[CS] Ch.2 네트워크 : TCP/IP 4계층 모델

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[CS] Ch.2 네트워크 : TCP/IP 4계층 모델

♡˖GYURI˖♡ 2024. 8. 18. 07:25

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2.2 TCP/IP 4계층 모델

인터넷 프로토콜 스위트(internet protocol suite)

인터넷에서 컴퓨터들이 서로 정보를 주고받는 데 쓰이는 프로토콜의 집합

2.2.1 계층 구조

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

TCP/IP 계층과 달리 OSI 계층은 애플리케이션 계층을 세 개로 쪼개고 링크 계층을 데이터 링크 계층, 물리 계층으로 나눠서 표현하는 것이 다르며, 인터넷 계층을 네트워크 계층으로 부른다는 점이 다름

이 계층들은 특정 계층이 변경되었을 때 다른 계층이 영향을 받지 않도록 설계되었음

e.g. 전송 계층에서 TCP를 UDP로 변경했다고 해서 인터넷 웹 브라우저를 다시 설치해야 하는 것은 아님

애플리케이션 계층

FTP, HTTP, SSH, SMTP, DNS 등 응용 프로그램이 사용되는 프로토콜 계층
서비스를 실질적으로 사람들에게 제공하는 층

FTP
장치와 장치 간의 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 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 서비스 제공
연결 지향 데이터 스트림 지원, 신뢰성, 흐름 제어 제공
애플리케이션과 인터넷 계층 사이의 데이터가 전달될 때의 중계 역할
e.g. TCP, UDP

TCP	UDP
패킷 사이 순서 보장	패킷 사이 순서 보장 X
연결지향 프로토콜
신뢰성	비신뢰성
수신 여부 확인	수신 여부 확인 X
가상회선 패킷 교환 방식	데이터그램 패킷 교환 방식

가상회선 패킷 교환 방식

각 패킷에는 가상회선 식별자가 포함되며 모든 패킷을 전송하면 가상회선이 해제되고 패킷들은 전송된 '순서대로' 도착하는 방식

데이터그램 패킷 교환 방식

패킷이 독립적으로 이동하며 최적의 경로를 선택하여 감

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

TCP 연결 성립 과정

신뢰성 확보 시 '3-way handshake' 작업 진행

SYN 단계
- 클라이언트는 서버에 클라이언트의 ISN을 담아 보냄
- ISN : 새로운 TCP연결의 첫번째 패킷에 할당된 임의의 시퀀스 번호 (장치마다 다를 수 있음)
SYN + ACK 단계
- 서버는 클라이언트의 SYN을 수신하고 서버의 ISN을 보내며, 승인 번호로 클라이언트의 ISN + 1을 보냄
ACK 단계
- 클라이언트는 서버의 ISN + 1한 값인 승인 번호를 담아 ACK를 서버에 보냄

UDP는 이 과정이 없기 대문에 신뢰성이 없는 계층이라고 함

TCP 연결 해제 과정

4-way handshake 과정 발생

1번
- 클라이언트가 연결을 닫으려고 할 때 FIN으로 설정된 세그먼트를 보냄
- 클라이언트는 FIN_WAIT_1 상태로 들어가고 서버의 응답을 기다림
2번
- 서버는 클라이언트로 ACK라는 승인 세그먼트를 보냄
- 서버는 CLOSE_WAIT 상태에 들어감
- 클라이언트가 세그먼트를 받으면 FIN_WAIT_2 상태에 들어감
3번
- 서버는 ACK를 보내고 일정 시간 이후에 클라이언트에 FIN이라는 세그먼트를 보냄
4번
- 클라이언트는 TIME_WAIT 상태가 되고 다시 서버로 ACK를 보내서 서버는 CLOSED 상태가 됨
- 클라이언트는 어느 정도의 시간을 대기한 후 연결이 닫히고 클라이언트와 서버의 모든 자원의 연결이 해제됨

TIME_WAIT이 필요한 이유?

지연 패킷이 발생할 경우 대비
- 패킷이 뒤늦게 도달하고 이를 처리하지 못한다면 데이터 무결성 문제 발생
두 장치가 연결이 닫혔는지를 확인하기 위함
- 만약 LAST_ACK 상태에서 닫히게 되면 다시 새로운 연결을 하려고 할 때 장치는 줄곧 LAST_ACK로 되어 있기 때문에 접속 오류가 나타남

인터넷 계층

장치로부터 받은 네트워크 패킷을 IP 주소로 지정된 목적지로 전송하기 위해 사용되는 계층
IP, AART, ICMP 등
패킷을 수신해야 할 상대의 주소를 지정하여 데이터 전달
상대방이 제대로 받았는지에 대해 보장하지 않는 비연결형적 특징

링크 계층

전선, 광섬유, 무선 등으로 실질적으로 데이터를 전달
장치 간에 신호를 주고받는 '규칙'을 정하는 계층
네트워크 접근 계층이라고도 함
물리 계층과 데이터 링크 계층으로 나누기도 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 담당하는 계층

유선 LAN (IEEE802.3)

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

전이중화 통식

양쪽 장치가 동시에 수신할 수 있는 방식
송신로와 수신로로 나눠서 데이터를 주고받으며 현대의 고속 이더넷은 이 방식을 기반으로 통신함

CSMA/CD

이전에는 유선 LAN에 '반이중화 통신' 중 하나인 CSMA/CD 방식을 썼음

데이터를 '보낸 이후' 충돌이 발생한다면 일정 시간 이후 재전송하는 방식
한 경로를 기반으로 데이터를 보내기 때문에 데이터를 보낼 때 충돌에 대비해야 했기 때문

유선 LAN을 이루는 케이블

트위스트 페어 케이블 (TP 케이블)

여덟 개의 구리선을 두 개씩 꼬아서 묶은 케이블

UTP 케이블 : 구리선을 실드 처리하지 않고 덮음 (흔히 사용하는 LAN 케이블 → 커넥터 : RJ-45 커넥터)
STP 케이블 : 구리선을 실드 처리하고 덮음

광섬유 케이블

레이저를 이용해서 통신
장거리 및 고속 통신 가능
100Gbps의 데이터 전송
한 번 들어간 빛이 내부에서 계속적으로 반사하며 전진하여 반대편 끝까지 가는 원리를 이용

무선 LAN (IEEE802.11)

수신과 송신에 같은 채널을 사용함 = 반이중화 통신

반이중화 통신

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

→ 충돌 방지 시스템 필요!

CSMA/CA

반이중화 통신 중 하나
장치에서 데이터를 보내기 전에 캐리어 감지 등으로 사전에 가능한 한 충돌을 방지
1. 데이터를 송신하기 전 무선 매체를 살핌
2. 캐리어 감지 : 회선이 비어있는지 판단
3. IFS(Inter FrameSpace) : 랜덤 값을 기반으로 정해진 시간만큼 기다리며, 만약 무선 매체가 사용 중이면 점차 그 간격을 늘려가며 기다림
4. 이후에 데이터 송신