TCP/IP 4계층

🔔 TCP/IP 모델의 개념과 동작 원리
🔔 TCP/IP 모델 계층별 특징
🔔 TCP와 IP 비교

What? Why?

OSI 7 Layer 모델이 이론적 모델로 만들어진 것에 비해 TCP/IP 4 layer 모델은 실제 인터넷 프로토콜을 반영하여 실용적으로 설계되었다.

OSI 모델과의 차이점

Application

OSI 모델에서 상위 3개의 계층이 통합된 모습인데, 실제 네트워크에서는 OSI 모델의 각 계층이 반드시 구분될 필요가 없다. 기능이 중복되거나 복잡해지기 때문에 단순화가 필요했다.

Network Access

OSI 모델에서 물리 계층이 빠진 모습인데, 물리적 전송 매체와 데이터(Frame)를 하나의 계층에서 관리함으로써 설계를 단순화하고, 다양한 물리 매체에 대한 호환성을 높였다.

계층별 특징

L4, Application

사용자와 네트워크 간의 인터페이스 제공
이메일, 파일 전송, 웹 브라우징 등 지원
HTTP, FTP, SMTP, DNS

L3, Transport

호스트 간의 데이터 전송을 관리
데이터를 패킷으로 분할, 전송, 재조립, 오류 검출 및 복구를 담당
TCP, UDP

L2, Internet

네트워크 간의 데이터 패킷을 전달
IP 주소 지정, 라우팅, 패킷 포워딩을 담당
IP, ICMP, ARP

L1, Network Access

물리적 네트워크 매체를 통해 데이터 전송
데이터의 물리적 전송, 프레이밍(Framing), 오류 검출을 담당
Ethernet, Wi-Fi

TCP vs IP

TCP/IP의 주요 작업은 데이터를 다른 장치로 전송하는 것인데, 중요한 것은 데이터를 정확하게 전달하여 수신 측과 발신 측의 데이터가 동일하도록 하는 것이다.
이 과정에서 IP는 데이터를 목적지까지 전달하는 역할을 하고, TCP는 그 데이터가 정확하게 전달되도록 보장한다. 이 두 프로토콜이 함께 작동하여 신뢰성 있는 통신이 가능하게 된다.

TCP(Transmission Control Protocol)

데이터의 신뢰성 있는 전송 보장
연결 설정, 데이터 전송 확인, 손실된 패킷 재전송
연결형 프로토콜, 무결성 보장, 속도 느림

IP(Internet Protocol)

데이터 패킷의 주소 지정과 전달
경로 설정, 데이터 패킷 라우팅
비연결형 프로토콜, 무결성 보장 못함, 속도 빠름

동작 원리

TCP/IP 모델은 절차에 따라 해당 데이터를 패킷으로 나눈다.
이후 한 순서로 계층을 거친 다음 수신 측에서 데이터가 다시 조립되면서 역순으로 이동한다.

❗ 그림에 있는 숫자 번호가 Layer 번호를 의미하는 것이 아님

🌐 흐름도

                          웹사이트 접근 전체 과정(www.google.com 예시)
    ╔══════════════════════════════════════════════════════════════════════════╗
    ║                              클라이언트 영역                               ║
    ╚══════════════════════════════════════════════════════════════════════════╝
                                        │
    ┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
    │  1. 사용자가 브라우저에 URL 입력                                            │
    │     🔗 www.google.com                                                   │
    │     📍 OSI Layer 7 (Application)                                        │
    └─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
                                        │
                                        ▼
    ┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
    │  2. 브라우저 DNS 캐시 확인                                                 │
    │     💾 브라우저 캐시 → OS 캐시 → 로컬 DNS 캐시                              │
    │     📍 OSI Layer 7 (Application)                                        │
    └─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
                                        │
                              ┌─────────┴─────────┐
                              │   캐시 히트?       │
                              └─────────┬─────────┘
                                   YES  │  NO
                                        ▼
    ╔══════════════════════════════════════════════════════════════════════════╗
    ║                               DNS 시스템                                  ║
    ╚══════════════════════════════════════════════════════════════════════════╝
                                        │
    ┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
    │  3. 로컬 DNS 서버에 질의                                                   │
    │     🔍 DNS Query: www.google.com                                        │
    │     📍 OSI Layer 7 (Application) / UDP Port 53                          │
    └─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
                                        │
                                        ▼
    ┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
    │  4. 루트 DNS 서버 질의                                                    │
    │     🌐 Root DNS Server (.com TLD 정보 반환)                              │
    │     📍 OSI Layer 7 (Application)                                        │
    └─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
                                        │
                                        ▼
    ┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
    │  5. TLD DNS 서버 질의                                                     │
    │     🔗 .com TLD Server (google.com 권한 서버 정보 반환)                   │
    │     📍 OSI Layer 7 (Application)                                        │
    └─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
                                        │
                                        ▼
    ┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
    │  6. 권한 있는 DNS 서버 질의                                                │
    │     📧 google.com DNS Server                                            │
    │     💡 IP 주소 반환: 142.250.190.78                                      │
    │     📍 OSI Layer 7 (Application)                                        │
    └─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
                                        │
                                        ▼
    ╔══════════════════════════════════════════════════════════════════════════╗
    ║                             네트워크 연결                                  ║
    ╚══════════════════════════════════════════════════════════════════════════╝
                                        │
    ┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
    │  7. TCP 3-Way Handshake                                                 │
    │     🤝 클라이언트 → 서버                                                  │
    │         SYN →                                                           │
    │         ← SYN + ACK                                                     │
    │         ACK →                                                           │
    │     📍 OSI Layer 4 (Transport) / Port: 443 (HTTPS)                      │
    └─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
                                        │
                                        ▼
    ┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
    │  8. TLS/SSL Handshake (HTTPS인 경우)                                     │
    │     🔐 암호화 연결 설정                                                   │
    │         • 인증서 검증                                                     │
    │         • 암호화 알고리즘 협상                                             │
    │         • 세션 키 교환                                                    │
    │     📍 OSI Layer 5 (Session) / TLS 1.3                                  │
    └─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
                                        │
                                        ▼
    ╔══════════════════════════════════════════════════════════════════════════╗
    ║                            서버 인프라                                     ║
    ╚══════════════════════════════════════════════════════════════════════════╝
                                        │
    ┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
    │  9. 로드밸런서 & CDN                                                      │
    │     ⚖️  트래픽 분산 및 지역 최적화                                         │
    │     🌍 가장 가까운 서버로 라우팅                                           │
    │     📍 OSI Layer 7 (Application)                                        │
    └─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
                                        │
                                        ▼
    ┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
    │  10. HTTP 요청 전송                                                       │
    │      📤 GET / HTTP/2                                                    │
    │          Host: www.google.com                                           │
    │          User-Agent: Chrome/120.0                                       │
    │          Accept: text/html,application/xhtml+xml                        │
    │      📍 OSI Layer 7 (Application)                                       │
    └─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
                                        │
                                        ▼
    ┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
    │  11. 웹서버 요청 처리                                                     │
    │      🖥️  Apache/Nginx가 요청 수신                                        │
    │      📍 OSI Layer 7 (Application)                                       │
    └─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
                                        │
                                        ▼
    ┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
    │  12. 애플리케이션 서버 처리                                                │
    │      ⚙️  비즈니스 로직 실행                                               │
    │      📊 필요시 데이터베이스 조회                                           │
    │      📍 OSI Layer 7 (Application)                                       │
    └─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
                                        │
                                        ▼
    ┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
    │  13. HTTP 응답 생성 및 전송                                               │
    │      📨 HTTP/2 200 OK                                                  │
    │          Content-Type: text/html; charset=UTF-8                         │
    │          Content-Encoding: gzip                                         │
    │          + HTML 데이터                                                   │
    │      📍 OSI Layer 7 (Application)                                       │
    └─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
                                        │
                                        ▼
    ╔══════════════════════════════════════════════════════════════════════════╗
    ║                           브라우저 렌더링                                  ║
    ╚══════════════════════════════════════════════════════════════════════════╝
                                        │
    ┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
    │  14. HTML 파싱 및 DOM 생성                                                │
    │      🔍 HTML 문서 파싱                                                   │
    │      🌳 DOM 트리 구성                                                    │
    │      📍 Browser Rendering Engine                                        │
    └─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
                                        │
                                        ▼
    ┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
    │  15. CSS 파싱 및 CSSOM 생성                                               │
    │      🎨 CSS 스타일시트 파싱                                               │
    │      📐 CSSOM 트리 구성                                                  │
    └─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
                                        │
                                        ▼
    ┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
    │  16. 추가 리소스 병렬 다운로드                                              │
    │      ⚡ HTTP/2 멀티플렉싱 활용                                            │
    │         • JavaScript 파일                                                │
    │         • 이미지 파일                                                     │
    │         • 폰트 파일                                                       │
    │         • 기타 CSS 파일                                                   │
    │      📍 OSI Layer 7 (Application)                                       │
    └─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
                                        │
                                        ▼
    ┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
    │  17. 렌더 트리 구성 및 레이아웃                                             │
    │      🖼️  DOM + CSSOM = 렌더 트리                                         │
    │      📏 레이아웃 계산 (리플로우)                                           │
    │      🎨 페인팅 (리페인트)                                                 │
    │      🔧 컴포지팅                                                         │
    └─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
                                        │
                                        ▼
    ┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
    │  18. JavaScript 실행                                                     │
    │      ⚡ DOM 조작 및 이벤트 처리                                           │
    │      🔄 AJAX 요청 (필요시)                                               │
    │      📍 Browser JavaScript Engine                                       │
    └─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
                                        │
                                        ▼
    ╔══════════════════════════════════════════════════════════════════════════╗
    ║                             연결 정리                                     ║
    ╚══════════════════════════════════════════════════════════════════════════╝
                                        │
    ┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
    │  19. 연결 관리                                                            │
    │      🔄 HTTP Keep-Alive (연결 유지) 또는                                  │
    │      👋 TCP 4-Way Handshake (연결 종료)                                  │
    │         FIN →                                                           │
    │         ← ACK                                                           │
    │         ← FIN                                                           │
    │         ACK →                                                           │
    │      📍 OSI Layer 4 (Transport)                                         │
    └─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
                                        │
                                        ▼
    ┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
    │  🎉 웹페이지 로딩 완료!                                                   │
    │      👤 사용자가 구글 홈페이지를 볼 수 있음                                 │
    └─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘

🔄 데이터 흐름 분석

클라이언트 ────DNS 질의───► DNS 서버들 ────IP 응답───► 클라이언트
    │                                                      │
    └──────────────── TCP/TLS 연결 설정 ────────────────────┘
    │                                                      │
    └─────────── HTTP 요청/응답 (양방향 통신) ────────────────┘

🏗️ 네트워크 스택별 처리

애플리케이션 계층 (L7) │ HTTP, DNS, TLS 핸드셰이크
세션 계층 (L5)        │ TLS/SSL 암호화
전송 계층 (L4)        │ TCP 연결 관리
네트워크 계층 (L3)     │ IP 라우팅
데이터링크 계층 (L2)   │ MAC 주소 매핑
물리 계층 (L1)        │ 실제 네트워크 전송

⏱️ 시간별 처리 순서

DNS 해석 (1-100ms) → TCP 연결 (10-100ms) → TLS 핸드셰이크 (50-200ms)
→ HTTP 요청/응답 (10-500ms) → 브라우저 렌더링 (100-2000ms)

🚀 성능 최적화 포인트

DNS 캐싱: 반복 질의 시간 단축
HTTP/2 멀티플렉싱: 병렬 리소스 다운로드
CDN 활용: 지역별 서버 분산
Keep-Alive: TCP 연결 재사용
압축: Gzip/Brotli로 전송 데이터 크기 감소

🔒 보안 요소

HTTPS/TLS: 데이터 암호화
인증서 검증: 서버 신원 확인
HSTS: 강제 HTTPS 연결
CSP: 콘텐츠 보안 정책

자료 출처

Geeksforgeeks
AVG
Tistory
ChatGPT

What? Why?#

OSI 모델과의 차이점#

Application#

Network Access#

계층별 특징#

L4, Application#

L3, Transport#

L2, Internet#

L1, Network Access#

TCP vs IP#

TCP(Transmission Control Protocol)#

IP(Internet Protocol)#

동작 원리#

🌐 흐름도#

🔄 데이터 흐름 분석#

🏗️ 네트워크 스택별 처리#

⏱️ 시간별 처리 순서#

🚀 성능 최적화 포인트#

🔒 보안 요소#

자료 출처#