04 OSI - 전송계층

1. 전송 계층

1. 전송계층

• 컴퓨터 간이 아니라, 컴퓨터 안의 프로그램(애플리케이션)끼리 정확하게 데이터를 주고받게 해주는 계층
• 역할
  • 데이터를 쪼개고 붙임 (분할 & 재조립)
  • 신뢰성 보장 (오류 제어)
  • 흐름 조절
  • 통신 대상 지정 (포트 번호 사용)

2. 프로토콜 종류

프로토콜	특징
TCP	신뢰성 보장, 느리지만 안전
UDP	신뢰성 없음, 빠르고 단순

3. TCP 세그먼트

• TCP 세그먼트(segment)는 전송계층이 네트워크로 보내는 데이터 전송 단위
• TCP 헤더는 제어 정보 (누구에게 보낼지, 순서, 확인 등)
• 데이터(payload)는 실제 내용 (예: HTTP 메시지 등)

   TCP 세그먼트 = TCP 헤더 + 데이터(payload)
  

4. TCP 헤더

필드 이름	한글 이름	설명
Source Port	출발지 포트 번호	데이터를 보낸 쪽 포트 번호
Destination Port	목적지 포트 번호	데이터를 받을 쪽 포트 번호
Sequence Number	순서 번호	전송하는 데이터의 순서 지정
Acknowledgment Number	확인 응답 번호	수신한 데이터 다음에 기대하는 순서 번호
Header Length	헤더 길이	TCP 헤더의 크기 (4비트, 단위: 32비트 워드)
Flags (Control Bits)	제어 플래그	SYN, ACK, FIN 등 통신 상태 제어용 비트
Window Size	윈도우 크기	수신 가능한 버퍼 용량 (흐름 제어에 사용)
Checksum	체크섬	오류 검출을 위한 값 (헤더와 데이터 포함)
Urgent Pointer	긴급 포인터	긴급 데이터의 끝 위치 (긴급 모드에서만 사용)
Options	옵션	선택적인 확장 정보 (예: 윈도우 확장, 타임스탬프 등)

2. 핸드셰이크

1. 플래그

• TCP 연결 상태를 관리하거나 통신 흐름을 제어하기 위한 1비트짜리 플래그
• 소통할때 켜고(1), 끄고(0)하는 방식으로 조합하여 사용함.
• 플래그 내용

플래그 이름	한글 이름	역할 및 설명
URG	긴급 데이터 표시	Urgent Pointer 필드를 사용한다는 신호 (대부분 무시됨)
ACK	확인 응답	Acknowledgment Number 필드가 유효함을 의미
PSH	즉시 전달 요청	받은 데이터를 애플리케이션에 즉시 넘기도록 요청
RST	연결 강제 종료	비정상 상태일 때 연결을 즉시 끊을 때 사용 (예: 포트가 닫혀 있을 때)
SYN	연결 요청	연결 시작 요청 (3-way 핸드셰이크에서 사용)
FIN	연결 종료	연결 종료 요청 (4-way 핸드셰이크에서 사용)
ECE	ECN-Echo	혼잡 알림 수신 여부 (ECN 사용 시, 혼잡 신호로 사용)
CWR	혼잡 윈도우 줄임 표시	ECE에 응답하기 위한 신호 (Congestion Window Reduced)
NS	Nonce Sum	ECN의 보안 확장용 (거의 사용되지 않음)

2. 3방향 핸드셰이크

단계	송신 주체	수신 주체	설명	플래그
1	클라이언트	서버	연결 요청 (연결 시작 의사 표시)	SYN = 1
2	서버	클라이언트	요청 수락 및 응답, 연결 준비 상태 표시	SYN = 1, ACK = 1
3	클라이언트	서버	연결 확인 및 최종 응답	ACK = 1

3. 4방향 핸드셰이크

단계	송신 주체	수신 주체	설명	플래그
1	한쪽 (예: 클라이언트)	상대방 (서버)	연결 종료 요청 (더 이상 데이터 없음)	FIN = 1
2	상대방 (서버)	요청자 (클라이언트)	종료 요청 수락 및 확인 응답	ACK = 1
3	상대방 (서버)	요청자 (클라이언트)	자신도 연결 종료 준비 (종료 요청)	FIN = 1
4	요청자 (클라이언트)	상대방 (서버)	종료 확인 응답	ACK = 1

3. TCP 에러 제어

1. Stop-and-Wait ARQ

• 동작 방식
  • 송신자는 한 번에 한 프레임(또는 세그먼트)만 보냄.
  • 수신자로부터 ACK(확인 응답)을 받을 때까지 기다림
  • ACK를 받으면 다음 프레임 전송.
• 장점 : 구현이 간단함.
• 단점 : 전송 중 대기 시간이 길어지므로 채널 이용률이 낮고 왕복 지연 시간이 긴 네트워크에 비효율적.

2. Go-Back-N ARQ

• 동작 방식
  • 송신자는 최대 N개의 프레임을 연속해서 보낼 수 있다(윈도우 크기 N).
  • 수신자가 오류를 발견하면, 그 프레임부터 모든 이후 프레임을 무조건 재전송하라고 요청한다.
• 장점: Stop-and-Wait보다 채널 효율이 훨씬 높음.
• 단점: 오류 발생 시 재전송되는 프레임이 많아져서 비효율적일 수 있음.

3. Selective Repeat ARQ

• 동작 방식
  • 송신자가 최대 N개의 프레임을 연속 전송 가능.
  • 수신자는 오류가 있는 프레임만 선택적으로 재전송 요청한다.
  • 정상 수신된 프레임은 버퍼에 저장 후 순서대로 재조립.
• 장점: 오류가 발생해도 필요한 프레임만 재전송하므로 효율적임.
• 단점: 구현 복잡도가 높고, 수신 측 버퍼 관리가 까다로움.

4. TCP 흐름 제어

1.수신 윈도우(Receive Window)

• 수신 측이 한 번에 받을 수 있는 데이터 양
• 수신자가 자신의 버퍼 여유 공간 크기를 송신자에게 알려주는 신호
• 수신자의 처리 능력에 맞춰 송신량을 조절하도록 유도
• 수신자 과부하 방지를 위한 피드백 메커니즘
• 동작 원리
  • TCP 헤더의 윈도우 크기(Window Size) 필드에 현재 수신 가능 용량을 명시
  • 이 값이 클수록 송신자는 더 많은 데이터를 보내도 됨
  • 값이 0이면 수신자가 바빠서 더 이상 데이터 받을 수 없음을 의미

2. 슬라이딩 윈도우(Sliding Window)

• 송신자가 한 번에 보낼 수 있는 데이터 양
• 송신 윈도우가 커지면 더 많은 데이터를 연속 전송 가능
• 윈도우가 작으면 송신량 제한
• 동작 원리
  • 윈도우 크기만큼 데이터를 전송한 후,
  • 수신자로부터 받은 ACK에 따라 윈도우가 앞으로 이동(슬라이딩)하면서 새로운 데이터를 전송할 수 있게 됨

3. TCP 흐름 제어의 동작 과정

• 수신자가 자신의 버퍼 여유 공간(윈도우 크기)을 송신자에게 알려줌.
• 송신자는 그 크기만큼 데이터를 보내기 시작함. (슬라이딩 윈도우 크기 설정)
• 수신자는 받은 데이터를 처리하면서 버퍼 공간이 생기면, 그 새로운 공간 크기를 다시 송신자에게 알려줌
• 송신자는 다시 그 정보를 참고해 데이터를 계속 보냄

5. TCP 혼잡 제어

1. 느린 시작 임계값 (Slow Start Threshold, ssthresh)

• TCP가 느린 시작 단계에서 혼잡 회피 단계로 전환하는 기준점
• 처음에는 윈도우 크기(Congestion Window, cwnd)를 작게 시작해서 지수적으로 증가시키는 느린 시작 단계
• cwnd(윈도우크기)가 ssthresh(느린 시작 임계값) 값에 도달하면, 성장 속도를 지수적 → 선형적으로 바꾸고, 혼잡 회피 단계로 넘어간다

2. 배수적 감소 (Multiplicative Decrease)

• 혼잡이 감지되었을 때(예: 패킷 손실 발생),
• 윈도우 크기를 크게 줄여 네트워크 부담을 완화하는 기법
• 일반적으로 cwnd를 절반으로 감소시킴.
• 동시에 ssthresh도 현재 cwnd 값의 절반으로 재설정

3. 흐름

단계	설명
느린 시작	cwnd를 1부터 시작해 지수적으로 증가
ssthresh 도달	느린 시작 → 혼잡 회피로 전환 (증가 속도 완화)
혼잡 발생	cwnd를 절반으로 줄임 (배수적 감소)
ssthresh 재설정	ssthresh = 감소된 cwnd 값으로 업데이트

6. 애플리케이션의 출입구: 포트 번호

1. 포트번호

• 한 컴퓨터에 여러 프로그램(예: 웹서버, 이메일 클라이언트, FTP)이 동시에 네트워크 통신을 할 때,
• 포트 번호를 통해 “어떤 프로그램이 이 데이터를 받는지” 구분해 주는 역할

2.Well-Known 포트

포트번호	프로토콜	용도
20, 21	FTP	파일 전송(File Transfer Protocol)
22	SSH	보안 원격 접속(Secure Shell)
23	Telnet	원격 터미널 접속
25	SMTP	이메일 전송(Simple Mail Transfer Protocol)
53	DNS	도메인 이름 서비스(Domain Name System)
67, 68	DHCP	동적 호스트 구성 프로토콜(Dynamic Host Configuration Protocol)
80	HTTP	웹 서비스(비암호화)
110	POP3	이메일 수신(Post Office Protocol v3)
143	IMAP	이메일 수신(Internet Message Access Protocol)
443	HTTPS	웹 서비스(암호화된 HTTP)
445	SMB	윈도우 파일 공유(Server Message Block)
3389	RDP	원격 데스크톱(Remote Desktop Protocol)

7. UDP

1. UDP 개요

• 전송 속도가 빠르지만 패킷의 도착 순서나 손실에 대한 보장이 없음.
• 몇 개의 패킷이 손실되더라도 전체 서비스 품질에 큰 영향을 미치지 않는 경우 UDP 사용
• 특징
  • 비연결성: 연결 설정 없이 데이터를 바로 보냄
  • 빠름: 헤더가 간단하고, 오류 제어나 재전송 같은 기능이 없음
  • 신뢰성 낮음: 데이터 손실, 중복, 순서 뒤바뀜 등을 처리하지 않음
  • 용도: 실시간 통신(음성, 영상 스트리밍), 게임, DNS 쿼리 등 지연 최소화가 중요한 곳에 사용

2. TCP/UDP

특징	TCP	UDP
연결성	연결 지향	비연결
신뢰성	신뢰성 보장(재전송, 확인 등)	신뢰성 보장하지 않음
속도	느림	빠름
헤더 크기	20바이트 이상	8바이트

3. UDP 데이터그램

• UDP 헤더가 데이터에 부착되면 ‘UDP 데이터그램’ <-> TCP는 TCP 세그먼트

• UDP 헤더

  필드 이름	크기	설명
  출발지 포트번호 (Source Port)	2바이트	데이터를 보낸 애플리케이션의 포트 번호
  목적지 포트번호 (Destination Port)	2바이트	데이터를 받을 애플리케이션의 포트 번호
  길이 (Length)	2바이트	UDP 헤더 + 데이터의 전체 길이 (바이트 단위)
  체크섬 (Checksum)	2바이트	데이터가 손상됐는지 확인 (선택적 필드지만 IPv6에선 필수)

8. SSL/TLS

1. SSl/TLS 위치

• 계층 구분
  • TCP: 전송계층 (4계층)
  • TLS: 표현 계층 (6계층), 또는 TCP 위의 보안 계층
• 현실에서는 OSI 계층이 완벽히 적용되지 않아서 TLS는 TCP 위에 있는 중간 계층처럼 작동함.
• TCP 위에서 동작하는 보안 프로토콜로 봐야함.

2. SSL/TLS

• SSL (Secure Sockets Layer)
  • 초기 보안 프로토콜
  • 넷스케이프가 개발 (1990년대)
  • 웹 브라우저와 서버 간 통신을 암호화해서 중간에서 도청이나 변조되지 않도록 함
  • 현재는 더 이상 사용되지 않음 (보안 취약점 때문에)
• TLS (Transport Layer Security)
  • SSL의 후속 버전 (표준화)
  • 현재는 TLS 1.2 또는 TLS 1.3이 널리 사용됨
  • SSL보다 훨씬 더 강력한 보안과 최적화된 성능 제공
  • HTTPS, 메일, VPN 등 다양한 곳에 사용

3. 대칭키/비대칭키

항목	대칭키	비대칭키
키 개수	1개 (같은 키로 암호화/복호화)	2개 (암호화용 공개키, 복호화용 개인키)
속도	빠름	느림
보안	키 유출 위험 있음	키 분리로 보안성 높음
사용 예시	파일 암호화, VPN, TLS 내부 세션키	TLS 핸드셰이크, 디지털 서명 등

3. 흐름

순서	단계	메시지	역할 및 설명
1	클라이언트	ClientHello	클라이언트가 지원하는 암호화 방식, 랜덤 값 등을 서버에 전송
2	서버	ServerHello	서버가 선택한 암호화 방식, 랜덤 값 전송
3	서버	서버 인증서 전송	서버가 자신의 신원을 증명하는 디지털 인증서 전달
4	클라이언트	인증서 검증	클라이언트가 서버 인증서의 유효성(발급기관, 유효기간 등) 확인
5	클라이언트	세션키 생성 및 전송	클라이언트가 세션키(대칭키)를 생성해 서버 공개키로 암호화하여 전송
6	서버	세션키 복호화	서버가 자신의 개인키로 세션키 복호화
7	양측	완료 메시지 교환	세션키로 암호화된 데이터 교환 준비 완료 알림