[Network] TCP/IP 프로토콜 스택 (근데 이제 OSI 7계층을 곁들인)

📌 Introduction 

 

네트워크, 즉 인터넷으로 이루어지는 모든 통신은 정보를 담은 '패킷'을 교환을 통해 이루어진다. 

이 패킷은 노트북이나 라우터와 같은 물리적인 장치에서 또 다른 장치로 이동하는데, 공기 중에 떠다닐 수 있는 전기 신호로 변환되기 때문에 가능한 일이다. 

 

장치끼리 통신할 때 사용하기로 한 표준 '프로토콜' (규약) 이라는 것이 존재한다.

인터넷이 21세기만큼 보편화 되어 있지 않던 1900년대에는 규약이 따로 없었던 때도 있었지만, 갈수록 전달되는 payload (내용) 이 커짐으로써 정보 통신의 단위와 단계를 치밀하게 설계하여 효율성 증진의 필요성이 커졌다. 

이에 따라 등장한 것이 네트워킹 과정을 표준화한 TCP/IP 프로토콜 스택이다. 

 

 

✨  TCP 와 IP, 그리고 TCP/IP 프로토콜 스택이란 ?

TCP 와 IP 의 정의와 특징을 간략히 살펴보면 각각 다음과 같다.

 

TCP(Transmission Control Protocol):

- Transport Layer 간의 통신을 가능하게 해주는 규약 

 

IP(Internet Protocol):

- Network Layer 간의 통신을 가능하게 해주는 규약 

 

보이다시피 TCP, IP 는 각각 별도의 계층에서 동작하는 프로토콜이지만, 대체로 늘상 함께 사용하고 있기 때문에 이 둘을 합쳐 'TCP/IP 프로토콜 스택' (묶음) 이라고 부르기도 한다. 현대 대부분의 네트워크는 TCP/IP 프로토콜 스택으로 이루어져 있다고 봐도 무방하다. 

 

그림에 나와 있는대로, TCP/IP 프로토콜 스택은 4개의 Layer 로 구성되어 있으며, 각 Layer 별 다양한 프로토콜로 구성되어 있다. 

 

📌 TCP/IP Layers

- Application Layer

- Transport Layer

- Network Layer 

- Physical Layer

 

 

 

그렇다면 대체 TCP/IP 프로토콜 스택의 각 Layer 는 무엇이며, 안에서 작동하는 프로토콜의 역할은 또 무엇일까? 

하나하나씩 구체적으로 파고들어가 보자. 

 

 

✨  TCP/IP 모델의 Layers ( & OSI-7) 

 

TCP/IP 프로토콜 스택의 Layer(계층)을 단독으로 설명하기에는 한계가 있다. 통신의 복잡한 과정을 돕기 위해 대부분의 개발자 혹은 네트워크 엔지니어들은 TCP/IP 모델에 기반한 OSI-7 모델을 활용하여 통신 과정을 이해하고 있기 때문이다. 

 

 

📌 OSI - 7 모델이란? 

- 네트워크(사용자, 데이터가 다른 곳으로 이동할 수 있게 만드는 통로) 의 표준 모델이다.

- Open System Interconnection 의 약자로, 개방형 시스템 상호연결을 뜻한다.

- OSI - 7 의 7 은 7개의 계층을 의미하며, 네트워크의 통신 과정을 7 단계 (layer) 로 나눈 것이다. 

 

이 글에서는 TCP/IP 모델의 Application Layer -> Physical Layer 순으로 설명을 하되, 각 Layer 가 OSI-7 계층의 어떤 부분을 포함하는지도 세부적으로 다룬다. 

 

 

📌  Application Layer (OSI -7: Application, Presentation, Session Layer)

 

 

앞서 언급했지만, 네트워크를 통해 데이터를 넘기고자 할 때, 상위 계층 (Application Layer) 에서 하위 계층 (Physical Layer) 순으로, 단계별로 전달이 이루어진다. 그렇다면 반대로 네트워크를 통해 데이터를 받을 때는? 당연히 하위 계층에서 상위 계층 순으로 단계별로 데이터를 읽어들인다. 

 

Application Layer 는 용어에서 짐작할 수 있듯, 사용자가 직접 눈으로 보고 실제 작업을 할 수 있도록 돕는 계층이며, 네트워크에서 기본적으로 다루는 Http, ftp, smtp 등의 응용 프로그램/프로토콜을 활용한다. 

- HTTP/S : 웹 브라우징에 활용되는 프로토콜

- FTP: File Transfer (파일 전달)에 활용되는 프로토콜

- SMTP: 이메일 발송에 활용되는 프로토콜

 

Application Layer 는 말 그대로 컴퓨터에 설치된 프로그램들, 그 중에서도 인터넷을 사용하는 프로그램들에서 활용된다. (크롬, 스카이프, 아웃룩 등) 즉, 프로그램이 어떤 프로토콜을 실행할지 구상하고 실제로 실행해주는 단계이다. 

 

OSI-7 모델에서는 Application Layer 와 데이터의 형식을 정의하고 데이터를 변환, 압축, 암호화하는 Presentation Layer 를 분리한다. 

하지만 전부 통합된 TCP/IP 프로토콜에서는 이 두 작업을 괄목하여, "데이터를 잘 전달하기 위해 전달 방법을 결정하고, 데이터를 하나의 통일된 방법으로 정제하는 과정"이라고 보면 된다.

 

데이터 변환 : 컴퓨터가 이해하지 못하는 자연어를 이진법으로 부호화하는 작업
데이터 압축 : 데이터의 용량을 줄이기 위해 불필요한 비트와 바이트를 축소하는 방법
데이터 암호화 : 민감한 정보가 바로 노출되지 않도록 암호화하는 작업 (데이터를 받는 쪽에서 복호화 하게 됨) 

 

데이터가 생성되면, 데이터를 실제로 전송하는 TCP/UDP 세션이 생성된다. (OSI-7 모델에서는 이 작업을 Session Layer 가 담당한다.) 이 단계가 중요한 이유는, "세션" 이라고 부르는 것이 생성되어야 장치 간 연결이 성립이 되거나 안정적으로 유지되기 때문이다. 

 

 

❗세션은 생성되기 이전, '인증'과 '권한 확인' 과정을 거치게 된다. 서버에 접근하여, 해당 세션이 생성될 수 있는 것인지를 먼저 확인받고 (인증), 확인이 되었다면 실제로 데이터를 전송할 수 있는 (혹은 전달받을 수 있는) 권한이 있는지도 확인한다. 

 

❗Application Layer 에서 중요한 것은, 이 모든 작업이 다 웹 브라우저나 애플리케이션에서 이루어진다는 점이다. 

 

 

 

📌  Transport Layer (OSI -7: Transport Layer)

 

 

Transport Layer는 데이터를 받아야 할 상대를 정확히 찾아주는 역할을 하며, 실제로 잘 도달하는지 확인한다. 이 모든 과정을 요약하면 "통신의 신뢰성을 보장하는 역할"이라고도 할 수 있다. 

 

Transport Layer 가 이와 같은 역할을 수행하는 방법은

1) Segmentation

2) Error Control

3) Flow Control

이 세 가지로 나뉜다. 

 

Segmentation:

앞서 네트워크는 패킷을 통해 전달된다고 언급했었다. 패킷은 모든 데이터를 한 번에 담아 전송되지 않으며, 작은 단위로 쪼개어 전송된다. Segmentation 과정은 Application Layer 로부터 전달받은 데이터를 작은 단위(Segment)로 나누는 작업이다. 이 때, 각 Segment 에 소스(발신자)와 목적지의 포트 번호, 데이터의 시퀀스 번호, Checksum 을 담는다. 

 

Segment 에 포트 번호가 담기는 이유는 단순하다. 컴퓨터에서 실행되는 프로그램, 즉 프로세스마다 다른 포트 번호에서 실행되는데, 올바른 프로그램을 찾아가기 위해서는 목적지 포트를 알고 있어야 하기 때문이다. 

 

Segment 에 데이터의 시퀀스 번호가 담기는 이유는 패킷이 전달되는 순서와 도달하는 순서가 다를 수 있기 때문이다. 순서 변동에 따라 데이터 내용이 달라질 수 있게 되는데, 이 문제를 바로잡아 주는 것 역시 Transport Layer 와 시퀀스 번호의 역할이다. 

 

Error Control: 

수신자가 패킷 조각을 합쳐 하나의 데이터로 구성할 때, 유실되었거나 데이터가 손상된 패킷이 생길 수 있다. 이를 확인할 수 있도록 해주는 것이 바로 Segment 의 Checksum 이다. 수신자는 Checksum 을 활용해 데이터가 유실되거나 망가졌는지 확인하여, 만약 그렇다면 해당 부분을 다시 보내주도록 요청한다. 

 

Flow Control:

말 그대로 데이터가 전송되는 양을 컨트롤하는 작업이다. 컴퓨터, 모바일 등 각 장치별 데이터를 프로세싱하는 속도가 다를 수 있다. 어떤 장치는 하나의 파일을 다운받는데 10Mbps 의 속도를, 어떤 장치는 100Mbps 의 속도를 갖게 된다. 이 때, 서로 데이터를 전송하는 속도를 중간에서 조절하지 않는다면 장치가 감당할 수 있는 것 이상의 데이터가 들어와 오류가 발생할 수 있다. 따라서 Transport Layer 에서 이러한 데이터 전송 속도를 조절하는 Flow Control 의 역할도 담당한다. 

 

 

Transport Layer 에서 사용되는 프로토콜은 UDP 와 TCP 이다. 이 둘의 차이점을 구체적으로 들여다보려면 정말 많지만, 간략히 요약하면 UDP 는 일방향 통신에 용이한 프로토콜이며, TCP 는 양방향 통신에 용이한 프로토콜이다. (feedback 유무 차이)

 

 

📌  Network Layer (OSI -7: Network Layer)

 

 

Network Layer 는 다른 네트워크에 위치한 컴퓨터간의 패킷 전송을 담당한다. 이 과정은 어떻게 이루어질까? 

 

우선, Network Layer 는 Transport Layer 에서 내려주는 데이터 Segment를 이어받는다. 그리고 각 Segment 에 발신지와 목적지의 IP 주소를 추가하여 패킷을 구성한다. 

 

❗IP 주소란? 

컴퓨터마다 갖는 고유한 주소값이 바로 IP 주소이며, "논리적인 주소" 로 불리기도 한다. IP 주소는 네트워크의 주소와 호스트의 주소로 구성되어 있다. (네트워크 주소와 호스트 주소가 구분되는 지점은 상황에 따라 다르다) 

 

패킷은 IP 주소를 찾아 패킷을 목적지까지 전달해주는 라우터를 통해 전달된다. 라우터는 여러 복잡한 알고리즘 (OSPF, BGP, IS-IS) 을 통해 최적의 경로를 먼저 찾으며, IP 주소의 앞부분에 해당하는 정확한 네트워크에 먼저 패킷을 전달하고, 이어서 IP 주소의 뒷부분에 해당하는 호스트 (컴퓨터)에 이어서 패킷을 전달한다. 

 

 

📌  Physical Layer (OSI -7: DataLink, Physical Layer)

 

 

컴퓨터 간 통신에 사용되는 모든 프로그램은 비트로 구성된다. 즉, 0과 1을 활용해 모든 데이터를 전송할 수 있게 된다. 이러한 0과 1의 조합은 전선을 통해 아날로그 신호로 변환돼 (encoding) 목적지에 도달하며, 목적지에서는 이 신호를 0과 1의 조합으로 해석한다 (decoding).

Physical Layer 는 전기 신호를 통해 두 대의 컴퓨터가 서로 신호를 주고 받을 수 있도록 한다. 

 

TCP/IP 프로토콜에는 Physical Layer 에 포함되어 있지만, OSI-7 모델에서는 Network Layer 와 Physical Layer 사이에 "Data Link Layer" 가 추가되어 있다. 이 계층의 역할은 Network Layer 에서 전달한 데이터를 전기 신호로 변환하는 것이다. 데이터 패킷에 데이터 출발지와 목적지의  MAC 주소 (물리적 주소)를 추가하며, 이 추가된 형태의 새로운 데이터를 프레임 (Frame) 이라고 부른다. 

 

❗MAC 주소란? 

Media Access Control 의 줄임말로, OSI 2계층 (Data Link Layer) 에서의 통신을 위한 식별자이다. 네트워크에 접속하는 모든 장비는 MAC 주소를 이용해 서로 통신하게 되기 때문에, 꼭 있어야 하는 주소이다. MAC 주소는 하드웨어에 고정된 주소이므로 네트워크 구성 요소마다 주소가 다르다. 간혹 제조사의 실수로 중복된 번호가 부여될 수 있으나 동일 네트워크에서만 중복되지 않으면 동작하는 데는 문제가 없다.

 

 

여기서도 앞서 언급된 Flow Control 이라는 작업이 수행되는데, 앞서 나왔던 정의와는 다르다. Physical Layer 에서의 Flow Control 이란, 데이터를 받게 될 상대가 현재 데이터를 받을 수 있는지 확인하는 작업이다. 만약 데이터를 받을 수 없는 상황이라면, 포즈 프레임 (Pause Frame) 을 수신하게 되며, 대기 상태에 놓인다. 

 

목적지에서의 Data Link Layer 는 전기 신호를 사람이 알아볼 수 있는 데이터 형태로 처리한다. 전기 신호로 데이터를 받아오면 내용이 해독이 되지 않은 상태이므로 목적지를 구분할 수 없기 때문에, 이를 확인하고 검증하는 절차를 수행해야 한다. 전기 신호를 해독 후 목적지 MAC 주소와 하드웨어의 MAC 주소가 일치하는지 확인하여 일치하지 않을 경우 버리고, 일치할 경우 메모리에 데이터를 적재한다.

 

 

✨  배운 점

• 책에서는 Physical Layer 가 Data link Layer 까지 포함된다고 하지만, 때에 따라 이 둘을 구분하여 다른 계층으로 보기도 한다. 
• 계층을 이해하는 것이 중요한 이유는, 데이터 encapsulation 과 decapsulation 은 계층별로 1:1 상응하기 때문이다. 통신 과정 중 특정 과정에 에러가 났을 때, 어느 계층인지 알 수 있다면 어떤 프로토콜이 잘못되었는지 잘 파악할 수 있다. 

 

 

✨ 참고자료

• IT 엔지니어를 위한 네트워크 입문 (길벗) 
• OSI Model (Part 1) - Application, Presentation, and Session Layer | TechTerms
• [Network] OSI 7 Layer란?
• [10분 테코톡] 🔮 히히의 OSI 7 Layer
• OSI Model (Part 2) - Transport layer and Network Layer | TechTerms