OSI 계층·TCP/IP와 홉별 캡슐화

01모델은 기능을 분해하는 기준이다

• 참조 모델OSI는 통신 기능을 물리·데이터링크·네트워크·전송·세션·표현·응용의 일곱 계층으로 나누는 참조 모델이다. 실제 장비 속에 독립된 프로그램 일곱 개가 있다는 뜻이 아니다.

  • TCP/IP 모델은 보통 링크·인터넷·전송·응용으로 묶으며 OSI의 상위 세 계층에서 설명하는 기능이 응용 프로그램과 라이브러리에 함께 구현될 수 있다.
• 계층의 역할계층의 핵심은 아래 계층이 위 계층에 어떤 전달 서비스를 제공하고, 같은 계층의 상대가 어떤 규칙으로 의미를 해석하는지 구분하는 데 있다. HTTP 메시지는 서버의 HTTP 처리기가 해석하지만 그 바이트를 라우터가 모두 이해해야 전달할 수 있는 것은 아니다.

  • 방화벽·프록시·터널처럼 여러 계층을 함께 처리하는 기능도 있어 장비 이름 하나로 모든 기능을 단정하지 않는다.

02물리 계층은 신호와 연결 조건을 다룬다

• 물리 계층물리 계층에서는 케이블과 커넥터, 광 모듈, 전기·광 신호, 부호화, 타이밍과 링크 속도가 문제가 된다. 비트열이 어떤 신호로 표현되고 상대가 그 경계를 어떻게 받아들이는지를 다룬다.

  • 같은 프레임을 구리선과 광섬유로 보낼 수 있는 것은 상위 형식과 실제 물리 표현이 분리되어 있기 때문이다.
• 링크 연결의 의미케이블이 꽂혀 있고 link가 up이라는 것은 인접 물리 연결의 일부 조건이 성립했다는 뜻이다. 올바른 VLAN, IP 주소, DNS, 웹 서비스가 준비되었다는 뜻은 아니다.

  • 반대로 애플리케이션이 403 응답을 보냈다면 그 요청은 응답을 생성할 수 있는 지점까지 전달된 것이므로 케이블 단선만으로 그 응답을 설명할 수 없다.

03링크 계층은 인접 전달의 경계를 정한다

• Ethernet과 스위치Ethernet은 목적지·출발지 MAC, Type 또는 Length, payload, FCS 등을 사용해 인접 링크의 프레임을 표현한다. 스위치는 VLAN 안에서 출발지 MAC을 학습하고 목적지 MAC으로 출력 포트를 고른다.

  • 브로드캐스트와 unknown unicast의 범위도 VLAN과 전달 포트 상태에 제한된다.
  • 스위치를 여러 번 통과한다는 이유만으로 IP TTL이 감소하지 않는다.
• 링크 오류와 ARP오류 검출·재전송의 범위는 링크 기술마다 다르다. Ethernet의 FCS 실패 프레임 폐기는 TCP 재전송과 다른 절차이며, 무선 링크의 매체 접근·ACK 동작을 유선 Ethernet에 그대로 적용하지 않는다.

  • ARP는 IPv4 다음 홉과 링크 주소의 대응을 구하지만 Ethernet에서 IP 헤더 안에 들어가는 것이 아니라 EtherType으로 직접 구분된다.

04인터넷 계층은 네트워크를 건너 목적지를 찾는다

• IP 전달IPv4·IPv6는 여러 링크를 거쳐 종단 주소로 패킷을 전달하는 데 사용된다. 라우터는 목적지 주소에 맞는 경로를 선택하고 다음 홉을 해석한다.

  • IPv4의 Protocol, IPv6의 Next Header는 payload를 어떤 상위 프로토콜로 해석할지 연결하는 식별자이다.
  • IPv4 Protocol 6은 TCP, 17은 UDP이며 포트 번호와 다른 종류의 번호이다.
• Best effortIP는 자체적으로 순서 복구와 재전송을 제공하지 않는 best-effort 전달이다. 라우터의 TTL·Hop Limit 처리는 무한 루프를 제한하고, ICMP는 오류·제어 정보를 돌려준다.

  • ICMP가 있다고 IP가 신뢰적 연결로 바뀌는 것은 아니다.
  • 목적지에 도달하는 한 방향의 경로와 응답이 돌아오는 경로도 독립적으로 필요하다.

05전송 계층과 응용 계층의 역할

• TCP·UDPTCP는 연결 상태·순서 번호·ACK·재전송 등을 통해 바이트 스트림을 제공한다. UDP는 포트·길이·체크섬을 가진 데이터그램을 전달하며 필요하면 상위 응용이 거래 번호·타임아웃·재시도를 구현한다.

  • 두 경우 모두 IP 주소와 전송 프로토콜, 양쪽 포트가 통신을 구분한다.
  • 포트 번호 자체가 사용자의 인증이나 프로그램 정체를 보증하지는 않는다.
• 응용 프로토콜HTTP·DNS·DHCP 같은 응용 프로토콜은 메시지 필드와 요청·응답 규칙을 정의한다. 데이터 표현, 암호화, 세션 유지 등의 기능은 여러 계층에 걸쳐 구현될 수 있다.

  • TLS를 OSI의 한 상자에 넣는 암기만으로 TCP 위의 TLS와 QUIC의 구성을 설명할 수 없으므로 실제 캡슐화와 연결 종료 지점을 기준으로 본다.

07PDU와 헤더·트레일러의 중첩

• 캡슐화응용이 만든 바이트는 TCP 세그먼트 또는 UDP 데이터그램의 데이터가 된다. 그 전송 단위는 IP 패킷의 payload가 되고, IP 패킷은 Ethernet 프레임의 데이터가 된다.

  • Ethernet은 헤더 외에 뒤쪽 FCS도 있지만 IPv4나 TCP가 모두 같은 형태의 트레일러를 가지는 것은 아니다.
  • 캡슐화는 의미와 처리 경계를 설명하는 개념이며 운영체제가 매 단계마다 별도 메모리 복사를 해야 한다는 구현 규칙도 아니다.
• 길이 계산 예짧은 UDP 응용 데이터 20바이트는 UDP 헤더 8을 더해 28바이트, 옵션 없는 IPv4 헤더 20을 더해 IP 길이 48바이트가 된다. 비태그 Ethernet 헤더 14와 FCS 4를 더하면 66바이트 MAC 프레임이다.

  • Preamble·SFD와 IFG는 이 프레임 길이 밖에 있다.
  • 상위 데이터가 더 작아 최소 크기 미달이면 Ethernet 패딩이 필요하다.
  • IP·UDP 길이 필드가 그 패딩을 응용 데이터로 세지는 않는다.

08온링크와 원격 목적지로 보내는 순서

• 주소 계획A는 192.0.2.10/24, 게이트웨이는 192.0.2.1이다. 같은 링크의 목적지는 192.0.2.20, 원격 목적지는 203.0.113.20으로 가정한다.
• 그대로 남는 값NAT 없는 일반 라우팅에서는 종단 IP와 TCP 포트·순서 번호가 유지된다. 단순 L2 스위칭은 종단 MAC 쌍도 바꾸지 않는다.

1. 목적지와 경로 선택이름으로 요청했다면 DNS로 IP를 얻은 뒤 목적지에 맞는 경로를 찾는다. 직접 연결된 목적지인지 게이트웨이를 거쳐야 하는지 결정한다.
2. 다음 홉 MAC 해석같은 링크의 .20이면 .20을, 원격 주소이면 게이트웨이 .1을 ARP한다. DNS 이름 해석과 다음 홉 MAC 해석은 별도다.
3. 첫 프레임 생성IP 목적지는 최종 서버로 유지한다. Ethernet 목적지는 선택한 다음 홉의 MAC으로 채운다.
4. 라우터의 IP 처리라우터는 수신 프레임을 벗겨 경로를 조회한다. IPv4 TTL을 줄이고 헤더 체크섬을 갱신한다.
5. 출력 링크에 재캡슐화출력 인터페이스와 다음 홉의 MAC으로 새 프레임을 만든다. 이후 라우터에서도 링크별 프레임과 종단 IP를 구분한다.

10한 요청의 관측표를 완성하기

• NAT 없는 경로A에서 R1을 거쳐 서버 B로 가는 NAT 없는 예에서는 A 송신 프레임의 MAC 쌍이 A→R1 내부 인터페이스이고, R1 출력 프레임은 R1 외부 인터페이스→다음 홉이다. 어느 쪽 캡처에서도 IP 쌍은 A→B이며 TTL은 홉 수만큼 달라진다.

  • 서버가 직접 연결된 출력 링크라면 다음 홉 MAC이 B의 것이다.
• 변환·터널·프록시NAT가 있으면 주소·포트 대응을 추가하고 터널이 있으면 inner와 outer 헤더를 나눈다. 프록시가 연결을 종료하면 클라이언트↔프록시와 프록시↔서버의 두 연결이 생긴다.

  • 동일 서비스 요청이라는 이유만으로 모든 위치에서 같은 5-tuple이 관찰되어야 한다고 가정하면 안 된다.
  • 캡처 위치를 적지 않은 주소 표는 원인 분석에서 혼동을 만든다.

11계층별 성공 증거를 기술 산출물로 남기기

• 계층별 증거실습 보고서에는 링크 상태·VLAN과 MAC 학습·ARP/ND·경로·전송 응답·응용 결과를 서로 다른 증거로 기록할 수 있다. Link up, ARP Reply 수신, next-hop 경로 존재, TCP SYN/ACK 수신, HTTP 응답 코드는 서로 다른 사실을 보여준다.

  • 뒤 단계의 성공을 앞 단계의 검사 목록으로 대체하거나 앞 단계만 성공했다고 전체 서비스를 정상이라고 쓰지 않는다.
• 기술 산출물취업 포트폴리오에서 유용한 산출물은 계층 이름을 나열한 그림보다 주소 계획과 토폴로지, 요청의 홉별 필드 변화, 실패 지점의 패킷·출력, 수정 후 같은 조건의 비교이다. 무엇을 직접 구성했고 어떤 관측으로 원인을 배제했는지를 분리하면 실습을 재현할 수 있는 기술 설명이 된다.