[네트워크] TCP/IP 4계층 모델(인터넷 계층, 링크 계층)

인터넷 계층

인터넷 계층은 장치로부터 받은 네트워크 패킷을 IP 주소로 지정된 목적지로 전송하기 위해 사용되는 계층이다.

IP, ARP, ICMP 등이 있으며 패킷을 수신해야 할 상대의 주소를 지정하여 데이터를 전달한다. 상대방이 제대로 패킷을 받았는지에 대해선 보장하지 않으며, 비연결형적인 특징을 가지고 있다. 

• IP(Internet Protocol) : 패킷을 최대한 빨리 특정 목적지 주소로 전송하는 프로토콜.
  • 패킷이 제대로 전달되었는지 보장하지 않으며, 패킷을 보내는 순서와 받는 순서가 다를 수 있음.
  • 비신뢰성, 비연결성 데이터그램 프로토콜
• ARP(Address Resolution Protocol) : 주소 변환 프로토콜. IP 주소를 MAC 주소로 변환한다.
  • MAC(Media Access Control) 주소 : 컴퓨터나 노트북 등 각 장치에는 네트워크에 연결하기 위한 장치(LAN 카드)가 있는데, 이를 구별하기 위한 식별번호(6 Bytes)를 말한다. '물리적 주소', '하드웨어 주소'라 불리기도 한다. 
  • IP 주소로 목표된 네트워크로 추적해서 패킷을 보낸 뒤 그곳에서 그 IP에 등록된 MAC 주소로 주소가 변환되어 그 컴퓨터로 패킷을 전송하게 된다. 
  • 네트워크 통신은 표면적으론 IP 주소끼리의 통신처럼 보일 수 있지만, 마지막엔 IP 주소가 MAC 주소로 변환되어 통신하며, 이때 주소를 변환해주는 프로토콜이 ARP이다.

링크 계층

링크 계층은 전선, 광섬유, 무선 등으로 실질적으로 데이터를 전달하며 장치 간에 신호를 주고받는 '규칙'을 정하는 계층이다. 

'네트워크 접근 계층'이라 불리기도 한다.

링크 계층은 물리 계층과 데이터 링크 계층으로 나누기도 하는데, 물리 계층은 무선 LAN과 유선 LAN을 통해 0과 1로 이루어진 데이터를 보내는 계층을 말하고, 데이터 링크 계층은 '이더넷 프레임'을 통해 에러 확인, 흐름 제어, 접근 제어를 담당하는 계층을 말한다. 

 

유선 LAN

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

전이중화(full duplex) 통신

양쪽 장치가 동시에 송수신할 수 있는 방식을 말한다. 송신로와 수신로를 나눠서 데이터를 주고 받으며, 현대 고속 이더넷은 이 방식을 기반으로 통신하고 있다.

 

CSMA / CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)

전이중화 통신을 사용하기 전에는 유선 LAN에선 '반이중화 통신' 중 하나인 CSMA / CD 방식을 사용했다. 

이 방식은 데이터를 '보낸 이후'에 충돌이 발생한다면 일정 시간 이후 재전송하는 방식을 말한다. 이 방식에선 수신로와 송신로를 구분하지 않고 한 경로를 기반으로 데이터를 보내기 때문에 데이터를 보낼 때 충돌을 대비해야 했기 때문이다. 

 

참고 ) 유선 LAN을 이루는 케이블

유선 LAN을 이루는 대표적인 케이블로는 TP 케이블이라고 하는 트위스트 페어 케이블과, 광섬유 케이블 등이 있다. 

• 트위스트 페어 케이블(Twisted Pair cable)
  • 외관상으론 하나의 케이블처럼 보이지만, 실제로는 여덟 개의 구리선을 두 개씩 꼬아서 묶은 케이블을 말한다.
  • 대표적으로 구리선을 실드 처리하지 않고 덮은 UTP 케이블이 있는데, 흔히 LAN 케이블이라 불린다. 
• 광섬유 케이블
  • 레이저를 이용해서 통신하기 때문에 구리선과는 비교할 수 없을 만큼 장거리 및 고속 통신이 가능하다.
  • 광섬유의 내부와 외부를 다른 밀도를 가지는 유리나 플라스틱 섬유로 제작해서 한 번 들어간 빛이 내부적으로 계속 반사하며 전진해서 반대편 끝까지는 가는 원리를 이용한 것이다. 

무선 LAN

무선 LAN을 이루는 이더넷은 IEEE802.11이라는 프로토콜을 따르며, 수신과 송신에 같은 채널을 사용하기 때문에 반이중화 통신을 사용한다. 

반이중화(half duplex) 통신

양쪽 장치는 서로 통신할 수 있지만, 동시에는 통신할 수 없으며 한 번에 한 방향만 통신할 수 있는 방식이다. 

일반적으로 장치가 신호를 수신하기 시작하면 응답하기 전에 전송이 완료될 때까지 기다려야 한다.

또한, 둘 이상의 장치가 동시에 전송하면 충돌이 발생하여 메시지가 손실되거나 왜곡될 수 있기 때문에 충돌 방지 시스템이 필요하다. 

 

CSMA / CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)

반이중화 통신 중 하나로 장치에서 데이터를 보내기 전에 캐리어 감지 등으로 사전에 가능한 충돌을 방지하는 방식을 사용하며 과정은 다음과 같다.

• 데이터를 송신하기 전에 무선 매체를 살핀다.
• 캐리어 감지 : 회선이 비어있는지 판단한다.
• IFS(Inter FrameSpace) : 랜덤 값을 기반으로 정해진 시간만큼 기다리며 만약 무선 매체가 사용 중이면 점차 그 간격을 늘려가면서 기다린다.
• 이러한 과정을 거친 후에 데이터를 송신한다.

* 캐리어 : 무선통신에서 말하는 carrier 는 우리 말로 반송파가 되는데 반짜가 반대할 반(反) 이 아니라 옮길 반(搬) 이다. 즉, '무언가를 옮기는 파' 라는 뜻