TCP/IP 4계층

인터넷 프로토콜 스위트(Internet Protocl Suite)는 인터넷에서 컴퓨터들이 서로 정보를 주고받는 데 쓰이는 프로토콜의 집합이며, 이를 TCP/IP 4계층 모델로 설명하거나 OSI 7계층 모델로 설명하기도 합니다. 이번 글에서는 TCP/IP 4계층 모델에 대해 다룰것이며, 이 계층 모델은 네트워크에서 사용되는 통신프로토콜의 집합으로 계층들은 프로토콜의 네트워킹 범위에 따라 네 개의 추상화 계층으로 구성됩니다.

계층구조

네트워크 인터페이스 계층(링크 계층)

네트워크 인터페이스 계층(Network Interface Layer)은 데이터를 물리적인 네트워크 매체를 통해 전송하는 역할을 담당합니다. 이를 물리 계층과 데이터 링크 계층으로 나누기도 하는데 물리 계층은 무선 LAN과 유선 LAN을 통해 0과 1로 이루어진 데이터를 보내는 계층을 말하며, 데이터 링크 계층은 '이더넷 프레임'을 통해 에러 확인, 흐름 제어, 접근 제어를 담당하는 계층을 말합니다.

유선 LAN (Local Area Network)

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

전이중화(full duplex) 통신

데이터를 전송하고 수신하는 두 가지 작업을 동시에 수행할 수 있는 통신 방식을 말합니다. 이를 통해 통신 효율을 크게 향상시킬 수 있습니다. 현대의 고속 이더넷은 이 방식을 기반으로 통신하고 있습니다.

CSMA/CD

이전에는 유선 LAN에 '반이중화 통신' 중 하나인 CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) 방식을 사용했습니다. 이 방식은 충돌 감지 기능을 통해 네트워크 내의 다른 장치가 데이터를 전송하고 있지 않은지 확인한 후 전송을 시작합니다. 이는 수신로와 통신로를 각각 둔 것이 아니라, 한 경로를 기반으로 데이터를 보내기 때문에 데이터를 보낼 때 충돌에 대비해야 했기 때문입니다.

유선 LAN을 이루는 케이블

유선 LAN을 이루는 케이블로는 TP 케이블이라고 하는 트위스트 페어 케이블과 광섬유 케이블이 대표적입니다.

트위스트 페어 케이블

여덟개의 구리선을 두 개씩 꼬아서 만든 케이블로, 전자파 간섭을 최소화하는 특성이 있습니다.

케이블은 구리선을 실드 처리하지 않고 덮은 UTP 케이블과 실드 처리하고 덮은 STP로 나눠집니다. 여기서 우리가 많이 볼 수 있는 케이블은 UTP 케이블로 흔히 LAN 케이블이라고 합니다.

참고로 이 LAN 케이블을 꽂을 수 있는 커넥터를 RJ-45 커넥터라고 합니다.

광섬유 케이블

광섬유로 만든 케이블로, 빛의 반사를 이용해 데이터를 전송하는 케이블로, 전송 속도가 빠르고, 전송 거리가 멀며, 전자파 간섭에 거의 영향을 받지 않습니다.

참고로 빚의 굴절률이 높은 부분을 코어(core)라고 하며 낮은 부분을 클래딩(cladding)이라고 합니다.

무선 LAN (IEEE802.11)

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

반이중화(half duplex) 통신

한 번에 한 방향으로만 데이터를 전송할 수 있는 통신 방식을 말합니다.

일반적으로 장치가 신호를 수신하기 시작하면 응답하기 전에 전에 전송이 완료될 때까지 기다려야 합니다. 또한, 둘 이상의 장치가 동시에 전송하면 충돌이 발생하여 메시지가 손실되거나 왜곡될 수 있기 때문에 충돌 방지 시스템이 필요합니다.

CSMA/CA

CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)는 무선 네트워크에서 매우 중요한 역할을 하는 매체 접근 제어 방식입니다. 이 방식은 데이터를 전송하기 전에 채널이 사용 중인지를 확인하고, 만약 사용 중이라면 정해진 시간 동안 대기한 후 다시 채널을 확인합니다.

이렇게 하는 과정은 다음과 같습니다:

먼저, 사용 중인 채널을 감지합니다. 만약 채널이 사용 중이라면 다른 채널을 찾아갑니다.
그 다음, 프레임 간 공간 시간인 IFS(InterFrame Space) 동안 기다립니다. IFS는 프레임의 우선순위를 정의하는데도 사용됩니다. IFS 값이 낮을수록 우선순위가 높습니다.
그 후, 0 ~ 2ⁿ - 1 사이에서 결정된 랜덤 상수를 기반으로 한 시간 동안 기다린 뒤 프레임을 보냅니다. 프레임을 성공적으로 보내고 ACK 세그먼트를 받으면 전송이 완료됩니다. 그러나 ACK 세그먼트를 받지 못하면 n = n + 1을 하며 이 과정을 반복합니다. 만약 n이 정해진 Kmax보다 커지면 해당 프레임 전송은 중단합니다.

반면, 전이중화 통신은 데이터를 동시에 양방향으로 전송할 수 있기 때문에, 충돌을 방지하거나 감지하는 별도의 메커니즘이 필요하지 않습니다. 이 방식은 주로 유선 네트워크에서 사용됩니다.

CSMA/CA와 전이중화 통신이 각각 어떻게 동작하고, 어떤 상황에서 적합한지를 이해하는 것은 네트워크 통신을 이해하는 데 매우 중요합니다.

무선 LAN을 이루는 주파수

무선 신호 전달 방식을 이용하여 2대 이상의 장치를 연결하는 기술입니다.

비유도 매체인 공기에 주파수를 쏘아 무선 통신마을 구축하는데, 주파수 대역은 2.4GHz대역 또는 5GHz 대역 중 하나를 써서 구축합니다. 2.4GHz는 장애물에 강한 특성을 가지고 있지만 전자레인지, 무선 등 전파 간섭이 일어나는 경우가 많고 5GHz 대역은 사용할 수 있는 채널 수도 많고 동시에 사용할 수 있기 때문에 상대적으로 깨끗한 전파 환경을 구축할 수 있습니다. 그렇기 때문에 보통은 5GHz 대역을 사용하는 것이 좋습니다.

와이파이

와이파이(WiFi)는 전자기기가 무선 LAN 신호에 연결되어 인터넷에 접속할 수 있게 하는 기술입니다. 이 기술을 활용하려면 무선 접속 장치인 AP(Access Point)가 필요하며, 일반적으로 이를 '공유기'라고 부릅니다. 공유기는 유선 LAN의 데이터 신호를 무선 LAN 신호로 변환해주어, 신호가 도달하는 범위 내의 장치들이 무선 인터넷을 사용할 수 있게 해줍니다.

BSS

BSS(Basic Service Set)는 무선 네트워크에서 가장 기본적인 서비스 단위를 의미합니다. BSS는 하나의 AP(Access Point)와 그 AP에 연결된 무선 장치들로 구성되어 있습니다. 이 구조는 동일한 BSS 내에 있는 AP와 장치들이 서로 통신할 수 있도록 해줍니다.

그러나 BSS의 한계점은 사용자가 한 위치에서 다른 위치로 이동하면서 계속해서 네트워크에 접속하는 것이 불가능하다는 점입니다. 이는 BSS 구조가 하나의 AP에 연결된 장치들로 제한되어 있기 때문입니다. 이러한 한계를 극복하기 위해 ESS(Extended Service Set)라는 개념이 도입되었습니다.

ESS

ESS(Extended Service Set)는 두 개 이상의 BSS(Basic Service Set)를 연결하여 확장한 서비스 단위입니다. 이는 장거리 무선 통신을 가능하게 하며, BSS보다 더 넓은 범위의 가용성과 이동성을 제공합니다.

ESS의 주요 특징은 사용자가 한 장소에서 다른 장소로 이동하면서도 네트워크에 지속적으로 연결되어 있을 수 있다는 점입니다. 이를 통해 사용자는 네트워크 연결이 끊기지 않고 지속적으로 데이터를 송수신할 수 있습니다. 이런 특성 때문에 ESS는 대형 건물, 캠퍼스, 공항 등 넓은 범위를 커버해야 하는 무선 네트워크 환경에서 주로 사용됩니다.

이더넷 프레임

이더넷 프레임은 데이터 링크 계층에서 데이터의 에러를 검출하고 캡슐화하는 역할을 합니다. 이더넷 프레임의 구조는 다음과 같습니다:

Preamble: 이더넷 프레임의 시작을 알리는 부분입니다. 이 부분은 보통 동기화를 위해 사용되며, 수신 장치가 프레임의 시작을 인식하게 돕습니다.
SFD(Start Frame Delimiter): 다음 바이트부터 MAC 주소 필드가 시작됨을 알립니다. 이 필드는 프레임의 시작과 데이터 부분의 구분을 돕습니다.
DMAC, SMAC: 이 부분은 각각 수신 MAC 주소와 송신 MAC 주소를 나타냅니다. 이는 프레임이 어디에서 왔는지와 어디로 가야 하는지를 결정합니다.
EtherType: 이더넷 프레임의 페이로드가 어떤 프로토콜을 사용하는지를 나타냅니다. 예를 들어, EtherType이 IPv4 또는 IPv6인 경우, 페이로드는 해당 IP 프로토콜을 사용합니다.
Payload: 전달받은 데이터를 포함하고 있습니다. 이는 보통 네트워크 계층에서 받은 데이터 패킷입니다.
CRC(Cyclic Redundancy Check): 에러 확인 비트로, 데이터 전송 중에 발생할 수 있는 에러를 검출하는 데 사용됩니다.

이렇게 각 부분은 이더넷 프레임이 효율적으로 데이터를 전송하고 에러를 검출하는 데 중요한 역할을 합니다.

MAC 주소란 ?
컴퓨터나 노트북 등 각 장치에는 네트워크에 연결하기 위한 장치(LAN 카드)가 있는데, 이를 구별하기 위한 식별번호를 말한다. 6바이트(48비트)로 구성된다.

인터넷 계층

인터넷 계층(Internet Layer)은 네트워크 통신에서 중요한 역할을 하는 계층으로, 장치로부터 받은 네트워크 패킷을 IP 주소에 따라 목적지로 전송하는 역할을 합니다. 이 계층에서 사용되는 주요 프로토콜로는 IP, ARP, ICMP 등이 있습니다.

IP(Internet Protocol): 네트워크에서 데이터 패킷의 전송을 담당합니다. 각 패킷은 송신지와 수신지의 IP 주소를 가지며, 이를 통해 목적지까지 전송됩니다.
ARP(Address Resolution Protocol): IP 주소를 물리적인 MAC 주소로 변환하는 역할을 합니다. 이를 통해 데이터 링크 계층에서 패킷의 전송이 가능해집니다.
ICMP(Internet Control Message Protocol): 네트워크 내의 장치들에게 오류 메시지나 정보를 전달하는 역할을 합니다. 예를 들어, 목적지에 도달할 수 없는 패킷에 대한 오류 메시지를 전달합니다.

인터넷 계층은 비연결형 특징을 갖고 있어, 패킷이 제대로 수신되었는지에 대한 보장을 하지 않습니다. 이는 각 패킷이 독립적으로 목적지를 찾아가는 방식을 사용하기 때문입니다. 이러한 특징 때문에, 패킷의 순서가 바뀌거나 중복되는 등의 문제가 발생할 수 있으며, 이를 해결하기 위해 전송 계층에서 추가적인 처리를 수행합니다.

전송 계층

전송 계층(Transport Layer)은 네트워크 상의 통신 과정에서 송신자와 수신자 간의 데이터 전송을 담당하는 계층입니다. 이 계층에서는 연결 지향적인 데이터 스트림 지원, 신뢰성 확보, 흐름 제어 등의 역할을 수행하며, 애플리케이션 계층과 인터넷 계층 사이에서 중계 역할을 합니다. 전송 계층에서 주로 사용되는 프로토콜로는 TCP와 UDP가 있습니다.

TCP(Transmission Control Protocol)

TCP는 연결지향적이며 신뢰성 있는 데이터 전송을 보장하는 프로토콜입니다. 이를 위해 TCP는 패킷의 순서를 보장하고, 수신 여부를 확인하여 필요한 경우 재전송합니다. 이러한 특성으로 인해 TCP는 '가상 회선 패킷 교환 방식'을 사용한다고 말할 수 있습니다.

UDP(User Datagram Protocol)

반면에 UDP는 연결을 설정하지 않고 데이터를 전송하는 '데이터그램 패킷 교환 방식'을 사용하는 프로토콜입니다. 따라서 UDP는 데이터의 순서를 보장하지 않으며, 수신 여부를 확인하지 않습니다. 이러한 특성 때문에 UDP는 빠른 데이터 전송이 필요하고, 일부 패킷의 손실이 허용되는 환경에서 주로 사용됩니다.

가상회선 패킷 교환 방식

가상회선 패킷 교환 방식(Virtual Circuit Packet Switching)은 데이터 통신에서 사용되는 전송 방식 중 하나입니다. 이 방식은 데이터를 여러 개의 패킷으로 나누어 전송하고, 각 패킷에는 가상회선 식별자(VCI, Virtual Circuit Identifier)가 포함됩니다.

가상회선 패킷 교환 방식의 특징은 다음과 같습니다:

가상회선 설정: 전송이 시작되기 전에, 송신지와 수신지 사이에 가상의 연결(가상회선)이 설정됩니다. 이 과정에서 각 패킷에는 가상회선 식별자가 부여됩니다.
패킷 전송: 데이터는 패킷 단위로 전송되며, 각 패킷은 가상회선을 따라 수신지로 전송됩니다.
순서 보장: 패킷들은 전송된 순서대로 도착합니다. 이는 각 패킷이 동일한 가상회선을 따라 전송되기 때문에 가능합니다.
가상회선 해제: 모든 패킷이 전송된 후에는 설정된 가상회선이 해제됩니다.

이 방식은 TCP(Transmission Control Protocol)와 같은 연결 지향적인 프로토콜에서 주로 사용되며, 데이터의 순서를 보장하고 신뢰성 있는 통신을 가능하게 합니다.

데이터그램 패킷 교환 방식

데이터그램 패킷 교환 방식(Datagram Packet Switching)은 네트워크에서 데이터를 전송하는 방식 중 하나입니다. 이 방식에서 각 패킷은 독립적으로 이동하고, 각각이 최적의 경로를 선택하여 목적지로 전송됩니다.

데이터그램 패킷 교환 방식의 주요 특징은 다음과 같습니다:

독립적인 패킷 전송: 각 패킷은 독립적으로 이동하며, 각각이 최적의 경로를 선택하여 목적지로 전송됩니다.
경로의 다양성: 하나의 메시지에서 분할된 여러 패킷은 서로 다른 경로로 전송될 수 있습니다. 이는 네트워크 상황에 따라 가장 효율적인 경로를 선택할 수 있게 해주는 장점이 있습니다.
순서 불보장: 패킷들은 전송된 순서와 다르게 도착할 수 있습니다. 이는 각 패킷이 독립적으로 이동하며, 서로 다른 경로를 통해 전송되기 때문입니다.

TCP 연결 성립 과정

TCP(Transmission Control Protocol)의 연결 성립 과정은 '3-Way Handshake'라는 과정을 통해 이루어집니다. 이 과정은 TCP의 신뢰성 있는 데이터 전송을 가능하게 하는 핵심적인 부분입니다.

SYN 단계: 클라이언트(송신자)가 서버(수신자)에게 SYN(Synchronize) 패킷을 보내며, 연결을 요청합니다. 이 패킷에는 클라이언트의 초기 시퀀스 번호(ISN, Initial Sequence Number)가 함께 전송됩니다.
SYN + ACK 단계: 서버는 SYN 패킷을 받은 후, 클라이언트에게 ACK(Acknowledgement) 패킷과 자신의 SYN 패킷을 함께 보냅니다. 이 패킷에는 서버의 초기 시퀀스 번호와 클라이언트의 초기 시퀀스 번호에 1을 더한 값(즉, 클라이언트의 SYN 패킷을 받았음을 의미)이 함께 전송됩니다.
ACK 단계: 클라이언트는 서버의 SYN 패킷을 받은 후, 다시 ACK 패킷을 서버에게 보냅니다. 이 ACK 패킷에는 서버의 초기 시퀀스 번호에 1을 더한 값이 함께 전송됩니다.

이와 같은 3-Way Handshake 과정이 완료되면 TCP 연결이 성립되고, 신뢰성 있는 데이터 전송이 가능해집니다.

반면, UDP(User Datagram Protocol)는 이러한 연결 설정 과정이 없어, 데이터의 순서나 도착을 보장하지 않습니다. 이로 인해 TCP에 비해 전송 속도는 빠르지만, 신뢰성이 떨어진다는 특징이 있습니다.

TCP 연결 해제 과정

TCP(Transmission Control Protocol)의 연결 해제 과정은 '4-Way Handshake'라는 과정을 통해 이루어집니다. 이 과정은 TCP 연결이 안전하게 종료되도록 보장하는 역할을 합니다.

FIN 단계: 클라이언트(송신자)가 연결을 종료하려 할 때, FIN(Finish) 플래그가 설정된 세그먼트를 서버(수신자)에게 보냅니다. 이후 클라이언트는 FIN_WAIT_1 상태로 전환되고, 서버의 응답을 기다립니다.
ACK 단계: 서버는 클라이언트의 FIN 세그먼트를 받으면, ACK(Acknowledgement) 세그먼트를 클라이언트에게 보내 클라이언트의 연결 종료 요청을 승인합니다. 이후 서버는 CLOSE_WAIT 상태로 전환되고, 클라이언트는 FIN_WAIT_2 상태로 전환됩니다.
FIN 단계: 일정 시간이 지난 후, 서버는 클라이언트에게 자신의 FIN 세그먼트를 보냅니다.
ACK 단계: 클라이언트는 서버의 FIN 세그먼트를 받으면서 TIME_WAIT 상태로 전환되며, 다시 ACK 세그먼트를 서버에게 보냅니다. 이후 서버는 CLOSED 상태로 전환되어 연결이 완전히 종료되며, 클라이언트는 일정 시간을 대기한 후 연결을 종료합니다.

TIME_WAIT 상태는 다음 두 가지 주요 이유로 인해 필요합니다:

지연 패킷 대비: 네트워크 상황 등으로 인해 패킷이 늦게 도착할 수 있습니다. 이처럼 지연된 패킷이 도착했을 때 이를 적절히 처리할 수 있도록 하기 위해 일정 시간 동안 연결을 유지하는 것입니다.
연결 종료 확인: 두 장치 모두 연결이 완전히 종료되었음을 확인하기 위해 필요합니다. 만약 이 확인 과정 없이 바로 연결을 종료하면, 새로운 연결을 설정할 때 문제가 발생할 수 있습니다.

따라서 TIME_WAIT 상태는 TCP 연결의 안정성과 신뢰성을 확보하기 위한 중요한 과정입니다.

응용 계층(Application Layer)

응용 계층(Application Layer)은 TCP/IP 네트워크 모델에서 가장 상위에 위치한 계층으로, 사용자가 직접적으로 인터랙션하는 응용 프로그램과 관련된 프로토콜들을 포함합니다. 이 계층에서는 웹 브라우징, 이메일 전송, 파일 전송 등 다양한 서비스를 제공합니다.

FTP(File Transfer Protocol): FTP는 파일을 한 장치에서 다른 장치로 전송하기 위해 사용되는 프로토콜입니다. FTP를 사용하면 서버와 클라이언트 간에 파일을 안전하게 전송할 수 있습니다.
SSH(Secure Shell): SSH는 보안을 제공하는 프로토콜로, 원격으로 컴퓨터를 제어하거나 네트워크 상의 다른 컴퓨터와 데이터를 안전하게 교환할 수 있게 해줍니다.
HTTP(Hypertext Transfer Protocol): HTTP는 웹 브라우저와 웹 서버 간에 정보를 교환하는 데 사용되는 프로토콜입니다. 대부분의 웹사이트는 HTTP를 사용하여 사용자의 브라우저에 정보를 전달합니다.
SMTP(Simple Mail Transfer Protocol): SMTP는 이메일을 전송하는 데 사용되는 프로토콜입니다. 일반적으로 이메일 클라이언트는 SMTP를 사용하여 이메일을 이메일 서버로 전송하고, 이메일 서버는 다시 SMTP를 사용하여 메시지를 받는 사람의 이메일 서버로 메시지를 전달합니다.
DNS(Domain Name System): DNS는 사람이 읽을 수 있는 도메인 이름(예: http://www.naver.com)을 컴퓨터가 이해할 수 있는 IP 주소(예: 222.111.222.111)로 변환하는 시스템입니다. 이를 통해 사용자는 복잡한 IP 주소 대신 도메인 이름을 사용하여 웹사이트에 접속할 수 있습니다. 또한, IP 주소가 변경되더라도 도메인 이름은 동일하게 유지될 수 있어 사용자에게 편리함을 제공합니다.

계층 간 데이터 송수신 과정

네트워크에서 데이터 전송은 일반적으로 캡슐화와 비캡슐화 과정을 통해 이루어집니다.

캡슐화 과정

캡슐화는 데이터가 송신자에서 수신자로 전송되는 과정에서 이루어지며, 각 네트워크 계층마다 해당 계층에 필요한 헤더를 추가하는 작업을 말합니다.

애플리케이션 계층에서 생성된 데이터는 먼저 전송 계층으로 전달되며, 이때 TCP나 UDP 헤더가 추가되어 세그먼트나 데이터그램이 됩니다.
다음으로 네트워크 계층에서는 IP 헤더를 추가하여 패킷으로 만듭니다.
마지막으로, 데이터 링크 계층에서는 프레임 헤더와 트레일러를 추가하여 프레임으로 만듭니다.

비캡슐화 과정

비캡슐화는 캡슐화의 반대로, 데이터가 수신자에서 송신자로 전송되는 과정에서 이루어집니다. 각 계층에서는 자신에게 필요한 헤더 정보를 해석하고 제거하여 상위 계층으로 전달합니다.

데이터 링크 계층에서는 프레임 헤더와 트레일러를 제거하고 패킷을 네트워크 계층으로 전달합니다.
네트워크 계층에서는 IP 헤더를 제거하고 세그먼트나 데이터그램을 전송 계층으로 전달합니다.
마지막으로, 전송 계층에서는 TCP나 UDP 헤더를 제거하고 데이터를 애플리케이션 계층으로 전달합니다.

이렇게 캡슐화와 비캡슐화 과정을 통해 데이터는 송신자로부터 수신자까지 안전하고 효율적으로 전송됩니다.

PDU

프로토콜 데이터 단위(Protocol Data Unit, PDU)는 네트워크 통신에서 데이터의 기본 단위를 의미합니다.

PDU는 각 네트워크 계층마다 다른 이름으로 불립니다:

애플리케이션 계층: 메시지 (Message)
전송 계층: 세그먼트 (Segment) 또는 데이터그램 (Datagram)
네트워크 계층: 패킷 (Packet)
데이터 링크 계층: 프레임 (Frame)
물리 계층: 비트 (Bit)

PDU는 헤더와 페이로드로 구성됩니다. 헤더에는 제어 정보가 포함되어 있으며, 페이로드는 실제 전달할 데이터를 포함하고 있습니다.

예를 들어, HTTP 요청을 보낼 때 애플리케이션 계층의 PDU는 '메시지'가 됩니다. 이 메시지는 HTTP 헤더(요청 방식, 타겟 URL, HTTP 버전 등의 정보가 포함)와 HTTP 본문(POST 요청 시 전송할 데이터 등)으로 구성됩니다.

참고로 PDU 중 아래 계층인 비트로 송수신하는 것이 모든 PDU 중 가장 빠르고 효율성이 높습니다. 하지만 애플리케이션 계층에서는 문자열을 기반으로 송수신을 하는데, 그 이유는 헤더에 authorization 값 등 다른 값들을 넣는 확장이 쉽기 때문입니다.

'CS > Network' 카테고리의 다른 글

IP 주소 체계 : IPv4와 IPv6 (1)	2023.12.18
네트워크의 근본, IP 주소 (1)	2023.12.18
네트워크 기기 (0)	2023.12.15
네트워크 기초 (0)	2023.12.12
OSI 7계층이란? (0)	2023.12.10