[cs 스터디] 2-2. TCP/IP 4계층 모델 - 계층 구조

YooJeeun·2025년 1월 2일

cs 스터디

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인터넷 프로토콜 스위트(internet protocol suite)는 인터넷에서 컴퓨터들이 서로 정보를 주고받는 데 쓰이는 프로토콜의 집합이다. 이를 TCP/IP 4계층 모델로 설명하거나 OSI 7계층 모델로 설명하기도 한다. 인터넷을 통해 데이터를 보낼 때 주로 TCP와 IP를 이용해서 보내기 때문에 이런 용어를 가짐. 여기서는 TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol) 4계층 모델을 중심으로 설명하며, 이 계층 모델은 네트워크에서 사용되는 통신 프로토콜의 집합으로 총 네 개의 추상화 계층으로 구성된다.

계층 구조

각각의 계층들은 특정 계층이 변경되었을 때 다른 계층이 영향을 받지 않도록 설계 되었다. 예를 들어 전송 계층에서 TCP를 UDP로 변경했다고 해서 인터넷 웹 브라우저를 다시 설치해야하는 것이 아닌듯 유연하게 설계된 것이다.

애플리케이션 계층

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

FTP
: FTP(File Transfer Protocol)는 장치와 장치 간의 파일을 전송하는 데 사용되는 표준 프로토콜
지금은 파일을 암호화해서 전송하는 FTPS 또는 SFTP로 대체되고 있다.
대표적인 FTP 소프트웨어 - 파일질라

SSH
: SSH(Secure Shell Protocol)는 보안되지 않은 네트워크에서 네트워크 서비스를 안전하게 운영하기 위한 암호화 네트워크 프로토콜
내가 클라우드 서비스 배포를 했을 때 (AWS) 그곳에 내 코드를 넣고 거기서 배포된걸 기반으로 사용자들한테 서비스를 서빙함. 근데 내 소중한 코드가 사용자들한테 노출되면 안됨. 어떻게 하면 내 피씨에서 AWS로 코드를 안전하게 운반할 수 있는가 -> 이때 사용하는게 SSH.

HTTP
: World Wide Web을 위한 데이터 통신의 기초이자 웹 사이트를 이용하는 데 쓰는 프로토콜. HTTP(Hypertext Transfer Protocol)은 처음에는 서버와 브라우저간에 데이터를 주고받기 위해 설계된 프로토콜임. 지금은 브라우저 뿐만 아니라 서버와 서버간의 통신을 할 때도 많이 이용함.

HTTP의 특징
1. 헤더를 통한 확장이 쉽다.
2. HTTP는 stateless하다. -> 동일한 연결에서 연속적으로 수행되는 두 요청 사이에 연속적인 상태(state)값은 없음

SMTP
: SMTP(Simple Mail Transfer Protocol)는 전자 메일 전송을 위한 인터넷 표준 통신 프로토콜.
보통 서비스를 운영하면 메일링 서비스를 하게 되는데 node.js를 통해 메일을 보낸다면 이를 통해 보내야 한다.

DNS
: 도메인 이름과 IP주소를 매핑해주는 서버, 예를 들어 www.naver.com에 DNS 쿼리가 오면 [Root DNS] -> [.com DNS] -> [.naver DNS] -> [.www DNS] 과정을 거쳐 완벽한 주소를 찾아 IP주소를 매핑한다.
이를 통해 IP주소가바뀌어도 사용자에게 똑같은 도메인 주소로 서비스할 수 있다.
(www.naver.com의 IP 주소가 222.111.222.111에서 222.111.222.122로 바뀌었음에도 똑같은 www.naver.com이라는 주소로 서비스가 가능하다.)

전송 계층

전송(Transport) 계층은 송신자와 수신자를 연결하는 통신 서비스를 제공하며 연결 지향 데이터 스트림 지원, 신뢰성, 흐름 제어를 제공하며, 애플리케이션과 인터넷 계층 사이의 데이터가 전달될 때의 중계 역할을 한다. 애플리케이션 계층에서 받은 메시지를 기반으로 세그먼트 또는 데이터그램으로 데이터를 쪼개고 데이터가 오류없이 순서대로 전달됟도록 도움을 주는 층.
대표적으로 TCP, UDP가 있다.

TCP
: 패킷 사이 순서를 보장한다.
연결지향 프로토콜을 사용해서 연결하여 신뢰성을 구축해서 수신 여부를 확인한다.
'가상회선 패킷 교환 방식'을 사용한다.
오류검사 매커니즘이 다양하다.
1. 재전송: 시간 초과 기간이 지나면 서버는 전달되지 않은 데이터에 대해 재전송을 시도한다.
2. 체크섬: 체크섬을 통해 무결성을 평가한다. 즉, 송신된 데이터의 체크섬과 수신된 데이터의 체크섬 값을 비교해서 올바르게 왔는지를 확인
헤더 길이 20~60byte로 가변적임

UDP
: 패킷 사이 순서를 보장하지 않는다.
수신 여부를 확인하지 않는다.
단순히 데이터만 주는 '데이터그램 패킷 교환 방식'을 사용한다.
오류검사는 단순한 체크섬만 지원한다.
헤더 길이 32비트(8byte)로 고정적임

가상회선 패킷 교환 방식
: 각 패킷에는 가상회선 식별자가 포함되며 모든 패킷을 전송하면 가상회선이 해제되고 패킷들은 전송된 '순서대로' 도착하는 방식이다.

데이터그램 패킷 교환 방식
: 패킷이 독립적으로 이동하며 최적의 경로를 선택해서 간다. 하나의 메시지에서 분할된 여러 패킷은 서로 다른 경로로 전송될 수 있으며 도착한 '순서가 다를 수'있는 방식이다.

TCP 연결 성립 과정

TCP는 신뢰성을 확보할 때 '3-웨이 핸드셰이크(3-way handshake)'라는 작업을 진행한다.

클라이언트와 서버가 통신할 때 다음과 같은 세 단계의 과정을 거친다. 1. SYN 단계: 클라이언트는 서버에 클라이언트의 ISN을 담아 SYN을 보낸다. ISN은 새로운 TCP 연결의 첫 번째 패킷에 할당된 임의의 시퀀스 번호를 말하며 장치마다 다를 수 있다.

SYN + ACK 단계: 서버는 클라이언트의 SYN을 수신하고 서버의 ISN을 보내며 승인 번호로 클라이언트 ISN에 +1을 해서 보낸다.
ACK 단계: 클라이언트는 서버의 ISN에 +1을 한 값을 담아 ACK를 서버에 보낸다.

이 과정 이후 신뢰성이 구축되고 데이터 전송을 시작한다.
TCP는 3-way handshake 과정이 있기 때문에 신뢰성이 있는 계층이라고 하며 UDP는 이 과정이 없기 때문에 신뢰성이 없는 계층이라고 한다.

SYN: SYNcronization의 약자, 연결 요청 플래그
ACK: ACKnoledgement의 약자, 응답 플래그
ISN: Initial Sequence Numbers의 약어, TCP기반 데이터 통신에서 각각의 새 연결에 할당된 고유한 32비트 시퀀스 번호를 나타낸다. TCP 연결을 통해 전송되는 다른 데이터 바이트와 충돌하지 않는 시퀀스 번호를 할당하는 데 도움이 된다.

TCP 연결 해제 과정

연결을 해제할 때는 '4-웨이 핸드셰이크(4-way handshake)'과정이 발생한다.

1번: 클라이언트가 연결을 닫으려고 할 때 FIN으로 설정된 세그먼트를 보낸다. 그리고 클라이언트는 FIN_WAIT_1 상태로 들어가고 서버의 응답을 기다린다.

2번: 서버는 클라이언트로 ACK를 보낸다. 그리고 CLOSE_WAIT 상태에 들어간다. 클라이언트는 세그먼트를 받게 되면 FIN_WAIT_2 상태에 들어간다.

3번: 서버는 ACK를 보내고 일정 시간 이후 클라이언트에 FIN을 보낸다.

4번: 클라이언트는 TIME_WAIT 상태가 되고 다시 서버로 ACK를 보낸다. 서버는 CLOSED상태가 된다. 이후 클라이언트는 어느 정도의 시간을 대기한 후 연결이 닫히고 클라이언트와 서버의 모든 자원의 연결이 해제된다.

바로 연결을 닫지않고 일정 시간 뒤에 닫는 이유?
1. 지연 패킷이 발생할 경우를 대비하기 위함이다.
패킷이 뒤늦게 도달했을 때 이를 처리하지 못하면 데이터 무결성 문제가 발생한다.

두 장치가 연결이 닫혔는지 확인하기 위함이다.
만약 LAST_ACK 상태에서 닫히게 된다면 다시 새로운 연결을 하려고 할 때 장치는 줄곧 LAST_ACK로 되어있기 때문에 접속 오류가 나타난다.

TIMEWAIT
: 소켓이바로 소멸되지 않고 일정 시간 유지되는 상태이다.
CentOS6, 우분투 - 60초
윈도우 - 4분

인터넷 계층

인터넷(Internet) 계층은 장치로부터 받은 네트워크 패킷을 IP 주소로 지정된 목적지로 전송하기위해 사용되는 계층이다.

IP, ARP, ICMP 등이 있으며 패킷을 수신해야 할 상대의 주소를 지정하여 전달한다. 상대방이 제대로 받았는지에 대해 보장하지 않는 비연결형적인 특징을 가지고 있다.
한 노드에서 다른 노드로 전송 계층에서 받은 세그먼트 또는 데이터그램을 패킷화하여 목적지로 전달하는 역할을 담당한다.

ICMP
: ICMP(Internet Control Message Protocol)는 노드와 노드 사이에서 통신이 잘되나를 확인할 때 쓰는 프로토콜이다.
이는 데이터를 교환하는데 사용되지 않는 프로토콜이다.
일반적으로 테스팅에 사용한다.
IP와 달리 TCP, UDP와 같은 전송 계층 프로토콜과 연관되지 않고 독립적인 비연결형 프로토콜로 이것은 ICMP를 비연결형 프로토콜을 기반으로 구축됨

링크 계층

전선, 광섬유, 무선 등으로 실질적으로 데이터를 전달하며 장치 간에 신호를 주고받는 '규칙'을 정하는 계층이다. (네트워크 접근 계층이라고도 함)

물리 계층과 데이터링크 계층으로 나누기도 한다.
물리 계층: 무선 LAN과 유선 LAN을 통해 0과 1로 이루어진 데이터를 보내는 계층
데이터링크 계층: '이더넷 프레임'을 통해 에러 확인, 흐름, 접근 제어를 담당하는 계층

유선 LAN(IEEE802.3)
IEEE802.3 프로토콜을 따르며 전이중화 통신을 쓴다.

전이중화 통신
전이중화(full duplex) 통신은 양쪽 장치가 동시에 송수신할 수 있는 방식을 말한다. 이는 송신로와 수신로로 나눠서 데이터를 주고받으며 현대의 고속 이더넷은 이 방식을 기반으로 통신하고 있다.

CSMA/CD
이전에는 유선 LAN에 '반이중화 통신'중 하나인 CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)방식을 사용했다.
데이터를 '보낸 이후' 충돌이 발생한다면 일정 시간 이후 재전송 하는 방식이다. 수신로와 송신로가 한 경로를 기반으로 데이터를 보내기 때문에 충돌에 대비하기 위함이다.

유선 LAN을 이루늩 케이블
TP케이블이라고 하는 트위스트 페어 케이블, 광섬유 케이블이 대표적이다.

트위스트 페어 케이블은 하나의 케이블처럼 보이지만 실제로는 여덟 개의 구리선을 두 개씩 꼬아서 묶음 케이블
구리선을 실드 처리하지 않고 덮은 UTP 케이블(LAN 케이블),
실드 처리하고 덮은 STP 케이블로 나뉜다.

광섬유 케이블은 레이저를 이용해서 통신한다. 장거리 및 고속 통신이 가능하다.
보통 100Gbps의 데이터를 전송하며 광섬유 내부와 외부를 다른 밀도를 가지는 유리나 플라스틱 섬유로 제작해서 한 번 들어간빛이 내부에서 계속적으로 반사하며 전진하여 반대편 끝까지 가는 원리를 이용한 것이다.

코어: 빛의 굴절률이 높은 부분 클래딩: 빛의 굴절률이 낮은 부분

무선 LAN(IEEE802.11)
수신과 송신에 같은 채널을 사용하기때문에 반이중화 통신을 사용한다.

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 말한다.

장치가 신호를 수신하기 시작하면 응답하기 전에 전송이 완료될 때까지 기다려야 한다. 둘 이상의 장치가 동시에 전송하면 충돌이 발생하여 메시지 손실이되거나 왜곡될 수 있기 때문에 충돌 방지 시스템이 필요하다.

CSMA/CA
반이중화 통신 중 하나로 장치에서 데이터를 보내기 전에 일련의 과정을 기반으로 충돌을 방지하는 방식이다.

사용중인 채널이 있다면 다른 채널을 감지하다 유휴 상태인 채널을 발견한다.
프레임 간 공간 시간인 IFS(InterFrame Space) 시간만큼 기다린다.
IFS는 프레임의 우선순위를 정의할 때도 사용된다. (IFS가 낮으면 우선순위가 높다.)
프레임을 보내기 전레임을 보내기 전 $0$ ~ $2^k-1$ 사이에서 결정된 랜덤 상수를 기반으로 결정된 시간만큼 기다린 뒤 프레임을 보낸다.
프레임을 보낸 뒤 제대로 송신이 되었고 ACK 세그먼트를 받았다면 마친다.
아니라면 k=k+1을 하며 반복한다. k가 kmax보다 커지게 되면 해당 프레임 전송을 버린다.(abort)

무선 LAN을 이루는 주파수
무선 신호 전달 방식을 이용하여 2대 이상의 장치를 연결하는 기술이다.
비유도 매체인 공기에 주파수를 쏘아 무선 통신망 구축.
주파수 대역은 2.4GHz 또는 5GHz 대역 중 하나를 써서 구축한다.

2.4GHz - 장애물에 강한 특성을 가지지만 전자레인지나 무선 등 전파 간섭이 일어나는 겨우가 많음
5GHz - 사용할 수 있는 채널도 많고 동시에 사용할 수있기때뭉네 상대적으로 깨끗한 전파 환경을 구축할 수 있다.

와이파이
: 전자기기들이 무선 LAN 신호에 연결할 수 있게 하는 기술
무선 접속 장치(AP, Access Point)가 있어야 한다.(공유기)
이를 통해 유선 LAN에 흐르는 신호를 무선 LAN으로 바꿔주어 신호가 닿는 범위 내에서 무선 인터넷을 사용할 수 있다. *지그비, 블루투스도 있음

BSS
: BSS(Basic Service Set)는 기본 서비스 집합이다. 단순 공유기를 통해 네트워크에 접속하는 것이 아닌 동일 BSS내에 있는 AP들과 장치들이 서로 통신이 가능한 구조를 말한다.
근거리 무선 통신 제공.
하나의 AP만을 기반으로 구축이 되어 있어 사용자가 한 곳에서 다른 곳으로 자유롭게 이동하며 네트워크에 접속하는 것은 불가능하다.

ESS
: ESS(Extended Service Set)는 하나 이상의 연결된 BSS그룹이다.
장거리 무선 통신 제공.
BSS보다 많은 가용성과 이동성을 지원한다.
사용자는 한 장소에서 다른 장소로 이동하며 중단 없이 네트워크에 계속 연결할 수 있다.