면접을 위한 CS 전공 지식 노트-[2.2 TCP/IP 4계층 모델]

TCP/IP 4계층

인터넷 프로토콜 스위트 (internet protocol suite)는 인터넷에서 컴퓨터들이 서로 정보를 주고 받는 데 쓰이는 프로토콜 집합이다. 이를 TCP/IP 4계층으로 설명하기도 한다. 

 

2.2.1 계층 구조

TCP/IP 계층은 네 개의 계층을 가지고 있으며, OSI 7계층과 많이 비교 된다. 

TCP/IP 4계층 vs OSI 7 계층

위 계층들은 특정 계층이 변경됐을 때 다른 계층이 영향을 받지 않도록 설계됐다. ex) TCP => UDP로 변경했다고 해서 인터넷 웹 브라우저를 다시 설치할 필요 X

 

각 계층을 대표하는 스택 (마지막 계층의 경우 이더넷)

 

애플리케이션 계층

FTP, HTTP, SSH, DNS 등 응용 프로그램이 사용되는 프로토콜 계층 + 웹 서비스, 이메일 등 사용자게에 실질적인 서비스를 제공하는 계층이다.

용어 정리
FTP: 장치와 장치 간의 파일을 전송하는 데 사용되는 표준 통신 프로토콜
SSH: 보안되지 않는 네트워크에서 네트워크 서비스를 안전하게 운영하기 위한 암호화 네트워크 프로토콜
HTTP: WWW(world wide web)을 위한 데이터 통신의 기초 + 웹 사이트를 이용하는 데 쓰는 프로토콜
SMTP: 전자 메일 전송을 위한 인터넷 표준 통신 프로토콜
DNS: 도메인 이름과 IP 주소를 매핑해주는 서버 

 

전송 계층

송신자와 수신자를 연결하는 통신 서비스를 제공 + 연결 지향 스트림 지원 + 신뢰성 흐름 제어를 제공 + 애플리케이션 계층과 인터넷 계층 사이의 데이터 전달의 중간 역할을 담당한다. (ex TCP/UDP가 대표적)

• TCP: 패킷 사이의 순서를 보장하고, 연결 지향 프로토콜을 사용해서 신뢰성을 구축해서 수신 여부를 확인한다. 가상회선 패킷  교환 방식을 사용한다.
• UDP: 순서 보장X 수신 여부 확인X 데이터만 주고 받는 테이터그램 패킷 교환 방식을 사용한다.

 

가상회선 패킷  교환 방식

각 패킷에 가상회선 식별자가 포함돼 패킷을 전송하면 가상회선이 해제되고 패킷들은 전송된 '순서대로' 도착하는 방식을 의미한다.

위 그림에서 3,2,1로 표시된 패킷들이 회선에 따라 순서대로 도착하는 것을 확인할 수 있다. 

 

데이터그램 패킷  교환 방식

독립적으로 이동하며 최적의 경로를 선택하여 가는 데 하나의 메시지에서 분할된 패킷은 서로 다른 경로로 전송 가능하며 도착 순서가 다를 수도 있다.

위 사진을 보면 패킷 순서도 다르고 정해진 회선이 아닌 따로 이동한다. 

 

TCP 연결 성립 과정

TCP는 신뢰성을 확보할 때 3 way handshake라는 작업을 진행한다. 

단계

• SYN 단계: 
  • 클라이언트 => 서버에 ISN을 담아 SYN을 보낸다.
  • ISN은 새로운 TCP 연결의 첫 번쨰 패킷에 할당된 임의의 시퀀스 번호를 말한다. (장치마다 다르다) - ex 12010
• SYN + ACK 단계
  • 서버는 클라이언트 SYN을 수신하고 서버의 ISN을 보내며 승인번호로 클라이언트의 ISN +1을  보낸다. -ex (서버의 ISN: 5000, 승인번호 12011
• ACK 단계
  • 클라이언트는 서버의 ISN + 1한 값인 승인번호를 담아 ACK를 서버에 보낸다. - ex 승인번호 5001

위 과정을 거쳐 신뢰성을 구축한 후 데이터 전송을 시작한다. 이 과정을 통해 TCP는 신뢰성이 있는 계층이라 불리며, UDP는 해당 과정이 생략돼 있기 때문에 신뢰성이 없는 계층이라고 한다. 

 

용어 정리
SYN: SYNchronization 약자 연결 요청 flag
ACK: ACKnowledgement의 약자, 응답 flag
ISN: Initial Sequence Numbers의 약어 초기 네트워크 연결을 할 때 할당된 32비트 고유 시퀀스 번호를 의미한다.

 

TCP 연결 해제 과정

TCP 연결을 해제 할 때는 4-way handshake 과정이 발생한다. 

• FIN_WAIT_1: 클라이언트가 연결을 닫으려고 할 때 FIN으로 설정된 세그먼트를 보낸다. 그 후 FIN_WAIT_1로 들어간 후 서버의 응답을 기다린다.
• CLOSE_WAIT: 서버는 클라이언트로 ACK라는 승인 세그먼트를 보낸다. 그 후 CLOSE_WAIT 상태로 들어간다. 클라이언트가 세그먼트를 받으면 FIN_WAIT_2 상태로 들어간다 
• LAST_ACK: 서버는 ACK를 보내고 일정 시간 후 클라이언트에 FIN이라는 세그먼트를 보낸다. 
• TIME_WAIT: 클라이언트는 TIME_WAIT 상태가 되고 다시 서버로 ACK를 보내서 서버는 CLOSED 상태가 된다. 클라이언트는 일정 시간 대기 후 연결이 닫히고 클라이언트와 서버의 모든 자원 연결 자원이 해제된다.

주목할 점 (TIME_WAIT at Client)

굳이 시간을 둬서 닫는 이유가 무엇인가?

• 지연 패킷이 발생할 경우를 대비한 것이다. 패킷이 뒤늦게 도달하고 처리하지 못한다면 데이터 무결성 문제가 발생한다. 
• 두 장치의 연결 여부를 확인하기 위해서이다. 만약 LAST_ACK 상태에서 닫히게 되면, 새로운 연결을 하려고 할 때 장치는 줄곧 LAST_ACK로 되어 있기 때문에 접속 오류가 나타나게 된다. 

용어 정리
TIME_WAIT: 소켓이 바로 소멸X 일정 시간 유지 지연 패킷 등의 문제 해결을 위해 쓰인다. 우부툰 60초/윈도우 4분
데이터 무결성: 데이터의 정확성과 일관성을 유지하고 보증하는 것

 

인터넷 계층

장치로부터 받은 네트워크 패킷을 IP 주소로 지정된 목적지로 전송하기 위해 사용되는 계층이다. (IP, ARP, ICMP 등이 있음). 패킷을 수신해야 할 상대 주소를 지정하여 데이터를 전달한다.
특징: 비연결성(상대방이 제대로 수신했는지를 보장하지 않음)

 

링크 계층

실질적으로 데이터르를 전달하며 장치 간에 신호를 주고 받는 '규칙'을 정하는 계층이다. 

물리 계층과 데이터 계층으로 나누기도 함

• 물리 계층은 무선/유선 LAN을 통해 0과 1로 이루어진 데이터를 보내는 계층
• 데이터 링크 계층: ethernet frame을 통해 에러 확인, 흐름 제어, 접근 제어를 담당한다. 

유선 LAN (IEEE802.3)

유선 LAN을 이루는 ethernet은 IEEE802.3 프로토콜을 따르며 전이중화 통신을 사용한다.

 

전이중화 통신 (full duplex)

양쪽 장치가 동시에 송수신할 수 있는 방식을 말한다. 송신로/수신로로 나눠서 데이터를 주고 받는다. (현대 고속 이더넷은 해당 방식이다)

 

 

CSMA/CD (참고)

이전에는 반이중화 통신 중 하나인 CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) 방식을 사용했다.

 

유선 LAN을 이루는 케이블

TP 케이블이라고 하는 트위스트 페어 케이블과 광섬유 케이블이 대표적

트위스트 페어 케이블

여덟 개의 구리선을 두 개씩 꼬아서 묶은 케이블을 지칭한다. 

케이블은 구리선을 실드처리하지 않고 덮은 UTP  케이블과 실드 처리하고 덮은 STP로 나눠진다. 우리가 흔히 보는 케이블으 UTP 케이블로 LAN 케이블이라 한다. 

 

광섬유 케이블

광섬유로 만든 케이블. 레이저를 이용해서 통신을 하기 때문에 장거리 및 고속 통신이 가능하다. 

무선 LAN(IEEE802.11)

무선 LAN 장치는 수신과 송신에 같은 채널을 사용하기 때문에 반이중화 통신을 사용한다.

 

반이중화 통신(half duplex)

양쪽 장치는 서로 통신이 가능하지만, 동시에는 통신X 한 번에 한 방향만 통신이 가능한 방식.

장치가 신호를 수신하기 시작하면 응답하기 전에 전송이 완료될 때까지 기다려야 한다. 둘 이상의 장치가 동시에 전송하면 충돌이 발생해 메시지 손실/왜곡이 가능하기에 충돌 방지 시스템이 필요하다. 

 

CSMA/CA

반이중화 통신 중 하나 장치에서 데이터를 보내기 전에 캐리어 감지 등으로 사잔에 가능한 한 충돌을 방지하는 방식이다. 

• 데이터를 송신하기 전에 무선 매체를 살핀다. 
• 캐리어 감지: 회선이 비어 있는지를 판단한다. 
• IFS(Inter FrameSpace): 랜덤 값을 기반으로 정해진 시간만큼 기다라며, 만약 무선 매체가 사용 중이면 점차 그 간격을 늘려가면서 기다린다. (랜덤값으로 기다리기 때문에)
• 이후에 데이터를 송신한다. 

참고: 전이중화 통신은 양방향 통신이 가능하기 때문에 충돌 가능성 X 따라서 감지 매커니즘 필요X 

 

무선 LAN을 이루는 주파수

무선 LAN(WLAN, Wireless Local Area Network)은 무선 신호 전달 방식을 사용 2대 이상의 장치르 연결하는 기술이다. 

 

비유도 매체인 공기 주파수를 쏘아 무선 통신망을 구축, 주파수 대역은 2.4/5GHz 대역 중 하나로 구축한다. 

• 2.4: 장애물에 강한 특성을 지님, 하지만 전자레인지 등 무선 전파 간섭이 일어난 경우가 많음 
• 5: 사용 가능한 채널 수도 많고 동시에 사용이 가능 => 상대적으로 깨끗한 전파 환경 구축이 가능하다.(선호된다)

와이파이(wifi)

전자기기들이 무선 LAN 신호에 연결할 수 있게 하는 기술이다. 사용하려면 무선 접속 장치( AP, Access Point)가 있어야 한다. 흔히 공유기라고 한다. 

공유기를 통해 유선 LAN에 흐르는 신호를 무선 LAN 신호로 바꿔주어 신호가 닿는 범위 내에서 무선 인터넷을 사용할 수 있게 된다. 지그비, 블루투스 등도 무선 LAN 기술을 사용한다. 

 

BSS (Basic Service Set)

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

근거리 통신을 제공하고 하나의 AP만을 기반으로 구축되어 있어 사용자가 멀어지면 안 된다. 

 

ESS (Exntended Service Set)

하나 이상의 연결된 BSS  그룹이다. 장거리 무선 통신을 제공 + BSS 보다 더 많은 가용성과 이동성을 지원한다.

사용자는 다른 장소로 이동하며 중단 없이 네트워크에 계속 연결이 가능하다.

 

이더넷 프레임

참고로 데이터 링크 계층은 이더넷 프레임을 통해 전달 받은 데이터의 에러를 검출 + 캡슐화를 한다. 

 

• Preamble: 이더넷 프레임이 시작임을 알린다. 
• SFD(Start Frame Delimiter): 다음 바이트부터 MAC 필드가 시작됨을 알린다. 
• DMAC, SMAC: 수신 송신 MAC 주소를 말한다.
• EtherTpe: 데이터 계층 위의 계층인 IP 프로토콜을 정의한다. (ex IPv4 or IPv6)
• Payload: 전달 받은 데이터
• CRC: 에러 확인 비트

용어정리
MAC 주소: 컴퓨터나 노트북 등 각 장치에는 네트워크 연결하기 위한 장치(LAN 카드)가 있음, 이를 구별하기 위한 식별번호

 

계층 간 데이터 송수신 과정

 

HTTP를 통하 웹 서버에 데이터를 요청할 경우 

 

• 애플리케이션 계층에서 전송 계층으로 보내느 요청 값들이 캡슐화  과정을 거쳐 전달된다. 다시 서버에의 링크 계층에서부터 애플리케이션 계층까지 비캡슐화 과정을 거쳐 데이터가 전송된다. 

캡슐화 과정

캡슐화 과정은 상위 계층의 헤더와 데이터를 하위 계층의 데이터 부분에 포함시키고 해당 계층으 헤더를 삽입하는 과정을 말한다. 

 

• 애플리케이션 계층의 데이터가 전송 계층으로 전달되면서 "세그먼트"/ "데이터그램"화 되어 TCP(L4) 헤더가 붙여지게 된다. 
• 인터넷 계층으로 가면서 IP(L3) 헤더가 붙여지게 되고, 패킷화가 된다. 
• 링크 계층 프레임 헤더와 프레임 트레일러가 붙어 프레임화가 된다. 

비캡슐화 과정

비캡슐화 과정은 하위 계층에서 상위 계층으로 가며 각 계층 헤더 부분을 제거하는 것을 말한다. 

위 과정의 반대 과정을 거치면서 최종적으로 애플리케이션의 PDU인 메시지로 전달된다. 

 

2.2.2 PDU (Protocol Data Unit)

네트워크의 어떠한 계층에서 계층으로 데이터가 전달될 때 한 덩어리 단위를 PDU이라고 부른다. (계층마다 부르는 명칭이 다르다)
헤더와 페이로드로 구성돼 있다. 
헤더: 제어 관련 정보들이 포함됨 
페이로드: 데이터

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

ex) 애플리케이션 계층은 메시지를 기반으로 데이터를 전달한다. HTTP 헤더가 문자열인 것을 예로 들 수 있다. 

 

curl 명령어를 이용하여 naver.com으로 HTTP 요청을 해서 PDU 데스팅이 가능하다. 

Server: NWS
Content-Type: text/html; charset=UTF-8
Cache-Control: no-cache, no-store, must-revalidate
Pragma: no-cache
P3P: CP="CAO DSP CURa ADMa TAIa PSAa OUR LAW STP PHY ONL UNI PUR FIN COM NAV INT DEM STA PRE"
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: 36437
Date: Sat, 24 Jun 2023 07:31:59 GMT
Connection: keep-alive
Vary: Accept-Encoding

요청을 보내면 헤더의 내용들이 모두 문자열인 것을 확인할 수 있다. 비트로 송수신을 하는 것이 가장 빠르지만, 여기에서 문자열로 하는 이유는 authorization 값 등 다른 값들을 넣는 확장성이 쉽기 때문이다.