2.2.1 계층 구조 - 2.2.2 PDU
참고한 책: 면접을 위한 CS 전공지식 노트 (http://www.yes24.com/Product/Goods/108887922)
2. 네트워크
2.2. TCP/IP 4계층 모델
2.2.1. 계층 구조
2.2.2. PDU
p.80
인터넷 프로토콜 스위트(internet protocol sutie)
인터넷에서 컴퓨터들이 서로 정보를 주고받는 데 쓰이는 프로토콜의 집함. TCP/IP 4 계층 모델로 ㅅ설명하거나 OSI 7계층으로 설명하기도 함.
계층 구조
| TCP/IP 4계층 | OSI 7계층 |
| 애플리케이션 계층 >>FTP/HTTP/SSH/SMTP/DNS |
애플리케이션 계층 |
| 프레젠테이션 계층 | |
| 세션 계층 | |
| 전송 계층 >>TCP/UDP/QUIC |
전송 계층 |
| 인터넷 계층 >>IP/ARP/ICMP |
네트워크 계층 |
| 링크 계층 >> 이더넷 |
데이터 링크 계층 |
| 물리 계층 |
계층들은 특정 계층이 변경되었을 때 다른 계층이 영향을 받지 않도록 설계됨.
애플리케이션 계층
FTP, HTTP, SSH, SMTP, DNS 등 응용 프로그램이 사용되는 프로토콜 계층. 웹 서비스, 이메일 등 서비스를 실질적으로 사람들에게 제공하는 층.
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.
전송 계층
송신자와 수신자를 연결하는 통신 서비스를 제공하며 연결지향 데이터 스트림 지원, 신뢰성, 흐름 제어를 제공할 수 있으며 애플리케이션과 인터넷 계층 사이의 데이터자 전달될 때 중계 역할. 대표적으로 TCP와 UDP
TCP - 패킷 사이의 순서를 보장하고 연결지향 프로토콜을 사용해서 연결을 하여 신뢰성을 구축해서 수신 여부 확인. '가상회선 패킷 교환 방식' 사용. 흐름 제어 및 혼잡 제어. 높은 신뢰성 보장. UDP 보다 속도가 느림. 전이중, 점대점 방식
UDP - 순서를 보장하지 않고 수신 여부를 확인하지 않으며 단순이 데이터만 주는 '데이터그램 패킷 교환 방식' 사용. UDP 헤더의 CheckSum 필드를 통해 최소한의 오류만 검출. 신뢰성이 낮고 TCP보다 속도가 빠름.
연결지향 프로토콜
-통신 연결이 유지되는 것을 지향하는 프로토콜
-연결을 계속 유지하기 위한 비용이 들기 때문에 더 비쌈.
-이미 연결이 되어있기 때문에 어떤 사람이 데이터를 보냈는지 연결을 이용하여 알 수 있다.
(출처: https://coding-lks.tistory.com/147 )
가상회선 패킷 교환 방식
각 패킷에는 가상회선 식별자(VCI)가 포함되며 모든 패킷을 전송하면 가상회선이 해제되고 패킷들은 전송된 '순서대로' 도착하는 방식.
데이터를 전송하기 전에 논리적 연결이 설정되는데, 이를 가상회선이라고 한다.
(출처: https://woovictory.github.io/2018/12/28/Network-Packet-Switching-Method/ )
데이터그램 패킷 교환 방식
패킷이 독립적으로 이동하며 최적의 경로를 선택하여 가는데, 하나의 메시지에서 분할된 여러 패킷은 서로 다른 경로로 전송될 수 있고, 도착하는 '순서가 다를 수 있음'.
정해진 시간이 있거나 다량의 데이터를 연속으로 보낼 때는 가상 회선 방식이 적합하고, 짧은 메시지의 일시적인 전송에는 데이터그램 방식이 적합함.
(출처: https://woovictory.github.io/2018/12/28/Network-Packet-Switching-Method/ )
TCP 연결 성립 과정
TCP는 신뢰성을 확보할 때 3-way handshake라는 작업을 진행함.
SYN - SYNchronization의 약자, 연결 요청 플래그
ACK - ACKnowledgement의 약자, 응답 플래그
ISN - Initail Sequence Numbers의 약어, 초기 네트워크 연결을 할 때 할당된 32비트 고유 시퀀스 번호
1)SYN 단계
클라이언트는 서버에 클라이언트의 ISN을 담아 SYN을 보냄.
2)SYN + ACK 단계
클라이언트의 SYN을 수신한 서버는 서버의 ISN(SYN)과 함께 승인번호로 클라이언트의 ISN+1(ACK)을 보냄.
3)ACK 단계
클라이언트는 서버의 ISN+1한 값인 승인번호를 담아 ACK를 서버에 보냄.
3웨이 핸드셰이크 과정이 있기 때문에 신뢰성이 있는 계층, UDP는 없기 때문에 신뢰성이 없는 계층.
p. 86
TCP 연결 해제 과정
FIN - 세션을 종료시키는 데 사용되며, 더 이상 보낸 데이터가 없음을 나타낸다.
1) 클라이언트가 FIN으로 설정된 세그먼트를 보냄. 클라이언트는 FIN_WAIT_1 상태로 들어가 서버의 응답을 기다림
2) 서버는 클라이언트로 ACK라는 승인 세그먼트를 보내고 CLOSE_WAIT 상태에 들어감.
클라이언트는 세그먼트를 받으면 FIN_WAIT_2 상태에 들어감.
3) 서버는 ACK를 보내고 일정 시간 이후에 클라이언트에 FIN이라는 세그먼트를 보냄.LAST_ACK
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_WAIT
소켓이 바로 소멸되지 않고 일정 시간 유지되는 상태를 말하며 지연 패킷 등의 문제점을 해결하는 데 쓰임. OS마다 시간이 다르게 서러정됨. CentOS6와 우분투는 60초, 윈도우는 4분
일정 시간 뒤에 닫는 이유
1. 지연 패킷이 발생할 경우를 대비하기 위함. 패킷이 뒤늦게 도달하고 이를 처리하지 못한다면 데이터 무결성 문제 발생
2. 두 장치가 연결이 닫혔는지 확인하기 위해서. LAST_ACK 상태에서 닫히게 되면 다시 새로운 연결을 시도할 때 장치는 줄곧 LAST_ACK로 되어 있어 접속 오류가 나타나게 될 것임.
데이터 무결성(data integrity)
데이텅의 정확성과 일관성을 유지하고 보증하는 것.
p.87
인터넷 계층
장치로부터 받은 네트워크 패킷을 IP 주소로 지정된 목적지로 전송하기 위해 사용되는 계층.
패킷을 ㅅ수신해야 할 상대의 주소를 지정하여 데이터를 전달. 상대방이 제대로 받았는지에 대해 보장하지 않는 비연결형적인 특징을 지님.
IP, ARP, ICMP 등.
IP(Internet Protocol) - 인터넷에 접속할 때 컴퓨터 각각에 부여받는 주소 또는 전화번호와 같은 것.
ARP(Address Resolution Protocol) - 주소 결정 프로토콜. LAN환경에서 논리적인 주소인 IP 주소를 물리적인 MAC 주소로 변환해주는 프로토콜. 네트워크 상에서 IP 주소를 물리적 네트워크 주소(MAC주소)로 대으이키기 위해 사용되는 프로토콜
ICMP(Internet Control Message Protocol) - IP 패킷 전송 중 에러 발생 시, 에러 발생 원인을 알려주거나 네트워크 상태를 진단해주는 기능을 제공.
(출처: https://m.blog.naver.com/soojin_2604/221961003092 )
비연결형(connectionless)적인 특징(비연결형 서비스)
전송 순서를 보자아해주지 않는다(연결 통로가 존재하지 않는다.)
연결설정과 종료 과정 없이 바로 데이터를 송수신하는 통신 방법
(출처: https://cornswrold.tistory.com/37 )
(출처: https://hyeophyeop.tistory.com/68 )
링크 계층(= 네트워크 접근 계층)
전선, 광섬유, 무선 등으로 실질적으로 데이터를 전달하며 장치 간 신호를 주고받는 '규칙'을 정하는 계층.
-물리 계층: 무선 LAN과 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
유선 LAN을 이루는 이더넷은 IEEE802.3이라는 프로토콜을 따르며 전 이중화 통신을 ㅆ씀.
전이중화(full duplex) 통신
양쪽 장치가 동시에 송수신할 수 있는 방식. 송신로와 수신로로 나눠서 데이터를 주고받음. 현대의 고속 이더넷은 이 방식 기반.
같은 시간에 데이터를 주고받을 수 있음.
CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)
이전에 유선 LAN에 썼던 '반이중화 통신' 중 하나의 방식.
데이터를 보낸 이후 충돌이 발생하면 일정 시간 이후 재전송하는 방식.
수신로와 송신로를 각각 두지 않고 한 경로를 기반을 데이터를 보내기 때문에 충돌에 대비하기 위한 것.
유선 LAN을 이루는 케이블
트위스트 페어 케이블(twisted pair cable, TP)
하나의 케이블처럼 보이지만 실제로는 여덟 개의 구리선을 두 개씩 꼬아서 묶은 케이블.
UTP - 구리선을 처리하지 않고 덮은 케이블. 우리가 많이 볼 수 있는 케이블. LAN 케이블이라고 함.
STP - 실드 처리하고 덮은 STP
광섬유 케이블
광섬유로 만든 케이블. 레이저를 이용해서 통신하기 때문에 장거리 및 고속 통신 가능.
-코어: 빛의 굴절률이 높은 부분
-클래딩: 빛의 굴절률이 낮은 부분
무선 LAN(IEEE802.11)
무선 LAN 장치는 수신과 송신에 같은 채널을 사용하기 때문에 반이중화 통신을 사용함.
반이중화(half duplex) 통신
양쪽 장치는 서로 통신할 수 있지만, 통시에는 통신할 수 없고, 한 번에 한 방향만 통신할 수 있는 방식.
장치가 신호를 수신하기 시작하면 응답하기 전에 전송이 완료될 때까지 기다려야 함.
둘 이상의 장치가 동시에 전송하면 충돌이 발생하여 메시지가 손실되거나 왜곡될 수 있음. >> 충돌 방지 시스템 필요.
CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)
반이중화 통신 중 하나. 장치에서 데이터를 보내기 전 캐리어 감지 등으로 사전에 충돌을 방지하려는 방식을 사용.
1. 데이터 송신 전 무선 매체 살핌.
2. 캐리어 감지: 회선이 비어있는지 판단.
3. IFS(Inter Frame Space): 랜덤 값을 기반으로 정해진 시간만큼 기다리며, 만약 무선 매체가 사용중이면 점차 그 간격을 늘려가며 기다림.
4. 이후에 데이터 송신.
무선 LAN을 이루는 주파수
무선 LAN(WLAN, Wireless Local Area Network)은 무선 신호 전달 방식을 이용하여 2대 이상의 장치를 연결하는 기술.
비유도 매체: 물리적 도체를 사용하지 않고 전자기신호 전송. 흔히 무선통신이라고 함.
p. 92
와이파이(wifi)
전자기기들이 무선 LAN 신호에 연결할 수 있게 하는 기술. 사용하려면 무선 접촉 장치(AP, Access Point = 공유기)가 있어야 함.
BSS(Basic Service Set)
기본 서비스 집합. 단순 공유기를 통해 네트워크에 접속하는 것이 아닌 동일 BSS내에 있는 AP들과 장치들잉 서로 통신이 가능한 구조 가능. 사용자가 한 곳에서 다른 곳으로 자유롭게 이동하며 네트워크에 접속하는 것은 불가능.
ESS(Extended Service Set)
하나 이상의 연결된 BSS 그룹. 장거리 무선통신을 제공하여 BSS보다 더 많은 가용성과 이동성 지원. 사용자는 한 장소에서 다른 장소로 이동할 때 중단 없이 네트워크에 계속 연결할 수 있음.
p. 93
이더넷 프레임
데이터 링크 계층은 이더넷 프레임을 통해 전달받은 데이터의 에러를 검출하고 캡슐화하며 다음과 같은 구조를 가짐.
| Preamble | SFD(Start Frame Delimiter) | DMAC | SMAC | EtherType | Payload | CRC |
| 7바이트 | 1바이트 | 6바이트 | 6바이트 | 2바이트 | 4바이트 | |
| Physical layer header | ||||||
| 이더넷 프레임 시작 알림. | 다음 바이트부터 MAC 주소 필드가 시작됨을 알림. | 수신 MAC 주소 | 송신 MAC 주소 | IP 프로토콜 정의 | 전달받은 데이터 | 에러 확인 비트 |
MAC 주소
각 장치에는 네트워크에 연결하기 위한 장치(LAN 카드)가 있는데, 이를 구별하기 위한 식별번호. 6바이트(48비트).
계층 간 데이터 송수신 과정
요청값
>>애플리케이션 계층>(세그먼트 또는 데이터그램화)>전송계층>(패킷화)>인터넷계층>(프레임화)>링크계층>>링크계층>(패킷화)>인터넷계층>(세그먼트 또는 데이터그램화)>전송계층>(메시지화)>애플리케이션 계층
캡슐화 과정
상위 계층의 헤더와 데이터를 하위 계층의 데이터 부분에 포함시키고 해당 계층의 헤더를 삽입하는 과정.
비캡슐화 과정
하위 계층에서 상위 계층으로 가며 각 계층의 헤더 부분을 제거하는 과정.
최종적으로 사용자에게 애플리케이션의 PDU인 메시지로 전달됨
PDU(Protocol Data Unit)
네트워크의 어떤 계층에서 계층으로 데이터가 전달될 때 한 덩어리의 단위.
헤더, 페이로드로 구성
-헤더: 제어 관련 정보들을 포함
-페이로드: 데이터 의미.
- 애플리케이션 계층: 메시지
- 전송 계층: 세그먼트(TCP), 데이터그램(UDP)
- 인터넷 계층: 패킷
- 링크 계층: 프레임(데이터 링크 계층), 비트(물리 계층)