[네트워크] TCP/IP 4계층 모델에 대해서

TCP/IP 계층은 네 개의 계층을 가지고 있으며, OSI 7계층과 많이 비교한다.

 

1. TCP/IP 4계층 구조

앞의 그림처럼 TCP/IP 계층과 달리 OSI 계층은 애플리케이션 계층을 세 개로 쪼개고 링크 계층을 데이터 링크 계층, 물리 계층으로 나눠서 표현하는 것이 다르고, 인터넷계층을 네트워크 계층으로 부른다는 점이 다르다.

이 계층들은 특정 계층이 변경되었을 때 다른 계층이 영향을 받지 않도록 설계되었다. 예를 들어 전송 계층에서 TCP를 UDP로 변경했다고 해서 인터넷 웹 브라우저를 다시 설치해야 하는 것은 아니듯 유연하게 설계된 것이다.

 

애플리케이션 계층

애플리케이션 계층은 FTP, HTTP, SSH, SMTP, DNS 등 응용 프로그램이 사용되는 프로토콜 계층이며 웹 서비스, 이메일 등 서비스를 실질적으로 사람들에게 제공하는 층이다.

 

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

STMP : 전자 메일 전송을 위한 인터넷 표준 통신 프로토콜

DNS : 도메인 이름과 IP 주소를 매핑해주는 서버. 이를 통해 IP 주소가 바뀌어도 사용자에게 똑같은 도메인 주소로 서비스할 수 있다.

 

전송 계층

송신자와 수신자를 연결하는 통신 서비스를 제공하며 연결 지향 데이터 스트림 지원, 신뢰성, 흐름 제어를 제공할 수 있으며 애플리케이션과 인터넷 계층 사이의 데이터가 전달될 때 중계 역할을 한다. 대표적으로 TCP와 UDP가 있다.

 

TCP는 패킷 사이의 순서를 보장하고 연결지향 프로토콜을 사용해서 연결을 하여 신뢰성을 구축해 수신 여부를 확인해 가상회선 패킷 교환 방식을 사용한다.

UDP는 순서를 보장하지 않고, 수신 여부를 확인하지 않으며 단순히 데이터만 주는 데이터그램 패킷 교환 방식을 사용한다.

 

가상회선 패킷 교환 방식

각 패킷에는 가상회선 식별자가 포함되며 모든 패킷을 전송하면 가상회선이 해제되고 패킷들은 전송된 순서대로 도착하는 방식을 말한다. 

 

데이터그램 패킷 교환 방식

패킷이 독립적으로 이동하며 최적의 경로를 선택하여 가는데, 하나의 메세지에서 분할된 여러 패킷은 서로 다른 경로로 전송될 수 있으며 도착한 순서가 다를 수 있는 방식을 뜻한다. 

 

TCP 연결 성립 과정

TCP는 신뢰성을 확보할 때 3 way handshake라는 작업을 진행한다.

클라이언트와 서버가 통신할 때 다음과 같은 세 단계의 과정을 거친다.

1. SYN 단계: 클라이언트는 서버에 클라이언트의 ISN을 담아 SYN을 보낸다. ISN은 새로운 TCP 연결의 첫 번째 패킷에 할당된 임의의 시퀀스 번호를 말하며 이는 장치마다 다를 수 있다.

2. SYN + ACK 단계: 서버는 클라이언트의 SYN을 수신하고 서버의 ISN을 보내며 승인번호로 클라이언트의 ISN + 1을 보낸다.

3. ACK 단계: 클라이언트는 서버의 ISN + 1 한 값인 승인번호를 담아 ACK를 서버에 보낸다.

 

이렇게 3 way handskake 과정 이후 신뢰성이 구축되고 데이터 전송을 시작한다. 참고로 TCP는 이 과정이 있기 때문에 신뢰성 있는 계층이라고 하며 UDP는 이 과정이 없기 때문에 신뢰성이 없는 계층이라고 한다.

 

SYN: SYNchorization의 약자, 연결 요청 플래그

ACK: ACKnowledgement의 약자, 응답 플래그

ISN: Initial Sequence Numbers의 약어, 초기 네트워크 연결을 할 때 할당된 32비트 고유 시퀀스 번호이다.

 

TCP 연결 해제 과정

TCP가 연결을 해제할 때는 4 way handshake 과정이 발생한다.

1번: 먼저 클라이언트가 연결을 닫으려고 할 때 FIN으로 설정된 세그먼트를 보낸다. 그리고 클라이언트는 FIN_WAIT_1 상태로 들어가고 서버의 응답을 기다린다.

2번: 서버는 클라이언트로 ACK라는 승인 세그먼트를 보낸다.

3번: 서버는 ACK를 보내고 일정 시간 이후에 클라이언트에 FIN이라는 세그먼트를 보낸다.

4번: 클라이언트는 TIME_WAIT 상태가 되고 다시 서버로 ACK를 보내서 서버는 CLOSED 상태가 된다. 이후 클라이언트는 어느 정도의 시간을 대기한 후 연결이 닫히고 클라이언트와 서버의 모든 자원의 연결이 해제된다.

 

이 과정에서 가장 눈 여겨봐야 할 것은 TIME_WAIT이다. 

연결을 굳이 일정 시간 뒤에 닫는 이유는 무엇일까?

 

첫 번째는 지연 패킷이 발생할 경우를 대비하기 위함이다. 패킷이 뒤늦게 도달하고 이를 처리하지 못한다면 데이터 무결성 문제갑 발생한다. 예를 들어 전체 데이터가 100일 때 일부 데이터인 50만 들어오는 현상이 발생할 수 있다.

두 번째는 두 장치가 연결이 닫혔는지 확인하기 위해서다. 만약 LAST_ACK 상태에서 닫히게 되면 다시 새로운 연결을 하려고 할 때 장치는 LAST_ACK로 되어 있기 때문에 접속 오류가 나타나게 될 것이다.

 

이러한 이유로 TIME_WAIT라는 잠시 기다릴 시간이 필요하다.

 

인터넷 계층

인터넷 계층은 장치로부터 받은 네트워크 패킷을 IP 주소로 지정된 목적지로 전송하기 위해 사용되는 계층이다. IP, ARP, ICMP 등이 있으며 패킷을 수신해야 할 상대의 주소를 지정하여 데이터를 전달한다. 상대방이 제대로 받았는지에 대해 보장하지 않는 비연결형적인 특징을 가지고 있다.

 

링크 계층

링크 계층은 전선, 광섬유, 무선 등으로 실질적으로 데이터를 전달하며 장치 간에 신호를 주고받는 규칙을 정하는 계층이다. 참고로 네트워크 접근 계층이라고도 한다.

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 프레임을 통해 에러 확인, 흐름 제어, 접근 제어를 담당하는 계층을 말한다.

 

유선 LAN

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

 

전이중화 통신

전이중화 통신은 양쪽 장치가 동시에 송수신할 수 있는 방식을 말한다. 이는 송신로와 수신로로 나눠서 데이터를 주고받으며 현대의 고속 이더넷은 이 방식을 기반으로 통신하고 있다.

 

반이중화 통신

반이중화 통신은 양쪽 창지는 서로 통신할 수 있지만, 동시에는 통신할 수 없으며 한 번에 한 방향만 통신할 수 있는 방식을 말한다. 일반적으로 장치가 신호를 수신하기 시작하면 응답하기 전에 전송이 완료될 때까지 기다려야 한다. 또한, 둘 이상의 장치가 동시에 전송하면 충돌이 발생하여 메시지가 손실되거나 왜곡될 수 있기 때문에 충돌 방지 시스템이 필요하다.

 

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

유선 이더넷에서 사용되는 충돌 회피 및 처리 방식이다. 쉽게 말하면, 여러 장치가 하나의 네트워크 선을 함께 사용할 때, 충돌이 생기지 않도록 조심하면서 통신하는 방식이다.

참고로 이전에는 유선 LAN에 반이중화 통신 중 하나인 CSMA/CD 방식을 썼다. 이 방식은 데이터를 보낸 이후 충돌이 발생한다면 일정 시간 이후 재전송하는 방식을 말한다. 초기 이더넷은 허브 기반이어서, 모든 장치가 하나의 선로를 공유했다. 수신로와 송신로를 각각 둔 것이 아니고 한 경로를 기반으로 데이터를 보내기 때문에 데이터를 보낼 때 충돌에 대해 대비해야 했다.

 

그러면 요즘 이더넷은 어떻게?

이전에는 허브 기반 네트워크 -> 모든 장치가 선로 공유 -> 충돌 가능성 있음 -> CSMA/CD로 충돌 감지하고 처리했지만

요즘에는 스위치 기반 이더넷이 보편적이어서 스위치는 장치 간에 포인트 투 포인트 연결이 가능해서 충돌 자체가 발생하지 않아, CSMA/CD 더 이상 필요 없어졌다.

 

CS (Carrier Sense) 먼저 듣는다 -> 채널이 비었는지 확인

MA (Multiple Access) 여러 장치가 공동으로 선로 사용

CD (Collision Detection) 충돌 발생 여부 감지 -> 충돌 났으면 중단 후 재전송

 

1. 데이터를 송신하기 전에 무선 매체를 살핀다.

2. 캐리어 감지: 회선이 비어 있는지를 판단한다.

3. IFS(Inter FrameSpace): 랜덤 값을 기반으로 정해진 시간만큼 기다리며, 만약 무선 매체가 사용 중이면 점차 그 간격을 늘려가며 기다린다.

4. 이후에 데이터를 송신한다.

 

참고로 이와 반대되는 전이중화 통신은 양방향 통신이 가능하므로 충돌 가능성이 없기 때문에 충돌을 감지하거나 방지하는 메커니즘이 필요하지 않다.

 

이더넷 프레임

참고로 데이터 링크 계층은 이더넷 프레임을 통해 전달받은 데이터의 에러를 검출하고 캡슐화하여 다음과 같은 구조를 가진다.

 

계층 간 데이터 송수신 과정

HTTP를 통해 웹 서버에 있는 데이터를 요청한다면 다음과 같은 일이 일어난다.

애플리케이션 계층에서 전송 계층으로 필자가 보내는 요청 값들이 캡슐화 과정을 거쳐 전달되고, 다시 링크 계층을 통해 해당 서버와 통신을 하고, 해당 서버의 링크 계층으로부터 애플리케이션까지 비캡슐화 과정을 거쳐 데이터가 전송된다.

 

캡슐화 과정

캡슐화 과정은 상위 계층의 헤더와 데이터를 하위 계층의 데이터 부분에 포함시키고 해당 계층의 헤더를 삽입하는 과정을 말한다.

 

애플리케이션 계층의 데이터가 전송 계층으로 전달되면서 세그먼트 또는 데이터그램화 되며 TCP 헤더가 붙여지게 된다. 그리고 이후 인터넷 계층으로 가면서 IP 헤더가 붙게 되며 패킷화가 되고, 이후 링크 계층으로 전달되면서 프레임 헤더와 프레임 트레일러가 붙어 프레임화가 된다.

 

비캡슐화 과정

비캡슐화 과정은 하위 계층에서 상위 계층으로 가며 각 계층의 헤더 부분을 제거하는 과정을 말한다.

이렇게 캡슐화된 데이터를 받게 되면 링크 계층에서부터 타고 올라오면서 프레임화된 데이터는 다시 패킷화를 거쳐 세그먼트, 데이터그램화를 거쳐 메시지화가 되는 비캡슐화 과정이 일어난다. 그 이후 최종적으로 사용자에게 애플리케이션의 PDU인 메시지로 전달된다.

 

2. PDU

네트워크의 어떠한 계층에서 계층으로 데이터가 전달될 때 한 덩어리의 단위를 PDU(Protocol Data Unit)라고 한다.

PDU는 제어 관련 정보들이 포함된 헤더, 데이터를 의미하는 페이로드로 구성되어 있으며 계층마다 부르는 명칭이 다르다.

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