[네트워크] TCP/IP 5계층과 캡슐화

1. TCP/IP 5계층

1) 프로토콜 계층화

패킷이 출발지 호스트에서 목적지 호스트로 수송되는 과정의 구조를 알아보겠습니다.

 

TCP/IP 5계층

 

위의 그림은 네트워크 프로토콜을 계층으로 구분한 것 입니다.

위에서부터 순서대로 표현하면 다음과 같습니다.

• 5계층: 응용 계층
• 4계층: 전송 계층
• 3계층: 네트워크 계층
• 2계층: 데이터 링크 계층
• 1계층: 물리 계층

상위 계층은 하위 계층의 기능을 있는 그대로 사용하면서 필요한 기능(오류 검출, 신뢰성)을 추가해서 더 나은 서비스를 제공합니다.

예시를 들어보겠습니다.

3계층(IP)는 목적지 주소를 보고 패킷을 최대한 빠르게 보내지만 패킷이 중간에 손실되거나, 순서가 뒤바뀔 위험이 있습니다.

4계층(TCP)에서는 IP를 그대로 사용하되 순서가 바뀌면 정렬하고 손실되면 다시 요청하는 등의 기능을 추가해서 신뢰성 있는 전송을 만들어냅니다.

이러한 계층화 구조의 장점은 다른 요소에 영향을 주지 않고 서비스 구현을 변화시킬수 있다는 것 입니다.

여담으로 TCP/IP 계층을 검색하면 4계층과 5계층이 나오는데 기존 TCP/IP 4계층에서 5계층으로 업데이트 되었다고 합니다.
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2) 각 계층 개요

앞으로 컴퓨터 네트워크를 공부하며 각 계층구조에 대해 깊게 알아볼 예정입니다.

오늘은 그 전에 간단하게 각 계층들이 어떤 역할을 하는지 알아보려고 합니다.

 

5계층: 응용(Application) 계층

• 역할
  • 사용자와 가장 가까운 계층으로, 종단 시스템(호스트) 내의 애플리케이션들 간 데이터 교환을 담당
  • 사용자가 직접 사용하는 웹, 이메일, 파일 전송 등이 해당
• 데이터 단위: 메시지 (Message)
• 예시 프로토콜:
  • HTTP – 웹 서비스
  • SMTP – 이메일 전송
  • FTP – 파일 전송
  • DNS – 도메인 이름 → IP 주소 변환

4계층: 전송(Transport) 계층

• 역할:
  • 애플리케이션 간 신뢰성 있는 데이터 전송을 보장
  • 데이터가 손실되지 않고, 순서대로 도착하도록 제어
  • 포트 번호를 이용해 애플리케이션 간 통신을 구분
• 데이터 단위:
  • TCP: 세그먼트 (Segment)
  • UDP: 데이터그램 (Datagram)
• 예시 프로토콜:
  • TCP – 신뢰성 보장, 연결 지향
  • UDP – 빠르지만 신뢰성 없음, 연결less

3계층: 네트워크(Network) 계층

• 역할
  • 데이터를 목적지 호스트까지 IP 주소 기반으로 라우팅
  • 경로 설정, 네트워크 간 연결을 지원
• 데이터 단위: 패킷 (Packet)
• 예시 프로토콜:
  • IP – IPv4, IPv6
  • ICMP – 핑(ping), 오류 메시지 전송용

2계층: 데이터 링크(Data Link) 계층

• 역할
  • 같은 네트워크(LAN) 내에서 실제 데이터를 주고받음
  • MAC 주소 기반으로 장치를 식별, 프레임 생성 및 오류 검출도 수행
• 데이터 단위: 프레임 (Frame)
• 예시 기술:
  • Ethernet (이더넷)
  • Wi-Fi (무선 LAN)

이더넷: 같은 네트워크 안의 컴퓨터들이 데이터를 주고받는 표준 방식

1계층: 물리(Physical) 계층

• 역할
  • 데이터를 실제로 전송하는 계층으로, 0과 1의 비트를 전기/광학/무선 신호로 변환하여 물리 매체를 통해 전송
  • 데이터가 물리적으로 전달되는 통로를 담당
• 데이터 단위: 비트 (Bits)
• 예시 매체/기술:
  • 전선, 광섬유, 무선 신호
  • RJ-45, USB, 802.11 신호 등

 

2. 캡슐화

캡슐화는 상위 계층의 데이터를 하위 계층으로 전달할 때, 해당 계층의 헤더(또는 제어정보)를 덧붙이는 과정입니다.

해당 계층의 제어정보를 추가하여 전송단위로 만드는 것 입니다. 이 과정을 통해 각 계층은 필요한 정보를 기반으로 통신을 제어할 수 있습니다.

 

 

위의 그림은 데이터가 목적지로 이동하는 과정을 나타냅니다.

응용 계층에서 보내려는 메시지는 각 계층을 거치며 헤더를 추가합니다.

계층에서 추가하는 헤더는 다음과 같습니다.

• 전송 계층: TCP/UDP 헤더
• 네트워크: IP 헤더
• 링크: MAC 헤더

헤더가 추가된 메시지는 링크 계층 스위치, 라우터를 거쳐 목적지로 이동합니다.

링크 계층 스위치는 1~2 계층, 라우터는 1~3계층 구현

목적지에 도착한 메시지는 각 계층의 헤더를 하나씩 제거하며 상위 계층으로 데이터를 전달하는 역캡슐화 과정을 거치게됩니다.