[면접을 위한 CS 전공지식 노트] 2.2 TCP/IP 4계층 모델

인터넷 프로토콜 스위트(internet protocol suite): 인터넷에서 컴퓨터들이 서로 정보를 주고받는 데 쓰이는 프로토콜의 집합

1. 계층구조

TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol) 4계층 모델: 네트워크에서 사용되는 통신 프로토콜의 집합
OSI 7계층 모델: TCP/IP 계층과 달리 애플리케이션 계층을 3개로 쪼개고 링크 계층을 데이터 링크 계층과 물리 계층으로 나누어 표현하며, 인터넷 계층을 네트워크 계층으로 부름.

애플리케이션(application) 계층

• FTP, HTTP, SSH, SMTP, DNS 등 응용 프로그램이 사용되는 프로토콜 계층이며 웹 서비스, 이메일 등 서비스를 실질적으로 사람들에게 제공하는 층

FTP: 장치와 장치 간의 파일을 전송하는 데 사용되는 표준 통신 프로토콜
SSH: 보안되지 않은 네트워크에서 네트워크 서비스를 안전하게 운영하기 위한 암호화 네트워크 프로토콜
HTTP: World wide Web을 위한 데이터 통신의 기초이자 웹 사이트를 이용하는 데 쓰는 프로토콜
SMTP: 전자 메일 전송을 위한 인터넷 표준 통신 프로토콜
DNS: 도메인 이름과 IP 주소를 매핑해주는 서버. IP 주소가 바뀌어도 사용자들에게 똑같은 도메인 주소로 서비스할 수 있음.

전송(transport) 계층

• 송신자와 수신자를 연결하는 통신 서비스 제공
• 연결 지향 데이터 스트림 지원, 신뢰성, 흐름 제어 제공
• 애플리케이션과 인터넷 계층 사이의 데이터가 전달될 때 중계 역할
• 대표적으로 TCP와 UDP

TCP: 패킷 사이의 순서 보장. 연결지향 프로토콜을 사용해서 연결을 하여 신뢰성을 구축해서 수신 여부를 확인하며 '가상회선 패킷 교환 방식' 사용
UDP: 순서를 보장하지 않고 수신 여부를 확인하지 않으며 단순히 데이터만 주는 '데이터그램 패킷 교환 방식' 사용

가상회선 패킷 교환 방식

• 각 패킷에는 가상회선 식별자가 포함되며 모든 패킷을 전송하면 가상회선이 해제되고 패킷들은 전송된 순서대로 도착하는 방식

데이터 패킷 교환 방식

• 패킷이 독립적으로 이동하며 최적의 경로를 선택하여 가는데, 하나의 메세지에서 분할된 여러 패킷은 서로 다른 경로로 전송될 수 있으며 도착한 순서가 다를 수 있는 방식

TCP 연결 성립 과정

• TCP는 신뢰성을 확보할 때 3-way handshake 작업을 진행. 이 과정 이후 신뢰성이 구축되고 데이터 전송 시작.

3-way handshake

1. SYN단계: 클라이언트는 서버에 클라이언트의 ISN을 담아 SYN을 보낸다.
   (ISN은 새로운 TCP 연결의 첫 번째 패킷에 할당된 임의의 시퀀스 번호를 말하며 이는 장치마다 다름)
2. SYN + ACK 단계: 서버는 클라이언트의 SYN을 수신하고 서버의 ISN을 보내며 승인번호로 클라이언트의 ISN + 1을 보낸다.
3. ACK 단계: 클라이언트는 서버의 ISN + 1한 값인 승인번호를 담아 ACK를 서버에 보낸다.

 

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-way handshake

1. 클라이언트가 연결을 닫으려고 할 때 FIN으로 설정된 세그먼트를 보낸다. 클라이언트는 FIN_WAIT_1 상태로 들어가고 서버의 응답을 기다린다.
2. 서버는 클라이언트로 ACK라는 승인 세그먼트를 보낸다. 서버는 CLOSE_WAIT 상태에 들어간다. 클라이언트가 세그먼트를 받으면 FIN_WAIT_2 상태에 들어간다.
3. 서버는 ACK를 보내고 일정 시간 이후에 클라이언트에 FIN이라는 세그먼트를 보낸다.
4. 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.

TIME_WAIT가 일정 시간 후에 연결을 닫는 이유

1. 지연 패킷이 발생할 경우를 대비. 패킷이 뒤늦게 도달하고 이를 처리하지 못한다면 데이터 무결성 문제 발생.
2. 두 장치가 연결이 닫혔는지 확인하기 위함. 만약 LAST_ACK 상태에서 닫히게 되면 다시 새로운 연결을 하려고 할 때 장치는 줄곧 LAST_ACK로 되어 있기 때문에 접속 오류 발생.

 

TIME_WAIT: 소켓이 바로 소멸되지 않고 일정 시간 유지되는 상태. 지연 패킷 등의 문제점을 해결하는 데 쓰임.
데이터 무결성(data integrity): 데이터의 정확성과 일관성을 유지하고 보증하는 것

인터넷 계층

• 장치로부터 받는 네트워크 패킷을 IP 주소로 지정된 목적지로 전송하기 위해 사용되는 계층
• IP, ARP, ICMP 등이 있음
• 패킷을 수신해야 할 상대의 주소를 지정하여 데이터를 전달
• 상대방이 제대로 받았는지에 대해 보장하지 않는 비연결형적인 특징을 가짐

링크 계층

• 전선, 광섬유, 무선 등으로 실질적으로 데이터를 전달하며 장치 간에 신호를 주고받는 '규칙'을 정하는 계층
• 네트워크 접근 계층이라고도 함
• 물리 계층과 데이터 링크 계층으로 나누기도 함
  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 씀

전이중화(fullduplex) 통신

• 양쪽 장치가 동시에 송수신할 수 있는 방식
• 송신로와 수신로로 나눠서 데이터를 주고받음
• 현대의 고속 이더넷은 이 방식을 기반으로 통신

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

• 이전에는 유선 LAN에 '반이중화 통신' 중 하나인 CSMA/CD 방식 이용
• 데이터를 '보낸 이후' 충돌이 발생한다면 일정 시간 이후 재전송하는 방식
• 수신로와 송신로를 각각 둔 것이 아니라, 한 경로를 기반으로 데이터를 보내기 때문에 데이터를 보낼 때 충돌에 대해 대비해야 했음

유선 LAN을 이루는 케이블

트위스트 페어 케이블(twisted pair cable)

• 하나의 케이블처럼 보이지만 실제로는 8개의 구리선을 2개씩 꼬아서 묶은 케이블
• UTP 케이블: 구리선을 실드 처리하지 않고 덮음 / STP 케이블: 실드 처리하고 덮음
• 우리가 많이 볼 수 있는 케이블은 UTP 케이블. 흔히 LAN 케이블이라고 함
• RJ-45: LAN 케이블을 꽂을 수 있는 커넥터

광섬유 케이블

• 레이저를 이용해서 통신하기 때문에 구리선과 비교할 수 없을 만큼의 장거리 및 고속 통신 가능
• 광섬유 내부와 외부를 다른 밀도를 가지는 유리나 플라스틱 섬유로 제작해서 한 번 들어간 빛이 내부에서 계속적으로 반사하며 전진하여 반대편 끝까지 가는 원리

코어(core): 빛의 굴절률이 높은 부분
클래딩(cladding): 빛의 굴절률이 낮은 부분

무선 LAN(IEEE802.11)

무선 LAN 장치는 수신과 송신에 같은 채널을 사용하기 때문에 반이중화 통신 사용

반이중화 통신(half duplex)

• 양쪽 장치는 서로 통신할 수 있지만, 동시에는 통신할 수 없으며 한 번에 한 방향만 통신할 수 있는 방식
• 장치가 신호를 수신하기 시작하면 응답하기 전에 전송이 완료될 때까지 기다려야 함
• 둘 이상의 장치가 동시에 전송하면 충돌이 발생하여 메세지가 손실되거나 왜곡될 수 있기 때문에 충돌 방지 시스템 필요

CSMA/CA

• 반이중화 통신 중 하나로 장치에서 데이터를 보내기 전에 캐리어 감지 등으로 사전에 가능한 한 충돌을 방지하는 방식을 사용
  1. 데이터를 송신하기 전에 무선 매체를 살핀다.
  2. 캐리어 감지: 회선이 비어 있는지를 판단한다.
  3. IFS(Inter FrameSpcae): 랜덤 값을 기반으로 정해진 시간만큼 기다리며, 만약 무선 매체가 사용 중이면 점차 그 간격을 늘려가며 기다린다.
  4. 이후에 데이터를 송신한다.

무선 LAN을 이루는 주파수

• 비유도 매체인 공기에 주파수를 쏘아 무선 통신망 구축
• 주파수 대역은 2.4GHz 또는 5GHz 대역 중 하나를 써서 구축
• 2.4GHz: 장애물에 강한 특성을 가지고 있지만 전자레인지, 무선 등 전파 간섭이 일어나는 경우가 많음
• 5GHz: 사용할 수 있는 채널 수도 많고 동시에 사용할 수 있기 때문에 상대적으로 깨끗한 전파 환경을 구축할 수 있음

와이파이(wifi)

• 전자기기들이 무선 LAN 신호에 연결할 수 있게 하는 기술
• 무선 접속 장치(AP, Access Point)가 있어야 함. 흔히 이를 공유기라고 함.
• 무선 접속 장치를 통해 유선 LAN에 흐르는 신호를 무선 LAN 신호로 바꿔주어 신호가 닿는 범위 내에서 무선 인터넷을 사용할 수 있게 됨
• 무선 LAN을 이용한 기술로는 와이파이 외에 지그비, 블루투스 등이 있음

BSS(Basic Service Set)

• 기본 서비스 집합을 의미
• 단순 공유기를 통해 네트워크에 접속하는 것이 아닌 동일 BSS 내에 있는 AP들과 장치들이 서로 통신이 가능한 구조
• 근거리 무선 통신을 제공
• 하나의 AP만을 기반으로 구축이 되어 있어 사용자가 한 곳에서 다른 곳으로 자유롭게 이동하며 네트워크에 접속하는 것은 불가능

ESS(Extended Service Set)

• 하나 이상의 연결된 BSS 그룹
• 장거리 무선 통신을 제공
• BSS보다 더 많은 가용성과 이동성을 지원
• 사용자는 한 장소에서 다른 장소로 이동하며 중단 없이 네트워크에 계속 연결할 수 있음

이더넷 프레임

• 데이터 링크 계층은 이더넷 프레임을 통해 전달받은 데이터의 에러를 검출하고 캡슐화함
  • Preamble: 이더넷 프레임이 시작임을 알린다.
  • SFD(Start Frame Delimiter): 다음 바이트부터 MAC 주소 필드가 시작됨을 알린다.
  • DMAC, SMAC: 수신, 송신 MAC 주소
  • EtherType: 데이터 계층 위의 계층인 IP 프로토콜을 정의. (ex. IPv4, IPv6)
  • Payload: 전달받은 데이터
  • CRC: 에러 확인 비트

MAC 주소: 컴퓨터나 노트북 등 각 장치에는 네트워크에 연결하기 위한 장치(LAN 카드)가 있는데, 이를 구별하기 위한 식별번호를 말함. 6바이트(48비트)로 구성.

계층 간 데이터 송수신 과정

1. 애플리케이션 계층에서 전송 계층으로 보내는 요청(request) 값들이 캡슐화 과정을 거쳐 전달됨
2. 다시 링크 계층을 통해 해당 서버와 통신
3. 해당 서버의 링크 계층으로부터 애플리케이션까지 비캡슐화 과정을 거쳐 데이터가 전송됨

캡슐화 과정

• 상위 계층의 헤더와 데이터를 하위 계층의 데이터 부분에 포함시키고 해당 계층의 헤더를 삽입하는 과정
• 애플리케이션 계층의 데이터가 전송 계층으로 전달되면서 '세그먼트' 또는 '데이터그램'화되며 TCP(L4) 헤더가 붙여짐
• 이후 인터넷 계층으로 가면서 IP(L3) 헤더가 붙여지게 되며 '패킷'화 됨
• 이후 링크 계층으로 전달되면서 프레임 헤더와 프레임 트레일러가 붙어 '프레임'화 됨

비캡슐화 과정

• 하위 계층에서 상위 계층으로 가며 각 계층의 헤더 부분을 제거하는 과정
• 캡슐화된 데이터를 받게 되면 링크 계층에서부터 타고 올라오면서 프레임화된 데이터는 다시 패킷화를 거쳐 세그먼트, 데이터그램화를 거쳐 메시지화가 되는 비캡슐화 과정이 일어남
• 최종적으로 사용자에게 애플리케이션의 PDU인 메시지로 전달됨

2. PDU(Protocol Data Unit)

• 네트워크의 어떠한 계층에서 계층으로 데이터가 전달될 때 한 덩어리의 단위
• 제어 관련 정보들이 포함된 '헤더'와 데이터를 의미하는 '페이로드'로 구성
• 계층마다 부르는 명칭이 다름
  • 애플리케이션 계층: 메시지
  • 전송 계층: 세그먼트(TCP), 데이터그램(UDP)
  • 인터넷 계층: 패킷
  • 링크 계층: 프레임(데이터 링크 계층), 비트(물리 계층)