🗼 TCP / IP 4계층 모델 - 핵심 총정리

TCP / IP 개념 정리 (선수 지식)

 

IP (인터넷 프로토콜)

• 지정한 IP 주소에 데이터의 조각들을 패킷(Packet)이라는 통신 단위로 최대한 빨리 목적지로 보내는 역할.
• 조각들의 순서가 뒤바뀌거나 일부가 누락되더라도 크게 상관하지 않고 보내는 데 집중을 한다.
• 그래서 IP 프로토콜은 패킷의 순서 보장도 할 수 없고 패킷이 중간에 유실되도 이에대한 방안이 없다.

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TCP (전송 제어 프로토콜)

• 패킷 데이터의 전달을 보증하고 보낸 순서대로 받게 해준다
• 도착한 조각을 점검하여 줄을 세우고 망가졌거나 빠진 조각을 다시 요청하는 식으로 순서를 보증.
• TCP는 데이터를 상대방에게 확실하게 보내기 위해서 3 way 핸드쉐이킹이라는 방법을 사용하고 있다.
  이 방법은 패킷을 보내고 잘 보내졌는지 여부를 상대에게 확인하러 간다.
• 여기에서 고유의 'SYN'와 'ACK'라는 TCP 플래그를 사용한다. (일종의 확인 마크 정도로 이해하면 된다)
• 한마디로 TCP는 IP의 문제를 보완해주는 녀석이라고 보면 된다.

 

TCP 3 way handshake

본격적으로 상대 클라이언트와 연결되기 전에 가상 연결을 해서 패킷으로 보내서 확인하는 동작이다.

• SYN : 접속 요청
• ACK : 요청 수락

이름	의미
SYN	연결을 생성할 때 클라이언트가 서버에 시퀀스 번호를 보내는 패킷
SYN-ACK	시퀀스 번호를 받은 서버가 ACK 값을 생성하여 클라이언트에게 응답하는 패킷
ACK	ACK 값을 사용하여 응답하는 패킷

1. 클라이언트 → 서버 : SYN패킷 전송
2. 서버 → 클라이언트 : SYN + ACK패킷 전송
3. 클라이언트 → 서버: ACK + 데이터 패킷 전송
4. 데이터 패킷 전송

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TCP 순서 보장 방법

1. 클라이언트에서 패킷1, 패킷2, 패킷3 순서로 전송
2. 서버에서 패킷1, 패킷3, 패킷2 순서로 받음
3. 서버에서 패킷2번부터 다시 보내라고 클라이언트에게 요청(TCP 기본 동작)

이렇게 패킷을 순서대로 제어를 할 수 있는 이유는 TCP 데이터 안에 전송 제어, 순서, 정보들이 있기 때문이다.
그래서 TCP는 신뢰할 수 있는 프로토콜이라고 얘기한다.

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UDP (사용자 데이터그램 프로토콜)

• 비 연결지향적 프로토콜
• 데이터 전달 보증 X
• 순서 보장 X
• TCP에 비교해서 기능이 거의 없어 단순하지만 오로지 빠르게 패킷을 보내는 목적
• IP와 거의 같다고 보면 된다. PORT 와 체크섬(메시지 검증해주는 데이터) 정도만 추가된 형태이다.
• IP에 기능이 거의 추가되지 않은 하얀 도화지 같은 상태이기 때문에 최적화 및 커스터마이징이 용이하다.

 

TCP vs UDP 비교표

TCP	UDP
연결지향형 프로토콜	비 연결지향형 프로토콜
바이트 스트림을 통한 연결	메세지 스트림을 통한 연결
혼잡제어, 흐름제어	혼잡제어와 흐름제어 지원 X
순서 보장, 상대적으로 느림	순서 보장되지 않음, 상대적으로 빠름
신뢰성 있는 데이터 전송 - 안정적	데이터 전송 보장 X
세그먼트 TCP 패킷	데이터그램 UDP 패킷
HTTP, Email, File transfer 에서 사용	도메인, 실시간 동영상 서비스에서 사용

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TCP / IP 4계층

4층 - 애플리케이션 계층 — HTTP, FTP, DNS, SMTP
3층 - 전송 계층 — TCP, UDP
2층 - 인터넷 계층 — IP
1층 - 네트워크 엑세스 계층 — Ehternet(이더넷)

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TCP / IP 4계층 종류

 

1. Network Layer (OSI 7계층에서 물리+데이터링크 계층)

• 이 계층은 Node-To-Node간의 신뢰성 있는 데이터 전송을 담당하는 계층이다.
• OSI7 계층의 물리 계층과 데이터링크 계층의 역할을 바로 이 계층이 담당하는 것으로 볼 수 있다.
• 알맞은 하드웨어로 데이터가 전달되도록 MAC주소를 핸들링 하는것 뿐 아니라, 데이터 패킷을 전기신호로 변환하여 선로를 통하여 전달할 수 있게 준비 해준다.

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2. Internet Layer (OSI 7계층에서 네트워크 계층)

• IP를 담당하는 계층
• IP를 사용하여 데이터의 원천지(origin)과 목적지(destination)에 관한 정보를 첨부한다.
• IP는 복잡한 네트워크 망을 통하여 가장 효율적은 방법으로 데이터의 작은 조각들을 되도록 빨리 보내는 일을 한다.
• 따라서 IP는 패킷 전달 여부를 보증하지 않고, 경로를 설정하여 어떻게든 빨리 보내도록 한다.

Protocol	Content
IP	비연결의 서비스를 제공하며, 발신지와 목적지까지의 라우팅 경로를 결정
ICMP	IP제어와 메시지 기능을 담당
ARP	IP주소를 이용해 상대방의 MAC주소를 알아오는 프로토콜 (브로드캐스트 요청, 유니캐스트 응답)
RARP	MAC주소에 해당하는 IP주소를 알아오는 프로토콜 (브로드캐스트 요청, 유니캐스트 응답)

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3. Transport Layer (OSI 7계층에서 전송 계층)

• TCP / UDP를 담당하는 계층
• TCP는 IP 위에서 동작하는 프로토콜로, 데이터의 전달을 보증하고 보낸 순서대로 받게 해준다.
• 즉, 순서가 맞지 않거나 중간에 빠진 부분을 점검하여 다시 요청하는 일을 담당.

Protocol	Content
TCP (Transmission Control Protocol)	연결 지향적 (Connection Oriented) 신뢰적, 흐름제어, 에러지어 (순서번호, ACK번호 사용) ACK 받지 못한 모든 데이터는 재전송 장점은 보장된 세그먼트로 전달하기에 신뢰성이 있다 단점은 연결을 위한 초기 설정 시간이 걸린다
UDP (User Datagram Protocol)	비연결 지향적 (Connectionless Oriented) 비신뢰적, 데이터를 보낸 후에 잘 도착햇는지 검사하는 기능이 없다 장점은 빠르며, 연결을 맺지 않으므로 제어 프레임 전송을 할 필요가 없기에 네트워크 부하를 줄일 수 있다 신뢰성보다는 고속성을 요구하는 멀티미디어 응용등에 일부 사용되고 있다

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4. Application Layer (OSI 7 계층에서 5, 6, 7 계층)

• HTTP / FTP를 담당하는 계층
• OSI7 계층의 5계층부터 7계층까지의 기능을 담당하고 있다.
• 서버나 클라이언트 응용 프로그램이 이 계층에서 동작한다.
• 우리가 알고 있는 브라우저나 텔넷같은 서비스가 이 계층에 동작

Protocol	Content
DNS (Domain Name System)	인터넷에서 사용하는 이름을 해당 IP 주소로 변화해주는 서비스
SNMP (Simple Network Management Protocol)	네트워크 장비를 모니터링하고 제어하는 프로토콜
FTP (File Transfer Protocol)	TCP환경에서 파일 전송 프로토콜
TFTP (Trival File Transfer Protocol)	UDP환경에서 파일 전송 프로토콜
HTTP (Hypertext Transfer Protocol)	웹상에서 정보를 주고받을 수 있는 프로토콜

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TCP / IP 4계층 동작 순서

1. 송신측 클라이언트의 애플리케이션 계층에서 어느 웹 페이지를 보고 싶다라는 HTTP 요청을 지시한다.
2. 그 다음에 있는 트랜스포트 계층에서는 애플리케이션 계층에서 받은 데이터(HTTP 메시지)를 통신하기 쉽게 조각내어 안내 번호와 포트 번호(TCP 패킷)를 붙여 네트워크 계층에 전달한다.
3. 네트워크 계층에서 데이터에 IP 패킷을 추가해서 링크 계층에 전달한다.
4. 링크 계층에서는 수신지 MAC 주소와 이더넷 프레임을 추가한다.
5. 이로써 네트워크를 통해 송신할 준비가 되었다.
6. 수신측 서버는 링크 계층에서 데이터를 받아들여 순서대로 위의 계층에 전달하여 애플리케이션 계층까지 도달한다.
7. 수신측 애플리케이션 계층에 도달하게 되면 클라이언트가 발신했던 HTTP 리퀘스트를 수신할 수 있다.

현재 OSI 7계층보다는 TCP/IP 4계층이 더 많이 활용되고 있다.
OSI 7계층은 이론적인 느낌이라면 TCP/IP 4계층은 이론을 실제로 사용한다는 느낌이다.

 

네이버 접속 시나리오

1. 웹 브라우저에 www.naver.com 입력.
2. DNS로 네이버 서버 IP주소 할당.
3. 응용 계층(L4)에서 메세지 데이터 패킹(HTTP 메시지).
4. 전송 계층(L3)에서 PORT정보(출발지, 목적지), 전송제어 정보, 순서 정보, 검증 정보 패킹 (TCP).
5. 인터넷 계층(L2)에서 IP정보(출발지, 목적지) 패킹
6. 네트워크 엑세스(L1) 계층에서 MAC주소 패킹
7. 게이트웨이를 통해 인터넷망 접속.
8. 라우터를 통해 목적지(네이버 서버)를 찾아 연결.
9. 네이버 서버에 도착하면 패킷을 하나 하나 까면서 목적 포트에 메세지 데이터 전달하여 다시 응답.

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# 참고자료

https://it-and-life.tistory.com/112

https://tobuymacbookpro.tistory.com/4

https://thefif19wlsvy.tistory.com/53?category=805916 

https://velog.io/@conatuseus/2019-09-10-2009-%EC%9E%91%EC%84%B1%EB%90%A8-xsk0ds2eqf

https://byfuls.com/programming/read?id=64