[네트워크] TCP/IP 4계층

면접을 위한 CS 전공지식 노트를 복습한 내용을 적고 있다.

 

개요

인터넷 프로토콜 스위트 -> 인터넷에서 컴퓨터들이 서로 정보를 주고 받는 데 쓰이는 프로토콜의 집합

 

TCP/IP 4계층 모델 -> 네트워크에서 사용되는 통신 프로토콜의 집합으로 계층들은 프로토콜의 네트워킹 범위에 따라 네 개의 추상화 계층으로 구성된다.

 

위 그림과 같이 OSI 7계층은 애플리케이션 계층을 세 개로 나누고, 링크 계층을 데이터 링크 계층 / 물리 계층으로 나누어 표현하는 것이 다르며, 인터넷 계층을 네트워크 계층으로 부른다는 것이 다르다.

 

이 계층들은 특정 계층이 변경되었을 때 다른 계층이 영향을 받지 않도록 설계되었다.

 

애플리케이션 계층

FTP, HTTP, SSH, SMTP, DNS 등 응용 프로그램이 사용되는 프로토콜 계층이다.

• FTP : 장치와 장치 간의 파일을 전송하는 데 사용되는 표준 통신 프로토콜
• SSH : 보안되지 않은 네트워크에서 네트워크 서비스를 안전하게 운영하기 위한 암호화 네트워크 프로토콜
• HTTP : 데이터 통신의 기초이자 웹 사이트를 이용하는 데 쓰이는 프로토콜
• SMTP : 전자 메일 전송을 위한 인터넷 표준 통신 프로토콜
• DNS : 도메인 이름과 IP 주소를 매핑해주는 서버

전송 계층

송신자와 수신자를 연결하는 통신 서비스를 제공한다.

연결 지향 데이터 스트림을 지원하고, 신뢰성, 흐름 제어를 제공한다.

애플리케이션과 인터넷 계층 사이의 데이터가 전달 될 때의 중계 역할을 한다.

 

TCP와 UDP가 여기에 속한다.

 

TCP -> 패킷 사이의 순서를 보장하고 연결지향 프로토콜을 사용 해 연결을 하며 신뢰성을 구축해 수신여부를 확인하는 '가상회선 패킷 교환 방식'을 사용한다.

 

UDP -> 순서를 보장하지 않고 수신 여부를 확인하지 않으며 단순히 데이터만 주는 '데이터그램 패킷 교환 방식'을 사용한다.

 

가상회선 패킷 교환 방식

각 패킷에는 가상회선 식별자가 포함되며 모든 패킷을 전송하면 가상회선이 해제되고 패킷들은 전송된 순서대로 도착하는 방식이다.

[3, 2, 1] 로 이루어진 패킷이 회선을 따라 순서대로 도착한다.

 

데이터그램 패킷 교환 방식

패킷이 독립적으로 이동하며 최적의 경로를 선택하여 간다.

하나의 메시지에서 분할된 여러 패킷은 서로 다른 경로로 전송될 수 있으며 도착한 순서가 다를 수 있다.

패킷 순서도 다르고 어떤 회선을 중심으로 가는 것이 아닌 따로따로 이동해 순서도 다르게 도착한다.

 

TCP 연결 성립 과정

TCP는 신뢰성을 확보할 때 '3-way handshake'라는 작업을 진행한다.

 

• SYN : 연결 요청 플래그
• ACK : 응답 플래그
• ISN : 초기 네트워크 연결 할 때 할당된 32비트 고유 시퀀스 번호

1. SYN 단계 : 클라이언트는 서버에 클라이언트의 ISN을 담아 SYN을 보낸다.
ISN은 새로운 TCP 연결의 첫 번째 패킷에 할당된 임의의 시퀀스(장치 마다 다를 수 있다)

 

2. SYN + ACK 단계 : 서버는 클라이언트의 SYN을 수신하고, 서버의 ISN을 보내며 승인 번호로 클라이언트의 ISN + 1 을 보낸다.

 

3. ACK 단계 : 클라이언트는 서버의 ISN + 1 한 값의 승인번호를 담아 ACK를 서버에 보낸다.

 

위 3단계 과정 이후 신뢰성이 구축되고 데이터 전송을 시작한다.

 

TCP 연결 해제 과정

연결 해제시 '4-way handshake' 과정이 발생한다.

 

1. 클라이언트가 연결을 닫으려 할 때 FIN으로 설정된 세그먼트를 보낸다. 그 뒤 클라이언트는 FIN_WAIT_1 상태로 들어가고 서버의 응답을 기다린다.

 

2. 서버는 클라이언트에 ACK라는 승인 세그먼트를 보낸다. 그리고 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 해지된다.

 

TIME_WAIT

지연 패킷이 발생할 경우를 대비하기 위함이다.

-> 패킷이 뒤늦게 도달하고 이를 처리하지 못할 경우 데이터 무결성 문제가 발생한다.

데이터 무결성 : 데이터의 정확성과 일관성을 유지하고 보증하는 것

 

두 장치가 연결이 닫혔는지 확인하기 위해서, 만약 LAST_ACK 상태에서 닫히게 되면 다시 새로운 연결을 하려고 할 때 장치는 줄곧 LAST_ACK로 되어 있기 때문에 접속 오류가 나타나게 된다.

 

인터넷 계층

장치로부터 받은 네트워크 패킷을 IP 주소로 지정된 목적지로 전송하기 위해 사용되는 계층이다.

IP, ARP, ICMP 등이 있다.

패킷을 수신해야 할 상대의 주소를 지정해 데이터를 전달한다.

상대방이 제대로 받았는지에 대해 보장하지 않는 비연결형적인 특징을 가지고 있다.

 

링크 계층

데이터 링크 계층 : '이더넷 프레임'을 통해 에러 확인, 흐름 제어, 접근 제어를 담당하는 계층이다.

 

물리 계층 : 무선 LAN, 유선 LAN을 통해 0 과 1로 이루어진 데이터를 보내는 계층이다.

 

이더넷 프레임

프레임 : 데이터를 담는 컨테이너

데이터 링크 계층은 이더넷 프레임을 통해 전달받은 데이터의 에러를 검출하고 캡슐화함.

 

• Preamble : 이더넷 프레임이 시작임을 알린다.
• SFD : 다음 바이트부터 MAC 주소 필드가 시작됨을 알린다.
• DMAC, SMAC : 수신, 송신 MAC 주소
• EtherType : 데이터 계층 위의 계층인 IP
• Payload : 전달받은 데이터
• CRC : 에러 확인 비트

계층간 데이터 송수신 과정

 

애플리케이션 계층에서 전송 계층으로 보내는 요청 값들이 캡슐화 과정을 거쳐 전달된다.

그 뒤 다시 링크 계층을 통해 해당 서버와 통신을 하고,

해당 서버의 링크 계층으로부터 애플리케이션 계층까지 비캡슐화 과정을 거쳐 데이터가 전송된다.

 

캡슐화 과정

상위 계층의 헤더와 데이터를 하위 계층의 데이터 부분에 포함시키고 해당 계층의 헤더를 삽입하는 과정이다.

애플리케이션 계층의 데이터가 전송 계층으로 전달되면서 '세그먼트' 또는 '데이터그램'화 되며 TCP(L4) 헤더가 붙여지게 된다.

그 이후 인터넷 계층으로 가면서 IP(L3) 헤더가 붙여지게 되며 '패킷'화 되고,

이후 링크 계층으로 전달되면서 프레임 헤더와 프레임 트레일러가 붙어 '프레임'화 된다.

 

비캡슐화 과정

캡슐화된 데이터를 받게 되면 링크 계층에서부터 타고 올라오면서

프레임화 -> 패킷화 -> 세그먼트, 데이터그램화 -> 메세지화

 

최종적으로 사용자에게 애플리케이션의 PDU인 메시지로 전달된다.

 

PDU

네트워크의 어떠한 계층에서 계층으로 데이터가 전달될 때의 한 덩어리 단위를 PDU라고 한다.

PDU는 제어 관련 정보들이 포함된 '헤더', 데이터를 의미하는 '페이로드'로 구성되어 있으며 계층마다 부르는 명칭이 다르다.