네트워크 - TCP/IP 4계층 모델

지금부터 4가지의 계층을 가지고 있는 TCP/IP 계층의 구조부터 PDU까지 알아보도록 한다.

목차

1. 계층 구조
2. PDU

1. 계층 구조

TCP/IP의 4계층 모델의 구성은 아래와 같다.

• 애플리케이션 계층
• 전송 계층
• 인터넷 계층
• 링크 계층

애플리케이션 계층

애플리케이션 계층은 FTP/HTTP/SSH/SMTP/DNS 등 응용 프로그램이 사용되는 프로토콜 계층이며 웹 서비스, 이메일 등 서비스를 실질적으로 사람들에게 제공하는 층이다.
- FTP : 장치 <---> 장치 간의 파일을 전송하는 데 사용되는 표준 통신 프로토콜
- SSH : 보안되지 않은 네트워크에서 네트워크 서비스를 안전하게 운영하기 위한 암호화 네트워크 프로토콜
- HTTP : WWW 데이터 통신의 기초이자 웹 사이트 이용에 사용되는 프로토콜
- DNS : 도메인 이름과 IP주소를 매핑해주는 서버.

전송 계층

전송 계층은 송신자 <---> 수신자 간의 연결 통신 서비스와 연결 데이터 스트림 지원, 신뢰성, 흐름 제어 등을 제공하며, 애플리케이션과 인터넷 계층 사이의 데이터가 전달될 때 중계 역할을 한다.
전송 계층의 대표적인 종류는 아래와 같다.

• TCP
  - 패킷 사이의 순서를 보장함
  - 연결지향 프로토콜 사용
  --> 신뢰성 구축 및 수신 여부를 확인하며 '가상회선 패킷 교환 방식'을 사용함.
• UDP
  - 순서를 보장하지 않음.
  - 수신 여부를 확인하지 않음.
  --> 단순히 데이터만 전달하는 '데이터그램 패킷 교환 방식'을 사용함.

가상회선 패킷 교환 방식

• 각 패킷에는 가상회선 식별자가 포함되며 모든 패킷을 전송하면 가상회선이 해제되고 패킷들은 전송된 순서대로 도착한다.

데이터그램 패킷 교환 방식

• 패킷이 독립적으로 이동하며 최적의 경로를 선택하여 이동한다. 따라서, 하나의 메세지에서 분할된 여러 패킷은 서로 다른 경로로 전송될 수 있으며 도착하는 순서가 보장되지 않는다.

TCP 연결 성립 과정

• TCP는 신뢰성을 확보할 때 '3-way handshake' 라는 작업을 진행한다.
  
• SYN 단계 : 클라이언트는 서버에 클라이언트의 ISN을 담아 SYN을 보낸다. (ISN은 신규 TCP 연결의 첫 번째 패킷에 할당된 임의의 시퀀스 번호를 뜻하며, 장치마다 다를 수 있다.)
• SYN + ACK 단계 : 서버는 수신 받은 클라이언트의 SYN을 승인번호로 ISN+1 하여 ACK과 함께 클라이언트에게 보낸다.
• ACK 단계 : 클라이언트는 서버의 ISN에 +1 한 값인 승인번호를 담은 ACK을 서버로 보낸다.

   SYN : SYNchronization의 약자. **연결 요청 플래그**
   ACK : ACKnowledgement의 약자. **응답 플래그**
   ISN : Initial Sequence Numbers의 약어. 
         초기 네트워크 연결을 할 때 할당된 32bit 고유 시퀀스 번호.

--> 3-way handshake 가 있으면 신뢰성 있는 계층, 없으면 신뢰성 없는 계층

TCP 연결 해제 과정

TCP가 연결을 해제할 때는 4-way handshake 과정이 발생한다.

1) 먼저 클라이언트가 연결을 닫으려고 할 때 FIN으로 설정된 세그먼트를 보낸다. 그리고 클라이언트는 FIN_WAIT_1 상태로 전환되면서 서버의 응답을 기다린다.
2) 서버는 클라이언트로 ACK라는 승인 세그먼트를 보내고 CLOSE_WAIT상태로 전환된다. 클라이언트가 세그먼트를 받으면 FIN_WAIT_2 상태로 전환된다.
3) 서버는 앞전에 ACK를 보낸 시점부터 일정 시간 이후에 클라이언트에게 FIN이라는 세그먼트를 보낸다.
4) 클라이언트는 *TIME_WAIT 상태가 되고 다시 서버로 ACK를 보내서 서버는 CLOSED 상태가 된다. 이후 클라이언트는 어느 정도의 시간동안 대기한 후 연결이 닫히고 클라이언트와 서버의 모든 자원의 연결이 해제된다.

*TIME_WAIT으로 일정시간 후 연결을 닫는 이유?
(1) 지연 패킷이 발생할 경우를 대비 하기 위함.
-> 패킷이 뒤늦게 도달하고 이를 처리하지 못한다면 데이터 무결성 문제가 발생할 수 있기 때문
(2) 두 장치가 연결이 닫혔는지 확인하기 위함.
-> 만약 LAST_ACK 상태에서 닫히게 되면 다시 새로운 연결을 하려고 할 때 장치는 여전히 LAST_ACK 상태이기 때문에 접속 오류가 나타날 것임.

	TIME_WAIT : 소켓이 바로 소멸되지 않고 일정 시간 유지되는 상태를 뜻하며 지연 패킷 등의 
             	문제점을 해결하는 데 쓰인다. OS마다 조금씩 대기 시간이 다를 수 있다.

인터넷 계층

인터넷 계층은 장치로부터 받은 네트워크 패킷을 IP 주소로 지정된 목적지로 전송하기 위해 사용되는 계층이다. 패킷을 수신해야 할 상대의 주소를 지정하여 데이터를 전달한다. 상대방이 제대로 받았는지에 대해 보장하지 않는 비연결형적인 특징을 가지고 있으며 인터넷 계층에 속해있는 대표적인 것들은 아래와 같다.

• IP

• ARP

• ICMP

  링크 계층

  링크 계층은 전선, 광섬유, 무선 등을 통해 실질적으로 데이터를 전달하며 장치간의 신호를 주고받는 규칙을 정하는 계층이다. 같은 의미로 '네트워크 접근 계층' 이라고도 한다.

  유선 LAN(IEEE802.3)

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

• 전이중화 통신
  : 전이중화(full duplex) 통신은 양쪽 장치가 동시에 송수신할 수 있는 방식을 말한다. 현대의 고속 이더넷은 이 방식을 기반으로 통신하고 있다.
  (ex_전화 등 전용선을 이용한 데이터 통신)

• CSMA/CD
  : 데이터를 '보낸 이후' 충돌이 발생한다면 일정 시간 이후 재전송하는 방식

  유선 LAN을 이루는 케이블

• 트위스트 페어 케이블: 하나의 케이블처럼 보이지만 실제로는 여덟 개의 구리선을 두 개씩 꼬아서 묶은 케이블

• 광섬유 케이블 : 광섬유로 만든 케이블. 보통 100Gbps의 데이터를 전송함.

  무선 LAN(IEEE802.11)

  무선 LAN장치는 수신과 송신에 같은 채널을 사용하기 때문에 반이중화 통신을 사용한다.

• 반이중화 통신
  : 양쪽 장치는 서로 통신할 수 있지만, 동시에는 통신할 수 없으며 한 번에 한 방향만 통신할 수 있는 방식이다. (ex_무전기)

• CSMA/CA
  : 장치에서 데이터를 보내기 전에 캐리어 감지 등으로 사전에 가능한 한 충돌을 방지하는 방식을 사용함.

무선 LAN을 이루는 주파수

무선 LAN (WLAN, Wireless Local Area Network)은 무선 신호 전달 방식을 이용하여 2대 이상의 장치를 연결하는 기술이며, 주파수 대역은 2.4GHz, 5GHz가 있다.

• 2.4GHz
  - 통신을 방해하는 물리적 장애물에 강함
  - 전자레인지, 무선 등 정파 간섭을 일으키는 장애물에는 약함.
• 5GHz
  - 사용 가능한 채널 수가 많고, 동시에 사용가능하여 상대적으로 깨끗한 전파 환경 구축 가능
  - 통신을 방해하는 물리적 장애물에 약함.
  

계층 간 데이터 송수신 과정

만약 나의 컴퓨터를 통해 다른 컴퓨터로 데이터 요청 시 다음과 같은 일이 일어난다.

애플리케이션 계층에서 전송 계층으로 내가 보내는 요청 값들이 캡슐화 과정을 거쳐 전달되고, 다시 링크 계층을 통해 해당 서버와 통신을 한 후 해당 서버의 링크 계층으로부터 애플리케이션까지 비캡슐화 과정을 거쳐 데이터가 전송된다.

캡슐화

캡슐화는 상위 계층의 헤더 와 데이터를 하위 계층의 데이터 부분에 포함시키고 해당 계층의 헤더를 삽입하는 과정을 말한다.

비캡슐화

비캡슐화 과정은 하위 계층에서 상위 계층으로 가면서 각 계층의 헤더 부분을 제거 하는 과정을 말한다.

PDU

네트워크의 특정 계층에서 또 다른 계층으로 데이터가 전달될 때 한 덩어리의 단위를 PDU(Protocol Data Unit)라고 하며, 계층마다 부르는 명칭들은 아래와 같이 조금씩 다르다.

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