TCP/IP의 '패킷 교환 방식' 찍먹 하기

논리적인 것과 물리적인 것을 구분하고자 물리적인 것은 '하드웨어/물리'란 단어를 붙이고 논리적이면서 물리적인 것은 '네트워크'란 단어를 붙였습니다.

OSI 7계층과 TCP/IP 모델, 각 계층의 데이터 단위 와 식별자, 네트워크/하드웨어 장치들을 공부하여 데이터를 전송하는 방법을 설명해 보겠습니다.

 

들어가기에 앞서, '패킷', '세그먼트', '프레임' 와 같은 데이터 단위에 대해 모르신다면 널널한 개발자님의 '네트워크 데이터 단위 정리' 영상을 본 후에 글을 읽는 것을 권장합니다.

 

TCP/IP의 패킷 교환 방식

간단하게 말하면 데이터를 여러 개의 패킷으로 분할 하여 전송한 후, 수신하는 곳에서 패킷을 재조립하는 방식인 패킷 교환 방식으로 데이터를 전송합니다.

 

하지만, 네트워크는 이렇게 간단하지가 않습니다.

OSI 7계층과 TCP/IP 모델, 각 계층의 데이터 단위 와 식별자, 네트워크/하드웨어 장치들을 공부하여 데이터를 전송하는 방법을 설명해 보겠습니다.

 

글의 본론

송신처 기기는 IP 프로토콜에 따라 데이터(TCP의 Segment)에 IP헤더를 붙여 패킷을 생성합니다.

* IP헤더 : 송신처/수신처의 IP주소, TTL, 헤더 길이와 같은 IP 프로토콜의 제어 정보가 있습니다.

패킷

 

IP프로토콜은 수신처의 IP주소를 보고, 중계 장치인 라우터를 조사합니다.

그리고, 2계층 프로토콜(이더넷/와이파이)이 라우터에 있는 NIC의 MAC 주소를 IP헤더에 붙여 MAC헤더를 만듭니다.

프레임

 

이렇게 MAC헤더 + IP헤더 + 보낼 데이터가 합쳐진 데이터 단위를 프레임이라 합니다.

이 프레임은 NIC에 의해 0과 1의 디지털 신호로 바뀌고, 로컬 네트워크 내(LAN)에서 L2 스위치에 의해 라우터까지 이동하게 됩니다.

 

이제 라우터는 MAC헤더를 뗀 후에 IP헤더에서 IP수신처 주소를 확인하고, 다음 라우터를 찾습니다.

그리고, 다음 라우터의 NIC에 해당하는 MAC주소를 IP헤더에 붙여 다음 라우터에게 보냅니다.

이를 IP주소를 기반으로 데이터를 보내기 때문에 프레임 중계가 아닌 패킷을 중계한다고 말합니다.

 

그렇게 라우터에 의해 중계된 데이터는 수신측에서 받아 비캡슐화를 진행하고,

수신측의 TCP프로토콜이 받은 패킷의 Sequence Number 와 Window size 를 송신측에게 보내서 잘 수신했다는 것을 알려줍니다.(ACK 과정)

 

송신측은 수신측에서 이 ACK를 받기 전까지 Wait 하게 되며 TCP 프로토콜은 신뢰성을 보장하게 됩니다.

그리고, 이러한 과정이 TCP 가 UDP 보다 느린 이유 중 하나입니다.

송신측은 Sequence Number 를 보고 수신측이 아 해당 Number 까지 데이터를 잘 받았구나~ 생각하고, 다음 데이터를 보냅니다.

그리고,  window size 를 보고 다음 Segment 를 보냈을 때 해당 Segement 사이즈가 window size 를 넘을 것 같으면 다시 Wait 하고, window size 보다 작다면 송신측은 다음 Segment를 보내게 됩니다.

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이 글의 이해를 돕기 위해 개념적인 내용을 덧붙입니다.

 

▶ window size ?

수신자가 한 번에 받을 수 있는 데이터의 최대 양입니다.

 

▶ 프로토콜 ?

컴퓨터 네트워크에서 데이터를 주고 받기 위해 정한 규칙으로 규칙을 지키지 않으면, 데이터가 원활히 통신되지 않습니다.

 

▶ TCP/IP ?

개념, 이론적인 OSI 7계층 대신 인터넷에서 실제 사용하고 있는 모델을 의미합니다.

출처 : Geeks for Geeks

 

 

▶ 캡슐화/비 캡슐화 ?

캡슐화는 네트워크에서 데이터가 전송될 때, 각 계층에서 해당 계층의 프로토콜 정보를 추가하는 과정을 의미합니다.

예를 들어, L3 의 IP프로토콜이 IP프로토콜의 제어정보가 담긴 IP헤더를 데이터 앞에 붙이는 것을 캡슐화라 합니다.

 

비캡슐화는 수신 측에서 캡슐화된 데이터를 원래의 데이터로 복원하는 과정입니다.

 

▶ NIC(Network Interface Card) ?

고유 MAC주소를 가지고 있어서 네트워크에서 고유한 장치를 식별하는데 사용하는 하드웨어입니다.

보통 노트북, 컴퓨터에는 1개의 NIC 가 내장되어 있기 때문에 한 와이파이에 여러 노트북을 연결하더라도 데이터의 혼선 없이 원하는 데이터를 받을 수 있다고 생각하면 이해하기 쉬울 것입니다.

 

그리고, 컴퓨터는 NIC를 통해 패킷을 회선이나 전파로 변환해 전송합니다.

NIC (Network Interface Card, 출처 : Wikipedia)

 

▶ 리피터 ?

네트워크에서 전기 신호를 증폭해서 더 먼 거리까지 신호를 전송하는 L1 의 물리 장치입니다.

Repeater (출처 : AWS)

 

▶ 브리지 ?

여러 LAN을 더 큰 LAN에 연결하는데 사용되는 L2 계층에서 작동하는 네트워크 기기로 과거에는 아래 사진처럼 물리 장치이기도 하였지만, 현대에는 스위치가 브리지의 역할도 함께 할뿐만 아니라 가상화 환경에서는 브리지의 기능을 소프트웨어적으로 구현하기도 합니다.

 

또한, 브리지는 MAC 주소 테이블을 통해 단말의 포트간 프레임을 전송하고, 이를 브리징이라 부릅니다.

출처 : Network Plus

 

▶ 스위치(L2 스위치) ?

프레임을 MAC주소를 기반으로 스위칭(전달)하는 네트워크 기기입니다.

스위치는 L2 Access 스위치 와 L2 Distribution 스위치로 구분할 수 있습니다.

 

L2 Access 스위치

• 여러 개의 PC를 위한 스위치
• PC같은 EndPoint 들이 네트워크에서 처음 만날 때 접하는 스위치를 L2 Access 스위치라 부름
• 건물로 치면 한 층의 여러 개의 방 중 방 1개

L2 Distribution 스위치

• L2 Access 스위치를 위한 스위치로 L2 Access 스위치와 다른 L2 Access 스위치를 연결할 수 있다.
• L2 Distributin 스위치가 모이는 곳이 라우터
• 건물로 치면 여러 방들이 있는 1개의 층

L2 Access/Distribution 스위치, 라우터 도식화 (출처 : CloudFlare)

 

▶ 라우터 ?

주요 기능은 다양한 네트워크를 연결해서 네트워크 간의 데이터를 IP주소를 기반으로 라우팅(길을 알려주고 전달)하는 네트워크 기기입니다.

라우터는 스위치로부터 L2 계층 데이터 단위인 프레임을 수신한 다음, MAC헤더를 떼서 패킷으로 만든 다음, IP헤더를 보고 다음 라우팅할 대상을 결정한 다음 다시, MAC헤더를 붙여 다음 라우터에게 프레임을 전달합니다.

 

라우터의 구성 요소는 간략하게 중계 부분과 포트 부분으로 구성될 수 있다고 말할 수 있습니다.

중계 부분

• 포트 부분의 하드웨어에 의뢰해서 패킷의 중계 대상을 판단합니다.

포트 부분

• 패킷을 송/수신합니다.
• 포트 부분이 이더넷이라면 이더넷 규칙에 따라 동작, 무선LAN이라면 무선 LAN의 규칙대로 동작합니다.

 

▶ L3 스위치 ?

동일한 네트워크에서 다양한 기기를 동시에 연결하는 네트워크 기기입니다.

L3 스위치는 라우팅 기능 + 스위칭 기능을 제공합니다.

그래서, L2 Distribution 스위치 대신 L3 스위치로 대체할 순 있지만, L3 스위치를 L2 Distribution 스위치로 대체할 순 없습니다.

 

▶ 라우터 vs L3 스위치 ?

라우터는 다양한 네트워크를 연결하는데 집중하는 것이고, L3 스위치는 동일한 네트워크의 기기를 연결하는데 집중한 것입니다.

그래서, L3 스위치는 LAN과 VLAN에서 라우터보다 높은 데이터 처리량과 높은 스위칭 용량을 제공하는 반면, 다양한 네트워크를 연결하는데 있으면 좋은 라우터의 고급기능인 NAT, 방화벽 기능, WAN 기술 지원이 없습니다.

출처 :  https://www.geeksforgeeks.org/difference-between-router-and-layer-3-switch/

 

▶ L7 스위치 ?

Application 계층에서 스위칭 기능을 제공하는 네트워크 기기입니다.

주로, 로드 밸런싱을 통해 수 많은 트래픽을 서버들로 분산해주고, 서버가 가용 상태인지 확인하는 헬스 체크를 해줍니다.

 

▶ LAN vs WAN ?

공통점은 여러 기기(디바이스)들을 연결한다는 것이지만

차이점은 다음과 같습니다.

• WAN은 여러 LAN이 연결되어 구성될 수 있습니다.
• LAN에 있는기기들은 NIC에 의해 MAC주소로 구분이 가능하다는 점에서 L1, L2 에 해당하는 physical 계층으로 구분
• WAN은 여러 LAN들을 IP주소로 구분한다는 점에서 L3 에 해당하는 Logical 계층으로 구분할 수 있습니다.

출처 : 널널한 개발자님의 LAN vs WAN , AWS 의 LAN vs WAN

 

▶ 컴퓨터 네트워크 ?

여러 대의 컴퓨터/기기 들이 서로 연결되어 데이터를 주고 받는 시스템으로 유선 네트워크와 무선 네트워크가 있습니다.

이 때, '서로 연결되어 데이터를 주고 받는 시스템' 의 적절한 예시가 바로 인터넷입니다.

 

▶ 인터넷 ?

전세계의 컴퓨터를 연결해서 데이터를 주고 받을 수 있는 인프라로 TCP/IP 모델로 동작합니다.

그리고, 인터넷이 데이터를 주고 받는 방법이 '웹의 브라우저', 'SMTP 기반의 메일' 등등 있는 것입니다.

 

▶ 웹(WWW) ?

HyperText 문서를 제공/조회 하는 서비스로 HTTP 기반으로 동작합니다.

 

즉, '컴퓨터 네트워크 ⊃ 인터넷 ⊃ 웹' 입니다.

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참고자료

- 널널한 개발자님의 TCP 송/수신 원리 및 네트워크 영상

- 성공과 실패를 결정짓는 1% 네트워크 원리