TCP/IP 4계층 모델

TCP/IP 4계층 모델

인터넷 프로토콜 스위트(internet protocol suite)는 인터넷에서 컴퓨터들이 서로 정보를 주고받는 데 쓰이는 프로토콜의 집합이며, 이를 TCP/IP 4계층 모델로 설명하거나 OSI 7계층 모델로 설명하기도 한다.

TCP/IP 4계층 모델은 네트워크에서 사용되는 통신 프로토콜의 집합으로 네트워킹 범위에 따라 네 개의 추상화 계층으로 구성된다.

계층 구조

TCP/IP 4계층

애플리케이션 계층

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전송 계층

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인터넷 계층

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링크 계층

OSI 7계층

애플리케이션 계층

프레젠테이션 계층

세션 계층

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전송 계층

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네트워크 계층

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데이터 링크 계층

물리 계층

OSI 계층은 TCP/IP 계층의 애플리케이션 계층을 세 개로 쪼개고 링크 계층을 데이터 링크 계층, 물리 계층으로 나눠서 표현하는 것이 다르며, 인터넷 계층을 네트워크 계층으로 부른다.

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

예를 들어 전송 계층에서 TCP를 UDP로 변경했다고 해서 인터넷 웹 브라우저를 다시 설치해야 하는 것이 아니듯 유연하게 설계된 것이다.

TCP/IP의 각 계층을 대표하는 스택

애플리케이션 계층 : FTP, HTTP, SSH, SMTP, DNS

전송 계층 : TCP, UDP, QUIC

인터넷 계층 : IP, ARP, ICMP

링크 계층 : 이더넷

애플리케이션 계층

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

FTP

장치와 장치 간의 파일을 전송하는 데 사용되는 표준 통신 프로토콜

SSH

보안되지 않은 네트워크에서 네트워크 서비스를 안전하게 운영하기 위한 암호화 네트워크 프로토콜

HTTP

WWW을 위한 데이터 통신의 기초, 웹 사이트를 이용하는 데 쓰는 프로토콜

SMTP

전자 메일 전송을 위한 인터넷 표준 통신 프로토콜

DNS

도메인 이름과 IP 주소를 매핑해주는 서버

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 연결 지향 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.

가상회선 패킷 교환 방식

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

→ 패킷이 어떠한 회선을 따라 순서대로 도착하는 방식

데이터그램 패킷 교환 방식

데이터그램 패킷 교환 방식은 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.

→ 패킷이 서로 다른 회선을 이용하며 순서도 다르게 도착할 수 있는 방식

TCP 연결 성립 과정

TCP는 신뢰성을 확보할 때 3-way handshake 작업을 진행한다.

SYN : synchronize, ACK : acknowledgment, ISN : Initial Sequence Numbers (32비트)


1. SYN 단계 (클라이언트)

클라이언트가 서버에 클라이언트의 ISN을 담아 SYN을 보낸다.

ISN은 새로운 TCP 연결의 첫 번째 패킷에 할당된 임의의 시퀀스 번호이다.

1. SYN + ACK 단계 (서버)

서버는 클라이언트의 SYN를 수신하고 서버의 ISN을 보낸다. ISN의 값은 클라이언트의 ISN + 1이다.

1. ACK 단계 (클라이언트)

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

ESTABLISHED 상태

클라이언트와 서버가 각각 ACK를 수신하면 ESTABLISHED 상태가 된다. (양단간 연결 회선 성립)

• 두 종단 간에 양방향 데이터 전송 가능
• 종단 각각 자신 및 상대 ISN을 알게됨
• 양단 간에 TCP 옵션에 의해 부가적인 정보가 전달됨

3-way handshake 과정 이후 신뢰성이 구축되고 데이터 전송을 시작한다.

TCP는 이 과정이 있기 때문에 신뢰성이 있는 계층이라고 하며, UDP는 신뢰성이 없는 계층이라고 한다.

TCP 연결 해제 과정

TCP가 연결을 해제할 때는 4-way handshake 과정이 발생한다.


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

   1. FIN_WAIT_1 상태에서 클라이언트는 더이상 데이터를 보낼 수 없지만, 서버에서 오는 데이터는 계속 수신한다.

2. 서버는 ACK라는 승인 세그먼트를 보낸다. 그리고 CLOSE-WAIT 상태에 들어간다. 클라이언트가 세그먼트를 받으면 FIN_WAIT_2 상태에 들어간다.

   1. CLOSE_WAIT 상태는 TCP가 애플리케이션 종료를 기다린다. 서버는 상대에게 데이터를 보낼 수 있다.

3. 서버는 ACK를 보내고 일정 시간 이후에 LAST_ACK 상태가 되며 클라이언트에 FIN이라는 세그먼트를 보낸다. (LAST_ACK 상태는 자신이 송신한 FIN 세그먼트에 대한 ACK 세그먼트를 기다리는 상태이다.) 4. 클라이언트는 TIME_WAIT 상태가 되고, 서버로 ACK를 보내서 서버는 CLOSED 상태가 된다. 이후 클라이언트는 어느 정도의 시간을 대기한 후 연결이 닫히고 클라이언트와 서버의 모든 자원 연결이 해제된다.

TIME_WAIT 상태

연결을 바로 닫지 않고 일정 시간 기다린 뒤에 CLOSED 상태로 변경하는 이유

• 지연 패킷이 발생할 경우를 대비

   - 패킷이 뒤늦게 도달하고 이를 처리하지 못한다면 데이터 무결성 문제가 발생한다.

• 두 장치가 연결이 닫혔는지 확인하기 위해서

   - 서버의 LAST_ACK 상태에서 닫히게 되면 다시 새로운 연결을 하려고 할 때 장치는 LAST_ACK로 되어 있기 때문에 접속 오류가 나타나게 될 것이다.
   - LAST_ACK 상태는 자신이 송신한 FIN 세그먼트에 대한 ACK 세그먼트를 기다리는 상태이다.

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 네트워크 계층이라고도 하며 전선, 광섬유, 무선 등으로 실질적으로 데이터를 전달하며 장치 간에 신호를 주고받는 규칙을 정하는 계층이다.

물리 게층, 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 랜

유선 랜을 이루는 이더넷은 IEEE802.3이라는 프로토콜을 따르며 이중화 통신을 쓴다.

• 전이중화 통신(full duplex)

양쪽 장치가 동시에 송수신할 수 있는 방식을 말한다.

송신로와 수신로로 나눠서 데이터를 주고 받으며 현대의 고속 이더넷은 이 방식을 기반으로 통신하고 있다.

• CSMA/CD

전이중화 통신 방식 전에 쓴 반이중화 통신 방식 중 하나이다.

데이터를 보낸 이후 충돌이 발생하면 일정 시간 이후 재전송하는 방식을 말한다.

• 트위스트 페어 케이블

8개의 구리선을 두 개씩 짝찌어 꼬아서 묶은 케이블이다. (구리선)

구리선을 실드 처리하지 않은 UTF 케이블, 실드 처리하고 덮은 STP로 나뉜다.

• 광섬유 케이블

광섬유로 만든 케이블로 레이저를 이용해서 통신하기 때문에 장거리 및 고속 통신이 가능하다.

무선 랜

무선 랜은 IEEE802.11 프로토콜을 사용하며 송수신에 같은 채널을 사용하기 때문에 반이중화 통신을 사용한다.

• 반이중화 통신

양쪽 장치는 서로 통신할 수 있지만 동시에 통신할 수 없으며, 한 번에 한 방향만 통신할 수 있는 방식을 말한다.

일반적으로 장치가 신호를 수신하기 시작하면 전송이 완료될 때까지 응답할 수 없다.

둘 이상의 장치가 동시에 전송하면 충돌이 발생하여 메시지가 손실되거나 왜곡될 수 있기 때문에 충돌 방지 시스템이 필요하다.

• CSMA/CA

반이중화 통신 중 하나로 장치에서 데이터를 보내기 전에 캐리어 감지 등으로 사전에 가능한 한 충돌을 방지하는 방식을 사용한다.

• 와이파이

전자기기들이 무선 랜 신호에 연결할 수 있게 하는 기술이다.

이를 사용하려면 무선 접속 장치(AP, Access Point)가 있어야 한다. (공유기)

유선 랜에 흐르는 신호를 무선 랜으로 바꿔주어 신호가 닿는 범위 내에서 무선 인터넷을 사용할 수 있게 된다.

무선 랜을 이용한 기술은 지그비, 블루투스 등도 있다.

이더넷 프레임

데이터 링크 계층은 이더넷 프레임을 통해 전달받은 데이터의 에러를 검출하고 캡슐화한다.


• Preamble : 이더넷 프레임이 시작임을 알린다.
• SFD(Start Frame Delimiter) : 다음 바이트부터 MAC 주소 필드가 시작됨을 알린다.
• DMAC, SMAC : 수신, 송신 MAC 주소를 말한다.
• EtherType : 데이트 계층 위의 계층인 인터넷 계층을 정의한다. (IP 프로토콜, IPv4, IPv6)
• Payload : 전달받은 데이터
• CRC : 에러 확인 비트

계층 간 데이터 송수신 과정

HTTP를 통해 웹 서버에 있는 데이터를 요청하는 과정

클라이언트

애플리케이션 계층에서 전송 계층으로 보내는 request 값들이 캡슐화 과정을 거쳐 전달되고, 링크 계층을 통해 해당 서버와 통신을 한다.

서버

링크 계층을 통해 받은 데이터를 애플리케이션까지 비캡슐화 과정을 거친다.

캡슐화 과정


상위 계층의 헤더와 데이터를 하위 계층의 데이터 부분에 포함시키고, 해당 계층의 헤더를 삽입하는 과정

애플리케이션 계층의 데이터가 전송 계층으로 전달되면서 세그먼트 또는 데이터그램화 되며 TCP(L4) 헤더가 붙여지게 된다.

인터넷 계층으로 가면서 IP(L3) 헤더가 붙여지게 되며 패킷화가 되고, 링크 계층으로 전달되면서 프레임 헤더와 프레임 트레일러가 붙어 프레임화가 된다.

비캡슐화 과정


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

캡슐화된 데이터를 받게 되면 링크 계층에서부터 타고 올라오면서 프레임화된 데이터는 다시 패킷화를 거쳐 세그먼트, 데이터그램화를 거쳐 메시지화가 되는 과정이 이루어진다.

최종적으로 사용자에게 애플리케이션의 PDU인 메시지로 전달된다.

PDU

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

PDU는 제어 관련 정보들이 포함된 헤더와 데이터를 의미하는 페이로드로 구성되어 있다.

PDU는 계층마다 부르는 명칭이 다르다.

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

네트워크 기기

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.

상위 계층을 처리하는 기기는 하위 계층을 처리할 수 있지만 그 반대는 불가하다.

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

애플리케이션 계층 처리 기기

L7 스위치


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

로드밸런서라고도 하며, 서버의 부하를 분산하는 기기이다.

클라이언트로부터 오는 요청들을 뒤쪽의 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 모니터링도 가능하다.

만약 장애가 발생한 서버가 있다면 이를 트래픽 분산 대상에서 제외해야 하는데, 이는 정기적으로 헬스 체크를 이용하면서 감시가 이뤄진다.

L4 스위치와 L7 스위치 차이

L4 스위치의 로드밸런서도 있는데, L4 스위치는 전송 계층을 처리하는 기기로 메시지를 기반으로 인식하지 못하고 IP와 포트를 기반으로 트래픽을 분산한다.

반면 L7 로드밸런서는 IP, 포트 외에도 URL, HTTP 헤더, 쿠키 등을 기반으로 트래픽을 분산한다.

클라우드 서비스에서 l7 스위치를 이용한 로드밸런싱은 ALB(Application Load Balancer) 컴포넌트로 하며, L4 스위치를 이용한 로드밸런싱은 NLB(Network Load Balancer) 컴포넌트로 한다.

인터넷 계층을 처리하는 기기

라우터

여러 개의 네트워크를 연결, 분할, 구분시켜주는 역할을 하며 다른 네트워크에 존재하는 장치끼리 서로 데이터를 주고받을 때 패킷 소모를 최소화하고 경로를 최적화하여 최소 경로로 패킷을 포워딩하는 장비이다.

L3 스위치

L3 스위치란 L2 스위치 기능과 라우팅 기능을 갖춘 장비를 말한다.

L3 = 라우터라고 봐도 무방하다.

라우터는 소프트웨어 기반 라우팅과 하드웨어 기반 라우팅을 하는 것으로 나뉘고, 하드웨어 기반의 라우팅 장치를 L3 스위치라고 한다.


데이터 링크 계층을 처리하는 기기

L2 스위치

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 패킷의 MAC 주소를 읽어 스위칭하는 역할을 한다.

목적지가 MAC 주소 테이블에 없다면 전체 포트에 전달하고 MAC 주소 테이블의 주소는 일정 시간 이후 삭제하는 기능도 있다.

브리지

두 개의 근거리 통신망을 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 이뤄진 하나의 통신망을 구축할 때 쓰인다.

물리 계층을 처리하는 기기

NIC

랜 카드라고 하는 네트워크 인터페이스 카드(NIC)는 2대 이상의 컴퓨터 네트워크를 구성하는 데 사용하며, 네트워크와 빠른 속도로 데이터를 송수신 할 수 있도록 컴퓨터 내에 설치하는 확장 카드이다.

각 랜카드에는 고유의 식별 번호인 MAC 주소가 있다.

리피터

약해진 신호 정도를 증폭하여 다른 쪽으로 전달하는 장치이다.

이를 통해 패킷이 더 멀리 갈 수 있다.

광케이블이 보급됨에 따라 현재는 잘 쓰이지 않는 장치이다.

AP

패킷을 복사하는 기기이다.

AP에 유선 랜을 연결한 후 다른 장치에서 무선 랜 기술을 사용하여 무선 네트워크 연결을 할 수 있다.