[CS 전공지식 #4] 챕터2-2. TCP/IP 4계층 모델

 

 

목차

2. TCP/IP 4계층 모델

2.2.1 계층 구조

2.2.2 PDU

 

 

 

챕터2. 네트워크

 

2. TCP/IP 4계층 모델

• 인터넷 프로토콜 스위트 internet protocol suite
  • 인터넷에서 컴퓨터들이 서로 정보를 주고 받는데 쓰이는 프로토콜의 집합
  • TCP/IP 4계층 모델로 설명하거나 OSI 7계층 모델로 설명
  • 이 책에서는 4계층 모델을 중심으로 설명
  • 이 계층 모델은 네트워크에서 사용되는 통신 프로토콜의 집합으로 계층들은 프로토콜의 네트워킹 범위에 따라 네 개의 추상화 계층으로 구성됨

 

 

2.2.1 계층 구조

• TCP/IP 계층은 네 개의 계층을 가짐. OSI 7계층과 많이 비교함
• OSI 계층은
  • 애플리케이션 계층을 세 개로 쪼갬
  • 링크 계층을 데이터 링크 계층, 물리 계층으로 나눠서 표현
  • 인터넷 계층을 네트워크 계층으로 부름
• 특정 계층이 변경되었을 때 다른 계층이 영향을 받지 않도록 설계
  • 전송 계층에서 TCP → UDP로 변경, 인터넷 웹 브라우저 재설치 필요 X, 유연한 설계

• 애플리케이션 계층
  • FTP, HTTP, SSH, SMTP, DNS 등 응용 프로그램이 사용되는 프로토콜 계층
  • 웹 서비스, 이메일 등 서비스를 실질적으로 사람들에게 제공하는 층
• 전송 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
  • TCP, UDP
    • TCP: 패킷 사이의 순서를 보장, 연결 지향 프로토콜 사용해 연결, 신뢰성을 구축해서 수신 여부 확인, 가상회선 패킷 교환 방식
    • UDP: 순서 보장하지 않고 수신 여부를 확인하지 않음, 단순히 데이터만 주는 데이터그램 패킷 교환 방식
  • 가상회선 패킷 교환 방식: 각 패킷에 가상회선 식별자가 포함됨. 모든 패킷을 전송하면 가상 회선이 해제됨. 패킷들은 전송된 순서대로 도착
  • 데이터그램 패킷 교환 방식: 패킷이 독립적으로 이동하며 최적의 경로 선택. 하나의 메세지에서 분할된 여러 패킷이 서로 다른 경로로 전송 가능. 전송 순서와 도착 순서가 다를 수 있음

• TCP 연결 성립 과정
  • 신뢰성 확보 시, “3-웨이 핸드셰이크” 작업 진행

• TCP 연결 해제 과정
  • TCP 연결을 해제할 때에는 4-웨이 핸드셰이크 과정
  • TIME_WAIT 이유
    • TIME_WAIT: 소켓이 바로 소멸되지 않고 일정 시간 유지되는 상태
    • 지연 패킷이 발생할 경우를 대비 (무결성 문제 대비)
    • 두 장치가 연결이 닫혔는지 확인하기 위해서
• 인터넷 계층
  • 장치로부터 받은 네트워크 패킷을 IP 주소로 지정된 목적지로 존성하기 위해 사용되는 계층
  • IP, ARP, ICMP 등이 있으며 패킷을 수신해야 할 상대의 주소를 지정해 데이터를 전달
  • 상대방이 제대로 받았는지에 대해 보장하지 않는 비연결형적인 특징
• 링크 계층
  • 전선, 광섬유, 무선 등으로 실질적인 데이터를 전달하며 장치 간에 신호를 주고 받는 “규칙”을 정하는 계층
  • 네트워크 접근 계층이라고도 함
  • 물리 계층과 데이터 링크 계층으로 나뉘기도 함
    • 물리 계층: 무선 LAN과 유선 LAN을 통해 0과 1로 이루어진 데이터를 보내는 계층
    • 데이터 링크 계층: “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 사용함
  • 전이중화 full duplex 통신
    • 양쪽 장치가 동시에 송수신할 수 있는 방식
    • 송신로와 수신로로 나눠서 데이터를 주고 받음
    • 현대의 고속 이더넷은 이 방식을 기반으로 통신
  • CSMA/CD
    • 이전에는 유선 LAN에서는 “반이중화 통신” 중 하나인 CSMA/CD 방식을 사용했음
    • 데이터를 보낸 이후 충돌 발생 시, 일정 시간 이후 재전송하는 방식
    • 수신로와 송신로를 각각 둔 것이 아니여서 → 충돌에 대비

• 유선 LAN을 이루는 케이블
  • 트위스트 페어 케이블
    • 구리선을 실드 처리하지 않고 덮은 UTP 케이블
    • 실드 처리하고 덮은 STP
    • 우리가 많이 보는 케이블은 UTP 케이블 = LAN 케이블
  • 광섬유 케이블
    • 광섬유로 만든 케이블
    • 레이저를 이용해 통신, 구리선과 비교할 수 없을 만큼 장거리 및 고속 통신 가능
• 무선 LAN(IEEE802.11)
  • 무선 LAN 장치는 수신과 송신에 같은 채널 사용 → 반이중화 통신 사용
  • 반이중화 통신
    • 양족 장치 서로 통신 가능
    • 동시에 통신 불가, 한 번에 한 방향만 통신 가능한 방식
    • 둘 이상의 장치가 동시에 전송 시, 충돌 발생, 메세지 손실 또는 왜곡 → 충돌 방지 시스템 필요
  • CSMA/CA: 반이중화 통신 중 하나, 장치에서 데이터를 보내기 전에 캐리어 감지 등으로 사전에 가능한 충돌을 방지하는 방식
• 무선 LAN을 이루는 주파수
  • 무선 LAN (WLAN, Wireless Local Area Network): 무선 신호 전달 방식 이용
    • 2대 이상의 장치를 연결하는 기술
    • 비유도 매체인 공기에 주파수를 쏘아 무선 통신망 구축
    • 2.4GHz 대역 또는 5GHz 대역 중 하나 써서 구축
      • 2.4GHz: 장애물에 강한 특성, 전자레인지, 무선 등 전파 간섭 일어나는 경우 다수
      • 5GHz: 사용할 수 있는 채널 수 많음. 동시 사용 가능 → 상대적으로 깨끗한 전파 환경 구축 가능
      • → 보통은 5GHz 대역 사용하는 것이 좋음
    • 와이파이, 지그비, 블루투스 등
  • 와이파이
    • 전자기기들이 무선 LAN 신호에 연결할 수 있게 하는 기술
    • 이를 사용하려면, 무선 접속 장치 (AP, Access Point = 공유기)가 필요
  • BSS (Basic Service Set)
    • 기본 서비스 집합을 의미
    • 단순 공유기를 통해 네트워크에 접속하는 것이 아닌 동일 BSS 내에 있는 AP들과 장치들이 서로 통신 가능한 구조
    • 근거리 무선 통신 제공
  • ESS (Extended Service Set)
    • 하나 이상의 연결된 BSS 그룹
    • 장거리 무선 통신 제공, BSS보다 더 많은 가용성과 이동성을 지원
    • 사용자는 한 장소에서 다른 장소로 이동하며 중단 없이 네트워크에 계속 연결 가능

• 이더넷 프레임
  • 데이터 링크 게층은 이더넷 프레임을 통해 전달받은 데이터의 에러 검출, 캡슐화

• 계층 간 데이터 송수신 과정
  • 컴퓨터를 통해 다른 컴퓨터로 데이터 요청
    • 예) HTTP를 통해 웹 서버에 있는 데이터 요청
  • 애플리케이션 계층에서 전송 계층으로 요청 request 값들이 캡슐화 과정을 거쳐 전달
  • 다시 링크 계층을 통해 해당 서버와 통신
  • 해당 서버의 링크 계층으로 애플리케이션까지 비캡슐화 과정을 거쳐 데이터가 전송됨
  • 캡슐화: 상위 게층의 헤더와 데이터를 하위 계층의 데이터 부분에 포함, 해당 계층의 헤더를 삽입하는 과정
    • 애플리케이션 계층 → 전송 계층: “세그먼트” 또는 “데이터그램”화, TCP(L4) 헤더 붙여짐
    • 전송 계층 → 인터넷 계층: “패킷”화, IP(L3) 헤더가 붙여짐
    • 인터넷 계층 → 링크 계층: “프레임”화, 프레임 헤더와 프레임 트레일러가 붙음
  • 비캡슐화: 하위 계층에서 상위 계층으로 가며 각 계층의 헤더 부분을 제거하는 과정
    • 프레임화된 데이터 → 다시 패킷화 → 세그먼트, 데이터그램화 → 메세지화
    • 최종적으로 사용자에게 애플리케이션의 PDU 메세지로 전달

 

 

 

2.2.2 PDU

• PDU (Protocol Data Unit): 네트워크의 어떠한 계층에서 계층으로 데이터가 전달될 때 한 덩어리의 단위
  • 제어 관련된 정보들이 포함된 “헤더”
  • 데이터를 의미하는 “페이로드”로 구성됨
  • 계층마다 부르는 명칭이 상이
    • 애플리케이션 계층: 메세지
    • 전송 계층: 세그먼트 TCP, 데이터그램 UDP
    • 인터넷 계층: 패킷
    • 링크 계층: 프레임 (데이터 링크 계층), 비트 (물리 계층)
  • PDU 중 아래 계층(링크 계층 물리 계층)인 비트로 송수신하는 것이 모든 PDU 중 가장 빠르고 효율성 높음
    • 애플리케이션 계층에서 문자열 기반으로 송수신
    • 헤더에 authorization 값 등 다른 값들을 넣는 확장이 용이하기 때문