면접을 위한 CS 전공지식 노트 [CHAPTER 2] (2)

[SECTION 2.2] - TCP / IP 4 계층 모델

 

인터넷 프로토콜 스위트(internet protocol suite)

- 인터넷에서 컴퓨터들이 서로 정보를 주고받는 데 쓰이는 프로토콜의 집합. 

 

👉🏻 이를 TCP / IP(Transmission Control Protocol / Internet Protocol) 4 계층 모델로 설명하거나 OSI 7계층 모델로 설명하기도 한다. 

 

 

2.2.1 계층 구조

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

TCP / IP 와 OSI의 차이점?

 

- OSI 계층은 애플리케이션 계층을 세 개로 쪼개고 링크 계층을 데이터 링크 계층, 물리 계층으로 나눠서 표현하는 것이 다르다. 

- 인터넷 계층을 네트워크 계층으로 부른다는 점이 다르다. 

💡 이 계층들은 특정 계층이 변경되었을 때 다른 계층이 영향을 받지 않도록 설계되었다. 

 

각 계층을 대표하는 스텍을 정리한 그림이다.👇🏻

TCP/IP 4계층

 

 

애플리케이션 계층

 

애플리케이션 계층이란?

- 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
• SMTP : 전자 메일 전송을 위한 인터넷 표준 통신 프로토콜
• DNS : 도메인 이름과 IP 주소를 매핑해 주는 서버.

 

 

전송 계층

전송 계층이란? 

- 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 TCP 와 UDP가 있다. 

 

 

TCP란? 

- 패킷 사이의 순서를 보장하고 연결지향 프로토콜을 사용해서 연결을 하여 신뢰성을 구축해서 수신 여부를 확인하며

'가상회선 패킷 교환 방식'을 사용.

 

 

UDP란?

- 순서를 보장하지 않고 수신 여부를 확인하지 않으며 단순히 데이터만 주는 '데이터그램 패킷 교환 방식'을 사용한다. 

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가상회선 패킷 교환 방식

가상회선 패킷 교환 방식이란?

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

👉🏻 위 그림과 같이 3, 2, 1로 이루어진 패킷이 어떠한 회선을 따라 순서대로 도착하는 것을 알 수 있다!

 

 

데이터그램 패킷 교횐 방식

데이터그램 패킷 교횐 방식이란?

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

👉🏻 위 그림과 같이 3, 2, 1로 이루어진 패킷이 순서도 다르고 어떠한 회선을 중심으로 가는 것이 아니라 따로따로 이동하며 순서도 다르게 도착하는 것을 알 수 있다. 

 

 

TCP 연결 성립 과정

- TPC는 신뢰성을 확보할 때 '3-웨이 핸드셰이크' 라는 작업을 진행한다.

(클라이언트와 서버가 통신할 때 다음과 같은 세 단계릐 과정을 거친다.)

3-웨이 핸드셰이크

1️⃣ SYN 단계 (SYNchronization의 약자 - 연결 요청 플래그) : 클라이언트는 서버에 클라이언트의 *ISN을 담아 SYN을 보낸다. 

     *ISN (Initial Sequence Numbers의 약어) - 새로운 TCP 연결의 첫 번째 패킷에 할당된 임의의 시퀀스 번호를 말한다. (초기 네트워크 연결을 할 때 할당된 32비트 고유 시퀀스 번호이다.)

 

2️⃣ SYN + ACK 단계 (ACKnowledgement의 약자 - 응답 플래그) : 서버는 클라이언트의 SYN을 수신하고 서버의 ISN을 보내며 승인번호로 클라이언트의 ISN + 1을 보낸다.  

 

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

 

👉🏻 이렇게 3-웨이 핸드셰이크 과정 이후 신뢰성이 구축되고 데이터 전송을 시작한다. 

💡참고! 
TCP는 이 과정이 있기 때문에 신뢰성이 있는 계층이라고 하며, UDP는 이 과정이 없기 때문에 신뢰성이 없는 계층이라고 한다. 

 

 

TCP 연결 해제 과정

- TCP가 연결을 해제할 때는 4-웨이 핸드셰이크 과정이 발생한다. 

TCP 연결 해제 과정

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. 

=> 그리고 CLOSE_WAIT 상태에 들어간다. (클라이언트가 세그먼트를 받으면 FIN_WAIT_2 상태에 들어감) 

 

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. 

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이 과정 중 가장 눈여겨 봐야 할 것?

- *TIME_WAIT이다❗️

*TIME_WAIT : 소켓이 바로 소멸되지 않고 일정 시간 유지되는 상태를 말함. (지연 패킷 등의 문제점을 해결하는 데 쓰인다)

 

이유는?

1. 지연 패킷이 발생할 경우를 대비하기 위함. 패킷이 뒤늦게 도달하고 이를 처리하지 못한다면 *데이터 무결성 문제가 발생!

*데이터 무결성 : 데이터의 정확성과 일관성을 유지하고 보증하는 것

 

2. 두 장치가 연결이 닫혔는지 확인하기 위함. 예를 들어 ~~ (LAST_ACK상태에서 닫히게 되면 다시 새로운 연결을 하려고 할 때 장치는 줄곧 LAST_ACK로 되어 있기 때문에 접속 오류가 나타나게 된다.)

 

💡 이러한 이유로 TIME_WAIT라는 잠시 기다릴 시간이 필요!

 

 

인터넷 계층

인터넷 계층이란?

- 장치로부터 받은 네트워크 패킷을 IP주소로 지정된 목적지로 전송하기 위해 사용되는 계층.

- IP, ARP, ICMP 등이 있으며 패킷을 수신해야 할 상대의 주소를 지정하여 데이터를 전달한다. 

 

특징?

- 상대방이 제대로 받았는지에 대해 보장하지 않는 비연결형적인 특징이 있다. 

 

 

 

링크 계층 (네트워크 접근 계층)

링크 계층이란?

- 전선, 광섬유, 무선 등으로 실질적으로 데이터를 전달하며 장치 간에 신호를 주고받는 '규칙'을 정하는 계층.

👉🏻 이를 물리 계층과 데이터 링크 계층으로 나누기도 한다!

 

- 물리 계층 : 무선 LAN과 유선 LAN을 통해 0과 1로 이루어진 데이터를 보내는 계층을 말한다.

- 데이터 링크 계층 : '이더넷 프레임'을 통해 에러 확인, 흐름 제어, 접근 제어를 담당하는 계층을 말한다. 

 

 

 

전이중화 통신

전이중화 통신(full duplex)이란?

- 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 통신(half duplex)이란?

- 양쪽 장치는 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 필요함.

 

와이파이

와이파이(wifi)란?

- 전자기기들이 무선 LAN 신호에 연결할 수 있게 하는 기술이다. 

👉🏻 이를 사용하려면 무선 접속 장치(AP, Access Point)가 있어야 한다. 흔히 이를 공유기라고 하며, 이를 통해 유선 LAN에 흐르는

신호를 ▶️ 무선 LAN 신호로 바꿔주어 신호가 닿는 범위 내에서 무선 인터넷을 사용할 수 있게 된다. 

💡 참고로 무선 LAN을 이용한 기술로는 와이파이만 있는 것이 아니고 지그비, 블루투스 등이 있다. 

 

 

BSS

BSS(Basic Service Set)란?

- 기본 서비스 집합을 의미한다.

👉🏻단순 공유기를 통해 네트워크에 접속하는 것이 아닌 동일 BSS 내에 있는 AP들과 장치들이 서로 통신이 가능한 구조를 말한다. 

 

 

특징?

1. 근거리 무선 통신을 제공한다.

2. 하나의 AP만을 기반으로 구축이 되어 있어 사용자가 한 곳에서 다른 곳으로 자유롭게 이동한다.

3. 네트워크에 접속하는 것은 불가능하다. 

 

 

ESS

ESS(Extended Service Set)란?

- 하나 이상의 연결된 BSS 그룹이다. 

 

 

특징?

1. 장거리 무선 통신을 제공한다.

2. BSS보다 더 많은 가용성과 이동성을 지원한다.

3. 즉, 사용자는 한 장소에서 다른 장소로 이동하며 중단 없이 네트워크에 계속 연결할 수 있다. 

 

BSS와 ESS

 

 

이더넷 프레임

- ❗️데이터 링크 계층은 이더넷 프레임을 통해 전달받은 데이터의 에러를 검출하고 캡슐화하며 다음과 같은 구조를 가진다. 

• Preamble : 이더넷 프레임이 시작임을 알린다.
• SFD(Start Frame Delimiter) : 다음 바이트부터 *MAC 주소 필드가 시작됨을 알린다.
• DMAC, SMAC : 수신, 송신 MAC 주소를 말한다.
• Ether Type : 데이터 계층 위의 계층인 IP 프로토콜을 정의한다. 예를 들어 IPv4 또는 IPv6가 된다.
• 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. 

 

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계층 간 데이터 송수신 과정

❓컴퓨터를 통해 다른 컴퓨터로 데이터를 요청한다면 어떠한 일이 일어날까?

ex) 예를 들어 HTTP를 통해 웹 서버에 있는 데이터를 요청한다면?

애플리케이션 계층에서 전송 계층으로 필자가 보내는 요청(request) 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 - 상위 계층의 헤더와 데이터를 하위 계층의 데이터 부분에 포함시키고 해당 계층의 헤더를 삽입하는 과정을 말한다. 

* 비캡슐화 과정 - 하위 계층에서 상위 계층으로 가며 각 계층의 헤더 부분을 제거하는 과정을 말한다.

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2.2.2 PDU

PDU(Protocol Data Unit)란? 

- 네트워크의 어떠한 계층에서 계층으로 데이터가 전달될 때 한 덩어리의 단위.

💡 PDU는 제어 관련 정보들이 포함된 '헤더' , 데이터를 의미하는 '페이로드'로 구성되어 있으며 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)

 

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