TCP/IP 4계층 모델

김민지·2024년 6월 30일

CS 스터디

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데이터를 보낼 땐 뭐가 필요할까?
내 주소, 상대 주소, 오류 없이 갔는지 오류 체크 기능
--> 이런 고민 해결 : TCP/IP 4계층
고민 해결 위해서 주소 확인하는 계층 등을 둠.

(tcp/ip 4계층은 osi 7계층으로 설명하기도 함. apstndp
둘 차이점 중요함!!!!!!!! --> osi 7계층에서 application layer은 application layer, presentation layer, session layer로 나뉨. 역할들은 다 동일한데 용어가 다르니 외워야한다.)

TCP/IP 4계층 : 인터넷상에서 데이터를 주고받을 때 쓰는 독립적인 프로토콜의 집합. 인터넷에서 데이터를 보낼 때 주로 TCP/IP를 사용해서 TCP/IP라고 함. 프로토콜의 네트워킹 범위에 따라 4개의 추상화 계층으로 구성된다.
--> 독립적이라는게 무슨 말? 이 계층들은 특정 계층이 변경되었을 때 다른 계층이 영향 받지 않도록 설계되었다. 예를 들어 전송 계층에서 TCP를 UDP로 변경했다고 해서 인터넷 웹 브라우저를 다시 설치해야 하는 것은 아니듯 말이다.

💚 Application 응용 계층

HTTP, SMTP, SSH, FTP 가 대표적.
FTP : 장치와 장치 간의 파일을 전송하는 데 사용되는 표준 통신 프로토콜
SSH : 보안되지 않은 네트워크에서 네트워크 서비스를 안전하게 운영하기 위한 암호화 네트워크 프로토콜
HTTP : WWW를 위한 데이터 통신의 기초이자 웹 사이트를 이용하는 데 쓰는 프로토콜
SMTP : 전자 메일 전송을 위한 인터넷 통신 프로토콜
DNS : 도메인 이름과 IP 주소를 매핑해주는 서버, 예를 들어 www.naver.com에 DNS 쿼리가 오면 [Root DNS]-> [.com DNS] -> [.naver DNS] -> [.www DNS] 과정을 거쳐 완벽한 주소를 찾아 IP 주소를 매핑한다. 이를 통해 IP 주소가 바뀌어도 사용자들에게 똑같은 도메인 주소로 서비스할 수 있다. 예를 들어 www.naver.com의 IP 주소가 222.111.222.111에서 222.111.222.122로 바뀌었음에도 똑같은 www.naver.com이라는 주소로 서비스가 가능하다.
웹 서비스, 이메일 등 서비스를 사람들에게 실질적으로 제공하는 계층
ex. 브라우저로 http라는 서비스를 이용한다.

💚 Transport 전송 계층

tcp, udp가 대표적.
TCP : 패킷 사이의 순서를 보장하고 연결지향 프로토콜을 사용해서 연결을 하여 신뢰성을 구축하여 수신 여부를 확인하며, '가상회선 패킷 교환 방식(각 패킷에는 가상회선 식별자가 포함되며 모든 패킷을 전송하면 가상회선이 해제되고 패킷들은 전송된 순서대로 도착하는 방식)'을 사용한다.
UDP : 순서를 보장하지 않는다. 수신 여부를 확인하지 않고 단순히 데이터만 주는 '데이터그램 패킷 교환 방식(패킷이 독립적으로 이동하며 최적의 경로를 선택하며 가는데, 하나의 메세지에서 분할된 여러 패킷은 서로 달느 경로로 전송될 수 있으며, 도착한 순서가 다를 수 있다는 방식)'을 사용한다.
송신자와 수신자를 연결하는 통신 서비스를 제공.
애플리케이션에서 받은 메시지를 기반으로 세그먼트 또는 데이터그램으로 데이터를 쪼개고 오류없이 순서대로 전달될 수 있도록 함.
오류 체크 가능
ex. http 서비스를 이용함.

cf. TCP의 연결성립 : 3-웨이 핸드셰이크

TCP는 신뢰성을 확보할 때 '3-way handshake'라는 작업을 진행한다.
클라이언트와 서버가 통신할 때는 다음 세 단계의 과정을 거친다.

SYN 단계 : 클라이언트는 서버에 클라이언트의 ISN(새로운 TCP 연결의 첫 패킷에 할당된 임의의 시퀀스 번호, 장치마다 다를 수 있음)을 담아 SYN(SYNchronization, 연결 요청 플래그)을 보낸다.
SYN+ACK 단계 : 서버는 클라이언트의 SYN을 수신하고 서버의 ISN(Initial Sequence Nubmers, 초기 네트워크 연결을 할 때 할당된 32비트 고유 시퀀스 번호)을 보내며 승인번호로 클라이언트의 ISN+1을 보낸다.
ACK 단계 : 클라이언트는 서버의 ISN+1 값인 승인번호를 담아 ACK(ACKnowledgement, 응답 플래그)를 서버에 보낸다.

이 과정 이후 신뢰성이 구축되고 데이터 전송을 시작한다. 이 과정 때문에 TCP를 신뢰성이 있는 계층이라고 부르는 것이다.

cf. TCP의 연결해제 : 4-웨이 핸드셰이크

TCP가 연결을 해제할 때는 '4-way handshake' 과정이 발생한다.

클라이언트가 연결을 닫으려고 할 때 FIN으로 설정된 세그먼트를 보낸다. 그리고 클라이언트는 FIN_WAIT_1 상태로 들어가고 서버의 응답을 기다린다.
서버는 클라이언트로 ACK라는 승인 세그먼트를 보내고 CLOSE_WAIT 상태로 들어간다. 클라이언트가 세그먼트를 받으면 FIN_WAIT_2 상태에 들어간다.
서버는 ACK를 보내고 일정 시간 이후에 클라이언트에 FIN이라는 세그먼트를 보내다.
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 연결이 해제된다.

cf.cf.TIME_WAIT

4번째 단계의 TIME_WAIT는 소켓이 바로 소멸되지 않고 일정 시간 유지되는 상태다. 왜 연결을 그냥 닫지 않고 일정 시간을 기다리는가?

지연 패킷이 발생할 경우를 대비하여. 패킷이 늦게 도달하고 이를 처리하지 못하면 무결성 문제가 발생한다.
두 장치가 연결이 닫혔는지 확인하기 위해서. 만약 LAST_ACK 상태에서 닫히면 새로운 연결을 할 때 장치는 LAST_ACK 상태에 머물러 있어 접속 오류가 난다.

💚 Internet 인터넷 계층

ip, icmp, arp가 대표.
장치로부터 받은 네트워크 패킷을 IP 주소로 지정된 목적지로 전송하기 위해 사용되는 계층.
패킷을 수신해야 할 상대의 주소를 지정하여 데이터를 전달한다.
한 노드에서 노드로 전송계층에서 받은 세그먼트 또는 데이터그램을 패킷화해서 전송한다. 주소 역할.
상대방이 제대로 받았는지에 대해 보장하지 않는 비연결형적인 특징을 가지고 있다.

💚 Network Access 네트워크 계층(링크 계층)

전선, 광섬유, 무선 등으로 실질적으로 데이터를 전달하며 장치 간에 신호를 주고받는 '규칙'을 정하는 게층.
물리 계층(무선 LAN과 유선 LAN을 통해 0과 1로 이루어진 데이터를 보내는 계층)과 데이터 링크 계층('이더넷 프레임'을 통해 에러 확인, 흐름 제어, 접근 제어를 담당하는 계층)으로 나누기도 한다.

💥 계층 간 데이터 송수신 과정

HTTP를 통해 웹 서버에 있는 데이터를 요청하면 애플리케이션 계층에서 전송 계층으로 요청값들이 캡슐화 과정을 거쳐 전달되고, 다시 링크 계층을 통해 해당 서버와 통신하고, 해당 서버의 링크 계층으로부터 애플리케이션까지 비캡슐화 과정을 거쳐 데이터가 전송된다.

💜 캡슐화

송신자가 수신자에게 데이터를 보낼 때 데이터가 각 계층을 지나며 각 계층의 특징들이 담긴 헤더들이 붙여지는 과정
예를 들어 애플리케이션 계층의 데이터가 전송 계층으로 전달되며 '세그먼트' 혹은 '데이터그램'화 되며 TCP(L4) 헤더가 붙여지게 된다. 그리고 그 이후 인터넷 계층으로 가면서 IP(L3) 헤더가 붙여지게 되며 '패킷'화가 되고, 이후 링크 계층으로 전달되면서 프레임 헤더와 프레임 트레일러가 붙어 '프레임'화가 된다.

💜 비캡슐화

비캡슐화는 캡슐화의 역과정.
수신자측에서는 이렇게 캡슐화된 데이터를 역으로 제거하면서 응용계층까지 도달하는 것.

🧡 PDU (protocol data unit)

네크워크의 어떠한 계층에서 계층으로 데이터가 전달될 때 한 덩어리의 단위를 PDU라고 한다.
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 : 패킷
-> 링크 : 프레임(데이터 링크 계층) 비트(물리 계층)

세그먼트 : 적절한 크기로 쪼갠 조각(데이터그램과 의미 동일)
패킷: 세그먼트에 sp와 dp가 포함된 ip 헤더가 붙은 형태의 조각
프레임:mac 주소 헤더와 crc/체크섬 트레일러가 붙은 조각

출처 및 참고자료
https://www.google.com/url?sa=i&url=https%3A%2F%2Fvelog.io%2F%40emplam27%2FCS-%25EA%25B7%25B8%25EB%25A6%25BC%25EC%259C%25BC%25EB%25A1%259C-%25EC%2595%258C%25EC%2595%2584%25EB%25B3%25B4%25EB%258A%2594-%25EB%2584%25A4%25ED%258A%25B8%25EC%259B%258C%25ED%2581%25AC-%25EA%25B3%2584%25EC%25B8%25B5%25ED%2599%2594%25EC%2599%2580-OSI-TCPIP-UDP%25EC%259D%2598-%25ED%258A%25B9%25EC%25A7%2595%25EA%25B3%25BC-%25EC%25B0%25A8%25EC%259D%25B4%25EC%25A0%2590&psig=AOvVaw2G8L_Mnnq5uGgJe25ZUx3B&ust=1719854288230000&source=images&cd=vfe&opi=89978449&ved=0CBIQjhxqFwoTCLjil9Lqg4cDFQAAAAAdAAAAABAR
https://www.scaler.com/topics/computer-network/tcp-3-way-handshake/
https://www.linkedin.com/pulse/tcp-4-way-termination-handshake-ibraham-ajazz/
https://www.google.com/url?sa=i&url=https%3A%2F%2Fslideplayer.com%2Fslide%2F14026373%2F&psig=AOvVaw1eddj5Lut6bZSiMC9Ai558&ust=1719856398424000&source=images&cd=vfe&opi=89978449&ved=0CBIQjhxqFwoTCLjThMLyg4cDFQAAAAAdAAAAABAE