[네트워크] TCP/IP 4계층 모델(애플리케이션 계층, 전송 계층)

인터넷 프로토콜 스위트(internet protocol suite)는 인터넷에서 컴퓨터들이 서로 정보를 주고받는 데 쓰이는 프로토콜의 집합이다.

이를 TCP/IP 4계층 모델로 설명하거나 OSI 7계층 모델로 설명하기도 한다.

가장 많이 쓰이는 TCP/IP 4계층 모델을 중심으로 공부해보자!

계층 구조

TCP/IP 계층은 프로토콜의 네트워킹 범위에 따라 네 개의 추상화 계층으로 구성되며, OSI 7계층과 많이 비교된다.

위 그림처럼 OSI 계층은 애플리케이션 계층을 세 개로 쪼개고, 링크 계층을 데이터 링크 계층, 물리 계층으로 나눠서 표현하며, 인터넷 계층을 네티워크 계층으로 부른다는 점이 다르다. 

 

이러한 계층들은 특정 계층이 변경되었을 때 다른 계층이 영향을 받지 않도록 설계되었다. 

각 계층을 대표하는 스택은 다음와 같다.

• 애플리케이션 계층 : FTP / HTTP / SSH / SMTP / DNS
• 전송 계층 : TCP / UDP / QUIC
• 인터넷 계층 : IP / ARP / ICMP
• 링크 계층 : 이더넷

 

애플리케이션 계층

애플리케이션 계층은 FTP / HTTP / SSH / SMTP / DNS 등 응용 프로그램이 사용되는 프로토콜 계층이고, 웹 서비스나 이메일 등 서비스를 실질적으로 사람들에게 제공하는 계층이다. 

• FTP : 장치와 장치 간의 파일을 전송하는 데 사용되는 표준 통신 프로토콜
• 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 : 이메일 전송을 위한 인터넷 표준 통신 프로토콜
• DNS : 도메인 이름과 IP 주소를 매핑해주는 서버
  • 예를 들어, www.naver.com에 DNS 쿼리가 오면 Root DNS -> .com DNS -> .naver DNS -> .www DNS 과정을 거쳐서 완벽한 주소를 찾아 IP 주소를 매핑한다. 이를 통해 IP 주소가 바뀌어도 사용자들에게 똑같은 도메인 주소로 서비스할 수 있다. 

전송 계층

전송 계층은 송신자와 수신자를 연결하는 통신 서비스를 제공하며 연결 지향 데이터 스트림 지원, 신뢰성, 흐름 제어를 제공할 수 있으며

애플리케이션 계층과 인터넷 계층 사이의 데이터가 전달될 때 중계 역할을 한다. 대표적으로 TCP와 UDP가 있다. 

• TCP
  • 패킷 사이의 순서를 보장하고 연결지향 프로토콜을 사용해서 연결함으로써 신뢰성을 구축해서 수신 여부를 확인하며, '가상 회선 패킷 교환 방식'을 사용한다.
  • 가상회선 패킷 교환 방식
    
    • 각 패킷에는 가상회선 식별자(VCI) 포함되며 모든 패킷을 전송하면 가상회선이 해제되고 패킷들은 전송된 순서대로 도착하는 방식
    • 아래 그림과 같이, 3, 2, 1로 이루어진 패킷이 어떤 회선을 따라 순서대로 도착하는 것을 확인할 수 있다. 

• UDP
  • 패킷 사이의 순서를 보장하지 않고 수신 여부를 확인하지 않고 단순히 데이터만 주는 '데이터그램 패킷 교환 방식'을 사용한다.
  • 데이터그램 패킷 교환 방식
    • 패킷이 독립적으로 이동하며 최적의 경로를 선택하여 가지는데, 하나의 메시지에서 분할된 여러 패킷은 서로 다른 경로로 전송될 수 있으며 도착한 '순서가 다를 수 있는' 방식이다. 
    • 아래 그림과 같이 3,2,1로 이루어진 패킷이 순서도 다르고 어떠한 회선을 중심으로 가는 것이 아니라 따로따로 이동하며 순서도 다르게 도착하는 것을 확인할 수 있다. 

TCP 연결 성립 과정

TCP는 신뢰성을 확보하기 위해 3-way handshake라는 작업을 진행한다.

3-way handshake

위 그림처럼 클라이언트와 서버가 통신할 때 다음과 같은 세 단계의 과정을 거친다.

1. SYN 단계 : 클라이언트는 서버에 SYN을 전송한다. 이때, 클라이언트의 ISN을 담아 보낸다. 
2. SYN+ACK 단계 : 서버는 클라이언트의 SYN을 수신하고 서버의 ISN과 승인번호(클라이언트 ISN+1)를 담아 클라이언트로 보낸다.
3. ACK 단계 : 클라이언트는 서버의 ISN+1 값인 승인번호를 ACK에 담아 서버로 보낸다.

* SYN : SYNchronizaion의 약자이며, 연결 요청 플래그

* ACK : ACKnowledgement의 약자이며, 응답 플래그

* ISN : Initial Sequence Numbers의 약자이며, 새로운 TCP 연결의 첫 번째 패킷에 할당된 32 비트 고유 시퀀스 번호(장치마다 다르며, 위 12010이라는 숫자는 예시로 든 임의의 숫자이다)

 

위와 같이 3-way handshake 과정 이후 신뢰성이 구축되고 데이터 전송을 시작한다.

TCP는 이와 같은 신뢰성 구축 과정이 있기 때문에 '신뢰성이 있는 계층'이라고 하며,

UDP는 이와 같은 과정이 없기 때문에 '신뢰성이 없는 계층'이라고 한다. 

 

TCP 연결 해제 과정

TCP가 연결을 해제할 때는 4-way handshake 과정을 거친다.

출처 : https://jaehyeon48.github.io/network/tcp-three-way-handshake/

1. 먼저 클라이언트가 연결을 닫으려고 할 때 FIN으로 설정된 세그먼트를 서버로 보낸다. 이후 클라이언트는 FIN_WAIT1 상태가 되며, 서버의 응답을 기다린다. 
2. 서버는 클라이언트로 ACK라는 승인 세그먼트를 보낸다. 이후 서버는 CLOSE_WAIT 상태가 되며 , 클라이언트는 서버가 보낸 ACK를 받으면 FIN_WAIT2 상태가 된다.
3. 서버는 ACK를 보낸 후 일정 시간 후에 클라이언트에게 FIN이라는 세그먼트를 보낸다.
4. 서버로부터 FIN 세그먼트를 받은 클라이언트는 TIME_WAIT 상태가 되고, 다시 서버로 ACK를 보내서 서버는 CLOSES 상태가 된다. 이후, 클라이언트는 일정 시간 동안 TIME_WAIT 상태로 대기한 뒤에 연결이 닫히고 클라이언트와 서버의 모든 자원과 연결이 해제된다. 

여기서 가장 중요한 점은 클라이언트가 바로 연결을 닫지 않고 TIME_WAIT 상태로 일정 시간 대기한 뒤에 연결을 닫는 것이다. 

네트워크 환경은 패킷의 지연, 순서 변경, 손실 등과 같은 여러 불확실한 요소를 포함하고 있기 때문에, TIME-WAIT 상태는 이러한 불확실성을 처리하는 중요한 역할을 한다.

• 지연 패킷이 발생할 경우를 대비하는 것이다. 패킷이 뒤늦게 도달하고 이를 처리하지 못하면 데이터 무결성 문제가 발생한다.
  • 즉, 연결 해제 전에 아직 수신지에 도착하지 못한 패킷을 기다려줌으로써 패킷이 유실되는 것을 막는 것 
• 두 장치가 연결이 닫혔는지 확인하기 위한 것이다. 만약 서버가 LAST_ACK 상태에서 닫히게 되면 다시 새로운 연결을 하려고 할 때 장치는 계속 LAST_ACK인 상태이기 때문에 접속 오류가 발생한다.
  • 예를 들어, 클라이언트가 마지막으로 서버에 보낸 ACK가 유실되었다고 가정해보자. TCP는 신뢰성을 보장하기 위해서 데이터를 보내면 응답을 받아야 하는데, 서버가 보낸 FIN에 대한 응답인 ACK가 유실되었기 때문에 서버는 ACK를 받지 못해 클라이언트로 FIN을 재전송하게 된다. 
  • 그런데 여기서 TIME-WAIT을 가지지 않고 클라이언트가 ACK를 보낸 뒤에 바로 연결을 끊어버렸다면 서버의 재전송된 FIN을 받아 처리해줄 클라이언트가 존재하지 않게 되고, 서버는 연결이 닫히지 않은 LAST_ACK 상태로 남게 된다. 
  • 이 상황에서 새로운 연결을 시도하면 접속 오류가 발생한다. 

* TIME-WAIT : 소켓이 바로 소멸되지 않고 일정 시간동안 유지되는 상태를 말하며, CentOS6, 우분투 등에선 60초로 설정되어 있으며 윈도우에선 4분으로 설정되어 있다. OS마다 대기 상태의 시간은 다를 수 있다. 

* 데이터 무결성 : 데이터의 정확성과 일관성을 유지하고 보증하는 것