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[Network] TCP/IP 와 TCP/IP 4계층이란? 본문

Network & Security/Concept

[Network] TCP/IP 와 TCP/IP 4계층이란?

운호(Noah) 2022. 6. 10. 18:42

패킷 통신이란?

  • 데이터를 패킷이라고하는 작은 단위로 나누어 전송하는 방식을 의미합니다.

IP (Internet Protocol) 란?

  • IP는, 패킷 데이터들을 최대한 빨리 특정 목적지 주소로 보내는 프로토콜입니다.
    • 빨리 보내는게 목적이기 때문에,
    • 패킷 전달 여부를 보증하지 않으며, 패킷을 보낸 순서와 받는 순서가 다를 수 있습니다.

TCP (Transmission Control Protocol) 란?

  • 패킷 통신은, 데이터를 작은 단위로 나누어 전송하기 때문에, 순서가 뒤섞이거나 내용이 유실될 수 있다는 단점이 있습니다.
  • 따라서, 이러한 문제를 해결하기 위해 TCP 라는 프로토콜이 존재합니다.
  • TCP는, 패킷을 정상적으로 받을 수 있도록 하는 프로토콜입니다.
    • 꼼꼼하게 보내는게 목적이기 때문에, IP 보다 패킷 전송 속도는 느리지만,
    • 패킷 전달 여부를 보증하고, 패킷을 송신 순서대로 받게 해줍니다.
    • 즉, 목적지에 도착한 패킷들을 순서대로 정렬하고, 손상되거나 손실된 패킷이 있다면, 출발지에 재요청하는 방식으로 진행됩니다.

TCP/IP 란?

  • TCP/IP는 IP(인터넷 프로토콜)와 TCP(전송 조절 프로토콜)의 묶음을 의미합니다.
  • 즉, 두 가지 프로토콜 방식을 조합하여 인터넷 통신하는 것을 TCP/IP 라고 부르는 것입니다.
    • 송신자가 수신자에게 IP 를 사용하여 최대한 빠르게 패킷을 전송하면
    • TCP 를 활용해 패킷을 정상적으로 수신 받습니다.
  • 이렇게 복수의 프로토콜 집합을 프로토콜 스택(Protocol Stack), 혹은 프로토콜 스위트(Protocol Suite)라고 부르며, 서로 다른 프로토콜 스택끼리는 통신 할 수 없습니다.

OSI 7계층과 TCP/IP 4계층 간단 비교

  • OSI 7계층은, 컴퓨터와 간 패킷 통신을 위해 거쳐야하는 7개의 계층을 의미합니다.
  • TCP/IP 4계층은, TCP/IP 프로토콜 통신 과정에 초점을 맞추어, OSI 7계층을 좀 더 단순화 시킨 계층을 의미합니다.
  • 이러한 계층적인 구조는 아래와 같은 특징을 가지고 있습니다.
    • 각 계층별 처리 역할이 다르기 때문에, 계층별 간섭을 최소화할 수 있습니다.
    • 특정 계층에서 문제가 생기면, 해당 계층을 살펴보면 되기 때문에, 유지 보수가 편리합니다.
    • 다른 계층끼리는 데이터의 전달 과정을 구체적으로 알 필요가 없기 때문에, 데이터의 캡슐화와 은닉이 가능합니다.

TCP/IP 4계층의 캡슐화, 역캡슐화

  • TCP/IP 4계층은, 위 그림과 같이 애플리케이션 계층, 전송 계층, 인터넷 계층, 네트워크 접근 계층으로 이루어져있습니다.

  • 데이터 전송 시, 데이터는 상위 계층에서 하위 계층으로 이동하고, 계층 이동 마다 필요한 정보(헤더)가 추가됩니다.

    • 이를, 캡슐화라고 합니다.

  • 데이터 수신 시, 데이터는 하위 계층에서 상위 계층으로 이동하고, 계층 이동 마다 추가된 헤더를 읽고 알맞은 행동을 취한 후, 헤더를 제거합니다.

    • 이를, 역캡슐화라고 합니다.

  • 계층 별로 추가되는 헤더는 아래와 같습니다.

4계층 : 애플리케이션 계층(Application Layer)

  • 사용자와 가장 가까운 계층으로, 사용자-소프트웨어 간 소통을 담당하는 계층입니다.
  • 애플리케이션을 실행하기 위한 데이터 형식이 작성됩니다.
  • 프로토콜로는 HTTP, HTTPS, FTP, SSH, Telnet, DNS, SMTP 가 있습니다.

3계층 : 전송 계층(Transport Layer)

  • 통신 노드 간 신뢰성 있는 데이터 전송을 보장하는 계층입니다.
  • 역캡슐화 과정에서, 포트 번호를 사용해 데이터를 정확한 애플리케이션에 전달하는 역할도 합니다.
    • 네트워크 액세스 계층과 인터넷 계층을 통해, 데이터가 목적지 기기까지 정상적으로 도착했다면,
    • 전송 계층은 포트 번호를 사용해, 데이터를 목적지 기기 내 적절한 에플리케이션으로 전달합니다.
  • 프로토콜로는 TCP, UDP, RTP, RTCP 가 있습니다.

2계층 : 인터넷 계층(Internet Layer)

  • 패킷을 최종 목적지까지 라우팅하는 계층입니다.
  • 프로토콜로는 IP, ARP, ICMP, RARP, OSPF 가 사용됩니다.

1계층 : 네트워크 액세스 계층(Network Access Layer or Network Interface Layer)

  • 데이터를 전기신호로 변환한 뒤, 물리적 주소인 MAC 주소를 사용해, 알맞은 기기로 데이터를 전달하는 계층입니다.
  • 프로토콜로는 Ethernet, Wi-Fi, PPP, Token Ring 과 같은 프로토콜이 사용됩니다.

정리

예제를 통한 TCP/IP 흐름 이해

  • 만약, www.google.com 을 웹 브라우저에 입력하면 무슨 일이 일어날까요?

    • 구글 웹서버에 80번 포트로 HTTP Request 를 보낸다는 의미와 동일합니다.

  • 우선, 구글 웹 서버에 HTTP Request 를 보내기 위해선, 아래와 같이 각 계층에 필요한 정보들을 담은 패킷을 만들어야합니다.

    • 해당 예제에선, 각 계층 별로 HTTP, TCP, IP, Ethernet 프로토콜을 사용한다고 가정해보겠습니다.

  • 따라서, Application, Transport, Internet, Network Access Layer 순으로 어떤 데이터가 들어가는지 순서대로 살펴보겠습니다.

  • 먼저, 패킷의 Application Layer 에는 HTTP Request 헤더가 들어갑니다.

      :authority: www.google.com
  :method: GET
  :path: /
  :scheme: https
  ...
  ...

  • 이후,Transport Layer 에는 TCP 헤더가 들어갑니다.

    • TCP 헤더에서 중요하게 볼 것은 SP(출발지 포트번호)와 DP(목적지 포트번호)입니다.
    • 출발지 포트번호는 내 컴퓨터에서 만든 소켓의 포트 번호이므로, 내 컴퓨터는 알고 있으며, 목적지 포트 번호 또한 80으로 알고 있습니다.

  • 이후, Internet Layer 에는 IP 헤더가 들어갑니다.

    • IP 헤더에서 중요하게 볼 것은 SA(출발지 IP주소) 와 DA(목적지 IP주소)입니다.
    • 현재, www.google.com 이라는 도메인 정보만 알고 있기 때문에
    • 나의 시작 IP 주소는 알고 있지만, 목적지의 IP 주소는 아직 모릅니다.
    • 따라서, 도메인 정보로 목적지의 IP 주소를 알아내기 위해,
    • 도메인 서버에 DNS 쿼리를 보내고, IP 주소를 응답받습니다.

  • 이후, Network Access Layer 에는 Ethernet 헤더가 들어갑니다.

    • Ethernet 헤더에서 중요하게 볼 것은 SA(출발지 MAC 주소)와 DA(목적지 MAC 주소)입니다.
    • 여기서 목적지 MAC 주소는, 구글의 MAC 주소가 아닌,
    • 물리적으로 연결된, 패킷이 전달될 라우터(예를 들어, 공유기) 또는 게이트웨이의 MAC 주소를 의미합니다.
    • 따라서, 라우터의 MAC 주소를 알아내기 위해, ARP 프로토콜을 사용합니다.
    • 이제, ARP 프로토콜을 통해 라우터의 MAC 주소까지 알아냈습니다.

  • 이후 패킷을 전송하기 전, TCP는 연결지향형 프로토콜이기 때문에, 송신측과 수신측이 서로 연결되는 작업이 필요합니다.

    • 이러한 작업을 3 Way Handshaking 이라고 부릅니다.

    • 3 Way Handshaking 을 수행하기 위해서는, TCP 헤더에 표시한 플래그들이 사용되며, 이러한 플래그들을 컨트롤 비트라고 부릅니다.

    • 3 Way Handshaking 은 SYN(동기화) 과 ACK(승인) 로 진행됩니다.

    • 먼저, 클라이언트는 서버에게, 접속을 요청하는 SYN 패킷을 보냅니다.

    • 서버는 SYN 패킷을 받고, 클라이언트에게 요청을 수락한다는 ACK 와 SYN 플래그가 설정된 패킷을 보냅니다.

    • 클라이언트는 다시 서버에게 ACK 패킷을 보냅니다.

    • 이제 3 Way Handshaking 으로 기기 간 연결이 성립되었으니, 데이터 통신이 가능해집니다.

  • 이제 라우팅을 통해 패킷을 목적지 서버에게 전송합니다.

    • 패킷은 Network Access Layer의 MAC 주소와 Internet Layer의 IP 주소로 라우팅을 반복해 목적지 구글 서버까지 도착합니다.

    • 따라서, Transport Layer부터 설명을 진행하겠습니다.

    • 먼저, 구글 서버가 받은 패킷 내부 Transport Layer의 목적지 포트 번호에는 80번이 적혀져있습니다.

    • 따라서, Transport Layer는 80번 포트를 사용하고 있는 Application Layer에 데이터를 전송합니다.

    • 이후, Application Layer는 HTTP Request 데이터를 받아, “/” 에 매핑된 GET 요청을 처리합니다.

    • 이후, 적절한 HTML을 클라이언트에게 응답합니다.

    • 따라서, 클라이언트는 라우팅을 통해 전달 받은, “www.google.com” 에 해당하는 HTML 을 브라우저에 띄우게 됩니다.

  • 이제 HTTP 요청 및 응답 과정이 끝났으므로, 연결을 종료해야합니다.

    • 여기서도 TCP의 컨트롤 비트가 사용되며, 해당 단계에서는 ACK, FIN 플래그가 사용됩니다.

    • 클라이언트와 서버의 연결 종료 작업을 4 Way Handshaking 이라고 부르며, 총 4단계로 진행됩니다.

    • 먼저, 클라이언트는 서버에게, 연결을 종료하겠다는 의미인 FIN 패킷을 전송합니다.

    • 서버는 클라이언트에게 ACK 패킷을 보내고, 클라이언트가 보냈던 요청들에 대해 마저 응답을 보냅니다.

    • 이후, 서버의 응답이 끝나면 클라이언트에게 FIN 패킷을 전송합니다.

    • 클라이언트는 서버의 통신 종료를 확인한 뒤, 서버에게 ACK 패킷을 전송하고, 연결이 종료됩니다.

    • 하지만, 서버가 클라이언트에게 FIN 을 보내는 과정에서 한가지 문제가 발생할 수 있습니다.

    • 서버가 클라이언트에게 FIN 을 보내기 전에, 이전에 서버가 클라이언트에게 응답 했던 패킷이 FIN 보다 늦게 도착할 수도 있습니다.

    • 그렇게 되면, 클라이언트가 서버의 일부 응답을 받지 못하게 됩니다.

    • 따라서, 클라이언트는 서버로부터 FIN 패킷을 받고, ACK 패킷을 보낸 뒤에도

    • 일정 시간동안 혹시나 아직 도착하지 않은 잉여 패킷을 기다립니다.

    • 이렇게, 4 Way handshaking 이후에도 소켓을 닫지 않고 잉여패킷을 기다리는 상태를, TIME_WAIT 이라고 합니다.

흐름 요약

  • www.google.com 을 브라우저 주소창에 입력합니다.
  • 보낼 패킷의 HTTP 헤더는, HTTP Request 를 통해 채워진 상태입니다.
  • 보낼 패킷의 IP 헤더를 채우기 위해, DNS 서버를 통해 www.google.com 도메인의 IP 주소를 응답 받습니다.
  • 보낼 패킷의 TCP 헤더를 채우기 위해, 클라이언트와 구글 웹서버 간 TCP 연결을 합니다.
    • 3-Way Handshaking
  • 보낼 패킷이 완성되었으므로, www.google.com 에 패킷을 전송하고, HTML 을 응답받습니다.
  • 클라이언트는 응답 받은 HTML 을 브라우저에 띄웁니다.
  • 클라이언트와 구글 웹서버간 TCP 연결을 종료합니다.
    • 4-Way Handshaking

참고

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