면접을 위한 CS 전공지식 노트 정리 - 2.2 TCP/IP 4계층 모델

 

2.2 TCP/IP 4계층 모델

인터넷 프로토콜 스위트 - 프로토콜의 집합

- 이를 TCP/IP 4계층 모델로 설명하거나 OSI 7계층 모델로 설명

 

💡 TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol) 4계층

- 네트워크에서 사용되는 통신 프로토콜의 집합

- 네트워킹 범위에 따라 네 개의 추상화 계층으로 구성

 

📌 2.2.1 계층 구조

OSI 계층

- TCP/IP 계층과 달리 애플리케이션 계층을 세 개로 쪼갬

- 링크 계층을 데이터 링크 계층, 물리 계층으로 나눠 표현

- 인터넷 계층 = 네트워크 계층

 

→ 계층들은 특정 계층이 변경되었을 때 다른 계층이 영향을 받지 않도록 설계됨

 

💡 애플리케이션 계층 (Application layer)

- FTP, HTTP, SSH 등 응용 프로그램이 사용되는 프로토콜 계층

- 사람들에게 제공하는 층

 

💡 전송 계층 (Transport layer)

- 송신자와 수신자를 연결하는 통신 서비스 제공

- 애플리케이션과 인터넷 사이의 데이터 중계 역할 수행

- 대표적으로 TCP, UDP 

- TCP: 패킷 사이 순서를 보장하고 연결지향 프로토콜 사용 (가상회선 패킷 교환 방식)

- UDP: 순서를 보장하지 않고 수신 여부를 확인하지 않음 (데이터그램 패킷 교환 방식)

 

TCP

 가상회선 패킷 교환 방식

- 각 패킷에 가상회선 식별자 포함

- 모든 패킷이 전송되면 회선이 해제되고 패킷은 전송된 순서대로 도착하는 방식

 

TCP 연결 성립 과정

- 3-way handshake 작업을 진행하여 신뢰성 확보 

- SYN - SYN+ACK - ACK 단계를 거침

- TCP는 해당 과정을 통해 신뢰성 있는 계층!!, UDP는 이 과정이 없음 ~ 신뢰성 없는 계층임!

 

TCP 연결 해제 과정

- 4-way handshake 과정 발생

- 그냥 연결 닫지 왜 굳이 일정 시간 뒤에 닫을까?

1. 지연 패킷이 발생할 경우를 대비
2. 두 장치의 연결 닫힘을 확인

 

UDP

데이터그램 패킷 교환 방식

- 패킷이 독립적으로 이동하며 최적의 경로를 선택

- 도착한 순서가 다를 수 있는 방식

  

 

💡 인터넷 계층 (Internet layer)

- 장치로부터 받은 네트워크 패킷을 IP 주소로 지정된 목적지로 전송

- IP, ARP, ICMP

- 패킷을 수신하는 상대의 주소를 지정하여 데이터 전달

- 제대로 받았는지에 대해 보장하지 않는 비연결형적

 

 

💡 링크 계층 (Link layer, Network access layer)

- 전선, 광섬유, 무선 등 실질적 데이터 전달

- 장치 간 신호를 주고받는 규칙을 정하는 계층

- 물리/데이터 링크 계층으로 나누기도 함

- 물리 계층: 무선, 유선 LAN을 통해 0과 1로 이루어진 데이터를 보내는 계층

- 데이터 링크 계층: 이더넷 프레임을 통해 에러 확인, 흐름 제어, 접근 제어를 담당하는 계층

 

유선 LAN(IEEE802.3)

- 유선 LAN이 따르는 프로토콜

- 전이중화 통신 사용 (양쪽 장치가 동시에 송수신할 수 있는 방식)

 

CSMA/CD

- 이전에 유선 LAN에서 사용하던 반이중화 통신 방법 중 한 가지

- 보낸 이후 충돌 발생 시 일정 시간 이후 재전송하는 방식

- 수신로와 송신로를 한 경로를 기반으로 데이터 전송

 

유선 LAN을 이루는 케이블 - TP (트위스트 페어) 케이블, 광섬유 케이블

 

트위스트 페어 케이블

- 구리선을 꼬아 묶은 케이블

- 실드 처리하지 않은 UTP / 실드 처리한 STP

- UTP가 LAN 케이블

 

광섬유 케이블

- 광섬유로 만든 케이블

- 레이저로 통신하기에 장거리 및 고속 통신 가능

 

무선 LAN

- 수신과 송신이 같은 채널 사용

- 반이중화 통신 사용

 

반이중화 통신

- 양쪽 장치는 서로 통신 가능하지만 동시에 통신할 수 없음

- 한 번에 한 방향만 통신할 수 있는 방식

- CSMA/CD, CSMA/CA

 

CSMA/CA

- 충돌 방지! - 캐리어 감지

- 이와 반대되는 전이중화 통신은 양방향 통신이 가능하기에 충돌 방지 메커니즘이 필요없음

 

와이파이

- 전자기기들이 무선 LAN 신호에 연결할 수 있게 하는 기술

- 무선 접속 장치 필요 (AP, Access Point) - 공유기를 통해 유선 LAN에 흐르는 신호를 무선 LAN 신호로 변환

 

BSS (Basic Service Set)

- 기본 서비스 집합

- 공유기로 접속하는 것이 아닌 동일 BSS 내에 있는 AP들과 장치들이 서로 통신 가능한 구조

- 근거리 무선 통신 제공

- 하나의 AP로만 구축, 이동하며 네트워크 접속 불가능

 

ESS (Extended Service Set)

- 하나 이상의 연결된 BSS 그룹

- 장거리 무선 통신 제공, 가용성, 이동성

 

이더넷 프레임

- 데이터 링크 계층은 이더넷 프레임을 통해 전달된 데이터의 에러를 검출하고 캡슐화

 

 

💡 계층 간 데이터 송수신 과정 

ex) HTTP를 통해 웹 서버에 있는 데이터를 요청한다면?

1) 애플리케이션 계층에서 전송 계층으로 요청값들이 캡슐화 후 전달

2) 캡슐화된 요청은 다시 링크 계층을 통해 서버와 통신

3) 해당 서버의 링크 계층으로부터 애플리케이션까지 비캡슐화 통해 데이터 전송

 

💡 캡슐화 과정

- 상위 계층 헤더와 데이터를 하위 계층의 데이터에 포함

- 해당 계층의 헤더를 삽입

- 세그먼트/데이터그램화 - 패킷화 - 프레임화

 

💡 비캡슐화 과정

- 하위 계층에서 상위 계층으로 가며 각 계층의 헤더 부분을 제거하는 과정

- 패킷화 - 세그먼트/데이터그램화 - 메시지화

- 최종적으로 사용자에게 PDU인 메시지로 전달

 

📌 2.2.2 PDU

- Protocol Data Unit (message, segment, packet, frame, bit)

- 어떠한 계층에서 계층으로 데이터가 전달될 때 한 덩어리의 단위

- 제어 관련 정보들이 포함된 헤더, 데이터를 의미하는 페이로드로 구성

- 아래 계층인 비트로 송수신하는 것이 가장 빠르고 효율성이 높음

- 그러나 애플리케이션 계층에선 문자열 기반 송수신, 확장이 쉽기 때문

 

 

 

TCP/IP 4계층 모델 요약

개요

• TCP/IP 4계층 모델: 인터넷에서 사용되는 통신 프로토콜의 집합.
• 계층 구성: 네트워킹 범위에 따라 네 개의 추상화 계층으로 구성됨.
• OSI 7계층 모델과 차이점: OSI 모델은 더 세분화된 7계층으로 구성됨. OSI 모델에서의 애플리케이션 계층은 TCP/IP 모델에서 세 개로 나눠지며, 링크 계층은 데이터 링크 계층과 물리 계층으로 구분됨.

 

계층 구조

1. 애플리케이션 계층 (Application Layer)
   • 기능: 응용 프로그램이 사용되는 프로토콜을 제공. (예: FTP, HTTP, SSH)
   • 특징: 사용자에게 서비스를 제공하는 층.
2. 전송 계층 (Transport Layer)
   • 기능: 송신자와 수신자 간의 통신 서비스를 제공. 데이터 중계를 담당.
   • 프로토콜: TCP, UDP
     • TCP: 연결지향 프로토콜, 패킷의 순서 보장. 3-way handshake로 신뢰성 확보.
     • UDP: 비연결형 프로토콜, 순서 및 수신 여부 보장하지 않음.
   • TCP 연결 성립: 3-way handshake (SYN, SYN-ACK, ACK)
   • TCP 연결 해제: 4-way handshake, 지연 패킷 대비.
3. 인터넷 계층 (Internet Layer)
   • 기능: 네트워크 패킷을 IP 주소로 지정된 목적지로 전송.
   • 프로토콜: IP, ARP, ICMP
   • 특징: 패킷의 전달을 보장하지 않는 비연결형 계층.
4. 링크 계층 (Link Layer, Network Access Layer)
   • 기능: 실질적인 데이터 전달, 장치 간 신호 주고받기.
   • 세부 구성: 물리 계층, 데이터 링크 계층
     • 물리 계층: 데이터의 물리적 전송 (유선, 무선)
     • 데이터 링크 계층: 에러 검출, 흐름 제어, 접근 제어.
   • 프로토콜 및 기술:
     • 유선 LAN (IEEE 802.3): 전이중화 통신, CSMA/CD
     • 무선 LAN: 반이중화 통신, CSMA/CA, WiFi, BSS, ESS

 

데이터 송수신 과정

• 캡슐화: 데이터가 상위 계층에서 하위 계층으로 내려갈 때 헤더 추가.
• 비캡슐화: 데이터가 하위 계층에서 상위 계층으로 올라갈 때 헤더 제거.
• PDU (Protocol Data Unit): 계층 간 전달되는 데이터 단위. 각 계층에 따라 이름이 달라짐 (메시지, 세그먼트, 패킷, 프레임, 비트).

 

주요 용어 정리

• 캡슐화: 데이터에 각 계층의 헤더를 추가하는 과정.
• 비캡슐화: 각 계층의 헤더를 제거하는 과정.
• PDU: 특정 계층에서 사용되는 데이터의 단위. (메시지, 세그먼트, 패킷, 프레임, 비트)
• TCP/UDP: 전송 계층 프로토콜. TCP는 연결지향, UDP는 비연결형.
• CSMA/CD: 유선 LAN에서의 반이중화 통신 방식.
• CSMA/CA: 무선 LAN에서의 충돌 방지 방식.