🧩 TCP/IP 4계층과 OSI 7계층의 차이

인터넷 프로토콜 스위트는 인터넷에서 컴퓨터들이 서로 정보를 주고받기 위해 사용되는 프로토콜의 집합이에요. 이를 TCP/IP 4계층 모델로 설명하거나, 좀 더 세분화한 OSI 7계층 모델로 설명하기도 합니다. 이 계층 모델은 네트워크에서 사용되는 통신 프로토콜들을 기능에 따라 구분한 구조로, 프로토콜의 역할과 네트워킹 범위에 따라 4개의 추상화 계층으로 구성되어 있습니다.

TCP/IP 계층과 달리 OSI 모델은

• 애플리케이션 계층을 세 개(응용, 표현, 세션 계층)로 나누고
• 링크 계층을 데이터 링크 계층과 물리 계층으로 세분화합니다.

또한, TCP/IP의 인터넷 계층은 OSI 모델에서 네트워크 계층이라고 부릅니다.
이러한 계층 구조는 한 계층이 변경되어도 다른 계층에 영향을 주지 않도록 설계되어 있어요.

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🖥️ 애플리케이션(application) 계층

• 애플리케이션 계층은 사용자에게 실제 서비스를 제공하는 계층으로,FTP, HTTP, SSH, SMTP, DNS 등 다양한 응용 프로토콜이 포함됩니다. 웹 서비스나 이메일 등 사람이 직접 사용하는 서비스가 이 계층을 통해 작동합니다.

• 용어 설명:
  • FTP(File Transfer Protocol) : 장치 간 파일을 전송하는 표준 통신 프로토콜
  • SSH(Secure Shell) : 보안되지 않은 네트워크에서 데이터를 안전하게 전송하기 위한 암호화 프로토콜
  • HTTP(HyperText Transfer Protocol) : 웹에서 데이터를 주고받는 기본 프로토콜
  • SMTP(Simple Mail Transfer Protocol) : 이메일 전송을 위한 인터넷 표준 통신 규약
  • DNS(Domain Name System) : 도메인 이름을 IP 주소로 변환해주는 시스템
    • 예를 들어 www.naver.com에 DNS  쿼리가 오면 [Root DNS]->[.com DNS]->[.naver DNS] -> [.www DNS] 과정을 거쳐 완벽한 주소를 찾아 IP 주소를 매핑함. 이를 통해 IP 주소가 바뀌어도 사용자들에게 똑같은 도메인 주소로 서비스할 수 있음. 예를 들어 www.naver.com의 IP  주소가 222.111.222.111에서 222.111.222.122로 바뀌었음에도 똑같은 www.naver.com이라는 주소로 서비스가 가능

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🚚 전송(transport) 계층

전송 계층은 송신자와 수신자를 연결하는 통신 서비스를 제공하며 연결 지향 데이터 스트림 지원, 신뢰성, 흐름 제어를 제공할 수 있으며 애플리케이션과 인터넷 계층 사이의 데이터가 전달될 때 중계 역할을 합니다. 대표적으로 TCP와 UDP가 있습니다.

• TCP(Transmission Control Protocol)
  • 연결지향 프로토콜로, 데이터의 순서를 보장하고 신뢰성 있는 통신을 제공합니다.
  • 가상회선 패킷 교환 방식을 사용해 각 패킷에 식별자를 부여하고, 모든 패킷이 도착하면 연결을 해제합니다.
• UDP(User Datagram Protocol)
  • 비연결형 프로토콜로, 순서나 수신 여부를 확인하지 않습니다.
  • 데이터그램 패킷 교환 방식을 사용해 각 패킷이 독립적으로 전송되며, 서로 다른 경로로 이동할 수 있어 순서가 뒤바뀔 수도 있습니다.

🔄 TCP 연결 성립 과정

TCP는 데이터를 신뢰성 있게 주고받기 위해 3단계 연결 절차(3-Way Handshake)를 거칩니다.

1. SYN 단계
   클라이언트가 서버에 연결 요청(SYN)을 보내며 자신의 ISN(초기 시퀀스 번호)을 전송합니다.
2. SYN+ACK 단계
   서버는 요청을 수락하며 자신의 ISN과 함께 클라이언트 ISN+1 값을 ACK로 보냅니다.
3. ACK 단계
   클라이언트는 서버의 ISN+1 값을 ACK로 응답하며 연결이 성립됩니다.

이렇게 신뢰성이 확보된 후 실제 데이터 전송이 시작됩니다.TCP는 이 과정을 통해 신뢰성 있는 연결을 제공하고,
반면 UDP는 이러한 과정이 없기 때문에 신뢰성이 낮지만 빠른 전송이 가능합니다.

• 용어 설명 :
  • SYN(Synchronization) : 연결 요청 플래그
  • ACK(Acknowledgement) : 응답 플래그
  • ISN(Initial Sequence Number) : 연결 시작 시 할당되는 32비트 시퀀스 번호

🔚 TCP 연결 해제 과정

TCP 연결을 종료할 때는 4단계 절차(4-Way Handshake)를 거칩니다.

1. 클라이언트가 FIN 플래그를 전송해 연결 종료를 요청합니다.
2. 서버는 ACK로 응답하고 CLOSE_WAIT 상태로 들어갑니다.
3. 서버는 일정 시간 후 FIN을 클라이언트로 전송합니다.
4. 클라이언트는 ACK를 보내고 TIME_WAIT 상태에서 대기한 후 연결이 완전히 종료됩니다.

• 용어 설명 :
  • TIME_WAIT : 소켓이 바로 닫히지 않고 일정 시간 유지되는 상태
    • 지연된 패킷이 도착할 가능성에 대비
    • 양쪽 장치가 완전히 닫혔는지 확인하기 위함
• 데이터 무결성(Data Integrity) : 데이터의 정확성과 일관성을 보장하는 개념

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🌍 인터넷(internet) 계층

인터넷 계층은 패킷을 목적지로 전송하는 역할을 합니다. IP, ARP, ICMP 등의 프로토콜이 이 계층에 속하며, 상대방의 IP 주소를 기반으로 데이터를 전달합니다. 이 계층은 비연결형(Stateless)으로 동작하며, 수신 여부를 보장하지 않습니다.

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🔌 링크 계층

링크 계층은 실제 물리적인 통신을 담당합니다. 전선, 광섬유, 무선 등을 통해 데이터를 전송하며, 장치 간 신호 송수신 규칙을 정의합니다.

OSI 모델에서는 이 계층을 물리 계층, 데이터 링크 계층으로 세분화합니다.

• 물리 계층 : 0과 1로 이루어진 비트를 유·무선 신호로 전송
• 데이터 링크 계층 : 이더넷 프레임을 통해 에러 검출, 흐름 제어, 접근 제어를 수행

🧵 유선 LAN(IEEE802.3)

유선 LAN은 이더넷(Ethernet) 프로토콜(IEEE802.3)을 사용하며, 전이중화 통신(Full Duplex) 방식을 채택합니다.

• 전이중화 통신 : 양쪽 장치가 동시에 송수신할 수 있는 방식을 말합니다. 이는 송신로와 수신로로 나눠서 데이터를 주고받으며 현대의 고속 이더넷은 이방식을 기반으로 통신하고 있습니다.
• CSMP/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) : 이전에는 유선 LAN에 '반이중화 통신' 중 하나인 CSMA/CD 방식을 썼습니다. 이 방식은 데이터를 보낸 이후 충돌이 발생한다면 일정 시간 이후 재전송하는 방식을 말합니다. 이는 수신로와 송신로를 각각 둔 것이 아니고 한 경로를 기반으로 데이터를 보내기 때문에 데이터를 보낼 때 충돌에 대해 대비해야 했기 때문입니다.

🛡️ 유선 LAN을 이루는 케이블

유선 LAN을 이루는 케이블로는 TP 케이블이라고 하는 트위스트 페어 케이블과 광섬유 케이블이 대표적입니다.

• 트위스트 페어 케이블(Twisted Pair Cable) : 여덟 개의 구리선을 두 개씩 꼬아 만든 케이블로, 실드 유무에 따라 UTP(비실드)와 STP(실드)로 나뉩니다. 우리가 흔히 사용하는 LAN 케이블은 UTP 케이블이며, 커넥터는 RJ-45를 사용합니다.
• 광섬유 케이블(Fiber Optic Cable) : 빛의 반사를 이용해 데이터를 전송하며, 초고속·장거리 통신이 가능합니다. 내부의 코어(Core)와 외부의 클래딩(Cladding)의 굴절률 차이를 이용해 신호를 전달합니다.

📶 무선 LAN(IEEE802.11)

무선 LAN 장치는 수신과 송신에 같은 채널을 사용하기 때문에 반이중화 통신을 사용합니다.

• 반이중화(half duplex)  통신: 양쪽 장치가 서로 통신할 수 있지만, 동시에는 통신할 수 없으며 한 번에 한 방향만 통신할 수 있는 방식을 말합니다. 일반적으로 장치가 신호를 수신하기 시작하면 응답하기 전에 전송이 완료될 때까지 기다려야 합니다. 또한, 둘 이상의 장치가 동시에 전송하면 충돌이 발생하여 메시지가 손실되거나 왜곡될 수 있기 때문에 충돌 방지 시스템이 필요합니다.
• CSMA/CA : CSMA/CA는 반이중화 통신 중 하나로 장치에서 데이터를 보내기 전에 일련의 과정을 기반으로 사전에 가능한 한 충돌을 방지하는 방식을 말합니다. CSMA/CA로 프레임을 보낼 때 다음과 같은 과정이 일어납니다. 참고로 이와 반대되는 전이중화 통신은 양방향 통신이 가능하므로 충돌 가능성이 없기 때문에 충돌을 감지하거나 방지하는 매커니즘이 필요하지 않습니다.
  1. 사용 중인 채널이 있다면 다른 채널을 감지하다 유후 상태인 채널을 발견합니다.
  2. 프레임 간 공간 시간인 IFS(InterFrame Space) 시간만큼 기다립니다. IFS는 프레임의 우선순위를 정의할 때도 사용됩니다. IFS가 낮으면 우선순위가 높습니다.
  3. 프레임을 보내기 전 결정된 랜덤 상수를 기반으로 결정된 시간만큼 기다린 뒤 프레임을 보냅니다. 프레임을 보낸 뒤 제대로 송신이 되었고 ACK 세그먼트를 받았다면 마칩니다. 그러나 받지 못했다면 결정된 시간+1을 하며 이 과정을 반복합니다. 반복하다가 정해진 결정 시간보다 더 커진다면 해당 프레임전송은 버립니다(abort).

📡 무선 LAN을 이루는 주파수

무선 LAN(WLAN, Wireless Local Area Network)은 무선 신호 전달 방식을 이용하여 2대 이상의 장치를 연결하는 기술입니다.

비유도 매체인 공기에 주파수를 쏘아 무선 통신망을 구축하는데, 주파수 대역은 2.4GHz 대역 또는 5GHz 대역 중 하나를 써서 구축합니다. 2.4GHz는 장애물에 강한 특성을 가지고 있지만 전자레인지, 무선 등 전파 간섭이 일어나는 경우가 많고 5GHz 대역은 사용할 수 있는 채널 수도 많고 동시에 사용할 수 있기 때문에 상대적으로 깨끗한 전파 환경을 구축할 수 있습니다. 그렇기 때문에 보통은 5GHz 대역을 사용하는 것이 좋습니다.

• 와이파이(wifi) : 전자기기들이 무선 LAN 신호에 연결할 수 있게 하는 기술로 이를 사용하려면 무선 접속 장치(AP, access Point)가 있어야 합니다. 흔히 이를 공유기라고 하며, 이를 통해 유선 LAN에 흐르는 신호를 무선 LAN 신호로 바꿔주어 신호가 닿는 범위 내에서 무선 인터넷을 사용할 수 있게 됩니다. 참고로 무선 LAN을 이용한 기술로는 지그비, 블루투스 등이 있습니다.
• BSS(Basic Service Set) : 기본 서비스 집합을 의미하며, 단순 공유기를 통해 네트워크에 접속하는 것이 아닌 동일 BSS 내에 있는 AP들과 장치들이 서로 통신이 가능한 구조를 말합니다. 근거리 무선 통신을 제공하고, 하나의 AP만을 기반으로 구축이 되어 있어 사용자가 한 곳에서 다른 곳으로 자유롭게 이동하며 네트워크에 접속하는 것을 불가능합니다.
• ESS(Extended Service Set) : 하나 이상의 연결된 BSS 그룹입니다. 장거리 무선 통신을 제공하며 BSS보다 더 많은 가용성과 이동성을 지원합니다. 즉 사용자가 한 장소에서 다른 장소로 이동하며 중단 없이 네트워크에 계속 연결할 수 있습니다.

📦 이더넷 프레임

이더넷 프레임은 데이터 링크 계층에서 데이터를 전달하기 위한 기본 단위입니다.

Preamble	프레임 시작 알림
SFD(Start Frame Delimiter)	MAC 주소 필드 시작 위치 표시
DMAC / SMAC	수신, 송신 MAC 주소
EtherType	상위 계층 프로토콜 구분 (IPv4, IPv6 등)
Payload	실제 데이터
CRC	에러 검출 비트

• 용어 설명:
  • • MAC 주소 : 컴퓨터나 노트북 등 각 장치에는 네트워크에 연결하기 위한 장치(LAN 카드)가 있는데, 이를 구별하기 위한 식별번호를 말한다. 6바이트(48비트)로 구성된다.

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🔄 계층 간 데이터 송수신 과정

데이터는 전송 과정에서 캡슐화(Encapsulation)와 비캡슐화(Decapsulation) 과정을 거칩니다.

 

• 캡슐화 과정
  상위 계층의 데이터를 하위 계층으로 전달할 때,
  각 계층의 헤더를 추가하여 새로운 데이터 단위로 변환합니다.
  • 애플리케이션 계층 → 메시지
  • 전송 계층 → 세그먼트/데이터그램
  • 인터넷 계층 → 패킷
  • 링크 계층 → 프레임
• 비캡슐화 과정
  수신 측에서는 반대로 각 계층의 헤더를 하나씩 제거하며,
  최종적으로 애플리케이션 계층의 데이터(메시지)를 복원합니다.

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1. TCP/IP 4계층에 대해 설명해보세요.

 

TCP/IP 4계층 모델은 네트워크에서 데이터를 어떻게 전달할지 역할과 범위에 따라 나눈 구조입니다. 애플리케이션 계층은 프로그램 간 통신을, 전송 계층은 데이터 전송의 신뢰성을, 인터넷 계층은 주소 지정과 경로 선택을, 링크 계층은 실제 물리적 전달을 담당합니다. 이렇게 4계층으로 나눠 각 단계에서 효율적이고 안정적인 통신이 가능하게 합니다.

 

2. 패킷 교환 방식인 가상회선 방식과 데이터그램 방식 차이점에 대해 말해보세요.

 

패킷 교환 방식에는 가상회선 방식과 데이터그램 방식이 있습니다. 가상회선 방식은 TCP처럼 연결을 먼저 설정하고, 각 패킷에 식별자를 부여해 순서와 신뢰성을 보장하며, 전송이 끝나면 연결을 해제합니다. 반면 데이터그램 방식은 UDP처럼 각 패킷이 독립적으로 전송되며 서로 다른 경로를 갈 수 있어 순서가 바뀌거나 손실될 수 있고, 신뢰성은 보장되지 않습니다.

 

3. OSI 7계층과 TCP/IP 4계층의 차이점을 설명해보세요.

 

OSI 7계층과 TCP/IP 4계층은 네트워크 통신 구조를 계층별로 나눈 모델이라는 점에서는 같지만, 목적과 구성에서 차이가 있습니다. OSI 모델은 총 7계층으로, 응용, 표현, 세션, 전송, 네트워크, 데이터링크, 물리 계층으로 나누어 각 계층의 역할을 명확히 구분한 설계적 모델입니다.반면 TCP/IP 모델은 실제 인터넷에서 쓰이는 4계층 구조로, 응용, 전송, 인터넷, 네트워크 인터페이스 계층으로 단순화되어 있으며, 표현과 세션 계층 기능은 응용 계층에 포함됩니다. 즉, OSI는 설계와 학습에, TCP/IP는 실제 구현과 인터넷 통신에 초점이 맞춰져 있다고 이해하면 됩니다.

 

4. 3-웨이 핸드쉐이크와 4-웨이 핸드쉐이크에 대해 설명해보세요.

 

TCP 연결은 3-웨이 핸드쉐이크로 성립하고, 4-웨이 핸드쉐이크로 종료됩니다. 3-웨이는 클라이언트가 SYN을 보내고, 서버가 SYN+ACK로 응답하며, 클라이언트가 ACK를 보내면 연결이 성립됩니다. 연결 종료는 클라이언트가 FIN을 보내고 서버가 ACK로 응답한 뒤, 서버가 FIN을 보내고 클라이언트가 ACK를 보내면 연결이 완전히 종료됩니다.

 

5. 계층 간 데이터 송수신 과정에 대해 설명해보세요.

 

데이터가 네트워크를 통해 전달될 때는 캡슐화와 비캡슐화 과정을 거칩니다. 캡슐화 과정에서는 송신 측에서 상위 계층의 데이터를 하위 계층으로 전달하면서 각 계층에 맞는 헤더를 추가합니다. 예를 들어, 애플리케이션 계층 데이터를 전송 계층에서 세그먼트로 만들고, 인터넷 계층에서 패킷으로, 데이터 링크 계층에서 프레임으로 변환합니다. 비캡슐화 과정에서는 수신 측에서 하위 계층부터 각 계층 헤더를 제거하며 데이터를 복원하고, 최종적으로 애플리케이션 계층의 원래 데이터가 도착하게 됩니다. 즉, 캡슐화는 포장, 비캡슐화는 포장 제거 과정으로 이해하면 쉽습니다.