[네트워크] 인터넷 프로토콜 계층

 

서론

시스템이 계층 구조를 가질 때, 그 계층이 제공하는 서비스의 구현을 변경하는 것은 매우 쉽고, 한 계층이 상위 계층에 같은 서비스를 제공하고 하위 계층의 서비스를 이용하는 한, 어떤 한 계층의 구현이 변하더라도 시스템의 나머지 부분은 변하지 않습니다. 

인터넷에서는 다양한 계층의 프로토콜을 모두 합하여 프로토콜 스택(protocol stack)이라고 합니다. 아래의 이미지와 같이 인터넷 프로토콜 스택은 크게 5개 계층과 7개 계층으로 구성되는데, 7 계층인 OSI 참조 모델은 ISO(국제표준화기구)가 데이터 통신의 규격과 프로토콜을 통일하기 위해 만들었습니다. 사실상 이 시도는 실패했기에, 현재 세계에서 표준으로 받아들여지는 것은 5개 계층이며 그렇기에 이 5 계층에 대해서만 정리해 보겠습니다.

(좌) 인터넷 프로토콜 스택, (우) OSI 참조 모델

 

애플리케이션 계층

애플리케이션 계층은 네트워크 애플리케이션과 애플리케이션 계층 프로토콜이 있는 곳입니다. 인터넷의 애플리케이션 계층은 아래와 같이 많은 프로토콜을 포함합니다.

• HTTP(웹 문서 요청과 전송을 위해 제공)
• SMTP(전자메일 전송을 제공)
• FTP(두 종단 시스템 간의 파일 전송 제공)

www.dkswnkk.tistory.com 과 같은 이름을 32비트 네트워크 주소로 변환하는 네트워크 기능을 볼 것이고, 이것은 애플리케이션 계층에서 도메인 네임 서버(domain name server, DNS)가 돕습니다.    

 애플리케이션 계층 프로토콜은 여러 종단 시스템에 분산되어 있어서, 한 종단 시스템에 있는 애플리케이션이 다른 종단 시스템에 있는 애플리케이션과 정보 패킷을 교환하는 데 이 프로토콜을 사용합니다.

애플리케이션 계층에서의 이 정보 패킷을 메시지(message)라고 부릅니다.

 

트랜스포트 계층

인터넷의 트랜스포트 계층은 클라이언트와 서버 간에 애플리케이션 계층 메시지를 전송하는 서비스를 제공합니다. 인터넷에는 두 가지 즉, TCP와 UDP라는 트랜스포트 프로토콜이 있으며, 이들은 애플리케이션 계층 메시지를 전달합니다.

• TCP는 애플리케이션에게 연결지향형 서비스를 제공합니다. 이 서비스는 목적지로의 애플리케이션 계층 메시지 전달 보장과 흐름 제어(송신자/수신자의 속도 일치)를 포함합니다. 또한 TCP는 긴 메시지를 짧은 메시지로 나누고 혼잡 제어 기능을 제공하여, 네트워크가 혼잡할 때 출발지의 전송 속도를 줄이도록 합니다.
• UDP프로토콜은 애플리케이션에 비 연결형 서비스를 제공합니다. 이 서비스는 신뢰성, 흐름 제어, 혼잡 제어를 제공하지 않는 아주 간단한 서비스입니다.

우리는 이러한 트랜스포트 계층 패킷을 세그먼트(segment)라고 합니다.

 

네트워크 계층

인터넷의 네트워크 계층은 한 호스트에서 다른 호스트로 데이터그램(datagram)을 라우팅하는 책임을 가집니다. 메일 서비스를 이용하기 위해 목적지 주소가 적힌 편지를 전달하는 것처럼, 출발지 호스트에서 인터넷 트랜스포트 계층 프로토콜(TCP 또는 UDP)은 트랜스포트 계층 세그먼트와 목적지 주소를 네트워크 계층으로 전달합니다. 그다음에 네트워크 계층은 목적지 호스트의 트랜스포트 계층으로 세그먼트를 운반하는 서비스를 제공합니다.

 인터넷의 네트워크 계층은 아래의 두 가지 주요 요소를 갖습니다.

• IP 프로토콜: IP 데이터그램의 필드를 정의하며 종단 시스템과 라우터가 이 필드에 어떻게 동작하는지를 정의한다.
• 라우팅 프로토콜: 출발지와 목적지 사이에서 데이터그램이 이동하는 경로를 결정한다.

비록 네트워크 계층이 IP 프로토콜과 여러 라우팅 프로토콜을 모두 갖고 있지만, IP가 인터넷을 함께 묶는 역할을 한다는 사실을 반영하여 흔히 IP 계층으로 불립니다.

 

링크 계층

인터넷의 네트워크 계층은 출발지와 목적지 간 일련의 패킷 스위치(라우터)를 통해 데이터그램을 라우트 합니다. 경로상의 한 노드(호스트 혹은 패킷 스위치)에서 다른 노드로 패킷을 이동하기 위해, 네트워크 계층은 링크 계층 서비스에 의존해야 합니다. 특히 각 노드에서 네트워크 계층은 데이터그램을 아래 링크 계층으로 보내고, 링크 계층은 그 데이터그램을 경로상의 다음 노드에 전달합니다. 다음 노드에서 링크 계층은 그 데이터그램을 상위 네트워크 계층으로 보냅니다.

 링크 계층에서 제공하는 서비스는 그 링크에서 채용된 특정 링크 계층 프로토콜에 의해 결정됩니다. 예를 들어, 어떤 프로토콜은 한 링크 기반, 즉 송신 노드로부터 하나의 링크를 통해 반대편에 있는 수신 노드까지 신뢰적 전송을 제공합니다. 이 신뢰적인 전달 서비스는 종단 시스템 간에 전달 서비스를 제공하는 TCP의 신뢰적 전달 서비스와 다름을 주의해야 합니다. 링크 계층 프로토콜의 예로는 이더넷, 와이파이 그리고 케이블 접속 네트워크의 DOCSIS 프로토콜을 들 수 있습니다. 데이터그램이 출발지에서 목적지로 가는 데 여러 링크를 거치므로, 데이터그램은 하나의 링크에선 이더넷에 의해 다루어지고 다음 링크에서는 PPP에 의해 다루어질 수 있습니다. 네트워크 계층은 서로 다른 링크 계층 프로토콜로부터 다른 서비스를 제공받을 것입니다.

링크 계층 패킷은 프레임(frame)이라고 합니다.

 

물리 계층

링크 계층의 기능이 전체 프레임을 한 네트워크 요소에서 이웃 네트워크 요소로 이동하는 것이라면, 물리 계층의 기능은 프레임 내부의 각 비트를 한 노드에서 다음 노드로 이동하는 것입니다. 이 계층의 프로토콜들은 링크에 의존하고 더 나아가 링크의 실제 전송 매체(예: 광케이블, 동축케이블)에 의존합니다. 예를 들어, 이더넷은 여러 가지 물리 계층 프로토콜을 갖고 있습니다(광케이블 프로토콜, 동축케이블 프로토콜 등) 각각의 경우에 비트는 다른 방식으로 링크 반대편으로 이동됩니다.

 

마무리

프로토콜 계층의 큰 틀에 대해서 정리를 해 보았습니다. 각 계층마다의 특성은 내용이 매우 깊기 때문에 따로 게시글로 정리를 할 예정이며 업데이트될 때마다 수시로 현재 게시글에 업데이트하도록 하겠습니다.