본 포스팅은 James Kurose, Keith Ross의 Computer Networking: A Top-Down Approach (6th Edition) 교재를 기반으로 정리한 내용입니다.

1. 프로토콜 계층화의 필요성
- 1.1 항공 여행 비유
- 1.2 계층화의 장점
2. 인터넷 프로토콜 스택 (5계층 모델)
3. OSI 7계층 모델과의 비교
- 표현 계층 (Presentation Layer)
- 세션 계층 (Session Layer)
4. 캡슐화 (Encapsulation)
- 4.1 캡슐화 과정
- 4.2 전체 캡슐화 흐름
5. 네트워크 보안 기초
6. 정리
7. 확인 문제

1. 프로토콜 계층화의 필요성

인터넷은 매우 복잡한 시스템이다. 수많은 애플리케이션, 다양한 종단 시스템, 패킷 스위치, 링크, 프로토콜이 존재한다.

이 복잡성을 관리하기 위해 계층화(layering) 를 사용한다.

1.1 항공 여행 비유

항공 여행도 여러 계층으로 나눌 수 있다:

출발지                              목적지
──────                              ──────
 티켓 구매                           수하물 수취
   ↓                                   ↑
 수하물 위탁                          수하물 찾기
   ↓                                   ↑
 탑승 게이트                          하차 게이트
   ↓                                   ↑
 이륙                                착륙
   ↓                                   ↑
 항로 비행 ─────────────────────> 항로 비행

각 계층은 자신의 기능을 수행하고, 아래 계층의 서비스를 이용한다.

1.2 계층화의 장점

모듈화: 각 계층의 내부 구현을 독립적으로 변경 가능
복잡성 관리: 전체 시스템을 작은 부분으로 나누어 이해
유연성: 한 계층의 프로토콜을 다른 것으로 교체 가능

2. 인터넷 프로토콜 스택 (5계층 모델)

┌─────────────────┐
│  애플리케이션 계층  │  Application Layer
├─────────────────┤
│   전송 계층       │  Transport Layer
├─────────────────┤
│   네트워크 계층    │  Network Layer
├─────────────────┤
│   링크 계층       │  Link Layer
├─────────────────┤
│   물리 계층       │  Physical Layer
└─────────────────┘

2.1 애플리케이션 계층 (Application Layer)

네트워크 애플리케이션과 애플리케이션 계층 프로토콜이 존재하는 계층이다.

HTTP: 웹 문서 요청과 전송
SMTP: 이메일 전송
FTP: 파일 전송
DNS: 도메인 이름을 IP 주소로 변환

애플리케이션 계층의 정보 패킷을 메시지(message) 라 부른다.

2.2 전송 계층 (Transport Layer)

애플리케이션 계층의 메시지를 종단 시스템 간에 전달한다.

TCP: 연결 지향, 신뢰적 전송, 혼잡 제어, 흐름 제어
UDP: 비연결, 비신뢰적 전송, 최소한의 서비스

전송 계층의 패킷을 세그먼트(segment) 라 부른다.

TCP 서비스:
  ✓ 신뢰적 데이터 전달 (재전송)
  ✓ 흐름 제어 (수신자 과부하 방지)
  ✓ 혼잡 제어 (네트워크 과부하 방지)

UDP 서비스:
  ✓ 빠른 전송 (오버헤드 최소)
  ✗ 신뢰성 보장 없음
  ✗ 흐름/혼잡 제어 없음

2.3 네트워크 계층 (Network Layer)

한 호스트에서 다른 호스트로 데이터그램(datagram) 을 전달한다.

IP 프로토콜: 데이터그램의 필드 정의, 주소 체계
라우팅 프로토콜: 출발지에서 목적지까지의 경로 결정

네트워크 계층의 패킷을 데이터그램(datagram) 이라 부른다.

네트워크 계층의 두 가지 핵심 기능:
  1. 포워딩(Forwarding): 패킷을 적절한 출력 링크로 이동
  2. 라우팅(Routing): 출발지-목적지 경로 결정

IP 프로토콜은 하나뿐이므로, 네트워크 계층을 흔히 IP 계층이라고도 부른다.

2.4 링크 계층 (Link Layer)

네트워크 계층은 출발지에서 목적지까지의 경로를 결정하지만, 실제로 한 노드에서 다음 노드로 데이터그램을 전달하는 것은 링크 계층의 역할이다.

이더넷(Ethernet)
WiFi (802.11)
PPP

링크 계층의 패킷을 프레임(frame) 이라 부른다.

경로: A → R1 → R2 → R3 → B

링크 계층의 역할:
  A --[이더넷]--> R1 --[WiFi]--> R2 --[PPP]--> R3 --[이더넷]--> B

  각 구간(링크)마다 다른 링크 계층 프로토콜을 사용할 수 있다.

2.5 물리 계층 (Physical Layer)

링크 계층이 프레임 단위로 데이터를 전달한다면, 물리 계층은 프레임 내의 개별 비트를 한 노드에서 다음 노드로 이동시킨다.

실제 전기 신호, 빛 신호, 무선 신호를 다루는 계층
매체(구리선, 광섬유, 무선)에 따라 프로토콜이 다름

3. OSI 7계층 모델과의 비교

ISO에서 제안한 OSI(Open Systems Interconnection) 모델은 7개 계층으로 구성된다.

OSI 7계층              인터넷 5계층
──────────            ────────────
애플리케이션 계층  ─┐
표현 계층        ─┤── 애플리케이션 계층
세션 계층        ─┘
전송 계층        ──── 전송 계층
네트워크 계층     ──── 네트워크 계층
데이터 링크 계층  ──── 링크 계층
물리 계층        ──── 물리 계층

표현 계층 (Presentation Layer)

데이터 압축, 암호화, 데이터 형식 변환
인터넷 모델에서는 애플리케이션이 직접 처리

세션 계층 (Session Layer)

데이터 교환의 동기화, 체크포인팅, 회복
인터넷 모델에서는 애플리케이션이 직접 처리

인터넷 프로토콜 스택에서는 표현/세션 계층의 기능이 필요하면 애플리케이션 개발자가 직접 구현한다.

4. 캡슐화 (Encapsulation)

4.1 캡슐화 과정

각 계층은 상위 계층에서 받은 데이터에 자신의 헤더 정보를 추가한다.

애플리케이션:  [메시지]
                ↓
전송:         [Ht|메시지]              ← 세그먼트
                ↓
네트워크:     [Hn|Ht|메시지]           ← 데이터그램
                ↓
링크:        [Hl|Hn|Ht|메시지]        ← 프레임
                ↓
물리:         01011001010110...        ← 비트

계층	PDU (Protocol Data Unit)	추가되는 헤더
애플리케이션	메시지 (Message)	-
전송	세그먼트 (Segment)	전송 계층 헤더
네트워크	데이터그램 (Datagram)	네트워크 계층 헤더
링크	프레임 (Frame)	링크 계층 헤더

4.2 전체 캡슐화 흐름

출발지 호스트          라우터              목적지 호스트
┌──────────┐    ┌──────────────┐    ┌──────────┐
│애플리케이션│    │              │    │애플리케이션│
├──────────┤    │              │    ├──────────┤
│  전송     │    │              │    │  전송     │
├──────────┤    ├──────────────┤    ├──────────┤
│ 네트워크  │    │   네트워크    │    │ 네트워크  │
├──────────┤    ├──────────────┤    ├──────────┤
│  링크     │    │    링크      │    │  링크     │
├──────────┤    ├──────────────┤    ├──────────┤
│  물리     │    │    물리      │    │  물리     │
└──────────┘    └──────────────┘    └──────────┘

호스트: 5개 계층 모두 구현
라우터: 하위 3개 계층만 구현 (네트워크, 링크, 물리)
스위치: 하위 2개 계층만 구현 (링크, 물리)

5. 네트워크 보안 기초

5.1 인터넷 초기와 보안

초기 인터넷은 신뢰할 수 있는 소수의 사용자만 사용하는 것을 전제로 설계되었다. 따라서 보안이 원래 설계에 포함되지 않았다.

오늘날 네트워크 보안은 필수적이며, 다음과 같은 위협이 존재한다.

5.2 주요 네트워크 보안 위협

멀웨어 (Malware)

멀웨어의 종류:
  ├── 바이러스(Virus): 사용자 상호작용으로 감염
  ├── 웜(Worm): 자동으로 네트워크를 통해 전파
  ├── 트로이 목마(Trojan): 정상 소프트웨어로 위장
  └── 봇넷(Botnet): 감염된 컴퓨터의 네트워크

서비스 거부 공격 (DoS: Denial of Service)

네트워크, 호스트, 또는 인프라를 정상 사용자가 사용할 수 없게 만드는 공격이다.

DoS 공격의 3가지 유형:
  1. 취약점 공격: 특정 취약점을 이용
  2. 대역폭 범람: 대량의 패킷으로 링크 포화
  3. 연결 범람: 반쪽 연결(half-open)을 대량 생성

DDoS (Distributed DoS): 여러 출처에서 동시에 공격

  봇넷 PC1 ──┐
  봇넷 PC2 ──┼──> 공격 대상 서버 (과부하)
  봇넷 PC3 ──┤
  ...        ──┘

패킷 스니핑 (Packet Sniffing)

공유 매체 환경에서 지나가는 패킷의 복사본을 가로채는 행위다.

공유 매체 (WiFi 등):
  A ──────────────── B
       │
       └── 스니퍼(패킷 도청기)
           모든 패킷의 복사본을 수신

IP 스푸핑 (IP Spoofing)

가짜 출발지 IP 주소를 가진 패킷을 생성하여 다른 사용자로 위장하는 공격이다.

공격자가 출발지 IP를 위조:
  실제 IP: 192.168.1.100
  위조 IP: 10.0.0.1 (신뢰받는 호스트)

  서버는 패킷이 신뢰받는 호스트에서 온 것으로 오인

5.3 보안의 중요 원칙

네트워크 보안의 핵심 요소:
  ├── 기밀성(Confidentiality): 송수신자만 내용을 이해
  ├── 무결성(Integrity): 전송 중 데이터 변조 탐지
  ├── 인증(Authentication): 상대방의 신원 확인
  └── 가용성(Availability): 서비스가 항상 이용 가능

6. 정리

인터넷 프로토콜 스택 요약:

계층          PDU        핵심 프로토콜      역할
──────       ──────     ────────────    ──────
애플리케이션   메시지     HTTP,SMTP,DNS   네트워크 애플리케이션
전송          세그먼트   TCP, UDP        종단 간 데이터 전달
네트워크      데이터그램  IP              호스트 간 라우팅
링크          프레임     이더넷, WiFi     인접 노드 간 전달
물리          비트       -               비트의 물리적 전송

캡슐화의 핵심:

각 계층은 상위 계층의 PDU를 페이로드(payload) 로 취급하고 자신의 헤더를 추가한다
수신 측에서는 각 계층이 자신의 헤더를 제거하고 상위 계층에 전달한다 (역캡슐화)

7. 확인 문제

Q1. 인터넷 5계층 모델에서 각 계층의 PDU 명칭은?

계층	PDU
애플리케이션	메시지 (Message)
전송	세그먼트 (Segment)
네트워크	데이터그램 (Datagram)
링크	프레임 (Frame)
물리	비트 (Bit)

Q2. 라우터는 몇 개의 계층을 구현하는가?

라우터는 하위 3개 계층(물리, 링크, 네트워크)을 구현한다. 라우터는 IP 데이터그램의 헤더를 확인하여 포워딩 결정을 내리므로 네트워크 계층까지 필요하지만, 전송 계층과 애플리케이션 계층은 구현하지 않는다.

Q3. OSI 모델에서 인터넷 모델에 없는 두 계층은?

표현(Presentation) 계층과 세션(Session) 계층이다.

표현 계층: 데이터 압축, 암호화, 형식 변환 담당
세션 계층: 데이터 교환의 동기화, 체크포인팅 담당

인터넷에서는 이 기능들이 필요한 경우 애플리케이션 개발자가 직접 구현한다.