[네트워크] TCP/IP 4계층 모델

인터넷 프로토콜 스위트(Internet Protocol Suite)는 인터넷에서 컴퓨터들이 서로 정보를 주고받는 데 쓰이는 프로토콜의 집합입니다. 인터넷 프로토콜 스위트는 TCP/IP 4계층 모델로 설명하거나 OSI 7계층 모델로 설명할 수 있습니다.

 

TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol) 4계층은 네트워크에서 사용되는 통신 프로토콜의 집합으로, 프로토콜의 네트워킹 범위에 따라 네 개의 추상화 계층으로 구성됩니다. OSI 7계층은 TCP/IP와 달리 7개의 계층으로 나뉘어 각 계층에서 이루어지는 네트워크 통신을 보다 세분화한 네트워크 통신 프로토콜의 집합입니다.

 

OSI 계층은 애플리케이션 계층을 세 개로 나누고, 링크 계층을 데이터 링크 계층과 물리 계층으로 나누며 인터넷 계층을 네트워크 계층으로 표현한다는 점에서 TCP/IP와 차이점이 있습니다.

 

 

TCP/IP와 OSI 모델은 네트워크 통신을 설명하는 두 가지 방식으로 TCP/IP는 실제 구현을 중심으로 만들어진 반면, OSI는 네트워크 통신의 개념적 모델을 제공하며 이론적인 구조를 설명합니다.

 

이러한 계층들은 특정 계층이 변경되었을 때 다른 계층에 영향을 미치지 않도록 설계되어 있습니다.

1-1. 애플리케이션 계층

애플리케이션(Application) 계층은 FTP, HTTP, SSH, SMTP, DNS 등 응용 프로그램이 사용되는 프로토콜 계층입니다. 웹 서비스, 이메일 등 서비스를 실질적으로 사람들에게 제공하는 계층입니다.

📢 FTP, HTTP, SSH, SMTP, DNS란 무엇인가? 🤔

• FTP: 파일을 서버와 클라이언트 간에 전송하는 데 사용되는 표준 네트워크 프로토콜
• HTTP: World Wide Web을 위한 데이터 통신의 기초이자 웹 사이트를 이용하는 데 사용되는 프로토콜, 웹 브라우저와 웹 서버 간에 데이터를 주고받기 위한 프로토콜
• SSH: 보안되지 않은 네트워크에서 네트워크 서비스를 안전하게 운영하기 위한 암호화 네트워크 프로토콜
• SMTP: 전자 메일 전송을 위한 인터넷 표준 통신 프로토콜
• DNS: 도메인 이름과 IP 주소를 매핑해주는 서버

1-2. 전송 계층

전송(Transport) 계층은 네트워크 통신에서 데이터를 신뢰성 있게 송수신하도록 지원하는 역할을 합니다. 송신자와 수신자를 연결하는 통신 서비스를 제공하며, 연결 지향 데이터 스트림 지원, 신뢰성, 흐름 제어를 제공합니다. 애플리케이션과 인터넷 계층 사이의 데이터를 전달할 때 중계 역할을 하며, 대표적으로 TCP와 UDP가 있습니다.

• TCP: 패킷 사이의 순서를 보장하고, 연결 지향 프로토콜을 사용해 연결합니다. 또한, 신뢰성을 구축해 수신 여부를 확인하며 가상회선 패킷 교환 방식을 사용합니다.
• UDP: 패킷 사이의 순서를 보장하지 않고, 수신 여부를 확인하지 않으며 단순히 데이터를 전송하는 데이터그램 패킷 교환 방식을 사용합니다.

가상회선 패킷 교환 방식: 각 패킷에는 가상회선 식별자가 포함되며, 모든 패킷을 전송한 후 가상회선을 해제하고 패킷들은 전송된 순서대로 도착하는 방식입니다.

 

데이터그램 패킷 교환 방식: 패킷이 독립적으로 이동하며 최적의 경로를 선택해 가고, 하나의 메시지에서 분할된 여러 패킷은 서로 다른 경로로 전송될 수 있으며 도착한 순서가 다를 수 있는 방식입니다.

 

TCP 연결 성립 과정

TCP는 신뢰성을 확보하기 위해 3-Way-Handshake 작업을 진행합니다. 클라이언트와 서버가 통신할 때 세 단계를 거칩니다.

1. SYN 단계: 클라이언트는 서버에 클라이언트의 ISN을 담아 SYN을 보냅니다. ISN은 새로운 TCP 연결의 첫 번째 패킷에 할당된 임의의 시퀀스 번호입니다.
2. SYN + ACK 단계: 서버는 클라이언트의 SYN을 수신하고, 서버의 ISN을 보내며 승인 번호로 클라이언트의 ISN + 1을 보냅니다.
3. ACK 단계: 클라이언트는 서버의 ISN + 1 값을 승인 번호로 담아 ACK를 서버로 보냅니다.

이후 신뢰성이 구축되고 데이터 전송이 시작됩니다. TCP는 이 과정 덕분에 신뢰성이 보장되며, UDP는 이러한 과정이 없어 신뢰성이 보장되지 않습니다.

📢 SYN, ACK, ISN이란 무엇인가? 🤔

• SYN: 연결 요청 플래그
• ACK: 응답 플래그
• ISN: 초기 네트워크 연결 시 할당되는 32비트 고유 시퀀스 번호

TCP 연결 해제 과정

TCP 연결을 해제할 때는 4-Way-Handshake 과정을 거칩니다.

1. 클라이언트가 연결을 닫기 위해 FIN 세그먼트를 보냅니다.
2. 서버는 클라이언트로 ACK 세그먼트를 보내고 CLOSE_WAIT 상태에 들어갑니다.
3. 서버는 일정 시간 후 클라이언트에 FIN 세그먼트를 보냅니다.
4. 클라이언트는 TIME_WAIT 상태로 들어가고, 서버로 ACK를 보냅니다. 이후 클라이언트는 일정 시간 대기한 후 연결이 닫히고 모든 자원의 연결이 해제됩니다.

📢 TIME_WAIT란? 🤔

TIME_WAIT는 소켓이 바로 소멸되지 않고 일정 시간 유지되는 상태를 말하며, 지연 패킷 등의 문제를 해결하는 데 사용됩니다.

1-3. 인터넷 계층

인터넷(Internet) 계층은 장치로부터 받은 네트워크 패킷을 IP 주소로 지정된 목적지로 전송하기 위해 사용되는 계층입니다. IP, ARP, ICMP 등이 존재하며, 상대방이 제대로 받았는지 보장하지 않는 비연결형적인 특징을 가지고 있습니다.

📢 IP, ARP, ICMP란 무엇인가? 🤔

• IP (Internet Protocol): 데이터를 패킷으로 분할하여 송신자와 수신자 간에 전달하는 주요 프로토콜입니다.
• ARP (Address Resolution Protocol): IP 주소를 물리적인 MAC 주소로 변환하는 프로토콜입니다.
• ICMP (Internet Control Message Protocol): 네트워크 장치들 간의 오류 메시지 전달과 네트워크 상태를 모니터링하는 데 사용되는 프로토콜입니다.

1-4. 링크 계층 (네트워크 계층)

링크(Link) 계층은 전선, 광섬유, 무선 등을 통해 실질적으로 데이터를 전달하며, 장치 간에 신호를 주고받는 규칙을 정하는 계층입니다. 링크 계층은 OSI 7계층에서 물리 계층과 데이터 링크 계층으로 나뉩니다.

• 물리 계층: 무선 LAN과 유선 LAN을 통해 0과 1로 이루어진 데이터를 보내는 계층
• 데이터 링크 계층: 이더넷 프레임을 통해 에러 확인, 흐름 제어, 접근 제어를 담당하는 계층

유선 LAN(IEEE 802.3)

유선 LAN은 IEEE 802.3 프로토콜을 따르며 전이중화 통신과 CSMA/CD를 사용합니다.

• 전이중화 통신 (Full Duplex): 양쪽 장치가 동시에 송수신할 수 있는 방식입니다.
• CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection): 데이터를 보낸 이후 충돌이 발생하면 일정 시간 후 재전송하는 방식입니다.

무선 LAN (IEEE 802.11)

무선 LAN 장치는 송신과 수신에 같은 채널을 사용하므로 반이중화 통신과 CSMA/CA를 사용합니다.

• 반이중화 통신 (Half Duplex): 양쪽 장치가 동시에 통신할 수 없으며 한 번에 한 방향만 통신할 수 있는 방식입니다.
• CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance): 데이터를 보내기 전에 충돌을 방지하기 위한 방식을 사용합니다.

1-5. 계층 간 데이터 송수신 과정

컴퓨터에서 다른 컴퓨터로 데이터를 요청할 때 애플리케이션 계층에서 전송 계층으로 요청 값들이 캡슐화 과정을 거쳐 전달됩니다. 이후 링크 계층을 통해 해당 서버와 통신하고, 해당 서버의 링크 계층에서부터 애플리케이션 계층까지 비캡슐화 과정을 거쳐 데이터가 전송됩니다.

캡슐화 과정

상위 계층의 헤더와 데이터를 하위 계층의 데이터 부분에 포함시키고 해당 계층의 헤더를 삽입하는 과정입니다. 애플리케이션 계층의 데이터가 전송 계층으로 전달되면 세그먼트 또는 데이터그램이 되고, TCP 헤더가 붙습니다. 이후 IP 헤더가 붙으며 패킷화되고, 마지막으로 프레임 헤더와 프레임 트레일러가 붙어 프레임화됩니다.

비캡슐화 과정

하위 계층에서 상위 계층으로 가며 각 계층의 헤더 부분을 제거하는 과정입니다. 링크 계층에서 받은 캡슐화된 데이터를 패킷화, 세그먼트화, 메시지화 과정을 거쳐 사용자에게 전달합니다.

2. PDU (Protocol Data Unit)

PDU란 네트워크의 각 계층에서 데이터가 전달될 때 한 덩어리의 단위를 의미합니다. PDU는 헤더와 페이로드로 구성되며, 계층마다 부르는 명칭이 다릅니다.

계층별 PDU 명칭

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