[CS] TCP/IP는 무엇인가?!

average8294·2023년 1월 10일
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TCP/IP?

인터넷 프로토콜 스위트(internet protocol suite)는 인터넷에서 컴퓨터들이 서로 정보를 주고받는 데 쓰이는 프로토콜이 집합이며, 이를 TCP/IP(Transmission Control Protocol / Internet Protocol) 4계층 모델로 설명한다.
이 계층 모델은 네트워크에서 사용되는 통신 프로토콜의 집합으로 계층들은 프로토콜의 네트워킹 범위에 따라 네 개의 추상화 계층으로 구성됩니다.

또한 특정 계층이 변경되었을 때 다른 계층이 영향을 받지 않도록 유연하게 설계되었습니다.

1. 애플리케이션 계층(Application)

응용 프로그램이 사용되는 프로토콜 계층이며 사용자와 상호작용하기 가장 쉬운 계층이며 사용자(사람 또는 소프트웨어)가 네트워크에 접근할 수 있게 합니다.
웹 서비스, 이메일 등 서비스를 실질적으로 사람들에게 제공하는 층입니다.
(FTP, SSH, HTTP, SMTP, DNS ...)

2. 전송 계층(Transport)

전송 계층은 네트워크 혼잡 상황에 따라 패킷의 전송량을 조절하여 패킷의 흐름을 제어하고 패킷 전송의 오류를 점검해서 수신지 컴퓨터까지 패킷이 제대로 도착했는지 확인하는 역할을 합니다. 다시 말해 전송 계층은 수신지 컴퓨터까지 신뢰할 수 있는 데이터를 전송하기 위해 필요한 계층입니다.

송신자와 수신자를 연결하는 통신 서비스를 제공하며 연결 지향 데이터 스트림 지원, 신뢰성, 흐름제어를 제공할 수 있으며 애플리케이션과 인터넷 계층 사이의 데이터가 전달될 때 중계 역할을 합니다. 대표적으로 TCP와 UDP가 있습니다.

  • TCP(Transmission Control Protocol)
    패킷 사이의 순서를 보장하고 연결지향 프로토콜을 사용해서 연결을 하여 신뢰성을 구축해서 수신 여부를 확인하며 '가상회선 패킷 교환 방식'을 사용한다.
    TCP는 두 네트워크 사이에 연결을 형성하고 효율적인 작업을 위해 데이터를 작은 패킷으로 나눠서 데이터를 전송합니다. 신뢰도가 높지만 속도가 느리다.
    가상회선 패킷 교환 방식
    각 패킷에 가상회선 식발자가 포함되며 모든 패킷을 전송하면 가상회선이 해제되고 패킷들은 전송된 '순서대로' 도착하는 방식이다.

  • UDP(User Datagram Protocol)
    순서를 보장하지 않고 수신 여부를 확인하지 않으며 단순히 데이터만 주는 '데이터그램 패킷 교환방식'을 사용합니다
    UDP는 TCP보다 단순하며 다른 데이터에 비해 안전하게 보호되어야 할 필요가 없는 실시간 응용 프로그램에서 흔히 이용됩니다. 신뢰도가 낮고 오류 검출, 흐름 제어 등의 기능을 제공하지 않아 패킷을 빠르게 전송하는 응용 계층에서 이용되고 있습니다.
    데이터그램 패킷 교환 방식
    패킷이 독립적으로 이동하며 최적의 경로를 선택하여 가는데, 하나의 메시지에서 분할된 여러 패킷은 서로 다른 경로로 전송될 수 있으며 도착한 '순서가 다를 수 ' 있는 방식을 뜻한다.

즉, 전송 계층은 다양한 애플리케이션이 동작하는 컴퓨터 내에서 어떤 애플리케이션이 사용하는 데이터인지 식별하여 수신지 컴퓨터에 도착한 데이터를 수신지 컴퓨터 내의 애플리케이션에 배분하는 역할을 합니다.
전송 계층에서는 애플리케이션을 식별하기 위해 포트 번호를 사용합니다.

TCP연결 성립 과정

TCP는 신뢰성을 확보할 때 '3-way handshake'작업을 진행합니다.
클라이언트와 서버가 통신할 때 다음과 같은 세 단계의 과정을 거칩니다.

3-way handshake

  1. SYN(SYNchronization, 연결 요청 플래그)단계 : 클라이언트는 서버에 클라이언트 ISN을 담아 SYN을 보냅니다. ISN은 초기 네트워크 연결을 할 때 할당된 32비트 고유 시퀀스 번호이다.
  2. SYN / ACK(ACKnowledgement, 응답 플래그) 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.

이렇게 3-way 과정 이후 신뢰성이 구축되고 데이터 전송을 시작합니다.
(TCP는 이러한 과정이 있기 대문에 신뢰성이 있는 계층이라고 합니다.)

TCP 연결 해제 과정

4-way handshake

  1. 클라이언트가 연결을 닫으려고 할 때 FIN으로 설정된 세그먼트를 보냅니다. 그리고 클라이언트는 FIN_WAIT_1 상태로 들어가고 서버의 응답을 기다립니다.
  2. 서버는 클라이언트로 ACK라는 승인 세그먼트를 보냅니다. 그리고 CLOSE_WAIT 상태에 들어갑니다. 클라이언트가 세그먼트를 받으며 FIN_WAIT_2상태에 들어갑니다.
  3. 서버는 ACK를 보내고 일정 시간 이후에 클라이언트에 FIN이라는 세그먼트를 보냅니다.
  4. 클라이언트는 TIME_WAIT 상태가 되고 다시 서버로 ACK를 보내서 서버는 CLOSED상태가 됩니다. 이후 클라이언트는 어느 정도 시간을 대기한 후 연결이 닫히고 클라이언트와 서버의 모든 자원의 연결이 해제됩니다.

이 과정 중 가장 눈여겨봐야 할 것은 TIME_WAIT입니다. 그냥 연결을 닫으면 되지 왜 굳이 일정 시간 뒤에 닫을까요?

  • 첫 번째는 지연 패킷이 발생할 경우를 대비하기 위합입니다. 패킷이 뒤늦게 도달하고 이를 처리하지 못한다면 데이터 무결성 문제가 발생합니다.
  • 두 번째는 두 장치가 연결이 닫혔는지 확인하기 위해서입니다. 만약 LAST_ASK 상태에서 닫히게 되면 다시 새로운 연결을 하려고 할 때 장치는 줄곧 LAST_ACK로 되어 있기 때문에 접속 오류가 나타나게 될 것입니다.
    • TIME_WAIT : 소켓이 바로 소멸되지 않고 일정 시간 유지되는 상태를 말하며 지연 패킷 등의 문제점을 해결하는 데 쓰인다.

3. 인터넷 계층

장치로부터 받은 네트워크 패킷을 IP 주소로 지정된 목적지로 전송하기 위해 사용되는 계층입니다.
IP,APR,ICMP 등이 있으며 패킷을 수신해야 할 상대의 주소를 지정하여 데이터를 전달합니다. 상대방이 제대로 받았는지에 대해 보장하지 않는 비연결형적인 특징을 가지고 있습니다.

4. 링크 계층

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 하는데

  • 물리 계층 : 무선LAN과 유선LAN을 통해 0과 1로 이루어진 데이터를 보내는 계층을 말합니다.
  • 데이터 링크 계층 : '이더넷 프레임'을 통해 에러 확인, 흐럼 제어, 접근 제어를 담당하는 계층을 말합니다.

- 계층 간 데이터 송수신 과정

컴퓨터를 통해 다른 컴퓨터로 데이터를 요청한다면 어떠한 일이 일어날까요?(HTTP를 통해 웹 서버에 있는 데이터를 요청한다면?)

애플리케이션 계층에서 전송 계층으로 필자가 보내는 요청(request) 값들이 캡슐화 과정을 거쳐 전달되고, 다시 링크 계층을 통해 해당 서버와 통신을 하고, 해당 서버의 링크 계층으로부터 애플리케이션까지 비캡슐화 과정을 거쳐 데이터가 전송됩니다.

  • 캡슐화 과정

    상위 계층의 헤더와 데이터를 하위 계층의 데이터 부분에 포함시키고 해당 계층의 헤더를 삽입하는 과정을 말합니다.
    애플리케이션 계층의 데이터가 전송 계층으로 전달되면서 '세그먼트' 또는 '데이터그램'화 되며 TCP(L4) 헤더가 붙여지게 됩니다. 그리고 이후 인터넷 계층으로 가면 IP(L3) 헤더가 붙여지게 되며 '패킷'화가 되고, 이후 링크 계층으로 전달되면서 프레임 헤더와 프레임 트레일러가 붙여 '프레임'화가 됩니다.
  • 비캡슐화 과정

    하위 계층에서 상위 계층으로 가며 각 계층의 헤더 부분을 제거하는 과정을 말합니다.
    캡슐화된 데이터를 받게 되면 링크 계층에서부터 타고 올라오면서 프레임화된 데이터는 다시 패킷화를 거쳐 세그먼트, 데이터그램화를 거쳐 메시지화가 되는 비캡슐화 과정이 일어납니다. 그 이후 최종적으로 사용자에게 애플리케이션의 PDU인 메시지로 전달됩니다.

PDU
네트워크의 어떠한 계층에서 계층으로 데이터가 전달될 때 한 덩어리의 단위를 PDU(Protocol Data Unit)라고 합니다.
PDU는 제어 관련 정보들이 포함된 '헤더', 데이터를 의미하는 '페이로드'로 구성되어 잇으며 계층마다 부르는 명칭이 다릅니다.

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

PDU중 아래 계층인 비트로 송수진하는 것이 모든 PDU 중 가장 빠르고 효율성이 높습니다. 하지만 애플리케이션 계층에서는 문자열을 기반으로 송수신을 하는데, 그 이유는 헤더에 authorization 값 등 다른 값들을 넣는 확장이 쉽기 때문입니다.

출처 :
[ 면접을 위한 CS 전공 지식노트 - 주홍철 ]
http://www.steves-internet-guide.com/internet-protocol-suite-explained/
https://nordvpn.com/ko/blog/tcp-ip-protocol/
https://better-together.tistory.com/134
https://www.crocus.co.kr/1362

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