2. TCP/IP 4계층 모델

본 게시글은 책 : 면접을 위한 CS 전공지식 노트 (출판사 : 길벗, 주홍철 지음) 을 참조하여 작성하였습니다. + 구글링

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◆  개요

- 인터넷 프로토콜 스위트(internet protocol suite)는 인터넷에서 컴퓨터들이 서로 정보를 주고받는 데 쓰이는 프로토콜

- 이를 TCP/IP 4계층 모델로 설명하거나 OSI 7계층 모델로 설명

- 책에서는 TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) 중심으로 설명

- 통신 프로토콜의 집합으로 계층들은 프로토콜의 네트워킹 범위에 따라 네 개의 추상화 계층으로 구성

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◆  계층 구조

- TCP/IP 계층은 네 개의 계층을 가지고 있으며 OSI 7계층과 많이 비교

TCP/IP vs OSI

- OSI 계층은 애플리케이션 계층을 3개, 링크 데이터 층을 데이터 링크 계층과 물리 계층으로 나눠서 표현

- TCP/IP 에서의 인터넷 계층을 OSI에서는 네트워크 계층으로 표현

- 계층들은 특정 계층이 변경되었을 때 다른 계층이 영향을 받지 않도록 유연하게 설계

   ex) 전송 계층에서 TCP를 UDP로 변경해도 웹 브라우저를 다시 설치하지 않음

각 계층을 대표하는 스택

- 애플리케이션(application) 계층

    : FTP, SSH, HTTP, SMTP, DNS 등 응용프로그램이 사용되는 프로토콜 계층

      · FTP 

          => 장치와 장치 간의 파일을 전송하는데 사용되는 표준 통신 프로그램

      · 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

             ex) www.naver.com  에 DNS 쿼리가 오면

                     [Root DNS] -> [.com DNS] -> [.naver DNS] -> [.www DNS] 과정을 거쳐 완벽한 주소를 찾아 IP 주소 매핑

                     이에 따라 IP 주소가 바뀌어도 사용자들에게 똑같은 도메인 주소로 서비스 가능

- 전송(transport) 계층

    : 송신자와 수신자를 연결하는 통신 서비스를 제공

    : 연결 지향 데이터 스트림 지원, 신뢰성, 흐름 제어를 제공

    : 애플리케이션과 인터넷 계층 사이의 데이터가 전달될 때 중계 역할

    : 대표적으로 TCP와 UDP 존재

      · TCP

          => 패킷 사이의 순서를 보장하고 연결지향 프로토콜을 사용해서 연결을 하여 신뢰성을 구축해 수신 여부 확인

          => 가상회선 패킷 교환 방식 사용

      · UDP

          => 순서를 보장하지 않고 수신 여부를 확인하지 않으며 단순히 데이터만 제공

          => 데이터 그램 패킷 교환 방식 사용

- 가상회선 패킷 교환 방식

    : 각 패킷에서는 가상회선 식별자가 포함되며 모든 패킷을 전송하면 가상회선이 해제되고 패킷들은 전송된 순서대로 도착하는 방식

    ex) 3, 2, 1로 이루어진 패킷이 어떠한 회선을 따라 순서대로 도착

가상회선 패킷 교환 방식

- 데이터그램 패킷 교환 방식

    : 패킷이 독립적으로 이동하며 최적의 경로를 선택하여 이동

    : 하나의 메시지에서 분할된 여러 패킷은 서로 다른 경로로 전송될 수 있으며 도착한 순서가 다를 수 있는 방식

    ex) 3, 2, 1로 이루어진 패킷이 따로따로 이동하며 순서도 다르게 도착

데이터그램 패킷 교환 방식

- TCP 연결 성립 과정

    : TCP는 신뢰성을 확보할 때 '3-way handshake' 라는 작업을 진행

3-way handshake

    : 그림과 같이 다음 세 단계의 과정을 통해 클라이언트와 서버가 통신

  1. SYN 단계

    => SYN : Synchronization의 약자, 연결 요청 플래그

    => 클라이언트는 서버에 클라이언트의 ISN을 담아 SYN 전송

    => ISN은 새로운 TCP 연결의 첫 번째 패킷에 할당된 임의의 시퀀스 번호(그림 내 12010)를 말하며 이는 장치마다 다를 수 있다. 

  2. SYN + ACK 단계

    => ACK : Acknowledgement의 약자, 응답 플래그

    => 서버는 클라이언트의 SYN을 수신, 서버의 ISN을 보내며 승인 번호로 클라이언트의 ISN + 1 전송

  3. ACK 단계

    => ISN : Initial Sequence Numbers의 약어, 초기 네트워크 연결을 할 때 할당된 32비트 고유 시퀀스 번호

    => 클라이언트는 서버의 ISN + 1한 값인 승인번호를 담아 ACK를 서버에 전송

   : 위의 과정 이후 신뢰성이 구축되고 데이터 전송 시작

   : TCP는 이 과정이 있기 때문에 신뢰성이 있는 계층으로 분류

   : UDP는 이 과정이 없기 때문에 신뢰성이 없는 계층으로 분류

- TCP 연결 해제 과정

    : TCP가 연결을 해제할 때는 '4-way handshake' 과정 발생

TCP 연결 해제 과정

1. 먼저 클라이언트가 연결을 닫으려고 할 때 FIN으로 설정된 세그먼트 전송 후 클라이언트는 FIN_WAIT_1 상태로 진입, 서버의 응답을 기다림

2. 서버는 클라이언트로 ACK라는 승인 세그먼트 전송 후 CLOSE_WAIT 상태에 진입, 클라이언트가 세그먼트를 받으면 FIN_WAIT_2 상태 진입

3. 서버는 ACK를 보내고 일정 시간 이후 클라이언트에 FIN이라는 세그먼트 전송

4. 클라이언트는 TIME_WAIT 상태가 되고 다시 서버로 ACK를 보내서 서버는 CLOSED 상태 진입. 이후 클라이언트는 어느 정도의 시간을 대기한 후 연결이 닫히고 클라이언트와 서버의 모든 자원 연결 해제

    : TIME_WAIT

       · 소켓이 바로 소멸되지 않고 일정시간 유지되는 상태

       · 지연 패킷 등의 문제점을 해결하는데 사용

       · CentOS6, 우분투에는 60초로 설정, 윈도우는 4분으로 설정 ( OS마다 상이)

    : 위의 과정 중 4번에서 TIME_WAIT을 하는 이유

       =>  지연 패킷이 발생할 경우를 대비 ( 패킷이 뒤늦게 도달하고 이를 처리하지 못하면 데이터 무결성 문제 발생

              ex) 데이터 100 중에 50만 들어오는 현상

       => 두 장치가 연결이 닫혔는지 확인 필요

              ex) 만약 LAST_ACK 상태에서 닫히면, 다시 새로운 연결을 하려고 할 때 장치는 계속 LAST_ACK로 접속 오류 발생

- 인터넷 계층

    : 장치로 부터 받은 네트워크 패킷을 IP주소로 지정된 목적지에 전송하기 위해 사용되는 계층

    : IP, ARP, ICMP등이 있으며 패킷을 수신해야 할 상대의 주소를 지정하여 데이터를 전달

    : 상대방이 제대로 받았는지에 대해 보장하지 않는 비연결형적인 특징

- 링크 계층

    : 전선, 광섬유, 무선 등으로 실질적으로 데이터를 전달하며 장치 간에 신호를 주고 받는 규칙을 정하는 계층

    : 네트워크 접근 계층이라는 용어로도 사용

    : 이를 물리 계층과 데이터 링크 계층으로 나누기도 함

    : 물리 계층은 무선 LAN과 유선 LAN을 통해 0과 1로 이루어진 데이터를 보내는 계층

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

- 유선 LAN

    : 유선 LAN을 이루는 이더넷은 IEEE802.3이라는 프로토콜을 따르며 전이중화 통신 사용

    : 전이중화(full duplex) 통신

       · 양쪽 장치가 동시에 송수신할 수 있는 방식

       · 이는 송신로와 수신로로 나눠서 데이터를 주고 받으며 현대의 고속 이더넷은 이 방식을 기반으로 통신

전이중화 통신

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

       · 이전에는 유선 LAN에 반이중화 통신 중 하나인 CSMA/CD 방식 사용

       · 데이터를 보낸 후 충돌이 발생한다면 일정 시간 이후 재전송하는 방식

       · 수신로와 송신로를 각각 둔 것이 아니고 한 경로를 기반으로 데이터를 보내기 때문에 데이터를 보낼 때 충돌에 대비

- 유선 LAN을 이루는 케이블

    : 유선 LAN을 이루는 케이블로는 TP케이블이라고 하는 트위스트 페어 케이블과 광섬유 케이블이 대표적

    : 트위스트 페어 케이블 (twisted pair cable)

      · 하나의 케이블처럼 보이지만 실제로는 여덟개의 구리선을 두 개씩 꼬아서 묶은 케이블 

twisted table from wikipidia

      · 위의 그림과 같이 여러 개의 구리선으로 구성

      · 케이블은 구리선을 실드 처리하지 않고 덮은 UTP 케이블과 실드 처리하고 덮은 STP로 분류

      · 우리가 많이 볼 수 있는 케이블은 UTP 케이블로 흔히 LAN 케이블이라고 하는 그것

LAN 케이블과 RJ-45 커넥터

      · 이 LAN케이블을 꽂을 수 있는 커넥터를 RJ-45 커넥터로 정의

    : 광섬유 케이블

      · 광섬유로 만든 케이블

      · 레이저를 이용해서 통신하기 때문에 구리선과는 비교할 수 없을 만큼의 장거림 및 고속 통신 가능

      · 보통 100Gbps의 데이터를 전송

      · 광섬유 내부와 외부를 다른 밀도를 가지는 유리나 플라스틱 섬유로 제작

      · 이로 인해, 한 번 들어간 빛이 내부에서 계속적으로 반사하며 전진하여 반대편 끝까지 이동하는 원리

광섬유 케이블

      · 빛의 굴절률이 높은 부분을 코어(core)라고 하며, 낮은 부분을 클래딩(cladding)으로 정의

- 무선 LAN(IEEE802.11)

   : 무선 LAN 장치는 수신과 송신에 같은 채널을 사용하기 때문에 반이중화 통신을 사용 가능

   : 반이중화 통신 (half duflex)

      · 양쪽 장치는 서로 통신할 수 있지만, 동시에는 통신할 수 없으며 한 번에 한 방향만 통신할 수 있는 방식

      · 일반적으로 장치가 신호를 수신하기 시작하면 응답하기 전에 전송이 완료될 때 까지 대기

      · 둘 이상의 장치가 동시에 전송하면 충돌이 발생하여 메시지가 손실되거나 왜곡 가능

      · 충돌 방지 시스템 필요

   : CSMA/CA

      · 반이중화 통신 중 하나로 장치에서 데이터를 보내기 전에 사전에 가능한 한 충돌을 방지하는 방식을 사용

      · 아래와 같은 과정으로 구성

   1. 데이터를 송신하기 전에 무선 매체를 조사

   2. 캐리어 감지 : 회선이 비어 있는지 판단

   3. IFS(Inter FrameSpace) : 랜덤 값을 기반으로 정해진 시간만큼 기다리며, 만약 무선 매체가 사용 중이면 점차 그 간격을 늘려가며 대기

   4. 이후에 데이터를 송신

      · 이와 반대되는 전이중화 통신은 양방향 통신이 가능하므로 충돌을 감지하거나 방지하는 메커니즘 불필요

- 무선 LAN(WLAN, Wireless Local Area Network)을 이루는 주파수

    : 무선 신호 전달 방식을 이용하여 2대 이상의 장치를 연결하는 기술

    : 비유도 매체인 공기에 주파수를 쏘아 무선 통신망을 구축

    : 주파수 대역은 2.4GHz대역 or 5GHz 대역 중 하나를 써서 구축

    : 2.4GHz 대역은 장애물에 강한 특성을 가지고 있지만 전자레인지, 무선 등 전파 간섭이 일어나는 경우가 다수

    : 5GHz 대역은 사용할 수 있는 채널 수도 많고 동시에 사용할 수 있기 때문에 상대적으로 깨끗한 전파 환경 구축

    : WIFI

      · 전자기기들이 무선 LAN 신호에 연결할 수 있게 하는 기술로, 무선 접속 장치(AP, Access Point) 필요

      · 흔히 공유기라고 하며, 이를 통해 유선 LAN에 흐르는 신호를 무선 LAN 신호로 바꾸어 범위 내에서 무선 인터넷 사용

      · 이외 지그비, 블루투스 등의 무선 LAN 기술 존재

   : BSS (Basic Service Set)

      · 기본 서비스 집합을 의미, 단순 공유기를 통해 네트워크에 접속하는 것이 아닌 동일 BSS 내에 있는 AP들과 장치들이 서로 통신이 가능한 구조를 의미

      · 근거리 무선 통신을 제공, 하나의 AP만을 기반으로 구축

      · 사용자가 한 곳에서 다른 곳으로 자유롭게 이동하며 네트워크에 접속하는 것은 불가능

   : ESS(Extended Service Set)

      · 하나 이상의 연결된 BSS그룹

      · 장거리 무선 통신을 제공하며 BSS보다 더 많은 가용성과 이동성 지원

      · 사용자는 한 장소에서 다른 장소로 이동하며 중단 없이 네트워크에 계속 연결

BSS와 ESS

- 이더넷 프레임

    : 데이터 링크 계층은 이더넷 프레임을 통해 전달받은 데이터의 에러를 검출하고 캡슐화 ( 아래 구조 참고 )

이더넷 프레임 구조

      · Preamble : 이더넷 프레임이 시작임을 선언

      · SFD(Start Frame Delimiter) : 다음 바이트부터 MAC 주소 필드가 시작됨을 알림

      · DMAC, SMAC : 수신, 송신 MAC 주소

      · EtherType : 데이터 계층 위의 계층인 IP 프로토콜 정의 ( ex-IPv4 or IPv6)

      · Payload : 전달받은 데이터

      · CRC : 에러 확인 비트

*MAC : 컴퓨터나 노트북 등 각 장치에는 네트워크에 연결하기 위한 장치(LAN카드)가 있는데, 이를 구별하기 위한 식별번호 (6바이트로 구성)

- 계층 간 데이터 송수신 과정

    ex) HTTP를 통해 웹 서버에 있는 데이터를 요청

계층간 데이터 송수신 과정

   1. 애플리케이션 계층에서 전송 계층으로 보내는 요청값들이 캡슐화 과정을 거쳐 전달

   2. 다시 링크 계층을 통해 해당 서버와 통신

   3. 해당 서버의 링크 계층으로부터 애플리케이션까지 비캡슐화 과정을 거쳐 데이터가 전송

   : 캡슐화 과정

     · 상위 계층의 헤더와 데이터를 하위 계층의 데이터 부분에 포함시키고 해당 계층의 헤더를 삽입하는 과정

캡술화 과정

     · 애플리케이션 계층의 데이터가 전송 계층으로 전달되면서 '세그먼트' 또는 '데이터그램'화되며 TCP(L4)헤더가 부착

     · 인터넷 계층으로 가면서 IP(L3)헤더가 부착되며 패킷화

     · 링크 계층으로 전달되면서 프레임 헤더와 프레임 트레일러가 붙어 프레임화

   : 비캡슐화 과정

     · 하위 계층에서 상위 계층으로 가며 각 계층의 헤더 부분을 제거하는 과정

비캡술화 과정

     · 캡슐화된 데이터에서 링크 계층에서부터 역으로 올라오면서 프레임화된 데이터는 다시 패킷화

     · 세그먼트, 데이터그램화를 거쳐 다시 메시지화가 되는 과정

     · 최종적으로 사용자에게 애플리케이션의 PDU인 메시지로 전달

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◆  PDU (Protocol Data Unit)

- 네트워크의 어떠한 계층에서 계층으로 데이터가 전달될 때 한 덩어리의 단위

- PDU는 제어 관련 정보들이 포함된 헤더, 데이터를 의미하는 페이로드로 구성

- 계층 별로 명칭 상이

    : 애플리케이션 계층 - 메시지

    : 전송 계층 - 세그먼트(TCP), 데이터그램(UDP)

    : 인터넷 계층 - 패킷

    : 링크 계층 - 프레임(데이터 링크 계층), 비트(물리 계층)

- PDU Example)

  => 애플리케이션 계층은 메시지를 기반으로 데이터를 전달하지만 HTTP의 헤더는 문자열

  => https://reqbin.com/curl 에서 curl 명령어로 다른 사이트에 요청하여 확인 가능

run curl

  => curl www.naver.com을 입력했을 때 응답된 HEADER 

<HEADER>

Server: NWS
Content-Type: text/html; charset=UTF-8
Cache-Control: no-cache, no-store, must-revalidate
Pragma: no-cache
X-Frame-Options: DENY
X-XSS-Protection: 1; mode=block
Strict-Transport-Security: max-age=63072000; includeSubdomains
Referrer-Policy: unsafe-url
Content-Encoding: gzip
Content-Length: 47244
Date: Tue, 28 Nov 2023 11:26:43 GMT
Connection: keep-alive
Vary: Accept-Encoding

- PDU 중 아래 계층인 비트로 송수신하는 것이 모든 PDU 중 가장 빠르고 효율성이 높음

- 애플리케이션 계층에서는 문자열을 기반으로 송수신 ( 헤더에 authoirization 값 등 다른 값들을 넣는 확장이 쉬움)

 

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위의 글과 관련하여 추가적인 내용이나 피드백은 언제나 환영입니다 :)