TCP/IP 4계층 모델 07.04

Internet Protocol Suite

인터넷에서 컴퓨터들이 서로 정보를 주고받는 데 쓰이는 프로토콜의 집합

TCP/IP 4게층 모델 또는 OSI 7계층 모델.

 

2.2.1 계층 구조

 

OSI 7 Layer의 Application, Presentation, Session Layer를 합쳐 TCP/IP에서 Application Layer라고 한다.

OSI의 Network Layer는 TCP/IP의 Internet Layer와 동일하고,

OSI의 Data Link Layer과 Physical Layer를 합쳐서 TCP/IP에서는 Network Access Layer라고 한다.

 

이 계층들은 다른 계층이 변경되더라도 영향을 받지 않도록 설계되었다.

예를들어, TCP를 UDP로 변경했다고 해서 인터넷 웹 브라우저를 다시 설치하지 않는 이유이기도 하다.

 

Application Layer

FTP(File Transfer Protocol), HTTP(HyperText Transfer Protocol), SSH(Secure SHell), SMTP(Simple Mail Transfer Protocol), DNS(Domain Name System) 등 응용프로그램이 사용되는 프로토콜 계층.

서비스를 실질적으로 사람들에게 제공하는 계층이다.

 

Transport Layer

송신자와 수신자를 연결하는 통신 서비스를 제공한다.

연결 지향 데이터 스트림 지원, 신뢰성, 흐름 제어를 제공할 수 있다.

Application과 Internet Layer 사이의 데이터가 전달될 때 중계 역할을 한다.

대표적으로는 TCP/UDP가 있다.

 

TCP

패킷 사이의 순서를 보장

연결지향 프로토콜을 사용하여 신뢰성 구축

'가상회선 패킷 교환 방식' 사용

 

UDP

패킷의 순서 보장 X

수신여부 확인하지 않음

'데이터그램 패킷 교환 방식' 사용 (단순히 데이터만 전달)

 

가상회선 패킷 교환 방식

송신 호스트에서 수신 호스트까지 가상 회선을 만들고 모든 패킷을 가상 회선을 통해 전달한다.

모든 패킷이 전달이 완료되었다면 가상 회선은 해제된다.

 

데이터그램 패킷 교환 방식

패킷이 독립적으로 이동하며, 최적의 경로를 선택하여 전달된다.

패킷은 서로 다른 경로로 전송될 수 있으며, 도착한 순서가 다를 수 있다.

 

https://prinha.tistory.com/entry/Network-%ED%8C%A8%ED%82%B7%EA%B5%90%ED%99%98%EB%B0%A9%EC%8B%9D-%EA%B0%80%EC%83%81%ED%9A%8C%EC%84%A0%EB%B0%A9%EC%8B%9D%EB%8D%B0%EC%9D%B4%ED%84%B0%EA%B7%B8%EB%9E%A8%EB%B0%A9%EC%8B%9D

[Network] 패킷교환방식 - 가상회선방식/데이터그램방식

 

TCP 연결 성립 과정

3-way handshake를 진행하여 TCP 연결을 만든다.

 

1. Client가 Client의 ISN을 담아 Server에 SYN을 전송한다. Client는 Server의 SYN/ACK의 응답을 기다리는 SYN_SENT 상태가 된다.

2. Server는 Client의 SYN을 수신하고, 서버의 ISN (SYN)과 승인번호인 Client의 ISN+1 (ACK)를 Client로 전송한다. 이때 Server는 Client의 ACK 응답을 기다리며, SYN_RECEIVED 상태가 된다

3. Client는 Server의 ISN + 1 값인 승인번호를 담아 ACK를 서버에 전송한다. Server가 ACK를 수신하게되면 ESTABLISHED 상태가 된다.

SYN (SYNchronization), 연결 요청 플래스
ACK (ACKnowledgement), 응답 플래그
ISN (Initial Sequence Number), 초기 네트워크 연결을 할 때 할당된 32비트 고유 시퀀스 번호

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

TCP는 3-way handshake 과정이 있기에 신뢰성 있는 프로토콜이며,

UDP는 이와 같은 과정이 없기 때문에 비신뢰성 프로토콜이다.

 

TCP 연결 해제 과정

4-way handshake를 통해 TCP 연결을 해제한다.

 

1. Client가 연결을 닫기 위해 FIN으로 설정된 segment를 전송합니다. Client는 FIN_WAIT_1 상태로 들어가고, Server의 응답을 기다립니다.

2. Server는 Client로 ACK 승인 segment를 전송합니다. 이후 CLOSE_WAIT 상태에 들어갑니다. Client는 ACK를 수신하면 FIN_WAIT_2 상태로 들어갑니다.

3. Server는 ACK를 보낸 이후 일정 시간 이후에 Client에 FIN segment를 전송합니다. 이때 Server는 LAST_ACK상태가 됩니다.

4. Client는 FIN을 수신하고 TIME_WAIT 상태가 됩니다. 이후 Server에 ACK를 전송합니다. ACK를 수신한 Server는 CLOSED 상태가 되고, Client는 일정 시간 이후 CLOSED 상태로 들어가며, Client와 Server의 연결이 해제됩니다.

TIME_WAIT, 일정 시간을 기다리는 이유
1. 지연 패킷이 발생하는 경우를 대비하기 위함. 패킷이 뒤늦게 도달했지만 연결을 종료해버린 경우 데이터 무결성 문제가 발생한다.
2. 두 장치의 연결이 닫혔는지 확인하기 위함이다. 만약 Server가 LAST_ACK상태에서 연결이 종료되는 경우, 해당 Server는 상태가 LAST_ACK이기 때문에 새로운 연결을 할 수 없게 된다.

https://mindnet.tistory.com/entry/%EB%84%A4%ED%8A%B8%EC%9B%8C%ED%81%AC-%EC%8PayHandshake-4-WayHandshake

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

Internet Layer

인터넷 계층은 장치로부터 받은 네트워크 패킷을 IP 주소로 지정된 목적지로 전송하기 위해 사용되는 계층이다.

IP(Internet Protocol), ARP(Address Resolution Protocol), ICMP(Internet Control Message Protocol)등이 있으며, 패킷을 수신해야 할 상대의 주소를 지정하여 데이터를 전달한다. 

상대방이 제대로 받았는지에 대해 보장하지 않는 비연결형적인 특징이 있다.

Network Access Layer

전선, 광섬유, 무선 등으로 실질적인 데이터를 전달하며 장치 간에 신호를 주고받는 '규칙'을 정하는 계층이다.

Network Access Layer는 Data Link Layer과 Physical Layer로 나뉘기도 한다.

Physical Layer는 0과 1로 이뤄진 데이터를 보내는 계층이다.

Data Link Layer는 frame을 통해 에러 확인, 흐름 제어, 접근 제어를 담당하는 계층이다.

 

유선 LAN(IEEE802.3)

유선 LAN을 구성하는 이더넷은 IEEE802.3 프로토콜을 따르며, Full Duplex 통신을 사용한다.

Full Duplex는 양쪽 장치가 동시에 송수신할 수 있는 방식을 의미한다.

Full Duplex - 전이중 전송 방식
Half Duplex - 반이중 전송 방식
Simplex - 단방향 전송 방식
https://m.blog.naver.com/PostView.naver?isHttpsRedirect=true&blogId=shs6903&logNo=220122902439

CSMA/CD

Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection

과거에는 Half Duplex 통신중 하나인 CSMA/CD를 사용했다.

CSMA/CD는 Carrier Sence, 회선이 사용중인지 확인하고 데이터를 전송한다. 이때 충돌이 발생한다면 일정시간을 기다리고 다시 전송하는 방식을 의미한다.

http://www.ktword.co.kr/test/view/view.php?m_temp1=52 

CSMA/CD

 

유선 LAN을 이루는 케이블

TP케이블(Twisted Pair Cable), 동축 케이블(Coaxial Cable), 광섬유 케이블(Optical Fiber Cable)이 대표적이다.

 

Twisted Pair Cable

하나의 케이블 처럼 보이지만, 여덟개의 구리선을 두개씩 꼬아서 묶은 케이블을 의미한다.

(좌) UTP, (우) STP

케이블은 구리선을 실드 처리하지 않고 덮은 UTP(Unshielded Twisted Pair) 케이블과 실드 처리하고 덮은 STP(Shielded Twisted Pair)로 나눠진다. 흔히 LAN 케이블이라고 부르는 것이 UTP 케이블이다.

LAN 케이블을 꽂을 수 있는 커넥터를 RJ-45 커넥터라고 한다.

http://www.ktword.co.kr/test/view/view.php?nav=2&no=357&sh=TP+cable 

TP Cable

 

Coaxial Cable

동축 케이블, 2개의 원통형 도체 및 유전체가 중심축을 공유한다.

http://www.ktword.co.kr/test/view/view.php?nav=2&no=825&sh=%EB%8F%99%EC%B6%95%EC%BC%80%EC%9D%B4%EB%B8%94 

동축 케이블

 

Optical Fiber Cable

광섬유로 만든 케이블. 레이저를 이용해서 통신하기 때문에 장거리 및 고속통신 가능.

보통 100Gbps의 데이터를 전송. 

빛이 내부에서 계속 반사되며 전진하여 반대편까지 가는 원리를 이용.

빛의 굴절율이 높은 부분이 코어(Core)며, 낮은 부분을 클래딩(Cladding)이라 한다.

http://www.ktword.co.kr/test/view/view.php?nav=2&no=435&sh=optical+fiber 

광 섬유

무선 LAN(IEEE802.11)

무선 LAN 장치는 송수신에 같은 채널을 사용하기 떄문에 Half-Duplex 방식을 사용한다.

Half Duplex는 양 방향으로 통신이 가능하지만, 한 번에 한 방향만 통신할 수 있다.

일반적으로 장치가 신호를 수신하기 시작하면 응답하기 전에 전송이 완료될 때까지 기다려야 한다.

둘 이상의 장치가 동시에 전송하면 충돌이 발생하여 메세지가 손실 또는 왜곡될 수 있기 때문에 충돌 방지 시스템이 필요하다.

CSMA/CA

Carrier-Sense Multiple Access/Collision Avoidance

데이터를 보내기 전에 캐리어를 감지하여 사전에 가능한 충돌을 방지

1. 데이터를 송신하기 전 무선 매체 상태를 확인 (Listen)

2. 회선이 비어있다고 판단되면 (Carrier Sensing)

3. 일단 정해진 시간 만큼은 기다리고 (IFS, Inter FrameSpace)

3-1. 무선 매체가 사용중이라면 점차 그 간격을 늘려간다

4. 데이터를 송신한다.

 

무선 LAN을 이루는 주파수

무선 LAN (WLAN, Wireless Local Area Network)은 무선 신호 전달 방식을 이용하여 2대 이상의 장치를 연결하는 기술.

2.4GHz대역 또는 5GHz 대역 중 하나를 사용해서 구축한다. 2.4GHz대역은 회절성이 강하지만 전파 간섭이 일어나기 쉽다. 5GHz 대역은 사용할 수 있는 채널 수도 많고, 동시에 사용할 수 있기 때문에 상대적으로 깨끗한 전파 환경을 구축할 수 있다.

 

Wi-Fi

Wi-Fi는 전자기기들이 무선 LAN 신호에 연결할 수 있게 하는 기술.

이를 이용하기 위해서는 AP(Access Point, 공유기)가 있어야 한다. AP는 무선 LAN에서 기지국 역할을 하는 무선 기기이다. 무선 LAN 기술로는 ZigBee, BlueTooth등이 있다.

 

BSS

Basic Service Set

무선 LAN의 가장 기본적인 무선 망 구성 단위. 하나의 AP 제어 하에 여러대의 무선 단말이 결합되는 논리적인 망 단위.

무선 LAN Topology 구성 중 Infrasturcture Mode (AP 사용) 인 경우

외부와는 독립적으로 무선 단말끼리 통신(P2P, Peer to Peer), 일명 Ad-hoc Network

 

ESS

Extended Service Set

여러 BSS들이 논리적으로 집합되어 구성된 형태. 장거리 무선 통신을 제공, BSS보다 많은 가용성과 이동성을 지원

이더넷 프레임

Data Link Layer는 이더넷 프레임을 통해 전달받은 데이터의 에러를 검출하고, 캡슐화 하며 다음과 같은 구조를 가진다.

Preamble : 비트 동기를 위해 56비트 동안 '1', '0'을 반복, 이더넷 프레임의 시작을 알림

SFD(Start Frame Delimiter) : 프레임 동기를 위한 식별용 문자. 마지막 두 비트가 '11'이다. 다음 바이트부터 MAC 주소 필드가 시작됨을 알림

DA, SA (Destination Address, Source Address) : 수신, 송신 MAC 주소

Len/Type : 

Length : LLC 프레임 길이

Type : Data에 담겨있는 상위 프로토콜 정의 (IPv4, IPv6)

LLC 프레임: 상위 계층으로 전달받은 데이터

FCS(Frame Check Sequence) : 수납된 데이터의 에러 검출을 위한 CRC(Cyclic Redundancy Check) 비트

 

Encapsulation

Decapsulation은 Encapsulation의 역순이다.

 

2.2.2 PDU

네트워크의 어떤 계층에서 계층으로 데이터가 전달될 때 한 덩어리의 단위를 PDU(Protocol Data Unit)이라 부른다. 같은 계층에 존재하는 두 통신 개체 사이에 서로 주고 받는 데이터다.

Application Layer : Message

Transport Layer : Segment (TCP), Datagram (UDP)

Internet Layer (Network Layer) : Packet

Network Access Layer : Frame (Data Link Layer), Bit (Physical Layer)

 

 

Question

OSI 7계층과 TCP/IP 4계층의 차이를 알고있나요?

TCP 연결 수립 및 해제 과정이 어떻게 되죠?

TCP/IP 4계층에서 각 계층의 역할을 간단하게 설명해 주세요

CSMA/CA와 CSMA/CD에 대해서 알고있나요?