TCP/IP 4계층 모델

들어가며

인터넷 프로토콜 스위트는 인터넷에서 컴퓨터들이 서로 정보를 주고받는 데 사용하는 프로토콜의 집합이다. 이를 TCP/IP 4 계층 모델로 설명하거나 OSI 7 계층 모델로 주로 설명하는 경우가 많습니다. 여기서 TCP/IP 4 계층 모델은 OSI 7 계층과는 다르게 통신 프로토콜의 집합으로 계층들은 프로토콜의 네트워킹 범위에 따라 4개의 추상화 계층으로 구성되어 있습니다.

TCP/IP 계층과 OSI 7계층 비교

위 그림을 확인해보면 OSI 계층과 TCP/IP 계층의 다른 점을 몇 가지 확인할 수 있다. 첫 번째는 OSI 계층은 TCP/IP 계층의 애플리케이션계층을 3개로 나누고 있고, 두번째는 링크 계층을 데이터 링크 계층과 물리 계층으로 나누고 있다. 세번쨰는 네트워크 계층을 인터넷 계층으로 부르고 있다는 점입니다.

Application 계층

애플리케이션계층은 FTP, HTTP, SSH, SMTP, DNS 등 응용프로그램이 사용되는 프로토콜 계층이며 웹서비스나 이메일등 서비스를 실질적으로 사람들에게 제공하는 계층입니다.

FTP : 파일 전송 프로토콜(File Transfer Protocol)의 약자입니다. 그 의미를 자세히 살펴보면 기본적으로 '프로토콜' 또는 인터넷 프로토콜은 전자기기가 서로 통신하는 데 필요한 절차나 규칙을 말합니다. FTP는 TCP/IP 네트워크상의 장치가 파일을 전송할 때 사용하는 프로토콜입니다.
SSH : 네트워크 상 다른 컴퓨터의 쉘을 사용할 수 있게 해 주는 프로그램 혹은 그 프로토콜을 의미합니다. SSH를 사용하면 원격에서 네트워크 상의 컴퓨터에 접속할 수 있습니다. 쉽게 말해 보안되지 않은 네트워크 서비스를 안전하게 운영하기 위한 암호화 네트워크 프로토콜입니다. 교환된 대칭 키를 이용해 SSH 서버와 클라이언트 간 모든 통신은 암호화하여 진행되기 때문에, SSH 연결은 매우 안전합니다.
HTTP : HTML 문서와 같은 리소스들을 가져올 수 있도록 해주는 프로토콜입니다. HTTP는 웹에서 이루어지는 모든 데이터 교환의 기초이며, 클라이언트-서버 프로토콜이기도 합니다. 클라이언트-서버 프로토콜이란 (보통 웹브라우저인) 수신자 측에 의해 요청이 초기화되는 프로토콜을 의미합니다.
SMTP : 전자 메일 전송을 위한 인터넷 표준 통신 프로토콜 입니다. 한 메일서버에서 다른 메일서버로 메일을 전송할 때, 송신자의 user agent에서 본인의 메일서버로 메일을 전송할때 SMTP가 사용됩니다. 참고로 SMTP는 HTTP보다 훨씬 더 오래전부터 사용되고 있습니다.
DNS : 전 세계에 배포된 서비스로 www.naver.com 같이 사람이 읽을 수 있는 이름을 192.0.2.1과 같은 숫자 IP 주소로 변환하여 컴퓨터가 서로 통신할 수 있도록 합니다. 인터넷의 DNS 시스템은 이름과 숫자 간의 매핑을 관리하여 마치 전화번호부와 같은 기능을 합니다. DNS 서버는 이름을 IP 주소로 변환하여 도메인 이름을 웹 브라우저에 입력할 때 최종 사용자를 어떤 서버에 연결할 것인지를 제어합니다. 이 요청을 쿼리라고 부릅니다.

Transport 계층

전송계층은 송신자와 수신자를 연결하는 통신 서비스를 제공하고, 연결 지향 데이터 스트림 지원, 신뢰성, 흐름제어를 제공할 수 있으며 애플리케이션 계층과 인터넷 계층 사이에 데이터를 전달할 때 중계 역할을 하는 계층입니다. 대표적으로 TCP와 UDP가 있습니다.

TCP : Transmission Control Protocol의 약자로 패킷 사이의 순서를 보장하고 연결지향 프로토콜을 사용해서 연결하여 신뢰성을 구축하여 수신 여부를 확인가능하며 가상 회선 패킷 교환 방식을 사용합니다.
UDP : User Datagram Protocol의 약자로 패킷 사이의 순서를 보장하지 않고 수신 여부를 확인하지 않으며 단순히 데이터만 주는 데이터그램 교환 방식을 사용합니다.

가상 회선 패킷 교환 방식 VS 데이터그램 교환 방식

가상 회선 패킷 교환 방식 : 데이터를 전송하기 전에 논리적 연결을 설정하게 된다. 이를 가상회선이라 칭한다. 각각의 패킷에는 가상 회선 식별 번호(VCI)가 포함되어 있고, 모든 패킷들을 전송하면 가상회선이 해제되며 패킷들은 전송한 순서대로 도착합니다. (연결 지향)

https://woovictory.github.io/2018/12/28/Network-Packet-Switching-Method/

데이터그램 교환 방식 : 데이터를 전송하기 전 논리적 연결을 설정하지 않고, 패킷들이 독립적으로 전송된다. 이를 데이터그램이라 칭한다. 패킷을 수신한 라우터는 최적의 경로를 선택하여 패킷을 전송하는데, 하나의 매시지에서 분할되어 있는 여러 개의 패킷은 서로 다른 경로로 전송될 수 도 있습니다. (비연결 지향형)

차이점

데이터 그램은 패킷마다 라우터가 경로를 선택하지만, 가상회선 방식은 경로를 설정할 때 한 번만 수행한다.
정해진 시간 안이나 다량의 데이터를 연속으로 보낼 때는 가상 회선 방식이 적합하지만, 짧은 메시지의 일시적인 전송에는 데이터그램 방식이 적합하다.
네트워크 내에 한 노드가 다운되면 데이터그램 방식은 다른 경로를 새로 찾아서 설정하지만, 가상 회선 패킷 교환 방식은 다운된 노드를 지나는 모든 가상 회선을 잃게 된다.

Internet 계층

인터넷 계층은 장치로부터 받은 네트워크 패킷을 IP 주소로 지정된 목적지로 전송하기 위해 사용되는 계층입니다. IP, ARP, ICMP 등이 있고, 패킷을 수신해야 할 상대의 주소를 지정하여 데이터를 전달합니다. 상대가 제대로 받았는지에 대해 보장하지 않는 비연결형적인 특징을 가지고 있습니다.

Link 계층

링크 계층은 전선이나 광섬유, 무선 등을 이용하여 실질적인 데이터를 전달하며 장치 간 신호를 주고받는 규칙을 정하는 계층입니다. 다른 말로는 네트워크 접근 계층이라고 부르기도 합니다.

링크 계층을 물리계층과 데이터 링크 계층으로 나누기도 하는데 물리계층은 무선 LAN과 유선 LAN을 통해 0과 1 로이루어진 데이터를 보내는 계층을 말하며, 데이터 링크 계층은 '이더넷 프레임'을 통해 에러 확인, 흐름제어, 접근제어를 당당하는 계층을 말합니다.

유선 LAN을 이루는 이더넷은 IEEE802.3이라는 프로토콜을 따르며, 양쪽의 장치가 동시에 송수신할 수 있는 방식인 전이중화(full duplex) 통신을 사용합니다. 전이중화 방식은 송신로와 수신로를 나누어 같은 시간에 데이터를 주고받을 수 있습니다. 현대의 고속 이더넷은 전이중화 방식을 기반으로 통신하고 있습니다.

유선 LAN은 과거 CDMA/CD 방식을 사용했었다. 이 방식은 데이터를 보낸 후 충돌이 발생할 시 일정시간 이후에 재전송하는 방식을 말합니다. 전이중화 방식과는 다르게 한경로를 송신과 수신을 함께 보내는 방식이어서 데이터 충돌에 대비해야 했습니다.

광섬유 케이블

광섬유 케이블은 말 그대로 광섬유를 사용하여 만든 케이블을 말합니다. 빛을 이용하여 통신하기 때문에 과거에 사용했던 동축 케이블이나 구리선과는 비교할 수 없을 만큼의 장거리 통신이나 고속의 통신이 가능합니다. 보통 100 Gbps 속도를 내며, 밑의 그림에서 처럼 광섬유 내에서 빛이 반사하면서 반대편 끝까지 가는 원리입니다. 굴절률이 높은 부분을 코어, 낮은 부분을 클래딩이라고 합니다.