Protocol Layering(프로토콜 계층화)

• Protocol : 통신의 규칙으로, 송신자, 수신자, 중간 장치 모두가 같은 규칙을 따라야 함
• 왜 Layering이 필요한가
  • 통신이 단순한 경우 하나의 프로토콜만으로도 충분
  • 복잡한 통신에서 한가지 프로토콜로 모든 걸 처리하지 못한다.
• Modularity : 유지보수 용이, 재사용성 증가, 가독성 향상, 디버깅 쉬움
• Scenarios : Protocol layering의 이해를 도움, 자료 참조.

Protocol Layering

• Layering(계층화)를 통해 복잡한 작업을 단순한 작업들로 분리가능.
• 전체 시스템이 아닌 특정 계층만 바꿀 수 있음. → 유지보수 쉬움
• 모듈화로 여겨짐
• 각 계층은 독립된 블랙박스처럼 동작함 → 내부 동작을 모르더라도 입력과 출력만 맞으면 대체 가능함(모듈화)
• 장점
  • 서비스와 구현을 분리
    • 각 계층은 아래 계층으로부터 서비스를 제공받고, 위 계층에 서비스 제공.
    • 그러나 서비스가 어떻게 구현되는지는 몰라도 됨.
  • 필요한 계층만 사용
    • 단순히 데이터를 중계하는 중간 시스템도 존재함. 중간 시스템은 모든 계층이 필요하지 않음.
    • 계층화를 사용해 모든 계층을 구현할 필요가 없어져 불필요하게 복잡하고 비싸지는 것을 방지.
• 단점
  • 계층마다 데이터를 주고받는 상호작용이 필요하기 때문에 복잡성이 증가할 수 있음.
  • 계층 구조는 모듈화로서 유리하지만, 초기 설계가 복잡할 수 있음.

Logical Connection

• 물리적으로 연결되지 않았지만 각 계층끼리 직접 연결되어 있다고 상상하는 것.
• 네트워크와 설계를 더 쉽게 이해할 수 있음.
• 계층 간 독립성도 확보할 수 있음.

Protocol Layering 구조도

• 각 시스템마다 여러 계층이 쌓여 있음
• Peer Protocol : logical connection, 실제로 직접 연결되어 있지 않고, 아래 계층을 통해 전달되지만 통신이 이루어지는 것처럼 동작하는 것
• Service Interface : 한 계층은 바로 아래 계층에게 서비스를 요청(use), 아래 계층은 위 계층에게 서비스를 제공(provide)
• Path over witch PDUs are exchanged
  • PDU(Protocol Data Unit)은 각 계층이 처리하는 데이터 단위
  • 데이터는 아래로 내려가 전송된 뒤, 상대편 시스템에서 위로 올라옴
  • 이 경로를 통해 데이터를 실제로 전달하는 건 하위 계층

TCP/IP Protocol Suite : 현재 널리 사용되는 프로토콜 집합

• 상호작용하는 module의 계층적 프로토콜

• 상위계층은 하위 계층이 제공하는 기능을 기반으로 동작함

• 책에서 사용하는 5계층

  • 각 계층의 기능은 프로토콜로 구성됨, 아래 계층에서 제공하지 않는 기능만 만들면 됨.
  • Layer5(Application)
    • 사용자와 가까운 서비스 제공
    • 프로세스 간 통신을 담당
  • Layer4(Transport)
    • 데이터 신뢰성 보장 및 전송
    • 응용 프로그램 사이의 종단 간 logical connection제공, 송신 애플리케이션과 수신 에플리케이션이 안정적으로 데이터를 주고받을 수 있도록 함
  • Layer3(Network)
    • 주소 지정, 경로 설정
    • 출발지로부터 목적지까지 host to host 연결을 생성
    • 패킷이 목적지까지 도달할 수 있도록 최적의 경로를 선택
    • IP주소를 사용해 논리적 주소 지정
  • Layer2(Data Link)
    • 프레임 전송, MAC 주소 사용
    • 윗계층에서 받은 데이터그램을 프레임(mac주소, 에러 검출 코드 등을 포함한 링크 계층 단위의 패킷)으로 감싸서 링크를 통해 전송
  • Layer1(Physical)
    • 데이터를 물리적인 형태로 전송하는 역할
    • 비트 스트림을 전달하며, 구조화되지 않은 데이터의 흐름을 다룸
    • 물리적 매체 및 장비를 포함 ex)무선 전파, 광섬유

• Layered Architecture

  

• Identical Objects in the TCP/IP Protocol Suite

  • 송수신되는 데이터가 각 계층에서 어떤 형태로 존재하며 어떻게 동일한 객체로 간주되는지 보여줌

  

  • Application Layer
    • 사용자 간에 오고가는 메세지가 그대로 전달됨.
  • Transport Layer
    • 메세지는 Segment(연결지향 TCP) 혹은 datagram(비연결지향 UDP)으로 분해되어 전달됨.
    • 전송 계층에서 그대로 복원됨.
  • Network Layer
    • Datagram(IP 패킷)이 전송됨.
    • 라우터를 통해 전달되지만 라우터는 network Layer까지만 처리하고 객체의 형태(datagram)은 유지
  • Data Link Layer
    • 각 링크 구간마다 Datagram은 프레임에 캡슐화되어 전송됨.
    • 프레임은 링크 단위로 바뀔 수 있으나 송수신 노드 간에는 프레임이 동일한 형식으로 사용
  • Physical Layer
    • 전기적/광학적 신호로 전송되는 비트 스트림, 실제로 전송됨.

Protocol at Layer

• Packet Structure

  

  • Header
    • 각 계층의 프로토콜이 추가하는 제어정보 ex)목적지 주소, 순서 번호, 오류 검출 코드 등
    • 계층이 내려갈수록 헤더가 추가되며, 이게 Encapsulation
  • Data : 상위 계층에서 전달된 실제 데이터
  • 둘을 합친 것이 Packet

• Header Example

  

  • 라우터가 목적지까지 올바르게 전달하기 위해 필요
  • Version(4 bits) : IPv4인지 IPv6인지
  • Header Length(4 bits) : 헤더의 길이
  • TTL(8 bits) : Time To Live, 유효 시간
  • Protocol(8 bits) : 상위 계층의 프로토콜
  • Source/Destination IP Address : 송수신자의 IP 주소

• Protocol Action : 프레임 전송 시의 동작 과정

• Encapsulation and Decapsulation

• Addressing

• Multiplexing and Demultiplexing

• OSI Model

• OSI vs TCP/IP

• Lack of OSI model’s success