[CS] 네트워크 기초 지식 정리 (2/3)

TCP/IP 4계층 모델

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

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계층 구조

TCP/IP 4계층과 OSI 7계층 비교

• TCP/IP 계층과 달리 OSI 7계층은 애플리케이션 계층을 세 개로 쪼개고 링크 계층을 데이터 링크 계층, 물리 계층으로 나눠서 표현. 인터넷 계층을 네트워크 계층으로 부름.
• 이 계층들은 특정 계층이 변경되었을 때 다른 계층이 영향을 받지 않도록 설계됨.

애플리케이션 계층

• FTP, HTTP, SSH, SMTP, DNS 등 응용 프로그램이 사용되는 프로토콜 계층이 웹 서비스, 이메일 등 서비스를 실질적으로 사람들에게 제공하는 층.

FTP

• 장치와 장치 간의 파일을 전송하는 데 사용되는 표준 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
• www.naver.com에 DNS 쿼리가 오면 [Root DNS] ➡️ [.com DNS] ➡️ [.naver DNS] ➡️ [.www DNS] 과정을 거쳐 완벽한 주소를 찾아 IP를 매핑.

전송 계층

• 송신자와 수신자를 연겨하는 통신 서비스를 제공하며 연결 지향 데이터 스트임 지원, 신뢰성, 흐름 제어를 제공할 수 있으며 애플리케이션과 인터넷 계층 사이의 데이터가 전달될 때 중계 역할을 함.
• 대표적으로 TCP와 UDP가 있음.
• TCP는 패킷 사이의 순서를 보장하고 연결 지향 프로토콜을 사용해서 연결하여 신뢰성을 구축해서 수신 여부를 확인하며 가상 회선 패킷 교환 방식을 사용.
• UDP는 순서를 보장하지 않고 수신 여부를 확인하지 않으며 단순히 데이터만 주는 데이터그램 패킷 교환 방식을 사용.

가상회선 패킷 교환 방식

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

데이터그램 패킷 교환 방식

• 패킷이 독립적으로 이동하며 최적의 경로를 선택하여 가는데, 하나의 메시지에서 분할된 여러 패킷은 서로 다른 경로로 전송될 수 있으며 도착한 '순서가 다를 수' 있는 방식을 뜻함.

TCP 연결 성립 과정

• TCP는 신뢰성을 확보할 때 3-way handshake라는 작업을 진행.
  1. SYN 단계: 클라이언트는 서버에 클라이언트의 ISN(Initial Sequence Number)을 담아 SYN을 보냄. ISN은 새로운 TCP 연결의 첫 번째 패킷에 할당된 임의의 시퀀스 번호를 말하며 이는 장치마다 다를 수 있음.
  2. SYN + ACK 단계: 서버는 클라이언트의 SYN을 수신하고 서버의 ISN을 보내며 승인번호로 클라이언트의 ISN + 1을 보냄.
  3. ACK 단계: 클라이언트는 서버의 ISN + 1한 값인 승인번호를 담아 ACK를 서버에 보냄.

TCP 연결 해제 과정

• TCP는 연결을 해제할 때는 4-way handshake 과정이 발생.
  1. 먼저 클라이언트가 연결을 닫으려고 할 때 FIN으로 설정된 세그먼트를 보냄. 그리고 클라이언트는 FIN_WAIT_1 상태로 들어가고 서버의 응답을 기다림.
  2. 서버는 클라이언트로 ACK라는 승인 세그먼트를 보냄. 그리고 CLOSE_WAIT 상태에 들어감. 클라이언트가 세그먼트를 받으면 FIN_WAIT_2 상태에 들어감.
  3. 서버는 ACK를 보내고 일정 시간 이후에 클라이언트에 FIN 세그먼트를 보냄.
  4. 클라이언트는 TIME_WAIT 상태가 되고 다시 서버로 ACK를 보내서 서버는 CLOSED 상태가 됨. 이후 클라이언트는 어느 정도의 시간을 대기한 후 연결이 닫히고 클라이언트와 서버의 모든 자원의 연결이 해제됨.
• TIME_WAIT는 소켓이 바로 소멸되지 않고 일정 시간 유지되는 상태를 말하며 지연 패킷 등의 문제점을 해결하는 데 쓰임.
• TIME_WAIT이 필요한 이유
  1. 지연 패킷이 발생할 경우를 대비하기 위함. 패킷이 뒤늦게 도달하고 이를 처리하지 못한다면 데이터 무결성 문제가 발생.
  2. 두 장치가 연결이 닫혔는지 확인하기 위함. 만약 LASK_ACK 상태에서 닫히게 되면 다시 새로운 연결을 하려고 할 때 장치는 줄곧 LAST_ACK로 되어있기 때문에 접속 오류가 나타나게 될 것.

인터넷 계층

• 장치로부터 받은 네트워크 패킷을 IP 주소로 지정된 목적지로 전송하기 위해 사용되는 계층.
• IP, ARP, ICMP 등이 있으며 패킷을 수신해야 할 상대의 주소를 지정하여 데이터를 전달.
• 상대방이 제대로 받았는지에 대해 보장하지 않는 비연결형적인 특징을 가짐.

링크 계층

• 전선, 광섬유, 무선 등으로 실질적으로 데이터를 전달하며 장치 간에 신호를 주고받는 '규칙'을 정하는 계층. 네트워크 접근 계층이라고도 함.
• 물리 계층과 데이터 링크 계층으로 나누기도 하는데 물리 계층은 무선 LAN과 유선 LAN을 통해 0과 1로 이루어진 데이터를 보내는 계층을 말하며, 데이터 링크 계층은 '이더텟 프레임'을 통해 에러 확인, 흐름 제어, 접근 제어를 담당하는 계층을 말함.

전이중화 통신

• 양쪽 장치가 동시에 송수신할 수 있는 방식.
• 송신로와 수신로로 나눠서 데이터를 주고받으며 현대의 고속 이더넷은 이 방식을 기반으로 통신하고 있음.
• 유선 LAN을 이루는 이더넷은 IEEE802.3이라는 프로토콜을 따르며 전이중화 통신 사용.

CSMA/CD

• 데이터를 보낸 이후 충돌이 발생한다면 일정 시간 이후 재전송하는 방식.
• 수신로와 송신로를 각각 둔 것이 아니고 한 경로를 기반으로 데이터를 보내기 때문에 데이터를 보낼 때 충돌에 대해 대비해야 했음.

반이중화 통신

• 양쪽 장치는 서로 통신할 수 있지만, 동시에는 통신할 수 없으며 한 번에 한 방향만 통신할 수 있는 방식을 말함.
• 일반적으로 장치가 신호를 수신하기 시작하면 응답하기 전에 전송이 완료될 때까지 기다려야 함.
• 둘 이상의 장치가 동시에 전송하면 충돌이 발생하여 메시지가 손실되거나 왜곡될 수 있기 때문에 충돌 방지 시스템이 필요.

CSMA/CA

• 반이중화 통신 중 하나로 장치에서 데이터를 보내기 전에 캐리어 감지 등으로 사전에 가능한 한 충돌을 방지하는 방식 사용.
  1. 데이터를 송신하기 전에 무선매체를 살핌.
  2. 캐리어 감지: 회선이 비어있는지 판단.
  3. IFS(Inter FrameSpace): 랜덤 값을 기반으로 정해진 시간만큼 기다리며, 먄약 무선 매체가 사용 중이면 점차 그 간격을 늘려가며 기다림.
  4. 이후에 데이터를 송신함.
     ※ 이와 반대되는 전이중화 통신은 양방향 통신이 가능하므로 충돌 가능성❌ ➡️ 충돌을 감지하거나 방지하는 메커니즘 필요❌

계층 간 데이터 송수신 과정

• 캡슐화 과정
  • 상위 계층의 헤더와 데이터를 하위 계층의 데이터 부분에 포함시키고 해당 계층의 헤더를 삽입하는 과정.
  • 애플리케이션 계층의 데이터가 전송 계층으로 전달되면서 세그먼트 또는 데이터그램화되며 전송 계층 헤더가 붙여지게 됨. 그리고 이후 인터넷 계층으로 가면서 해당 계층 헤더가 붙여지게 되며 패킷화가 되고, 이후 링크 계층으로 전달되면서 프레임헤더와 프레임 트레일러가 붙어 프레임화가 됨.
• 비캡슐화 과정
  • 하위 계층에서 상위 계층으로 가며 각 계층의 헤더 부분을 제거하는 과정.
  • 캡슐화된 데이터를 받게 되면 링크 계층에서부터 타고 올라오면서 프레임화된 데이터는 다시 패킷화를 거쳐 세그먼트, 데이터그램화를 거쳐 메시지화가 되는 비캡슐화 과정이 일어남. 그 이후 최종적으로 사용자에게 애플리케이션의 PDU인 메시지로 전달됨.

PDU(Protocol Data Unit)

• 네트워크의 어떠한 계층에서 계층으로 데이터가 전달될 때 한 덩어리의 단위.
• PDU는 제어관련 정보들이 포함된 헤더, 데이터를 의미하는 페이로드로 구성되며 계층마다 부르는 명칭이 다름.
  • 애플리케이션 계층: 메시지
  • 전송 계층: 세그먼터(TCP), 데이터그램(UDP)
  • 인터넷 계층: 패킷
  • 프레임(데이터 링크 계층), 비트(물리 계층)
• PDU 중 아래 계층인 비트로 송수신하는 것이 모든 PDU 중 가장 빠르고 효율성이 높음. 그러나 애플리케이션에서는 문자열을 기반으로 송수신하는데, 그 이유는 헤더에 authorization 값 등 다른 값들을 넣는 확장이 쉽기 때문.