[Network/네트워크] TCP/IP 4계층 모델

인터넷 프로토콜 스위트(internet protocol suite)

인터넷에서 컴퓨터들이 서로 정보를 주고 받는데 쓰이는 프로토콜(통신규약)의 집합

TCP와 IP가 가장 많이 쓰이기 때문에 TCP/IP 프로토콜 슈트라고도 불린다.

TCP/IP 4계층 모델 또는 OSI 7계층 모델이 있다.

 

TCP/IP4계층

(Transmission Control Protocol/Internet Protocol) 

프로토콜의 네트워킹 범위에 따라 네 개의 추상화 계층으로 구성

이 계층들은 서로 다른 계층이 영향을 받지 않도록 설계되어있어 편리성이 높다

ex) TCP를 UDP로 변경했다고 해서 인터넷 웹 브라우저를 다시 설치하지않음

 

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L4 응용 계층 - 애플리케이션 계층(Application layer)

응용프로그램(application)들이 데이터를 교환하기 위해 사용되는 프로토콜

 

• 데이터 단위 : Data/Message
  • socket 수준 : File -> Stream (끝을 알 수 없는 일렬로 쭉 이어진 데이터)
• 사용자와 가장 가까운 계층, 사용자가 소프트웨어 application과 소통할 수 있게 해줌
• 사용자 응용프로그램 인터페이스 담당
• 예 : 파일 전송, 이메일, FTP, HTTP, SSH, Telnet, DNS, SMTP 등
  • FTP
    • 장치와 장치간의 파일을 전송하는 데 사용되는 표준 통신 프로토콜
  • SSH
    • 보안되지 않은 네트워크에서 네트워크 서비스를 안전하게 운영하기 위한 암호화 네트워크 프로토콜
  • HTTP
    • World Wide Web을 위한 데이터 통신의 기초이자 웬 사이트를 이용하는데 쓰는 프로토콜
  • SMTP
    • 전자 메일 전송을 위한 인터넷 표준 통신 프로토콜
  • DNS
    • 도메인 이름과 IP 주소를 매핑해주는 서버

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L3 전송 계층(Transport layer)

• 데이터 단위 : Segment
  • Stream이 실질적 데이터 전송을 위해 일정 크기(MSS)로 나눈 것
  • 발신, 수신, 포트주소, 오류검출코드가 붙게 됨
• 전송 주소 : Port
• 송신자와 수신자를 연결하는 통신 서비스를 제공
• 연결 지향 데이터 스트림 지원, 신뢰성, 흐름 제어를 제공
•  애플리케이션과 인터넷 계층 사이의 데이터가 전달될 때 중계 역할
• 예 : TCP, UDP, RTP, RTCP 등

[ TCP ]

패킷 사이의 순서를 보장

연결 지향 프로토콜을 사용해서 연결 -> 신뢰성을 구축해서 수신 여부를 확인

 '가상회선 패킷 교환방식'을 사용

 

가상회선 패킷 교환 방식

각 패킷에는 가상회선 식별자가 포함

모든 패킷을 전송하면 가상회선이 해제되고 패킷들은 전송된 '순서대로' 도착하는 방식

 

[ UDP ]

순서를 보장하지 않고, 수신 여부를 확인하지 않으며 단순히 데이터만 주는 '데이터그램 패킷 교환 방식' 사용

 

데이터그램 패킷 교환 방식

각 패킷이 독립적으로 이동하며 최적의 경로를 선택

하나의 메시지에서 분할된 여러 패킷은 서로 다른 경로로 전송될 수 있음

'도착순서가 다를 수'있는 방식

 

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L2 인터넷 계층(Internet layer)

장치로부터 받은 네트워크 패킷을 IP 주소로 지정된 목적지로 전송하기 위해 사용되는 계층

 

• 데이터 단위 : Packet(패킷)
  • 최대 길이(MTU) : 1500 bytes
• 전송 주소 : IP
  
  • 단말을 구분하기 위해 논리적인 주소(Logical Address) IP할당
  • 출발지와 목적지의 논리적 주소가 담겨있는 IP datagaram이라는 패킷으로 데이터 변경
  • 패킷을 수신해야할 상대의 주소를 지정하여 데이터를 전송
• 라우팅(Routing)기능을 처리 : 경로 설정
• 상대방이 제대로 받았는 지 보장하지 않는 비연결형적 특징(전송 순서 보장X)
• 네트워크상 최종 목적지까지 정확하게 연결되도록 연결성 제공
• 예 : IP, ARP, ICMP, RARP, OSPF

 

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L1 네트워크 연결 계층 -링크 계층(Network Access layer/Network Interface layer)

전선, 광섬유, 무선 등으로 물리적으로 데이터를 전달하며 장치간에 신호를 주고 받는 '규칙'을 정하는 계층 
논리주소(IP주소 등)가 아닌 물리주소(MAC주소)를 참조해 장치간 전송

 

• 데이터 단위 : Frame
  • 최종적으로 데이터 전송 전 패킷헤더에 MAC주소와 오류 검출을 위한 부분 첨부
• 전송 주소 : MAC(Media Access Control)
• 에러검출/패킷의 프레임화 담당
• 네트워크 접근 계층이라고도 함
• 물리계층과 링크계층으로 나누기도 함
  • 물리계층은 무선 LAN과 유선 LAN을 통해 0과 1로 이루어진 데이터를 보내는 계층
  • 링크 계층은 '이더넷 프레임'을 통해 에러 확인, 흐름 제어, 접근 제어를 담당

 

[ 유선 LAN(IEEE802.3) ]

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

 

전이중화 통신(full duplex)

양쪽 장치가 동시에 수신할 수 있는 방식

송신로와 수신로로 나눠서 데이터를 주고 받으며 현대의 고속 이더넷은 이 방식을 기반으로 통신하고 있음

 

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

데이터를 보낸 이후 충돌이 발생한다면 일정 시간 이후 재전송하는 방식
반 이중화 통신 중 하나

✔ 이 전에는 이 방식을 썼는데, 수신로와 송신로를 각각 둔 것이 아닌 한 경로를 기반으로 데이터를 보내기 때문에 데이터를 보낼 때 충돌에 대하여 대비해야 했기 때문이다.

 

유선 LAN을 이루는 케이블

TP 케이블이라고 하는 트위스트 페어 케이블과 광섬유 케이블이 대표적

• 트위스트 페어 케이블(twisted pair cable)
  • 하나의 케이블처럼 보이지만 실제로는 여덟 개의 구리선을 두 개씩 꼬아서 묶은 케이블을 지칭
• 광섬유 케이블
  • 레이저를 이용해서 통신하기 때문에 구리선과는 비교할 수 없을 만큼의 장거리 및 고속 통신이 가능
  • 보통 100Gbps의 데이터를 전송
  • 광섬유 내부와 외부를 다른 밀도를 가지는 유리나 플라스틱 섬유로 제작해서 한번 들어간 빛이 내부에서 계속적으로 반사하며 전진하여 반대편 끝까지 가는 원리 이용
  • 빛의 굴절률 높은 부분을 코어, 낮은 부분을 클래딩이라고 함

 

[ 무선 LAN(IEEE802.11) ]

수신과 송신에 같은 채널을 사용하기 때문에 반이중화 통신 사용

둘 이상의 장치가 동시에 전송하면 충돌이 발생하여 메시지가 손실되거나 왜곡될 수 있기 때문에 충돌 방지 시스템이 필요

 

CSMA/CA

반이중화 통신 중 하나
장치에서 데이터를 보내기 전에 캐리어 감지 등으로 사전에 가능한 한 충돌을 방지하는 방식 사용

• 1) 데이터를 송신하기 전에 무선 매체를 살핌
• 2) 캐리어 감지 : 회선이 비어있는지 판단
• 3) IFS(Inter Frame Space): 랜덤 값을 기반으로 정해진 시간만큼 기다리며, 만약 무선 매체가 사용 중이면 점차 그 간격을 늘려가며 기다림 
• 4) 이후 데이터 송신

전이중화통신은 양방향이라서 이런 충돌방지 메커니즘 필요없음

 

무선 LAN을 이루는 주파수

무선 신호 전달 방식을 이용하여 2대 이상의 장치를 연결하는 기술

• 2.4GHz 대역 : 장애물에 강한 특성 전자레인지, 무선 등 전파 간섭 일어나는 경우 많음
• 5GHz 대역 : 사용할 수 있는 채널이 많고 동시에 사용할 수 있어서 상대적으로 깨끗한 전파 환경 구축

와이파이

무선 접속 장치(AP, Access Point) 필요 이를 흔히 공유기라고 함

유선 LAN에 흐르는 신호를 무선 LAN 신호로 바꿔주어 신호가 닿는 범위 내에서 무선 인터넷을 사용할 수 있게함

무선 LAN을 이용한 기술로는 지그비, 블루투스도 있음

 

BSS(Basic Serviec Set)

기본 서비스 집합

근거리 무선 통신을 제공

단순 공유기를 통해 네트워크에 접속하는 것이 아닌 동일 BSS 내에 있는 AP들과 장치들이 서로 통신이 가능한 구조

하나의 AP만을 기반으로 구축되어 있어 사용자가 자유롭게 이동하며 네트워크에 접속하는 것은 불가능

 

ESS(Extended Service Set)

하나 이상의 연결된 BSS 그룹

장거리 무선 통신을 제공

BSS보다 더 많은 가용성과 이동성 지원

사용자 이동 시 중단 없이 네트워크에 계속 연결할 수 있음

 

이더넷 프레임

데이터 링크 계층은 이더넷 프레임을 통해 전달받은 데이터의 에러를 검출하고 캡슐화함

• Preamble: 이더넷 프레임이 시작임을 알림
• SFD(Start Frame Delimiter): 다음 바이트부터 MAC 주소 필드가 시작됨을 알림
• DMAC, SMAC: 수신, 송신 MAC 주소를 말함
• EtherType: 데이터 계층 위의 계층인 IP 프로토콜을 정의 ex) IPv4, IPv6
• Payload: 전달받은 데이터
• CRC: 에러확인 비트

 

MAC 주소

컴퓨터나 노트북 등 각 장치에는 네트워크에 연결하기 위한 장치(LAN카드)가 있는데, 이를 구별하기 위한 식별번호
6바이트로(48비트) 구성

 

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계층 간 데이터 송수신 과정

애플리케이션 계층에서 전송 계층으로 보낸 요청값들이 캡슐화 과정을 거쳐 전달되고,

다시 링크 계층을 통해 해당 서버와 통신을 하고,

해당 서버의 링크 계층으로부터 애플리케이션까지 비캡슐화 과정을 거쳐 데이터가 전송됨

 

캡슐화 과정

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

애플리케이션 계층의 데이터가 전송 계층으로 전달되면서 '세그먼트' 또는 '데이터그램'화되며 TCP(L4)헤더가 붙여지게 되며 '패킷'화가 되고, 이후 링크 계층으로 전달되면서 프레임 헤더와 프레임 트레일러가 붙어 '프레임'화 된다

 

비캡슐화 과정

하위계층에서 상위계층으로 가며 각 계층의 헤더 부분을 제거하는 과정

프레임화 된 데이터는 다시 패킷화를 거쳐 세그먼트, 데이터그램화를 거쳐 메시지화되는 비캡슐화 과정이 일어남

최종적으로 사용자에게 애플리케이션의 PDU인 메시지로 전달됨

 

PDU(Protocol Data Unit)

네트워크의 어떠한 계층에서 계층으로 데이터가 전달될 때 한덩어리의 단위를 PDU라고 함 
제어 관련 정보들이 포함된 '헤더', 데이터를 의미하는 '페이로드'로 구성되어있음 계층마다 부르는 명칭이 다름

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

 

 

 

 

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📖 Reference

• 면접을 위한 CS 전공지식 노트
• [개발자 인터뷰] TCP/IP 4계층
• TCP와 3-Way, 4-Way Handshake란?(개념/동작 방식)
• [정리] 3 Way-Handshake