TLS¶

1. Internet Protocol (IP)¶

1.1 IP란?¶

네트워크 계층(Layer 3) 프로토콜
데이터를 패킷 단위로 전송
각 호스트를 IP 주소로 식별

1.2 IP Packet 구조¶

IP 패킷은 Header와 Data(Payload) 로 구성된다.

IPv4 Header (20~60 bytes)¶

필드	크기	설명
Version	4 bit	IP 버전 (IPv4 = 4)
IHL (Internet Header Length)	4 bit	헤더 길이 (단위: 32-bit words)
Total Length	16 bit	패킷 전체 길이 (헤더 + 데이터)
Identification	16 bit	단편화된 패킷 식별
Flags	3 bit	단편화 제어 (DF, MF)
Fragment Offset	13 bit	단편화 위치
TTL (Time To Live)	8 bit	라우터 홉 수 제한, 홉마다 1씩 감소
Protocol	8 bit	상위 프로토콜 (TCP=6, UDP=17, ICMP=1)
Header Checksum	16 bit	헤더 오류 검출
Source IP Address	32 bit	출발지 IP
Destination IP Address	32 bit	목적지 IP
Options	가변	선택적 옵션 필드

1.3 IP의 특징¶

비연결형(Connectionless): 사전 연결 설정 없이 패킷 전송
비신뢰성(Unreliable): 패킷 전달 보장 없음 (손실·순서 뒤바뀜 가능)
최선형 전달(Best-Effort Delivery): 전달을 위해 최선을 다하지만 보장하지 않음

2. ICMP (Internet Control Message Protocol)¶

2.1 ICMP란?¶

IP 위에서 동작하는 네트워크 진단·오류 보고 프로토콜
IP 패킷의 Protocol 필드 = 1

2.2 주요 ICMP 메시지 타입¶

타입	이름	설명
0	Echo Reply	Ping 응답
3	Destination Unreachable	목적지 도달 불가
8	Echo Request	Ping 요청
11	Time Exceeded	TTL 만료

2.3 Ping¶

Echo Request(Type 8)를 보내고 Echo Reply(Type 0)를 받아 연결 상태 확인
RTT(Round Trip Time) 측정 가능

2.4 Traceroute¶

TTL을 1부터 점진적으로 증가시키며 전송
각 라우터에서 TTL 만료 시 Time Exceeded(Type 11) 메시지 반환
이를 통해 경로상의 각 라우터(홉) 를 추적

3. ARP (Address Resolution Protocol)¶

3.1 ARP란?¶

IP 주소 → MAC 주소 변환 프로토콜
같은 네트워크(LAN) 내에서 동작

3.2 ARP 동작 과정¶

호스트 A가 목적지 IP에 대한 MAC 주소를 모름
ARP Request 를 브로드캐스트 (FF:FF:FF:FF:FF:FF)로 전송
해당 IP를 가진 호스트 B가 ARP Reply (유니캐스트)로 자신의 MAC 주소 응답
호스트 A가 ARP Cache(Table) 에 결과 저장

3.3 ARP Cache¶

IP-MAC 매핑을 일정 시간 캐시
캐시 만료 후 다시 ARP Request 수행

4. IP Addressing¶

4.1 IPv4 주소¶

32비트, dotted decimal 표기 (예: 192.168.1.1)
Network 부분 + Host 부분 으로 구성

4.2 서브넷 마스크 (Subnet Mask)¶

네트워크 부분과 호스트 부분을 구분
예: 255.255.255.0 → 상위 24비트가 네트워크

4.3 CIDR (Classless Inter-Domain Routing)¶

클래스 기반 주소 체계의 한계를 극복
슬래시 표기법: 192.168.1.0/24
/24 = 상위 24비트가 네트워크 프리픽스

4.4 서브넷팅 (Subnetting)¶

하나의 네트워크를 더 작은 서브넷으로 분할
호스트 비트 일부를 서브넷 비트로 사용
예: /24 → /26 으로 분할하면 4개의 서브넷 생성 (각 62개 호스트)

4.5 특수 주소¶

주소	용도
127.0.0.1	Loopback (자기 자신)
0.0.0.0	기본 경로 / 모든 인터페이스
255.255.255.255	브로드캐스트
10.0.0.0/8, 172.16.0.0/12, 192.168.0.0/16	사설 IP 대역

5. NAT (Network Address Translation)¶

5.1 NAT란?¶

사설 IP ↔ 공인 IP 변환
라우터/게이트웨이에서 수행
IPv4 주소 부족 문제 완화

5.2 NAT 동작¶

내부 호스트(사설 IP)가 외부로 패킷 전송
NAT 장비가 Source IP를 공인 IP로 변환 + 포트 매핑
외부 응답이 돌아오면 NAT 테이블을 참조하여 원래 사설 IP로 역변환

5.3 NAT의 종류¶

Static NAT: 1:1 매핑 (사설 IP ↔ 공인 IP 고정)
Dynamic NAT: 공인 IP 풀에서 동적 할당
PAT (Port Address Translation): 하나의 공인 IP에 포트 번호로 다수 호스트 구분 (가장 일반적)

5.4 NAT의 한계¶

End-to-End 연결 모델 훼손
P2P 통신 어려움
NAT 테이블 유지 오버헤드

6. UDP (User Datagram Protocol)¶

6.1 UDP란?¶

전송 계층(Layer 4) 프로토콜
비연결형(Connectionless), 비신뢰성(Unreliable)
오버헤드가 적고 빠름

6.2 UDP Header (8 bytes)¶

필드	크기	설명
Source Port	16 bit	출발지 포트
Destination Port	16 bit	목적지 포트
Length	16 bit	UDP 헤더 + 데이터 전체 길이
Checksum	16 bit	오류 검출 (선택적)

6.3 UDP의 특징¶

핸드셰이크 없음: 바로 데이터 전송
순서 보장 없음: 패킷 도착 순서 보장하지 않음
흐름 제어 / 혼잡 제어 없음
작은 헤더 (8 bytes): TCP(20 bytes)에 비해 오버헤드 적음

6.4 UDP Multiplexing / Demultiplexing¶

포트 번호를 사용하여 여러 애플리케이션의 데이터를 구분
Multiplexing: 여러 소켓의 데이터를 하나의 UDP 세그먼트로 묶어 전송
Demultiplexing: 수신 측에서 목적지 포트 번호를 보고 해당 소켓으로 전달

6.5 UDP 사용 사례¶

DNS 질의
스트리밍 (영상·음성)
온라인 게임
DHCP
IoT / 실시간 애플리케이션

7. TCP (Transmission Control Protocol)¶

7.1 TCP란?¶

전송 계층(Layer 4) 프로토콜
연결 지향(Connection-Oriented)
신뢰성 있는 데이터 전송 보장

7.2 TCP Header (20~60 bytes)¶

필드	크기	설명
Source Port	16 bit	출발지 포트
Destination Port	16 bit	목적지 포트
Sequence Number	32 bit	바이트 스트림 내 순서 번호
Acknowledgment Number	32 bit	다음에 받기를 기대하는 바이트 번호
Data Offset (Header Length)	4 bit	TCP 헤더 길이
Flags (Control Bits)	각 1 bit	SYN, ACK, FIN, RST, PSH, URG 등
Window Size	16 bit	수신 윈도우 크기 (흐름 제어)
Checksum	16 bit	오류 검출
Urgent Pointer	16 bit	긴급 데이터 위치
Options	가변	MSS, Window Scaling, Timestamps 등

7.3 TCP 3-Way Handshake (연결 수립)¶

Client                    Server
  |                          |
  |--- SYN (seq=x) -------->|
  |                          |
  |<-- SYN+ACK (seq=y,      |
  |    ack=x+1) ------------|
  |                          |
  |--- ACK (ack=y+1) ------>|
  |                          |
  |    [Connection Established]

SYN: 클라이언트가 초기 시퀀스 번호(ISN)와 함께 연결 요청
SYN+ACK: 서버가 클라이언트의 SYN 확인 + 자신의 ISN 전송
ACK: 클라이언트가 서버의 SYN 확인 → 연결 완료

7.4 TCP 4-Way Handshake (연결 종료)¶

Client                    Server
  |                          |
  |--- FIN ----------------->|
  |                          |
  |<-- ACK -----------------|
  |                          |
  |<-- FIN -----------------|
  |                          |
  |--- ACK ----------------->|
  |                          |
  |    [Connection Closed]

FIN: 한쪽이 연결 종료 요청
ACK: 상대방이 FIN 수신 확인
FIN: 상대방도 연결 종료 요청
ACK: FIN 수신 확인 → 연결 종료

7.5 TCP Segment¶

TCP는 데이터를 세그먼트(Segment) 단위로 전송
MSS (Maximum Segment Size): 하나의 세그먼트에 담을 수 있는 최대 데이터 크기
MTU(Maximum Transmission Unit)에 의해 결정됨: MSS = MTU - IP Header - TCP Header

7.6 TCP 신뢰성 메커니즘¶

Sequence Number & Acknowledgment¶

Sequence Number: 전송하는 데이터의 바이트 단위 순서 번호
Acknowledgment Number: 수신 측이 다음으로 기대하는 바이트 번호
이를 통해 순서 보장 및 중복 탐지 가능

재전송 (Retransmission)¶

Timeout 기반 재전송: RTO(Retransmission Timeout) 내에 ACK를 받지 못하면 재전송
Fast Retransmit: 동일한 ACK를 3번 연속 수신(3 Duplicate ACKs)하면 타임아웃 전에 즉시 재전송

7.7 TCP 흐름 제어 (Flow Control)¶

수신 윈도우(Receive Window) 를 사용
수신 측이 처리할 수 있는 버퍼 크기를 Window Size 필드로 송신 측에 알림
송신 측은 수신 윈도우 크기를 초과하지 않도록 전송량 조절
슬라이딩 윈도우(Sliding Window) 방식으로 구현

7.8 TCP 혼잡 제어 (Congestion Control)¶

네트워크 혼잡을 감지하고 전송 속도를 조절하는 메커니즘.

혼잡 윈도우 (Congestion Window, cwnd)¶

송신 측이 유지하는 윈도우
실제 전송 가능량 = min(cwnd, rwnd)

주요 알고리즘¶

Slow Start - cwnd를 1 MSS에서 시작 - ACK를 받을 때마다 cwnd를 지수적으로 증가 (1→2→4→8...) - ssthresh(Slow Start Threshold) 에 도달하면 Congestion Avoidance로 전환

Congestion Avoidance - cwnd를 선형적으로 증가 (RTT당 1 MSS씩) - 패킷 손실 감지 시 조치 수행

패킷 손실 감지 시 동작

이벤트	동작
Timeout	ssthresh = cwnd/2, cwnd = 1 MSS (Slow Start 재시작)
3 Duplicate ACKs	ssthresh = cwnd/2, cwnd = ssthresh (Fast Recovery)

Fast Recovery - 3 Duplicate ACKs 수신 시 진입 - cwnd = ssthresh + 3 MSS - 이후 선형 증가 (Congestion Avoidance) - Timeout 발생 시 Slow Start로 복귀

8. TLS (Transport Layer Security)¶

8.1 TLS란?¶

전송 계층 위에서 동작하는 보안 프로토콜
TCP 연결 위에 암호화, 무결성, 인증 제공
HTTPS = HTTP + TLS

8.2 TLS가 제공하는 보안¶

보안 목표	설명
기밀성 (Confidentiality)	데이터 암호화로 도청 방지
무결성 (Integrity)	MAC(Message Authentication Code)으로 데이터 변조 탐지
인증 (Authentication)	인증서(Certificate)를 통한 서버(선택적으로 클라이언트) 신원 확인

8.3 TLS Handshake (TLS 1.2)¶

Client                          Server
  |                                |
  |--- ClientHello --------------->|
  |    (지원 cipher suites,        |
  |     클라이언트 랜덤값)            |
  |                                |
  |<-- ServerHello ----------------|
  |    (선택된 cipher suite,        |
  |     서버 랜덤값)                 |
  |<-- Certificate ----------------|
  |    (서버 인증서)                 |
  |<-- ServerHelloDone ------------|
  |                                |
  |--- ClientKeyExchange --------->|
  |    (Pre-Master Secret)         |
  |--- ChangeCipherSpec ---------->|
  |--- Finished ------------------>|
  |                                |
  |<-- ChangeCipherSpec -----------|
  |<-- Finished -------------------|
  |                                |
  |    [Encrypted Communication]   |

ClientHello: 클라이언트가 지원하는 TLS 버전, cipher suite 목록, 랜덤값 전송
ServerHello: 서버가 cipher suite 선택, 랜덤값 전송
Certificate: 서버가 인증서(공개키 포함) 전송
ServerHelloDone: 서버 핸드셰이크 메시지 완료 알림
ClientKeyExchange: 클라이언트가 Pre-Master Secret 전송 (서버 공개키로 암호화)
ChangeCipherSpec: 이후 메시지부터 암호화 적용 알림
Finished: 핸드셰이크 완료 확인

8.4 키 생성 과정¶

Client Random + Server Random + Pre-Master Secret → Master Secret 생성
Master Secret → 세션 키(Session Keys) 파생
클라이언트 암호화 키
서버 암호화 키
클라이언트 MAC 키
서버 MAC 키

8.5 TLS 1.3 개선사항¶

핸드셰이크 1-RTT로 단축 (TLS 1.2는 2-RTT)
0-RTT 재연결 지원 (이전 세션 재사용)
취약한 cipher suite 제거 (RC4, 3DES, SHA-1 등)
핸드셰이크 메시지 대부분 암호화
Diffie-Hellman 기반 키 교환만 지원 (RSA 키 교환 제거)
더 간결하고 안전한 cipher suite 구성

8.6 인증서 (Certificate)¶

X.509 표준 형식
포함 내용: 도메인 이름, 공개키, 발급자(CA), 유효 기간, 디지털 서명
CA (Certificate Authority): 인증서를 발급하고 신뢰를 보증하는 기관
인증서 체인 (Certificate Chain): Root CA → Intermediate CA → Server Certificate

8.7 TLS 사용 사례¶

HTTPS (웹 브라우징)
이메일 (SMTPS, IMAPS)
VPN
API 통신
데이터베이스 연결 암호화

9. 프로토콜 비교 요약¶

TCP vs UDP¶

항목	TCP	UDP
연결 방식	연결 지향 (3-Way Handshake)	비연결형
신뢰성	신뢰성 보장 (ACK, 재전송)	비신뢰성
순서 보장	O	X
흐름 제어	O (Window)	X
혼잡 제어	O (Slow Start, AIMD 등)	X
헤더 크기	20~60 bytes	8 bytes
속도	상대적으로 느림	빠름
사용 예	HTTP, FTP, SMTP, SSH	DNS, 스트리밍, 게임, DHCP

OSI 계층별 프로토콜 위치¶

계층	프로토콜
Application (L7)	HTTP, FTP, SMTP, DNS
Transport (L4)	TCP, UDP
Network (L3)	IP, ICMP, ARP
Data Link (L2)	Ethernet, Wi-Fi
Physical (L1)	전기 신호, 광 신호

TLS는 Transport 계층과 Application 계층 사이에 위치하여 보안 기능을 제공한다.