TCP/IP 계층에 대해 알아보자

TCP/IP 계층 구조#

TCP/IP의 계층은 네 개의 계츨을 가지고 있으며 OSI 7계층과 많이 비교합니다

OSI 계층의 경우 애플리케이션 계층을 세개로 쪼개고 링크 계층을 데이터 링크 계층, 물리 계층으로 나눠서 표현하는 것이 다릅니다 인터넷 계층을 네트워크 계층이라고 부르는 점도 다릅니다

각 계층들은 특정 계층이 변경되었을 때 다른 계층이 영향을 받지 않도록 설계되어 있습니다. 예를 들어 전송 계층에서 TCP를 UDP로 변경했다고 해서 인터넷 웹 브라우저를 다시 설치해야하는 것은 아니듯 유연하게 설계되어있습니다

각 계층을 대표하는 스택을 정리해보겠습니다

1. 애플리케이션 계층
   FTP, HTTP, SSH, SMTP, DNS
2. 전송 계층
   TCP, UDP, QUIC
3. 인터넷 계층
   IP, ARP, ICMP
4. 링크 계층
   이더넷

순서대로 살펴보도록 하겠습니다

애플리케이션 계층#

FTP, HTTP, SSH, SMTP, DNS 등 응용 프로그램이 사용되는 프로토콜 계층입니다 웹 서비스, 이메일 등 서비스를 실질적으로 사람들에게 제공하는 층입니다

• FTP
  장치와 장치간의 파일을 전송하는데 사용되는 표준 통신 프로토콜
• HTTP
  World Wide Web을 위한 데이터 통신이 기초이자 웹 사이트를 이용하는데 쓰는 프로토콜
• SSH
  보안되지 않은 네트워크에서 네트워크 서비스를 안전하게 운영하기 위한 암호화 네트워크 프로토콜
• SMTP
  전자 메일 전송을 위한 인터넷 표준 통신 프로토콜
• DNS
  도메인 이름과 IP 주소를 매핑해주는 서버

전송 계층#

송신자와 수신자를 연결한느 통신 서비스를 제공하며 연결 지향 데이터 스트림 지원, 신뢰성, 흐름 제어를 제공할 수 있습니다

애플리케이션과 인터넷 계층 사이의 데이터가 전달될 때 중계 역할을 합니다

대표적으로 TCP, UDP가 있습니다

• TCP는 패킷사이의 순서를 보장하고 연결지향 프로토콜을 사용해서 연결을 하여 신뢰성을 구축해서 수신 여부를 확인하며 가상회선 패킷 교환 방식을 사용합니다
• UDP는 순서를 보장하지 않고 수신 여부를 확인하지 않으며 단순히 데이터만 주는 데이터그램 패킷 교환 방식을 사용합니다

가상회선 패킷 교환 방식#

각 패킷에는 가상회선 식별자가 포함되며 모든 패킷을 전송하면 가상회선이 해제되고 패킷들은 전송된 순서대로 도착하는 방식입니다

데이터그램 패킷 교환 방식#

패킷이 독립적으로 이동하며 최적의 경로를 선택하여 움직입니다 하나의 메시지에서 분할된 여러 패킷은 서로 다른 경로로 전송될 수 있으며 도착한 순서가 다를 수 있는 방식을 말합니다

TCP 연결 성립 과정 (3-way handshaking)#

클라이언트와 서버가 통신할 때 다음과 같은 세 단계의 과정을 거칩니다

1. 클라이언트는 서버에 클라이언트의 ISN을 담아 SYN을 보냅니다. ISN은 새로운 TCP연결의 첫 번째 패킷에 할당된 임의의 시퀀스 번호입니다 이는 장치마다 다릅니다
2. SYN + ACK 단계 서버는 클라이언트의 SYN을 수신하고 서버의 ISN을 보내며 승인번호로 클라이언트의 ISN +1을 보냅니다
3. ACK 단계 클라이언트는 서버의 ISN +1 한 값인 승인번호를 담아 ACK를 서버에 보냅니다

이와 같은 3-way handshaking 과정 이후 신뢰성이 구축되고 데이터 전송을 시작합니다 TCP는 이러한 과정이 있기 때문에 신뢰성이 있는 계층이라고 하지만 UDP에는 이와 같은 과정이 없어 신뢰성이 없는 계층이라고 합니다

TCP 연결 해체 과정 (4-way handshaking)#

1. 클라이언트가 연결을 닫으려고 할 때 FIN으로 설정된 세그먼트를 보냅니다. 그리고 클라이언트는 FIN_WAIT_1 상태로 들어가 서버의 응답을 기다립니다
2. 서버는 클라이언트로 ACK라는 승인 세그먼트를 보냅니다. 그리고 CLOSE_WAIT 상태로 들어가고 클라이언트는 세그먼트를 받으면 FIN_WAIT_2 상태에 들어갑니다
3. 서버는 ACK를 보내고 일정 시간 이후에 클라이언트에 FIN이라는 세그먼트를 보냅니다.
4. 클라이언트는 TIME_WAIT상태가 되고 다시 서버로 ACK를 보내서 서버는 CLOSED상태가 됩니다. 이후 클라이언트는 어느 정도의 시간을 대기한 후 연결이 닫히고 클라이언트와 서버의 모든 연결이 해제됩니다

과정 중에는 클라이언트 부분에 TIME_WAIT이라는 상태가 눈에 보입니다 바로 연결을 닫지않고 왜 기다리는 것일까요?

먼저 TIME_WAIT이란 소켓이 바로 소멸되지 않고 일정 시간 유지되는 상태를 말하며 지연 패킷 등의 문제점을 해결하는데 쓰입니다.

1. 첫 번째 이유로는 지연 패킷일 발생할 경우를 대비하기 위함입니다, 패킷이 뒤늦게 도착하여 처리를 하지 못한다면 데이터의 무결성 문제가 발생합니다
2. 두 장치가 연결이 닫혔는지 확인하기 위해서 입니다. 만약 LAST_ACK 상태에서 닫히게 되면 다시 새로운 연결을 하려고 할때 장치는 LAST_ACK로 되어 있기 때문에 접속 오류가 나타납니다

인터넷 계층#

장치로부터 받은 네트워크 패킷을 IP주소로 지정된 목적지로 전송하기 위해 사용되는 계층입니다. IP, ARP, ICMP등이 있으며 패킷을 수신해야할 상대의 주소를 지정하여 데이터를 전달합니다. 상대방이 제대로 받았는지에 대해 보장하지않는 비연결형적인 특징을 가지고있습니다

링크 계층#

전선, 광섬유, 무선 등으로 실질적으로 데이털르 전달하며 장치 간에 신호를 주고받는 규칙을 정하는 계층입니다. 네트워크 접근 계층이라고도 불립니다 이를 물리 계층과 데이터 링크 계층으로 나누기도 합니다 물리 계층은 무선 LAN과 유선 LAN을 통해 0과 1로 이루어진 데이터를 보내는 계층을 말하고, 데이터 링크 계층은 이더넷 프레임을 통해 에러확인,흐름제어,접근제어를 담당하는 계층을 말합니다

흐름제어#

송신측과 수신측 간의 데이터 처리 속도가 다르기 때문에 너무 많거나 너무 적게 데이터를 송수신 하지않도록 제어

접근제어#

매체 상에 통신 주체가 여럿 존재할 때, 데이터 전송 여부를 결정

오류 제어#

프레임 전송 시에 발생한 오류를 복원하거나 재전송

Reference#

면접을 위한 CS 전공지식 노트

한동룡