[네트워크] TCP/IP 4계층 모델

2.1 계층 모델
  2.1.1 TCP/IP 4계층 모델 vs OSI 7계층 모델
2.2 계층
  2.2.1 애플리케이션 계층 
  2.2.2 전송 계층
  2.2.3 인터넷 계층
  2.2.4 링크 계층 
2.3 계층 간 데이터 송수신
  2.3.1 PDU

 

2.1 계층 모델
  2.1.1 TCP/IP 4계층 vs OSI 7계층

 

 

TCP/IP 4계층과 OSI 7계층 비교

https://medium.com/harrythegreat/osi%EA%B3%84%EC%B8%B5-tcp-ip-%EB%AA%A8%EB%8D%B8-%EC%89%BD%EA%B2%8C-%EC%95%8C%EC%95%84%EB%B3%B4%EA%B8%B0-f308b1115359

 

TCP/IP 4계층과 OSI 7계층

OSI 7계층의 애플리케이션 계층+ 프레젠테이션 계층+세션 계층 => TCP/IP 애플리케이션 계층

데이터 링크 계층+물리 계층 => 링크계층

인터넷 계층 => 네트워크 계층

으로 바껴있다. 

 

각 게층들은 특정 계층이 변경되었을 때 다른 계층이 영향을 받지 않도록 설계되었다. 

-> 각 계층은 다른 계층에 대해 알 필요가 없이 자신의 계층에서 캡슐화와 은닉(숨기기)가 가능

각 계층을 대표하는 스택은 위의 그림과 같다. 

 

*프로토콜 : 통신 프로토콜 또는 통신 규약은 컴퓨터나 원거리 통신 장비 사이에서 메시지를 주고 받는 양식과 규칙의 체계이다. 즉 통신 규약 및 약속이다.

 

2.2 계층
  2.2.1 애플리케이션 계층 
  2.2.2 전송 계층
  2.2.3 인터넷 계층
  2.2.4 링크 계층 

 

 

2.2 계층
  2.2.1 애플리케이션 계층 

애플리케이션 계층

FTP, HTTP, SSH, SMTP, DNS 등 응용 프로그램이 사용되는 프로토콜 계층이며 웹 서비스, 이메일 등 서비스를 실직적으로 사람들에게 제공하는 층.

 

* OSI 7계층에서 프레젠테이션/ 세션은 각각 확장자(응용 계층에서 받은 데이터를 읽을 수 있는 형식으로 변환(디코딩/인코딩))/ os로 나뉜다 >> 솔직히 잘 모르겠음 ㅋ;

* 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 매핑해주는 서버

 

 

2.2 계층
  2.2.2 전송 계층

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 UDP

 

TCP  : 패킷 사이의 순서를 보장하고 연결지향 프로토콜을 사용해 연결하여 신뢰성을 구축해 수신 여부를 확인하며 '가상회선 패킷 교환 방식' 사용

UDP : 순서를 보장하지 않고 수신 여부를 확인하지 않으며 단순히 데이터만 주는 '데이터그램 패킷 교환 방식' 사용

 

 

 

가상회선 패킷 교환 방식 (TCP)

가상회선 패킷 교환 방식은 각 패킷에는 가상회선 식별자가 포함되며 모든 패킷을 전송하면 가상회선이 해제되고 패킷들은 전송된 '순서대로' 도착하는 방식.

데이터그램 패킷 교환 방식 (UDP)

데이터그램 패킷 교환 방식은 각 패킷이 독립적으로 이동하며 최적의 경로를 선택해 가는데, 하나의 메시지에서 분할된 여러 패킷은 서로 다른 경로로 전송될 수 있으며 도착한 '순서가 다를 수' 있는 방식.

 

 

TCP 연결 성립 과정

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

[ 3-웨이 핸드 셰이크의 단계 ]

1. SYN  단계 (연결 요청 플래그) : 클라이언트가 서버에 클라이언트의 ISN을 담아 SYN을 보낸다. ISN은 새로운 TCP 연결의 첫 번째 패킷에 할당된 임의의 시퀀스 번호를 말하며, 이는 장치마다 다르다.

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

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

 

TCP 연결 해제 과정

TCP가 연결을 해제할 때는 4-웨이 핸드셰이크 과정이 발생한다.

 

[ 4-웨이 핸드 셰이크의 단계 ]

1. 먼저 클라이언트가 연결을 닫으려고 할 때 fin으로 설정된 세그먼트를 보낸다. 그리고 클라이언트는 FIN_WAIT 상태로 들어가고 서버 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 보내 서버는 CLOSED 상태가 된다. 이후 클라이언트는 어느 정도의 시간을 대기한 후 연결이 닫히고 클라이언트와 서버의 모등 자원의 연결이 해제된다. 

 

이 중 가장 눈여겨봐야 할 것은 "TIME_WAIT "  왜 일정 시간 뒤에 닫을까?

1) 지연 패킷이 발생할 경우 대비. 

    -> 패킷이 뒤늦게 도달하고 이를 처리하지 못하면 데이터 무결성 문제가 발생한다.

2) 두 장치가 연결이 닫혔는지 확인하기 위해. 

    -> LAST_ACK 상태에서 닫히게 되면 다시 새로운 연결을 해야할 때 장치가 줄곧 LAST_ACK 상태로 되어 접속 오류 

 

*TIME_WAKT : 소켓이 바로 소멸되지 않고 일정 시간 유지되는 상태. 우분투 60초

*데이터 무결성 : 데이터의 정확성과 일관성을 유지하고 보증하는 것 

 

2.2 계층
  2.2.3 인터넷 계층
  2.2.4 링크 계층 

인터넷 계층

장치로부터 받은 네트워크 패킷을 IP 주소로 지정된 목적지로 전송하기 위해 사용되는 계층. IP, ARP, ICMP 등이 있으며 패킷을 수신해야 할 상대의 주소를 지정해 데이터 전달. 상대방이 제대로 받았는지에 대해 보장하지 않는 비연결형적인 특징

 

 

링크 계층

전선, 광섬유, 무선 등으로 실질적으로 데이터를 전달하며 장치 간에 신호를 주고받는 '규칙'을 정하는 계층. 네트워크 접근계층이라 하기도 함

물리 계층, 데이터 링크 계층으로 나뉘기도 한다.

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

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

 

유선 LAN(IEEE802.3)

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

 

전이중화 통신(full duplex)? 

양쪽 장치가 동시에 송수신할 수 있는 방식. 송신로와 수신로로 나눠서 데이터를 주고받으며 현대 고속 이더넷의 방식이다. 

 

CSMA/CD

이전에는 유선 LAN에 '반이중화 통신' 중 하나인 CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) 방식을 사용했다. 이 방식은 데이터를 '보낸 이후' 충돌이 발생한다면 일정 시간 이후 재전송하는 방식이다. 이는 수신로와 송신로를 각각 두지 않고 한 경로 기반으로 데이터를 보내기 때문에 데이터를 보낼 때 충돌에 대비해야 했기 때문이다.

 

유선 LAN 케이블 

- 트위스트 페어 케이블 (TP 케이블)

  여덟개의 구리선을 두 개씩 꼬아 묶은 케이블. 구리선을 실드 처리하지 않고 덮은 UTP 케이블/ 처리하고 덮은 STP.

  흔히 UTP 케이블로 흔히 LAN 케이블이라 함. * LAN 케이블을 꽂을 수 있는 커넥터를 RJ-45 커넥터라 한다. 

- 광섬유 케이블

  레이저 통신으로 TP 케이블와 비교할 수 없을 만큼의 장거리 및 고속 통신이 가능하다. 보통 100Gbps의 데이터를 전송, 

  내부와 외부를 다른 밀도를 가지는 섬유로 제작해 한 번 들어간 빛이 내부에서 계속적으로 반사하며 전진한다.

 

무선 LAN 케이블 

수신과 송신에 같은 채널을 사용해 반이중화 통신을 사용한다.

 

반이중화 통신

양쪽 장치는 서로 통신할 수 있지만, 동시에 통신할 수 없으며 한 방향만 통신할 수 있는 방식 . 장치가 신호를 수신하기 시작하면 응답하기 전에 전송이 완료될 때까지 기다려야 한다. 또, 둘 이상의 장치가 동시 전송하면 충돌이 발생해 메시지가 손실되거나 왜곡 될 수 있어 충돌 방지 시스템이 필요하다. 

 

CSMA/CA

반이중화 통신 중 하나로 장치에서 데이터를 보내기 전에 캐리어 감지 등으로 사전에 가능한 한 충돌을 방지하는 방식을 사용하며 과정은 다음과 같이 이루어 진다.

1. 데이터를 송신하기 전에 무선 매체를 살핀다.

2. 캐리어감지 : 회선이 비어있는지 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.

 

와이파이

전자기기들이 무선 LAN 신호에 연결할 수 있게 하는 기술, 무선 접속 장치(AP, Acess Point), 공유기,가 필요하다. 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 것은 아니고 지그비, 블루투스 등이 있다.

 

BSS

기본 서비스의 집합. 단순 공유기를 통해 네트워크에 접속하는 것이 아닌 동일 BSS 내에 있는 AP들과 장치들이 서로 통신 가능한 구조. 근거리 무선 통신을 제공하고, 하나의 AP 만을 기반으로 구축 되어 사용자가 한 곳에서 다른 곳으로 자유롭게 이동해 네트워크에 접속하는 것이 불가능하다.

 

ESS

하나 이상의 연결된 BSS 그룹. 장거리 무선 통신을 제공, BSS보다 더 많은 가용성과 이동성을 지원한다. 사용자는 한 장소에서 다른 장소로 이동하며 중단 없이 네트워크에 계속 연결 가능하다.

 

 

*이더넷?  LAN(근거리 통신망) 구축을 위해 장치를 연결하는 데 널리 사용되는 네트워킹 프로토콜로, 장치가 네트워크를 통해 데이터 패킷을 다른 장치와 교환하여 통신하도록 지원한다. 1970년대에 발명된 이더넷은 그 후로 더 긴 거리와 더 빠른 속도를 처리하도록 발전했다.

 

이더넷 프레임 

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

 

• Preamble : 이더넷 프레임이 시작임을 알림
• SFD(Start Frame Delimiter) : 다음 바이트부터 MAC 주소 필드가 시작됨을 알림
• DMAC, SMAC : 송신, 수신 MAC 주소를 말함
• EtherType : 데이터 계층 위의 계층인 IP 프로토콜을 정의한다. 예를 들어 IPv4 혹은 IPv6
• 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.

 

 

2.3 계층 간 데이터 송수신
    2.3.1 PDU

2.3 계층 간 데이터 송수신 과정

컴퓨터를 통해 다른 컴퓨터로 데이터를 요청한다면 어떤 일이 일어날까 ? HTTP를 통해 웹 서버에 있는 데이터를 요청한다면 아래와 같은 과정을 거친다.

애플리케이션 계층에서 전송 계층으로 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 과정

                  1) 애플리케이션 -> 전송 계층                                2) -> 인터넷 계층             3) -> 링크계층

데이터 ->   1) 세그먼트/데이터 그램화(TCP(L4)헤더 붙음) -> 2) 패킷화(IP(L3)헤더) -> 3)프레임 화 ( 프레임헤더, 프레임 트레일러 붙음)

 

비캡슐화 과정

하위에서 상위 계층으로 가며 헤더 부분을 제거하는 과정. 캡슐화 거꾸로. 

프레임화된 데이터 -> 패킷화 -> 세그먼트/데이터그램화 -> 메시지화

최종적으로 사용자에게 애플리케이션의 PDU인 메시지로 전달된다. 

 

2.3.1 PDU

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

PDU는 제어 관련 정보들이 포함된 '헤더', 데이터를 의미하는 '페이로드'로 구성되어 있으며 계층마다 부르는 명칭이 다름..

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

 

 

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[면접 빈출!!!]

TCP와 UDP 차이 

 

 

 

 

[계층의 전체적인 통신 과정]

OSI계층 , TCP/IP 모델 쉽게 알아보기

[TCP 3-핸드 쉐이크, 4-핸드 쉐이크]

[ 네트워크 쉽게 이해하기 22편 ] TCP 3 Way-Handshake & 4 Way-Handshake

[TCP vs UDP]

[TCP/UDP] TCP와 UDP의 특징과 차이

[HTTP]

HTTP 메시지 - HTTP | MDN

[BSS,ESS + DS, Ad-Hoc]

[802.11] 무선 네트워크의 세부 구조 [DS,BSS,ESS,Ad-Hoc]

[이더넷]

이더넷이란? | 용어 해설