 이 과정이 없으므로 신뢰성이 없는 계층이라고 합니다.

[3-웨이 핸드셰이크(3-way handshake)]

  1. SYN 단계
    : 클라이언트는 서버에 클라이언트의 ISN을 담아 SYN을 보냅니다.
    (ISN은 새로운 TCP 연결의 첫 번째 패킷에 할당된 임의의 시퀀스 번호를 말하며 이는 장치마다 다를 수 있습니다. )

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

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

[용어]
SYN : SYNchronization의 약자, 연결 요청 플래그 
ACK : ACKnowledgement의 약자, 응답 플래그 
ISN : Initial Sequence Numbers의 약어, 초기 네트워크 연결을 할 때 할당된 
	  32비트 고유 시퀀스 번호

TCP 연결 해제 과정

[4-웨이 핸드셰이크(4-way handshake)]

1번)

  • 클라이언트가 연결을 닫으려고 할 때 FIN으로 설정된 세그먼트를 보냅니다.
  • 클라이언트는 FIN_WAIT_1 상태로 들어가고 서버의 응답을 기다립니다.

2번)

  • 서버는 클라이언트로 ACK라는 승인 세그먼트를 보냅니다.
  • 이후 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 상태가 됩니다.
  • 이후 클라이언트는 어느 정도의 시간을 대기한 후 연결이 닫히고 클라이언트와 서버의 모든 자원이 해제됩니다. 
이때 TIME_WAIT와 같이 일정 시간 뒤에 연결을 닫는 이유는 무엇일까요??

첫 번쨰는 지연 패킷이 발생할 경우를 대비하기 위함입니다. 
패킷이 뒤늦게 도달하고 이를 처리하지 못한다면 데이터 무결성 문제가 발생합니다. 

두 번째는 두 장치가 연결이 닫혔는지 확인하기 위함입니다. 
만약 LAST_ACK 상태에서 닫히게 되면 다시 새로운 연결을 하려고 할 떄 장치는 LASK_ACK로 되어
있기 때문에 접속 오류가 나타날 것입니다.
데이터 무결성(data integrity)이란?
: 데이터의 정확성과 일관성을 유지하고 보증하는 것

인터넷 계층

인터넷(internet) 계층은 장치로부터 받은 네트워크 패킷을 IP 주소로 지정된 목적지로 전송하기 위해 사용되는 계층입니다.

IP, ARP, ICMP 등이 있으며 패킷을 수신해야 할 상대의 주소를 지정하여 데이터를 전달합니다.
상대방이 제대로 받았는지에 대해 보장하지 않는 비연결형적인 특징을 가지고 있습니다.

링크 계층

링크 계층은 전선, 광섬유, 무선 등으로 실질적으로 데이터를 전달하며 장치 간에 신호를 주고받는 '규칙'을 정하는 계층입니다. 네트워크 접근 계층이라고도 합니다.

이를 물리 계층과 데이터 링크 계층으로 나누기도 합니다.

  • 물리 계층 : 무선 LAN과 유선 LAN을 통해 0과 1로 이루어진 데이터를 보내는 계층
  • 데이터 링크 계층 '이더넷 프레임'을 통해 에러 확인, 흐름 제어, 접근 제어를 담당하는 계층

유선 LAN

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

전이중화 통신

전이중화(full duplex) 통신은 양쪽 장치가 동시에 송수신할 수 있는 방식을 말합니다.

CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)

이전에는 유선 LAN에 '반이중화 통신' 중 하나인 CSMA/CD 방식을 썼습니다.
이 방식은 데이터를 '보낸 이후' 충돌이 발생한다면 일정 시간 이후 재전송 하는 방식입니다. 이는 한 경로를 기반으로 데이터를 보내기 때문에 데이터를 보낼 때 충돌에 대비해야 했습니다.

트위스트 페어 케이블

트위스트 페어 케이블(twisted pair cable)은 하나의 케이블처럼 보이지만 실제로는 여덟개의 구리선을 두 개씩 꼬아서 묶은 케이블을 지칭합니다.
케이블은 구리선을 실드 처리하지 않고 덮은 UTP 케이블과 실드 처리하고 덮은 STP 로 나눠집니다.

광섬유 케이블

광섬유 케이블은 광섬유로 만든 케이블입니다. 레이저를 이용해서 통신하기 때문에 장거리 및 고속 통신이 가능합니다.

무선 LAN(IEEE802.11)

무선 LAN 장치는 수신과 송신에 같은 채널을 사용하기 때문에 반이중화 통신을 사용합니다.

반이중화 통신

반이중화 통신(half duplex)은 양쪽 장치는 서로 통신할 수 있지만, 동시에는 통신할 수 없으며 한 번에 한 방향만 통신할 수 있는 방식을 말합니다.

장치가 신호를 수신하기 시작하면 전송이 완료된 후 응답해야 합니다. 또한, 충돌이 발생하면 메세지가 손실되거나 왜곡될 수 있기 때문에 충돌 방지 시스템이 필요합니다.

CSMA/CA

이는 반이중화 통신 중 하나로 장치에서 데이터를 보내기 전에 캐리어 감지 등으로 사전에 가능한 한 충돌을 방지하는 방식을 사용합니다.

[과정]

  1. 데이터 송신 전 무선 매체를 살핀다.
  2. 캐리어 감지 : 회선이 비어있는지 판단한다.
  3. IFS(Inter Frame Space) : 랜덤 값을 기반으로 정해진 시간만큼 기다리며, 무선 매체가 사용중이라면 점차 그 간격을 늘려가며 기다린다.
  4. 이후 데이터를 송신한다.

무선 LAN 주파수

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

와이파이
: 전자기기들이 무선 LAN 신호에 연결할 수 있게 하는 기술

  • 사용하려면 무선 접속 장치(AP, Acess Point)가 있어야 한다.
  • 흔히 공유기라고 하며, 이를 통해 유선 LAN에 흐르는 신호를 무선 LAN 신호로 바꿔주어 신호가 닿는 범위 내에서 무선 인터넷을 사용할 수 있다.
  • 지그비, 블루투스 또한 무슨 LAN을 이용한 기술이다.

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 구축되어있어 사용자가 한 곳에서 다른 곳으로 자유롭게 이동하며 네트워크에 접속하는 것은 불가능하다.

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

  • 장거리 무선 통신 제공
  • BSS보다 더 많은 가용성과 이동성 지원
  • 즉, 사용자는 한 장소에서 다른 장소로 이동하며 중단 없이 네트워크에 계속 연결할 수 있다.

이더넷 프레임

데이터 링크 계층은 이더넷 프레임을 통해 전달받은 데이터의 에러를 검출하고 캡슐화합니다.

이더넷 프레임의 구조

  • Preamble : 이더넷 프레임이 시작임을 알림
  • SFD(Start Frame Delimiter) : 다음 바이트부터 MAC 주소 필드가 시작됨을 알림
  • DMAC, SMAC : 수신, 송신 MAC 주소를 말함
  • EtherType : 데이터 계층 위의 계층인 IP 프로토콜을 정의, ex) IPv4, IPv6
  • Payload : 전달받은 데이터
  • CRC : 에러 확인 비트 
MAC 주소란?
: 컴퓨터나 노트북 등 각 장치에는 네트워크에 연결하기 위한 장치(LAN 카드)가 있는데, 
  이를 구별하기 위한 식별변호를 말한다. (6바이트로 구성)

[BSS와 ESS]

계층 간 데이터 송수신 과정

  • 애플리케이션 계층 -> 전송 계층 : 필자가 보내는 요청(request) 값들이 캡슐화 과정을 거쳐 전달
  • 링크 계층을 통해 해당 서버와 통신을 하고, 해당 서버의 링크 계층으로부터 애플리케이션까지 비캡슐화 광정을 거쳐 데이터 전송

캡슐화 과정

상위 계층의 헤더와 데이터를 하위 계층의 데이터 부분에 포함시키고 해당 계층의 헤더를 삽입하는 과정을 말합니다.


[데이터 전달]

  1. 애플리케이션 계층 -> 전송 계층 : '세그먼트' 또는 '데이터그램'화 되며 TCP(L4) 헤어가 붙여진다.
  2. 전송 계층 -> 인터넷 계층 : IP(L3) 헤더가 붙여지며 '패킷'화 된다.
  3. 인터넷 계층 -> 링크 계층 : 프레임 헤더와 프레임 트레일러가 붙어 '프레임'화가 된다.

비캡슐화 과정

하위 계층에서 상위 계층으로 가며 각 계층의 헤더 부분을 제거하는 과정을 말합니다.

캡슐화된 데이터를 받게 되면 링크 계층에서부터 타고 올라오면서 프레임화된 데이터 -> 패킷화 -> 세그먼트, 데이터그램화 -> 메세지화 가 되는 비캡슐화 과정이 일어납니다.
그 이후 최종적으로 사용자에게 애플리케이션의 PDU인 메세지로 전달합니다.

PDU

PDU(Protocol Data Unit)란 네트워크의 어떠한 계층에서 계층으로 데이터가 전달될 때 한 덩어리의 단위를 말합니다.

PDU의 구성

  • 헤더 : 제어 관련 정보들이 포함
  • 페이로드 : 데이터를 의미

계층 별 PDU의 명칭

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

PDU 테스팅

curl을 테스팅할 수 있는 사이트 : https://reqbin.com/curl

<명령어>
curl www.naver.com

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