02-2. TCP/IP 4계층 모델

인터넷 프로토콜 스위트(internet protocol suite)
인터넷에서 컴퓨터들이 정보를 주고받는 데 쓰이는 프로토콜 집합

 

TCP/IP 4계층으로 설명하거나 OSI 7계층으로 설명하기도 한다.

 

2.2.1 계층 구조

TCP/IP 계층은 네 개의 층을 가지고 있음 OSI 7계층과 많이 비교함.

 

 

애플리케이션 계층

FTP,HTTP,SSH,SMTP,DNS 등 응용프로그램이 사용되는 프로토콜 계층

실질적으로 사람들에게 서비스(이메일, 웹 서비스 등)를 제공하는 층임

 

• FTP: 장치와 장치간의 파일을 전송하는데 사용되는 표준 통신 프로토콜
• SSH: 보안되지 않은 네트워크에 서비스를 안전하게 운영하기 위한 암호화 프로토콜
• HTTP: World wide web을 위한 데이터 통신의 기초이자 웹 사이트를 이용하는데 쓰는 프로토콜
• SMTP: 전자 메일 전송을 위한 인터넷 표준 통신 프로토콜
• DNS: 도메인과 IP주소를 매핑해주는 서버

전송 계층

송신자와 수신자를 연결하는 통신 서비스를 제공한다.

애플리케이션과 인터넷 계층 사이의 데이터가 전달될 때 중계 역할을함.

TCP와 UDP가 있음

 

• TDP: 패킷 사이의 순서를 보장하고 연결지향 프로토콜을 사용해서 연결을 하며 신뢰성을 구축해서 수신 여부를 확인하며
  가상회선 패킷 교환 방식을 사용함
• UDP: 순서를 보장하지 않고 수신 여부를 확인하지않으며 단순히 데이터만 주는 데이터그램 패킷 교환방식

04. 전송계층 - TCP와 UDP

 

가상회선 패킷 교환 방식

각 패킷에는 가상회선 식별자가 포함되며 모든 패킷을 전송하면 가상회선이 해제 -> 패킷들은 전송된 순서대로 도착하는 방식을 말함

 

 

데이터그램 패킷 교환 방식

패킷이 독립적으로 이동하며 최적의 경로를 선택하여 감 -> 분할된 여러 패킷은 서로 다른 경로로 전송될 수 있고 도착하는 순서가 다를 수 있는 방식을 말함

TCP 연결 성립 과정

TCP는 신뢰성을 확보할 때 ‘3-웨이 핸드셰이크(3-way handshake)’라는 작업을 실행함

TCP의 연결부터 종료까쥐~

 

• SYN: SYNchronization의 약자. 연결 요청 플래그
• ACK: ACKnowledgement의 약자. 응답 플래그
• ISN: Initial Sequence Numbers의 약어. 초기 네트워크 연결을 할 때 할당된 32비트 고유 시퀀스 번호

1. SYN 단계: 클라이언트는 서버에 클라이언트의 ISN을 담아 SYN을 보냄
   ISN은 새로운 TCP 연결의 첫번쨰 패킷에 할당된 임의의 시퀀스 번호를 말한다. 이것은 장치마다 다를 수 있음
2. SYN + ACK 단계: 서버는 클라이언트의 SYN을 수신하고 서버의 ISN을 보내며 승인 번호로 클라이언트의 ISN +1 을 보냄
3. ACK 단계: 클라이언트는 서버의 ISN +1한 값인 승인번호를 담아 ACK를 서버에 보낸다. 

TCP는 이 과정이 있기 때문에 신뢰성이 있는 계층이라고 하며

UDP는 이 과정이 없음 -> 신뢰성이 없는 계층이라고 함

 

TCP 연결 해제 과정

TCP가 연결을 해제할 때는 4-웨이 핸드셰이크(4-way handshake) 과정이 발생함

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

TIME_WAIT 왜쓰는가.

1. 지연 패킷이 발생할 경우를 대비하기 위함.
   패킷이 뒤늦게 도달하고 처리 하지 못한다면 데이터 무결성 문제가 발생함
   예) 전체 데이터가 100일때 일부 데이터 50만 들어오는 현상이 발생할 수 있음
2. 두 장치가 연결이 닫혔는지 확인하기 위함
   예) LAST_ACK 상태에서 닫히게 되면 다시 새로운 연결을 하려고 할 떄 장치는 LAST_ACK로 되어 있기 ㄸ문에 접속 오류 나타남

• TIME_WAIT: 소켓이 바로 소멸되지 않고 일정 시간 유지되는 상태
• 데이터 무결성(data intergrity): 데이터의 정확성과 일관성을 유지하고 보증하는것

 

인터넷 계층

• 장치로부터 받은 네트워크 패킷을 IP 주소로 지정된 목적지로 전송하기 위해 사용되는 계층
• IP,APR,ICMP 등이 있음
• 패킷을 수신해야할 상대의 주소를 지정하여 데이터를 전달함
• 상대가 제대로 받았는지 보장하지 않는 비연결형적인 특징이 있음

링크 계층

• 전선, 광섬유, 무선 등으로 실질적으로 데이터를 전달함
• 장치간의 신호를 주고받는 규칙을 정하는 계층
• 네트워크 접근 계층이라고도 함

*물리 계층과 데이터 링크 계층으로 나누기도함.

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

유선LAN(IEEE802.3)

유선LAN을 이루는 이더넷은 IEEE802.3이라는 프로토콜을 따른다. *전이중화 통신을 씀

 

*전이중화  통신(full duplex)

양쪽 장치가 동시에 송수신할 수 있는 방식. 송신로와 수신로로 나눠서 데이터를 주고받음

 

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

유선LAN에 반이중화 통신중 하나인 CSMA/CD방식을 썻음

데이터를 보낸이후 충돌이 발생한다면 일정 시간 이후 재전송하는 방식임

송신 수신로를 각각 둔게 아니라 한 경로를 기반으로 데이터를 보내기 때문에 데이터를 보낼 때 충돌에 대해 대비해야했음

 

유선LAN을 이루는 케이블

TP 케이블이라고 하는 트위스트 페어 케이블과 광섬유 케이블이 대표적임

 

트위티스 페어 케이블

여덟개의 구리선을 두개씩 꼬아서 묶은 케이블을 지칭함

 

• UTP: 구리선을 실드처리하지 않고 덮은 케이블
• STP: 실드 처리하고 덮은 케이블

광섬유 케이블

말 그대로 광섬유로 만든 케이블임

레이저를 이용해서 통신하기 때문에 구리선과 비교할 수 없을 만큼 장거리 및 고속 통신이 가능함

빛의 굴절률이 높은 부분을 코어(core)

낮은 부분을 클래딩(cladding)이라고 함

 

무선 LAN(IEEE802.11)

수신과 송신에 같은 채널을 사용하기 때문에 *반이중화 통신을 사용함

 

*반이중화 통신

• 서로 통신할 수 있지만 동시에는 통신할 수 없음.
• 한번에 한 방향만 통신할 수있는 방법
• 응답하기 전에 전송이 완료될 때까지 기다려야함 
• 둘 이상의 장치가 동시에 전송하면 충돌 생기고 메세지 손실되거나 왜곡이 발생하기 때문에 충돌방지 시스템이 필요함

CSMA/CA

반이중화 통신중 하나로 장치에서 데이터를 보내기 전에 일련의 과정을 기반으로 사전에 가능한 한 충돌을 방지하는 방식

 

CSMA/CA로 프레임을 보낼 떄 과정 

1. 사용 중인 채널이 있다면 다른 채널을 감지하다 유후 상태인 채널을 발견
2. 프레임 간 공간인 IFS(InterFrame Space) 시간만큼 기다림. IFS 프레임의 우선순위를 정의할 때도 사용함 IFS가 낮으면 우선순위가 높다.
3. 프레임을 보내기전 0 ~2ᴷ -1 사이에서 결정되 ㄴ랜덤 상수를 기반으로 결정된 시간만큼 기다린 뒤 프레임을 보낸다.
   프레임을 보낸 뒤 제대로 송신이 되고 ACK 세그먼트를 받았다면 마침
   받지 못했다면 k = k +1 하여 이과정을 반복 -> 반복하다가 k가 정해진 Kmax 보다 더 커진다면 해당 프레임 전송은 버린다.(abort)

무선LAN을 이루는 주파수

무선 LAN(WLAN, Wireless Local Area Network)은 무선 신호 전달 방식을 이용하여 2대 이상의 장치를 연결하는 기술

공기에 주파수를 쏘아 무선 통신망을 구축함

주파수 대역은 2.4GHz 대역 또는 5GHz 대역 중 하나를 써서 구축함

 

• 2.4GHz : 장애물에 강한 특성이 있음. 전자레인지, 무선 등 전파 간섭이 일어나는 경우가 많음
• 5GHz: 사용할 수 있는 채널 수도 많고 동시에 사용할 수 있음. 상대적으로 깨끗한 전파 환경을 구축할 수 있다.

와이파이

전자기기들이 무선 LAN 신호에 연결할 수 있게 하는 기술

• 무선 접속 장치(AP, Access Point)가 있어야함 -> 공유기라 한다.
• 유선LAN에 흐르는 신호를 무선 LAN 신호로 바꿔주고 신호가 닿는 범위 내에서 무선 인터넷을 사용할 수있게함

BSS(Basic Service Set)

기본 서비스 집합을 의미함

• 동일 BSS 내에 있는 AP들과 장치들이 서로 통신이 가능한 구조를 말함
• 근거리 무선 통신 제공
• 하나의 AP 만을 기반으로 구축되어 있어 사용자가 한 곳에서 다른곳으로 자유롭게 이동하며 네트워크에 접속은 안됨

 

ESS(Extended Service Set)

하나 이상의 연결된 BSS 그룹

• 장거리 무선 통신을 제공함
• BSS보다 더 많은 가용성과 이동성을 지원함
• 사용자는 한 장소에서 다룬 장소로 이동하며 중단 없이 네트워크에 계속 연결할 수 있음

이더넷 프레임

데이터 링크 계층은 이더넷 프레임을 통해 전달받은 데이터의 에러를 검출하고 캡슐화함

• •Preamble: 이더넷 프레임이 시작임을 알립니다.
• SFD(Start Frame Delimiter): 다음 바이트부터 *MAC 주소 필드가 시작됨을 알립니다.
• DMAC, SMAC: 수신, 송신 MAC 주소를 말합니다.
• EtherType: 데이터 계층 위의 계층인 IP 프로토콜을 정의합니다. 예를 들어 IPv4 또는 IPv6가 됩니다.
• Payload: 전달받은 데이터
• CRC: 에러 확인 비트

*MAC 주소

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

 

계층 간 데이터 송수신 과정

1. 애플리케이션 계층에서 전송계층으로 보내는 요청(request) 값들이 캡슐화 과정을 거쳐 전달
2. 다시 링크 계층을 통해 해당 서버와 통신
3. 해당 서버의 링크 계층으로부터 애플리케이션까지 비캡슐화 과정을 거쳐 데이터 전송

캡슐화 과정

상위 계층의 헤더와 데이터를 하위 계층의 데이터 부분에 포함 시키고 해당 계층의 헤더를 삽입하는 과정

1. 애플리케이션 계층의 데이터가 전송 계층으로 전달되면서 세그먼트 또는 데이터그램화되며 TCP(L4) 헤더가 붙여지게 됨
2. 인터넷 계층으로 가면서 IP(L3)헤더가 붙으면서 패킷화가 됨
3. 이후 링크 계층으로 전달되면서 프레임 헤더와 프레임 트레일러가 붙어 프레임화 됨

비캡슐화 과정

하위계층에서 상위계층으로 가며 각 계층의 헤더 부분을 제거하는 과정

 

1. 링크 계층에서부터 타고 올라오면서 프레임화 된 데이터는 패킷화를 거쳐 세그먼트, 데이터그램화를 거쳐 비캡슐화 과정이 일어남
2. 최종적으로 사용자에게 애플리케이션의 PDU인 메시지로 전달됨

2.2.2 PDU(Protocol Data Unit)

계층으로 데이터가 전달될 때 한 덩어리의 단위를 PDU라고함

PDP는 제어 관련 정보들이 포함된 헤더, 데이터를 의미하는 페이로드로 구성되어 있으며 계층마다 부르는 명칭이 다름

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

애플리케이션 계층은 메시지 기반으로 데이터를 전달함

HTTP의 헤더가 문자열인것이 예임

 

PDU 중 아래 계층인 비트로 송수신하는 것이 PDU 중 가장 빠르고 효율성이 높음

하지만. 애플리케이션 계층에선 문자열 기반으로 송수신함. 

왜냐묜 헤더에 authorization 값 등 다른 값들을 넣는 확장이 쉽기 때문임