[암기용요약/개인정리] 네트워크(OSI7계층~TCP/IP)

Content

1. OSI 7계층

2. TCP/IP의 개념

3. TCP와 UDP

4. TCP와 UDP의 헤더 분석

5. TCP 관련 질문 1,2,3

1. OSI 7계층

1. 물리 계층(Physical layer)

전기적 신호가 나가는 물리적인 장비

기본 네트워크 하드웨어 전송기술, 논리 데이터 구조를 기초로한 필수 계층.

전송단위 : 비트(Bit)

장비 : 케이블, 허브

2. 데이터 링크 계층(Data link layer)

물리적 주소(MAC address)를 지정하여 통신흐름을 관리한다.

점대점(Point to point : 네트워크 직연결)간의 신뢰있는 전송을 보장하기 위한 계층. CRC 기반의 오류 제어, 흐름 제어 담당

전송단위 : 프레임(Frame)

장비 : 이더넷

3. 네트워크 계층(Network layer)

IP주소,경로선택,라우팅을 정의하여 패킷을 전달한다.

라우팅 프로토콜(라우팅 테이블을 생성,유지,업데이트,전달 하는 프로토콜)을 사용해 최적의 경로를 선택한다.

전송단위 : 패킷(Packet/Datagram)

4. 전송 계층(Transport layer)

신호를 분산하고 다시 합치는 과정을 통해서 에러와 경로를 제어한다.

port번호, 전송방식(TCP/UDP)를 결정한다.

전송단위 : 세그먼트(Segment)

5. 세션 계층(Session layer)

통신하는 호스트간의 연결을 유지시킨다.

세션체결, 통신방식을 결정한다.

6. 표현 계층(Presentation layer)

전송하는 데이터의 표현방식을 결정한다.(예: 데이터변환,압축,암호화 등)

GIF,JPEG,ASCII 등

7. 응용 계층(Application layer)

유저와 가장 가까운 계층. 유저가 사용하는 네트워크 프로그램 정도로 생각할 수 있다.(예: 익스플로러,크롬 등)

FTP(20,21), Talnet(23), SMTP(25), DNS(53), HTTP(80)

2. TCP/IP의 개념

한마디로 인터넷 패킷통신의 규약.

(패킷통신이 무엇인지 한번에 이해할 수 있는 사이트👍 : https://brunch.co.kr/@wangho/6)

이 두조합을 통해 인터넷 데이터통신을 하는것을 묶어 TCP/IP라고 한다. 

3. TCP와 UDP

네트워크 계층 중, 4. 전송 계층에서 사용하는 프로토콜이다.

4. 전송 계층(Transport layer)

신호를 분산하고 다시 합치는 과정을 통해서 에러와 경로를 제어한다.

port번호, 전송방식(TCP/UDP)를 결정한다.

전송단위 : 세그먼트(Segment)

쉽게 생각하면,

TCP는 데이터를 a~z까지 전부 안정적으로 전송해야 하는 경우를 생각하면 되고(웹 HTTP통신, 이메일, 파일전송 등)

UDP는 데이터의 유실을 어느정도 OK하는(중간에 끊겨도 되는) 전화나 트위치 스트리밍을 생각하면 된다. (엘레베이터타면 전화가 가끔 끊겨서 들릴때 혹은 스트리밍 보다가 중간중간 끊길때가 있는데 이게 바로 데이터의 유실이라 생각하면 됨)

TCP(Transmission Control Protocol)

데이터를 메시지의 형태(세그먼트(Segment))로 보내기 위해 IP와 함께 사용하는 프로토콜.

TCP/IP 함께 사용.(TCP는 패킷을 추적 및 관리/IP는 데이터의 배달)

연결형 서비스 : 가상회선(Virtual Circuit : 데이터를 전송하기 전에 논리적 연결이 설정되는것) 방식을 사용.

세션 연결(연결) : 3-way handshaking

세션 종료(연결 해제) : 4-way handshaking

말그대로 서버와 연결을 하려면 의사소통(악수:handshake)을 3번 주고받는다고 외운다. Client > Server : TCP SYN Server > Client : TCP SYN ACK Client > Server : TCP ACK 똑똑. 안녕하세요!(SYN) 수현이 집에 있어요?(SYN_SENT) - 마블이구나!(ACK) 응. 수현이 집에 있어.(SYN flag) 들어올래?(SYN_RECEIVED) - 아 수현이 집에 있군요. 네! 들어갈게요.(ACK) - 그래. 덥겠다 어서 들어오렴.(ESTABLISHED) * SYN(Synchronization) * ACK(Acknowledgment) [STEP 1] A클라이언트는 B서버에 접속을 요청하는 SYN 패킷을 보낸다. 이때 A클라이언트는 SYN 을 보내고 SYN/ACK 응답을 기다리는SYN_SENT 상태가 되는 것이다. [STEP 2] B서버는 SYN요청을 받고 A클라이언트에게 요청을 수락한다는 ACK 와 SYN flag 가 설정된 패킷을 발송하고 A가 다시 ACK으로 응답하기를 기다린다. 이때 B서버는 SYN_RECEIVED 상태가 된다. [STEP 3] A클라이언트는 B서버에게 ACK을 보내고 이후로부터는 연결이 이루어지고 데이터가 오가게 되는것이다. 이때의 B서버 상태가 ESTABLISHED 이다.

말 그대로 연결을 해제하려면 서버와 의사소통(악수:handshake)을 4번 주고받는다고 외운다. 나 간다(FIN)(FIN_WAIT1) - 간다고? 오키(ACK) 기다려봐(CLOSE_WAIT). 너 뭐 놓고가는거 있나 보게.(FIN_WAIT2) - 다했다.(FIN) 잘가~(LAST_ACK) - 응.(TIME_WAIT) 잘있어. 나 갈게~(ACK) 아 재밌었다.(CLOSED) * FIN(Finish) * ACK(Acknowledgment) [STEP 1] 클라이언트가 연결을 종료하겠다는 FIN플래그를 전송한다. [STEP 2]  서버는 일단 확인메시지를 보내고 클라이언트는 자신의 통신이 끝날때까지 기다리는데 이 상태가 TIME_WAIT상태다. [STEP 3] 서버가 통신이 끝났으면 연결이 종료되었다고 클라이언트에게 FIN플래그를 전송한다. [STEP 4] 클라이언트는 확인했다는 메시지를 보낸다.

높은 신뢰성.

UDP보다 속도가 느리다.

전이중(Full-Duplex : 전송이 양방향으로 동시에 일어날 수 있음), 점대점(Point to Point : 2개의 종단점) 방식이다.

흐름제어(데이터 처리속도를 조절, 수신자의 버퍼 오버플로를 방지) 및 혼잡제어(혼잡붕괴현상을 막기위해 패킷수를 제어)를 제공한다.

연속성보다 신뢰성있는 전송이 중요할때 사용됨.

UDP(User Datagram Protocol)

데이터를 데이터그램(Datagram) 방식으로 처리하는 프로토콜.

비연결형 서비스 방식을 사용.(TCP같은 논리적연결X / 각각의 패킷은 독립적 / 데이터를 서로 다른 경로로 독립적으로 처리)

데이터를 주고받을때 신호절차(TCP의 3-way handshaking같은)를 걸치지 않는다.

신뢰성이 낮다.

TCP보다 빠르다.

신뢰성보다 연속성있는 전송이 중요할때 사용됨.

4. TCP와 UDP의 헤더 분석

TCP 헤더(클릭시 원본사이즈)

Source port (16 비트) : 출발지 포트 Destination port (16 비트) : 목적지 포트 Sequence number (32 비트) : TCP세그먼트의 순서번호.(바이트 단위로 구분되어 순서화) 0 또는 랜덤값 또는 최대값이 부여됨. 최대값 이후에는 다시 0부터 시작됨. Acknowledgment number (32 비트) : 확인응답번호. 수신하기를 기대하는 다음 바이트 번호(마지막 수신 성공번호+1). 상대방이 보낸 Segment를 잘 받았다는 것을 알려주기 위한 번호. Data offset (4 비트) : TCP 헤더 크기값이다. 따라서 최솟값은 20바이트, 최댓값은 60바이트. 데이터 오프셋이라는 명칭은 이것이 실제 데이터 상에서의 TCP 세그먼트의 시작 위치의 오프셋이기 때문에 붙여졌다. Reserved (3 비트) : 미래에 사용하기 위해 남겨둔 예비 필드이며 0으로 채워져야 한다. Flags (9 bits) (혹은 Control bits) : TCP회선 및 데이터 관리 제어 기능을 하는 플래그. NS (1 비트) – ECN-nonce 은폐 보호 CWR (1 비트) – 호스트가 (아래의)ECE 플래그가 포함된 TCP 세그먼트를 수신했으며 혼잡 제어 메커니즘에 의해 응답했음을 알리는 역할을 한다 ECE (1 비트) - SYN이 1일 경우 : TCP피어가 ECN(통신의 과부화)가 발생할수 있음을 알린다. - SYN이 0로 초기화 될 경우 : TCP발신자에게 네트워크 혼잡이 발생했음을 알린다. URG (1 비트) – Urgent pointer 필드의 값이 유효함을 나타낸다.(순서에 상관없이 먼저 송신됨) ACK (1 비트) – 확인응답번호(Acknowledgment number)값이 셋팅되었음을 알림. -1 : 확인번호 유효 -0 : 확인번호 미포함 PSH (1 비트) – 버퍼링된 데이타를 가능한한 빨리 상위 계층 응용프로그램에 즉시 전달할 것 RST (1 비트) – 강제 연결 초기화 용도. 연결확립(ESTABLISHED)된 회선에 강제 리셋 요청. SYN : TCP 연결설정 초기화를 위한 순서번호의 동기화. -연결요청 : SYN=1, ACK=0 (SYN 세그먼트) -연결허락 : SYN=1, ACK=1 (SYN+ACK 세그먼트) -연결설정 : ACK=1 (ACK 세그먼트) FIN (1 비트) – 연결해제,회선종결 용도. 송신기가 데이타 보내기를 끝마침. Window size (16 비트) :  흐름제어를 위해 사용. 송신자에게 자신의 수신 버퍼 여유용량 크기를 지속적으로 통보. Checksum (16 비트) : 헤더 및 데이터의 에러 확인을 위해 사용. 체크섬? -송신측에서 전송할 모든 데이터를 16 비트 워드 단위로 구분하고, -1의 보수를 취하고 그 합에 대한 결과를 전송하면, -수신측에서 같은 합를 해보아 오류를 검출하는 방식 Urgent pointer (16 비트) : URG 플래그가 설정된 경우, TCP 세그먼트에 포함된 긴급데이터의 마지막 바이트에 대한 일련번호 (뭔소린가 찾아보니, '해당 TCP 세그먼트의 순서번호 + Urgent point = 긴급데이터의 끝' 이라고함.) Options (가변 0–320 비트, 32의 배수) : TCP 연결 관리 기능을 확장시키는데 주로 사용되는 옵션 필드.

UDP 헤더(클릭시 원본사이즈)

Source port (16 비트) : 출발지 포트 Destination port (16 비트) : 목적지 포트 Length : UDP 헤더(8)를 포함한 패킷 전체접기의 길이를 바이트 단위로 표시 Checksum : 선택 항목. 체크섬 값이 0 이면 수신측은 체크섬 계산 안함

5. TCP 관련 질문 1,2,3

1. TCP의 연결 설정 과정(3단계)과 연결 종료 과정(4단계)이 단계가 차이나는 이유?

Client가 데이터 전송을 마쳤어도 Server는 아직 보낼 데이터가 남아있을수 있기 때문에 Server는 일단 FIN에 대한 ACK만 보내고, 데이터를 모두 전송한 후 자신도 FIN메시지를 보내기 때문이다.

2. 만약 Server에서 FIN 플래그를 전송하기 전에 전송한 패킷이 Routing 지연이나 패킷 유실로 인한 재전송 등으로 인해 FIN 패킷보다 늦게 도착하는 상황이 발생하면 어떻게 될까?

TIME_WAIT 동안(디폴트:240sec) 잉여 패킷을 기다린다.

Client는 Server로부터 FIN 플래그를 수신하더라도, TIME_WAIT으로 일정시간동안 세션을 남겨두고 잉여패킷을 기다리는 과정을 거친다.

3. 초기 Sequence Number인 ISN을 0부터 시작하지 않고 난수를 생성해서 설정하는 이유?

서버 측에서는 패킷의 SYN을 보고 패킷을 구분하게 되는데, 난수가 아닌 순차적인 Number을 사용하게 되면 이전의 커넥션으로부터 오는 패킷으로 인식할 수 있다. 이 문제를 줄이기 위해 ISN을 난수로 설정한다.

(포트(커넥션을 맺을때 사용)는 시간이 흐르면 재사용 되기에, 과거의 포트번호 쌍을 사용하게 될수도 있다.)

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<참고 사이트>

1. https://bearit.tistory.com/35?category=264525

2. https://github.com/WeareSoft/tech-interview#2-network

3. https://mindnet.tistory.com/entry/네트워크-쉽게-이해하기-22편-TCP-3-WayHandshake-4-WayHandshake

4. http://tech.kakao.com/2016/04/21/closewait-timewait/

5. http://www.ktword.co.kr/abbr_view.php?m_temp1=1889