TCP, IP_4계층.md

📑 인터넷 프로토콜 스위트

• 인터넷에서 컴퓨터들이 서로 정보를 주고받는 데 쓰이는 프로토콜의 집합
• TCP/IP 4계층 모델, OSI 7계층 모델

📑 계층 구조

• 특정 계층이 변경되었을 때 다른 계층이 영향을 받지 않도록 설계되었음

1. 애플리케이션 계층

• 웹 서비스, 이메일 등 서비스를 실질적으로 사람들에게 제공하는 층

• FTP, HTTP, SSH, SMTP, DNS 등 응용 프로그램이 사용하는 프로토콜 계층

• FTP: 장치와 장치 간의 파일을 전송하는 데 사용되는 표준 통신 프로토콜

• SSH: 보안되지 않은 네트워크에서 네트워크 서비스를 안전하게 운영하기 위한 암호화 네트워크 프로토콜

• HTTP: 웹 사이트를 이용하는 데 쓰는 프로토콜

• SMTP: 전자 메일 전송을 위한 인터넷 표준 통신 프로토콜

• DNS: 도메인 이름을 IP 주소로 변환

2. 전송 계층

• 데이터의 실제 송수신이 일어나는 계층
• 송신자와 수신자를 연결하는 통신 서비스를 제공
• 연결 지향 데이터 스트림 지원, 신뢰성, 흐름 제어를 제공할 수 있음
• 애플리케이션과 인터넷 계층 사이의 데이터가 전달될 때, 중계 역할을 함
• TCP와 UDP가 있음

프로토콜 종류	TCP	UDP
연결 방식	연결형 서비스	비연결형 서비스
패킷 교환 방식	가상 회선 방식	데이터그램 방식
전송 순서	전송 순서 보장	전송 순서가 바뀔 수 있음
수신 여부 확인	수신 여부를 확인함	수신 여부를 확인하지 않음
통신 방식	1:1통신	1:1 or 1:N or N:N 통신
신뢰성	높다	낮다
속도	느리다	빠르다
EX.	파일 전송, 메일 전송	실시간 스트리밍 서비스, 전화

1) 가상회선 패킷 교환 방식

• 패킷들이 전송된 순서대로 도착하는 방식
• 각 패킷에 가상회선 식별자가 포함됨
• 모든 패킷을 전송하면 가상회선이 해제됨
• 경로를 설정할 때 한 번만 수행하기 때문에, 네트워크 내의 한 노드가 다운되면, 그 노드를 지나는 모든 가상회선을 잃게됨

2) 데이터그램 패킷 교환 방식

• 패킷이 독립적으로 이동
• 최적의 경로를 선택하여 감
• 하나의 메시지에서 분할된 여러 패킷이 서로 다른 경로로 전송될 수 있음
• 도착한 순서가 다를 수 있는 방식
• 네트워크 내의 한 노드가 다운되면, 다른 경로를 새로 설정함

✔️ handshake

📌 포트(PORT)의 상태정보

• LISTEN: 서비스 대기중
• ESTABLISHED: 다른 PC와 연결된 상태
• SYN_SENT: 클라이언트가 SYN패킷을 전송해 연결 요청한 상태
• SYN_RECV: 서버가 요청 수신 후, ACK패킷 전송해 수신 대기 중
• TIME_WAIT: 연결 종료 && 소켓 열린 상태
• CLOSE_WAIT: 원격 연결 요청 받은 상태 && 연결 종료 대기
• LAST_ACK: 연결 종료 && 승인 대기
• CLOSED: 연결 종료

📌 플래그 정보

• SYN: 연결 요청 플래그
• ACK: 응답 플래그
• FIN: 연결 해제

✔️ TCP 연결 성립 과정: 3-way handshake

• TCP가 연결을 설정하는 과정
• 양쪽 모두 데이터를 전송할 준비가 되었다는 것을 보장함 = 신뢰성

✔️ TCP 연결 해제 과정: 4-way handshake

• TCP가 연결을 해제하는 과정

🕵️ 일정 시간 뒤에 연결을 닫는 이유?

Client가 데이터 전송을 마쳤다고 하더라도 Server는 아직 보낼 데이터가 남아있을 수 있기 때문에 일단 FIN에 대한 ACK만 보내고, 데이터를 모두 전송한 후에 자신도 FIN 메시지를 보냄

3. 인터넷 계층

• IP를 지정하고 라우터로 경로를 선택해 네트워크를 통해 패킷을 전달하는 계층
• IP, ARP, ICMP 등이 있음
• 패킷을 수신해야 할 상대의 주소를 지정하여 데이터를 전달함
• 비연결형: 상대방이 제대로 받았는지에 대해 보장하지 않음

4. 링크 계층

• 물리적인 연결과 전기 신호를 처리하는 계층

• 전선, 광섬유, 무선 등으로 실질적으로 데이터를 전달하며 장치 간에 신호를 주고받는 '규칙'을 정하는 계층

• 물리 계층과 데이터 링크 계층으로 나누기도 함

• 물리 계층: 무선 LAN과 유선 LAN을 통해 0과 1로 이루어진 데이터를 보내는 계층

• 데이터 링크 계층: '이더넷 프레임'을 통해 에러 확인, 흐름 제어, 접근 제어를 담당하는 계층

✔️ 유선 LAN(IEEE802.3)

• 유선 LAN을 이루는 이더넷은 IEEE802.3이라는 프로토콜을 따르며 전이중화 통신을 씀

🪜 전이중화 통신 (full duplex)

• 양쪽 장치가 동시에 송수신할 수 있는 방식
• 송신로와 수신로로 나눠서 데이터를 주고받음 (같은 시간에 데이터를 주고받을 수 있음)
• 현대의 고속 이더넷은 이 방식을 기반으로 통신하고 있음

🪜 CSMA/CD

• 전이중화 통신 이전에 사용하던 방식 -> 반이중화 통신
• 수신로와 송신로를 각각 둔 것이 아니고 한 경로를 기반으로 데이터를 보냄 -> 충돌에 대비해야 함
• 데이터를 보낸 이후 충돌이 발생한다면 일정 시간 이후 재전송하는 방식

📌 유선 LAN을 이루는 케이블

🪜 트위스트 페어 케이블

• 하나의 케이블처럼 보이지만 실제로는 여덟 개의 구리선을 두개씩 꼬아서 묶은 케이블을 지칭함
• 여러개의 구리선으로 이루어져 있음

🪜 광섬유 케이블

• 광섬유로 만든 케이블
• 레이저를 이용해서 통신
• 구리선과 비교할 수 없을 만큼의 장거리 및 고속 통신이 가능

✔️ 무선 LAN(IEEE802.11)

• 수신과 송신에 같은 채널을 사용함 = 반이중화 통신

🪜 반이중화 통신

• 한 번에 한 방향만 통신할 수 있는 방식
• 데이터를 보낸 이후 충돌이 발생한다면 일정 시간 이후 재전송하는 방식
• 장치가 신호를 수신하기 시작하면, 응답하기 전에 전송이 완료될 때까지 기다려야 함

🪜 CSMA/CA

• 반이중화 통신 중 하나
• 데이터를 보내기 전에 캐리어 감지 등으로 사전에 가능한 한 충돌을 방지하는 방식 사용

📌 무선 LAN을 이루는 주파수

• 무선 신호 전달 방식을 이용하여 2대 이상의 장치를 연결하는 기술
• 와이파이: 전자기기들이 무선 LAN 신호에 연결할 수 있게 하는 기술, 공유기 이용
• BSS: 단순 공유기를 통해 네트워크에 접근하는 것이 아닌 동일 BSS 내에 있는 AP들과 장치들이 서로 통신 가능한 구조
• ESS: 하나 이상의 연결된 BSS 그룹, BSS보다 더 많은 가용성과 이동성을 지원함

📑 이더넷 프레임

• 데이터 링크 계층은 이더넷 프레임을 통해 전달받은 데이터의 에러를 검출하고 캡슐함

1. Preamble: 프레임 시작을 알리는 동기화 비트 패턴
2. SFD(Start Frame Delimiter): 다음 바이트로부터 MAC 주소 필드가 시작됨을 알림
3. DMAC, SMAC: 수신, 송신 MAC 주소를 말함 (MAC주소: LAN 카드를 구별하기 위한 식별번호)
4. EtherType: 데이터 계층 위의 계층인 IP 프로토콜을 정의함 (ex. IPv4, IPv6)
5. Payload: 전달받은 데이터
6. CRC: 에러 확인 비트

✔️ 작동원리

1. 소스 장치에서 목적지 장치로 전송되는 과정에서 스위치와 라우터 등의 네트워크 장비를 거침
2. 각 네트워크 장비는 프레임의 목적지 MAC주소를 확인하여 해당 프레임을 올바른 방향으로 전달
3. 도착한 수신 장치는 CRC를 통해 프레임의 무결성 검증
4. 이더타입 필드를 참조하여 페이로드의 데이터를 적절한 상위 계층 프로토콜로 전달

✔️ 중요성

1. 서로 다른 제조사의 장치 간에도 호환성 보장 -> 다양한 네트워크 장비와 컴퓨터가 함께 작동할 수 있음
2. 프레임의 출처와 목적지를 명확하게 구분하고, 오류 검출 기능을 통해 신뢰성 있는 데이터 전송을 지원함

계층 간 데이터 송수신 과정

1) 캡슐화

• 상위 계층의 헤더와 데이터를 하위 계층의 데이터 부분에 포함시키고 해당 계층의 헤더를 삽입하는 과정

2) 비캡슐화

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

📑PDU: Protocol Data Unit

• 네트워크의 어떠한 계층에서 계층으로 데이터가 전달될 때 한 덩어리의 단위

• 애플리케이션 계층: 메시지

• 전송 계층: 세그먼트(TCP), 데이터그램(UDP)

• 인터넷 계층: 패킷

• 링크 계층: 프레임(데이터 링크 계층), 비트(물리 계층)

• 비트로 송수신하는 것이 모든 PDU 중 가장 빠르고 효율성이 높음

• 그러나 다른 값들을 넣는 확장이 쉽기 때문에, 애플리케이션 계층에서는 문자열을 기반으로 송수신을 함

Reference

• TCP와 UDP의 특징과 차이