[NetWork] TCP/IP 4계층 모델

인터넷 프로토콜 스위트는 인터넷에서 컴퓨터들이 서로 정보를 주고받는데 쓰이는 프로토콜의 집합이며, 이를 TCP/IP 4계층 모델을 중심으로 설명하거나 OSI 7계층 모델로 설명하기도 한다. 그 중 4계층 모델을 중심으로 설명하며, 이 계층 모델은 네트워크에서 사용되는 통신 프로토콜의 집합으로 계층들은 프로토콜의 네트워킹 범위에 따라 네 개의 추상화 계층으로 구성된다.

 

계층 구조

 

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

 

 

앞의 그림처럼 TCP/IP 계층과 달리 OSI 계층은 응용 계층을 3개로 쪼개고 네트워크 액세스 계층을 데이터 링크 계층, 물리 계층으로 나눠서 표현하는 것이 다르며, 인터넷 계층을 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.

 

계층 별 스택 정보

 

 

 

응용 계층

 

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

 

전송 계층

 

전송 계층은 송신자와 수신자를 연결하는 통신 서비스를 제공하며 연결 지향 데이터 스트림 지원, 신뢰성, 흠 제어를 제공하며, 응용 계층과 인터넷 계층 사이의 데이터가 전달될 때의 중계 역할을 한다. 예로는 TCP, UDP 등이 있으며 대표적으로 TCP와 UDP가 있습니다.

TCP는 패킷 사이의 순서를 보장하고 연결지향 프로토콜을 사용해서 연결을 하여 신뢰성을 구축해서 수신 여부를 확인하며 '가상회선 패킷 교환 방식'을 사용한다. UDP는 순서를 보장하지 않고 수신 여부를 확인하지 않으며 단순히 데이터만 주는 '데이터그램 패킷 교환 방식'을 사용한다.

 

TCP

 

가상회선 패킷 교환 방식은 각 패킷에서 가상회선 식별자가 포함되며 모든 패킷을 전송하면 가상회선이 해제되고 패킷들은 전송된 '순서대로' 도착하는 방식을 말한다.

패킷이 어떠한 회선을 따라 순서대로 도착하는 것을 알 수 있다.

TCP는 연결지향형 서비스와 신뢰적인 데이터 전송 서비스 2가지 서비스를 제공한다.

 

연결지향형 서비스 : 애플리케이션 계층 메세지를 전송하기 전에 TCP는 클라이언트와 서버가 서로 전송 제어 정보를 교환하게 한다. 이 handshake 과정이 클라이언트와 서버에 패킷이 곧 도달할 테니 준비하라고 알리는 역할을 한다. handshake 단계가 지나면 TCP 연결이 두 프로세스의 소켓 사이에 존재한다고 말한다. 이 연결은 두 프로세스가 서로에게 동시에 메시지를 보낼 수 있기에 전이중 연결이라고 한다. 애플리케이션이 메시지 전송을 마치면 연결을 끊어야 한다.

 

신뢰적인 데이터 전송 서비스 : 통신 프로세스는 모든 데이터를 오류 없이 올바른 순서로 전달하기 위해 TCP에 의존한다. TCP는 애플리케이션의 한쪽이 바이트 스트림을 소켓으로 전달하면 그 바이트 스트림이 손실되거나 중복되지 않게 수신 소켓을 전달한다. 한마디로 순서를 보장 도착을 말하는 것이다.

 

TCP 연결 성립 과정

 

TCP는 신뢰성을 확보할 때 3-way handshake라는 작업을 진행한다.

 

 

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

 

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

 

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

 

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

 

TCP 연결 해제 과정

TCP가 연결을 해제할 때는 4-way handshake 과정이 발생한다.

 

1. 먼저 클라이언트가 연결을 닫으려 할 때 FIN으로 설정된 세그먼트를 보낸다. 그리고 클라이언트는 FIN_WAIT_1 상태로 들어가고 서버의 응답을 기다린다.
2. 서버는 클라이언트로 ACK라는 승인 세그먼트를 보낸다. 그리고 CLOSE_WAIT 상태에 들어간다. 클라이언트가 세그먼트를 받으면 FIN_WAIT_2 상태에 들어간다.
3. 서버는 ACK를 보내고 일정 시간 이후에 클라이언트에 FIN이라는 세그먼트를 보낸다.
4. 클라이언트는 TIME_WAIT 상태가 되고 다시 서버로 ACK를 보내서 서버는 CLOSE 상태가 된다. 이후 클라이언트는 어느 정도의 시간을 대기한 후 연결이 닫히고 클라이언트와 서버의 모든 자원의 연결이 해제된다.

이 과정 중 가장 눈여겨봐야 할 것은 TIME_WAIT이다. 그냥 연결을 닫으면 되지 왜 일정 시간 이후에 닫을까?

 

첫 번째는 지연 패킷이 발생해 패킷이 뒤늦게 도달하고 이를 처리하지 못한다면 데이터 무결성 문제가 발생한다.

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

 

이러한 이유로 TIME_WAIT라는 잠시 기다릴 시간이 필요하다.

 

TIME_WAIT : 소켓이 바로 소멸되지 않고 일정 시간 유지되는 상태를 말하며 지연 패킷등의 문제점을 해결하는 데 사용한다.

데이터 무결성 : 데이터의 정확성과 일관성을 유지하고 보증하는 것

 

UDP

 

데이터그램 패킷 교환 방식은 패킷이 독립적으로 이동하며 최적의 경로를 선택하여 가는데, 하나의 메시지에서 분할된 여러 패킷은 서로 다른 경로로 전송될 수 있으며 도착 순서는 다를 수 있다.

 

패킷이 순서도 다르고 어떠한 회선을 중심으로 가는 것이 아닌 최적의 경로로 이동해 다른 순서로 도착한다. 이러한 것을 비연결형 서비스라고 말하며 TCP와는 다르게 handshake과정을 거치지 않아 데이터는 비신뢰성을 가진 상태로 전송되고 순서 또한 보장하지 않는다. 반면 UDP는 혼잡 제어 방식을 포함하지 않기 때문에 송신 단에서는 데이터를 원하는 만큼 하위 계층으로 전송할 수 있다.

 

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 '규칙'을 정하는 계층이다.

이를 물리 계층과 데이터 링크 계층으로 나누기도 하는데 물리 계층은 무선 LAN과 유선 LAN을 통해 0과 1로 이루어진 데이터를 보내는 계층을 말한다. 데이터 링크 계층은 '이더넷 프레임'을 통해 에러 확인, 흐름 제어, 접근 제어를 담당하는 계층을 말한다.

 

계층 간 데이터 송수신

 

 

그림처럼 데이터 송신과정은 애플리케이션 계층 ~ 링크 계층으로 값들이 캡슐화 과정을 거쳐 전달되고, 다시 링크 계층 ~ 애플리케이션 계층으로 비캡슐화 과정을 거치며 전달한다.

 

캡슐화 과정이란 상위 계층의 헤더와 데이터를 하위 계층 데이터 부분에 포함시키고 해당 계층의 헤더를 삽입하는 과정을 말한다. 애플리케이션 계층의 데이터가 전송 계층으로 전달되면서 세크먼트 또는 테ㅣㅇ터그램화가 되며 TCP 헤더가 붙여지게 된다. 이후 인터넷 계층으로 가면서 IP 헤더가 붙여지게 되며 패킷화가 되고 이후 링크 계층으로 전달되면서 프레임 헤더와 프레임 트레일러가 붙여 프레임화가 된다.

 

비캡슐화 과정이란 위와 반대로 하위 계층부터 상위 계층까지 헤더 부분을 제거하는 과정을 말한다. 캡슐화된 데이터를 받으면 링크 계층에서 프레임화 된 데이터를 다시 패킷화 그리고 다시 세그먼트, 데이터그램화를 거쳐 데이터를 전달한다.

 

PDU

 

네트워크의 어떠한 계층에서 계층으로 데이터가 전달될 때 한 덩어리의 단위를 Protocol Data Util이라고 한다.

PDU는 제어 관련 정보들이 포함된 헤더, 데이터를 의미하며 페이로드로 구성되며 계층마다 부르는 명칭이 다르다.

 

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