1. 계층 구조

TCP/IP 4계층

인터넷 프로토콜 스위트(internet protocol suite)는 인터넷에서 컴퓨터들이 서로 정보를 주고받는 데 쓰이는 프로토콜의 집합이다. 이를 TCP/IP 4계층 모델로 설명하거나 OSI 7계층 모델로 설명하기도 한다. 이번에는 TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol) 4계층 모델을 중심으로 설명하겠다.

1. 계층 구조

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

TCP/IP 계층과 달리 OSI 계층은 애플리케이션 계층을 세 개로 쪼개고 링크 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.

1.1. 애플리케이션 계층

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

• 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

1.2. 전송 계층

전송(transport) 계층은 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 구축ㄷ해서 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.

1.2.1. 가상회선 패킷 교환 방식

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

1.2.2. 데이터그램 패킷 교환 방식

데이터그램 패킷 교환 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. 

1.2.3. TCP 연결 성립 과정

TCP는 신뢰성을 확보할 때 '3-웨이 핸드셰이크(3-way handshake)'라는 작업을 진행한다. 

앞의 그림처럼 클라이언트와 서버가 통신할 때 다음과 같은 세 단계의 과정을 거친다. > ⓵ SYN 단계 : 클라이언트는 서버에서 클라이언트의 ISN을 담아 SYN을 보낸다. > ⓶ SYN + ACK 단계 : 서버는 클라이언트의 SYN을 수신하고 서버의 ISN을 보내며 승인번호로 클라이언트의 ISN + 1을 보낸다. > ⓷ ACK 단계 : 클라이언트는 서버의 ISN + 1한 값인 승인번호를 담아 ACK를 서버에 보낸다. > SYN : 연결 요청 플래그 ACK : 응답 플래그 ISN : 초기 네트워크 연결을 할 때 할당된 32비트 고유 시퀀스 번호, 새로운 TCP 연결의 첫 번째 패킷에 할당된 임의의 시퀀스 번호, 장치마다 다를 수 있음

이렇게 3-웨이 핸드셰이크 과정 이후 신뢰성이 구축되고 데이터 전송을 시작한다. TCP는 이 과정이 있기 때문에 신뢰성이 있는 계층이라고 하며 UDP는 이 과정이 없어서 신뢰성이 없는 계층이라고 한다.

1.2.4. TCP 연결 해제 과정

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

1. 먼저 클라이언트가 연결을 닫으려고 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 CLOSED 상태가 된다. 이후 클라이언트는 어느 정도 시간을 대기한 후 닫히고 클라이언트와 서버의 모든 자원의 연결이 해제된다.

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

첫 번째는 지연 패킷이 발생할 경우를 대비하기 위함이다. 패킷이 뒤늦게 도달하고 이를 처리하지 못한다면 데이터 무결성 문제가 발생한다.

두 번째는 두 장치가 연결이 닫혔는지 확인하기 위해서다. 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. > 용어

• TIME_WAIT

 소켓이 바로 소멸되지 않고 일정 시간 유지되는 상태를 말하며 지연 패킷 등의 문제점을 해결하는 데 쓰인다.

• 데이터 무결성(data integrity)

 데이터의 정확성과 일관성을 유지하고 보증하는 것

1.3. 인터넷 계층

인터넷(internet) 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 갖고 있다.

1.4. 링크 계층

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

물리 계층(유무선 LAN) 계층과 데이터 링크 계층(이더넷 프레임)으로 나누기도 한다.

1.5. 계층 간 데이터 송수신 과정

예를 들어 HTTP를 통해 웹 서버에 있는 데이터를 요청하면 어떤 일이 일어날까?

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.

1.5.1. 캡슐화 과정

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

1. 애플리케이션 계층의 데이터가 전송 계층으로 전달되면서 '세그먼트' 또는 '데이터그램'화 되며 TCP(L4) 헤더가 붙여진다. 2. 인터넷 계층으로 가면서 IP(L3) 헤더가 붙여지게 되며 '패킷'화가 된다. 3. 링크 계층으로 전달되면서 프레임 헤더와 프레임 트레일러가 붙어 '프레임'화 된다.

1.5.2. 비캡슐화 과정

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

캡슐화된 데이터를 받게 되면 링크 계층에서부터 타고 올라오면서 프레임화 된 데이터는 다시 패킷화를 거쳐 세그먼트, 데이터그램화를 거쳐 메시지화가 되는 비캡슐화 과정이 일어난다.

2. PDU

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

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)

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

네트워크는 여러 개의 네트워크 기기를 기반으로 구축된다.

--- 네트워크 기기

1. 네트워크 기기의 처리 범위

네트워크 기기는 계층별로 처리 범위를 나눌 수 있다. 물리 계층을 처리할 수 있는 기기와 데이터 링크 계층을 처리할 수 있는 기기 등이 있다. 그리고 상위 계층을 처리하는 기기는 하위 계층을 처리할 수 있지만 그 반대는 불가능하다.

• 애플리케이션 계층 : L7 스위치
• 인터넷 계층 : 라우터, L3 스위치
• 데이터 링크 계층 : L2 스위치, 브리지
• 물리 계층 : NIC, 리피터, AP

2. 애플리케이션 계층을 처리하는 기기

애플리케이션 계층을 처리하는 기기로는 L7 스위치가 있다.

2.1. L7 스위치

스위치는 여러 장비를 연결하고 데이터 통신을 중재하며 목적지가 연결된 포트로만 전기 신호를 보내 데이터를 전송하는 통신 네트워크 장비이다.

L7 스위치는 로드밸런서라고도 하며, 서버의 부하를 분산하는 기기이다. 클라이언트로부터 오는 요청들을 뒤쪽으로 여러 서버로 나누는 역할을 하며 시스템이 처리할 수 있는 트래픽 증가를 목표로 한다.

URL, 서버, 캐시, 쿠키들을 기반으로 트래픽을 분산한다. 또한 바이러스, 불필요한 외부 데이터 등을 걸러내는 필터링 기능 또한 가지고 있으며 응용 프로그램 수준의 트래픽 모니터링 또한 가능하다.

만약 장애가 발생한 서버가 있다면 이를 트래픽 분산 대상에서 제외해야 하는데, 이는 정기적으로 헬스 체크(health check)를 이용하여 감시한다.

2.1.1. L4 스위치와 L7 스위치 차이

L4 스위치는 전송 계층을 처리하는 기기로 스트리밍 관련 서비스에서는 사용할 수 없으며 메시지를 기반으로 인식하지 못하고 IP와 포트를 기반으로(특히 포트를 기반으로) 트래픽을 분산한다. 반면 L7 로드밸런서는 IP, 포트 외에도 URL, HTTP 헤더, 쿠키 등을 기반으로 트래픽을 분산한다.

2.1.2. 헬스 체크

L4 스위치 또는 L7 스위치 모두 헬스 체크를 통해 정상적인 서버 또는 비정상적인 서버를 판별하는데, 헬스 체크는 전송 주기와 재전송 주기 횟수 등을 설정한 이후 반복적으로 서버에 요청을 보내는 것을 말한다.

2.1.3. 로드밸런서를 이용한 서버 이중화

로드 밸런서는 2대 이상의 서버를 기반으로 가상 IP를 제공하고 이를 기반으로 안정적인 서비스를 제공한다.

3. 인터넷 계층을 처리하는 기기

인터넷 계층을 처리하는 기기로는 라우터, L3 스위치가 있따.

3.1. 라우터

라우터(router)는 여러 개의 네트워크를 연결, 분할, 구분시켜주는 역할을 하며 "다른 네트워크에 존재하는 장치끼리 서로 데이터를 주고받을 때 패킷 소모를 최적화하고 경로를 최적화하여 최소 경로로 패킷을 포워딩"하는 라우팅을 하는 장비이다.

3.2. L3 스위치

L3 스위치란 L2 스위치의 기능과 라우팅 기능을 갖춘 장비를 말한다. L3 스위치를 라우터라고 해도 무방하다. 라우터는 소프트웨어 기반의 라우팅과 하드웨어 기반의 라우팅을 하는 것으로 나눠지고 하드웨어 기반의 라우팅을 담당하는 장치를 L3 스위치라고 한다.

4. 데이터 링크 계층을 처리하는 기기

데이터 링크 계층을 처리하는 기기로는 L2 스위치와 브리지가 있다.

4.1. L2 스위치

L2 스위치는 장치들의 MAC 주소를 MAC 주소 테이블을 통해 관리하며, 연결된 장치로부터 패킷이 왔을 때 패킷 전송을 담당한다.

IP 주소를 이해하지 못해 IP 주소를 기반으로 라우팅은 불가능하며 단순히 패킷이 MAC 주소를 읽어 스위칭하는 역할을 한다. 목적지가 MAC 주소 테이블에 없다면 전체 포트에 전달하고 MAC 주소 테이블의 주소는 일정 시간 이후 삭제하는 기능도 있다.

4.2. 브리지

브리지(bridge)는 두 개의 근거리 통신망(LAN)을 상호 접속할 수 있도록 하는 통신망 연결 장치로, 포트와 포트 사이의 다리 역할을 하며 장치에서 받아온 MAC 주소를 MAC 주소 테이블로 관리한다.

브리지는 통신망 범위를 확장하고 서로 다른 LAN 등으로 이루어진 '하나의' 통신망을 구축할 때 쓰인다.

5. 물리 계층을 처리하는 기기

물리 계층을 처리하는 기기는 NIC, 리피터, AP가 있다.

5.1. NIC

LAN 카드라고 하는 네트워크 인터페이스 카드(NIC, Network Interface Card)는 2대 이상의 컴퓨터 네트워크를 구성하는 데 사용하며, 네트워크와 빠른 속도로 데이터를 송수신할 수 있도록 컴퓨터 내에 설치하는 확장 카드이다.

각 LAN 카드에는 주민등록번호처럼 각각을 구분하기 위한 고유의 식별번호인 MAC 주소가 있다.

5.2. 리피터

리피터(repeater)는 들어오는 약해진 신호 정도를 증폭하여 다른 쪽으로 전달하는 장치를 말한다.

이를 통해 패킷이 더 멀리 갈 수 있다. 하지만 이는 광케이블이 보금됨에 따라 현재는 잘 쓰이지 않는 장치이다.

5.3. AP

AP(Access Point)는 패킷을 복사하는 기기이다.

AP에 유선 LAN을 연결한 수 다른 장치에서 무선 LAN 기술(와이파이 등)을 사용하여 무선 네트워크 연결을 할 수 있다.