TCP/IP 4계층 모델, 3웨이-핸드셰이크, 4웨이-핸드셰이크

2023-08-292024-03-09
network

TCP/IP 4계층 모델

장치들이 인터넷 상에서 데이터를 주고받을 때 쓰는 독립적인 프로토콜의 집합(4개)
- 프로토콜 : 절차를 포함한 통신규약
TCP = Transmission Control Protocol
IP = Internet Protocol
인터넷을 통해 데이터를 보낼 때 주로 TCP와 IP를 이용해서 보낸다.

계층 구조

애플리케이션 계층 (application)
- HTTP, SMTP, SSH, FTP가 대표적이다.
- 웹 서비스, 이메일 등 서비스를 실질적으로 사람들에게 제공하는 계층이다.
전송 계층(transport)
- TCP, UDP가 대표적이다.
- 애플리케이션 계층에서 받은 메세지를 기반으로 세그먼트 또는 데이터 그램으로 데이터를 쪼개고 데이터가 오류없이 순서대로 전달되도록 도움을 주는 계층이다.
인터넷 계층(network)
- IP, ICMP, ARP가 대표적이다.
- 한 노드에서 다른 노드로 전송 계층에서 받은 세그먼트 또는 데이터 그램을 패킷화하여 목적지로 전송하는 역할을 담당한다.
링크 계층(link)
- 전선, 광섬유, 무선 등으로 데이터가 네트워크를 통해 물리적으로 전송되는 방식을 정의한다.

캡슐화와 비캡슐화

캡슐화
- 송신자가 수신자에게 데이터를 보낼 때 데이터가 각 계층을 지나며 각 계층의 특징들이 담긴 헤더들이 붙여지는 과정을 의미한다.
- ex) 전송 계층 → TCP 헤더, 네트워크 계층 → IP 주소 헤더 추가
비캡슐화
- 캡슐화의 역과정
- 하위 계층에서 상위계층으로 가며 각 계층의 헤더 부분을 제거하는 과정
- 수신자 측에서는 이렇게 캡슐화된 데이터를 역순으로 제거하면서 응용계층까지 도달하는 것을 의미한다.

PDU

PDU(protocol data unit)란 TCP/IP 4계층을 기반으로 설명했을 때 각 계층의 데이터 단위를 의미한다.
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)
세그먼트 : 적절한 크기로 쪼갠 조각 (세그먼트와 데이터그램의 의미는 같다)
패킷 : 세그먼트에 SP와 DP가 포함된 IP 헤더가 붙은 형태의 조각
프레임 : MAC주소 헤더와 CRC/체크섬 트레일러가 붙은 조각

CRC/체크섬 트레일러

데이터의 오류감지를 위한 수학적 함수가 적용된 값들이 있는 필드
링크의 오류(과도한 트래픽 등) 로 인해 데이터 손상을 감지하는 역할을 한다.
이 과정에서 CRC와 체크섬 두 가지의 과정을 기반으로 데이터 전송오류 및 데이터무결성을 방지하게 된다.
CRC : CRC-1, CRC-16 등의 알고리즘으로 나온 값을 통해 데이터 전송오류감지를 수행
체크섬 : MD5, SHA-256 등의 알고리즘으로 나온 값을 통해 데이터 무결성을 방지

OSI 7 계층과 TCP/IP 4계층의 차이

TCP/IP 계층과 달리 OSI 계층은 애플리케이션 계층을 세 개로 쪼개고 링크 계층을 데이터 링크 계층, 물리 계층으로 나눠서 표현한다.
인터넷 계층을 네트워크 계층으로 부른다.

MTU, MSS, PMTUD

MTU(Maximum Transmission Unit)

네트워크에 연결된 장치가 받아들일 수 있는 최대 데이터 패킷의 크기
이 크기를 기준으로 데이터는 쪼개져서 패킷화 된다.
네트워크 경로 상에 있는 아무 장치나 MTU보다 패킷이 크면 그 패킷은 분할될 수 있다.
패킷이 분할되지 않는 경우
- 패킷을 분할 할 수 없어 네트워크 경로 상에 잇는 어떠한 라우터나 장치의 MTU를 초과할 때 분할해서 전달하는 것이 아니라 전달을 아예 하지 않을 수 도 있다.
- IPv6 → 분할을 허용하지 않는다.
- IPv4 → IPv4 헤더에는 flags라는 필드가 있는데 여기서 bit 가 1이 되면 “Dont’ Fragment” 플래그가 활성화 된다는 의미이다. 이 때 분할은 불가능 하다.

MTU와 MSS의 차이

MTU : IP헤더와 TCP헤더의 크기까지 합친다.
MSS(Maximum Segment Size) : 데이터의 크기(payload 크기)만을 가리킨다.
일반적으로 MTU는 1500byte, MSS는 1460byte 이다.
- 데이터를 보낼 때 MTU가 1500이라도 데이터는 보통 1460 이하의 크기로 보내야 전달이 된다.
- (TCP를 쓰지 않는 등의 이유로 달라질 수 도 있다.)

PMTUD(Path MTU Discovery)

수신자와 송신자의 경로 상에서 장치가 패킷을 누락한 경우 테스트 패킷의 크기를 낮추면서 MTU에 맞게끔 반복해서 보내는 과정

애플리케이션 계층

HTTP, SMTP, SSH, FTP가 대표적이다.
웹 서비스, 이메일 등 서비스를 실질적으로 사람들에게 제공하는 계층

HTTP

HTTP(Hypertext Transfer Protocol)은 처음에는 서버와 브라우저간에 데이터를 주고 받기 위해 설계된 프로토콜이었다.
현재는 브라우저 뿐만 아니라 서버와 서버간의 통신할 때도 많이 이용한다.
HTTP는 헤더를 통한 확장이 쉽다.
- ex) 헤더값에다가 어떠한 값을 넣어서 HTTP요청을 할 때 쉽게 다른 값을 추가할 수 있다.
HTTP는 stateless하다.
- 동일한 연결에서 연속적으로 수행되는 두 요청 사이에 연속적인 상태(state)값은 없다.
- 서버가 상태를 저장하지 않는 상태

SSH

SSH(Secure Shell Protocol)은 보안되지 않은 네트워크에서 네트워크 서비스를 안전하게 운영하기 위한 암호화 네트워크 프로토콜

FTP

FTP(File Transfer Protocol)는 노드와 노드 간의 파일을 전송하는데 사용되는 프로토콜
현재는 파일을 암호화해서 전송하는 FTPS 또는 SFTP로 대체되고 있다.

SMTP

SMTP(Simple Mail Transfer Protocol)는 인터넷을 통해 메일을 보낼 때 사용되는 프로토콜
보통 서비스를 운영하면 메일링 서비스를 하게 되는데 node.js를 통해 메일을 보낸다면 HTTP가 아닌 SMTP를 통해 보내야 한다.

전송 계층

TCP와 UDP가 대표적
애플리케이션 계층에서 받은 메세지를 기반으로 세그먼트 또는 데이터그램으로 데이터를 쪼개고 데이터가 오류 없이 순서대로 전달되도록 도움을 주는 계층

TCP

가상회선 패킷 교환방식을 사용한다.
오류검사 매커니즘이 다양하다.
1. 재전송 보장 : 시간 초과 기간이 지나면 서버는 전달되지 않은 데이터에 대해 재전송을 시도
2. 체크섬 시도 : 체크섬을 통해 무결성을 평가한다. 즉, 송신된 데이터의 체크섬과 수신된 데이터의 체크섬 값을 비교해서 올바르게 왔는지를 확인한다.
헤더
- 20 ~ 60바이트로 가변적

UDP

데이터그램 패킷 교환방식을 사용한다.
- 그냥 보낸다.
- 순서가 보장되지 않는다.
오류 검사는 단순한 체크섬만 지원한다.
헤더
- 32비트(8바이트)로 고정길이

TCP와 UDP의 차이

	TCP(전송 제어 프로토콜)	UDP(데이터그램 프로토콜)
패킷 교환 방식	가상회선 패킷 교환방식	데이터그램 패킷 교환방식
신뢰성	O	X
오류검사	재전송, 체크섬	체크섬
패킷의 순서보장	O	X
헤더 길이	20~60 바이트 가변 길이	8바이트 고정 길이
연결 보장	연결을 보장한다. 3웨이-핸드셰이크로 연결을 맺고 4웨이-핸드셰이크로 연결을 해제하는 작업이 필요	연결을 보장하지 않는다. 데이터를 그냥 보낸다. 연결을 유지하고 해제하는데 드는 비용이 없다.
브로드 캐스트 지원	X	O
속도	느림	빠름

인터넷 계층

IP, ICMP, ARP가 대표적이며 한 노드에서 다른 노드로 전송 계층에서 받은 세그먼트 또는 데이터그램을 패킷화하여 전송한다.

ICMP

ICMP(Internet Control Message Protocol)는 노드와 노드 사이에서 통신이 잘 되나 확인할 때 쓰는 프로토콜이다.
이는 데이터를 교환하는데 사용되지 않는 프로토콜이다. (단순 확인)
일반적으로 테스팅에 사용된다. ex) ping test
IP와는 달리 TCP 또는 UDP와 같은 전송 계층 프로토콜과 연관되지 않는다.
- 독립적인 비연결형 프로토콜로 비연결형 프로토콜 기반으로 구축된다.

3웨이 핸드셰이크

SYN 단계 (synchronization 연결 요청 플래그)
- 클라이언트는 서버에 클라이언트의 ISN을 담아 SYN을 보낸다.
SYN + ACK 단계
- 서버는 클라이언트의 SYN을 수신하고 서버의 ISN을 보내며 승인 번호로 클라이언트의 ISN + 1을 보낸다.
ACK 단계 (acknowledgement 응답 플래그)
- 클라이언트는 서버의 ISN + 1 값인 승인번호를 담아 ACK를 서버에 보낸다.

ISN

여러 번 통신할 때마다 통신끼리 충돌되지 않게끔 하기 위해 부여하는 고유한 번호
TCP 기반 데이터 통신에서 각각의 새 연결에 할당 된 고유한 32 비트 시퀀스 번호를 나타낸다.
TCP 연결을 통해 전송되는 다른 데이터 바 이트와 충돌하지 않는 시퀀스 번호를 할당하는 데 도움이 된다.

클라이언트와 서버의 상태

TCP 연결 시
- 클라이언트는 closed, syn-sent, established가 된다.
- 서버는 closed, listen, syn_received, established 상태가 된다.

이러한 서버와 클라이언트 간의 연결 설정 과정이 있기 때문에 “TCP는 신뢰성이 있다”라고 한다.
- 이러한 과정이 없는 UDP는 신뢰성이 없다.

4웨이 핸드셰이크와 TIME_WAIT

먼저 클라이언트가 연결을 닫으려고 할 때 FIN으로 설정된 세그먼트를 보낸다. 그리고 클라이언트는 FIN_WAIT_1 상태로 들어가고 서버의 응답을 기다린다.
서버는 클라이언트로 ACK라는 승인 세그먼트를 보내고 CLOSE_WAIT 상태에 들어간다. 클라이언트가 세그먼트를 받으면 FIN_WAIT_2 상태에 들어간다.
서버는 LAST_ACK상태가 되며 일정 시간 이후에 클라이언트에 FIN이라는 세그먼트를 보낸다.
클라이언트는 TIME_WAIT 상태가 되고 다시 서버로 ACK를 보내서 서버는 CLOSED상태가 되며 이후 클라이언트는 어느 정도 시간(TIME_WAIT으로 설정된 시간)을 대기한 후 연결이 닫힌다.

TIME_WAIT의 필요성

지연 패킷을 받기 위함 → 데이터의 무결성을 지킨다. (일관성, 정확성)
- 기본적으로 MSL은 2분
소켓이 바로 소멸되지 않고 일정 시간 유지되는 상태를 의미
연결을 올바르게 닫았는지 보장하기 위함
- CLOSED가 아닌 LAST_ACK로 되어있으면 그 다음 연결 때 오류가 나타난다.