OSI 7계층과 TCP/IP

 

OSI 7계층

Open Systems Interconnection(개방형 시스템 상호연결)의 약자로, 네트워크에서 통신이 일어나는 과정을 7계층으로 나눈 모델.

서로 이질적인 네트워크 간의 연결에 어려움이 많아, 호환성 이슈를 방지하고자 ISO(국제 표준화 기구)에서 OSI 참조모델을 제시하게 된다.

즉, OSI 7계층은 **네트워크를 만들 때, 이것을 참조해서 만들어라 -**라는 참조모델인 것이다. 따라서 OSI 7 계층을 이해하면, 네트워크 구성을 예측하고 이해할 수 있다.

 

1계층 (Physical Layer)

1계층에서는 주로 전기적 신호를 이용해 통신 케이블로 데이터를 전송하게 된다.

사용되는 통신 단위는 비트이며, 이것은 1과 0으로 나타내어진다. 즉, 전기적으로 On, Off 상태를 표현한다.

장비로는 케이블, 리피터, 허브 등이 있다.

• 컴퓨터는 전기가 흐른다(1), 흐르지않는다(0)는 신호로 데이터를 정의한다.
• 즉 최소 두대의 컴퓨터가 통신하기 위해,0, 1의 나열을 아날로그 신호로 바꾸어 전선으로 흘려 보내고,아날로그 신호를 0, 1의 나열로 해석하는 역할을 하는 것이 Physical Layer가 하는 역할이다.
  • Physical Layer의 미디어 타입은 유선으론 구리, 광섬유 등이 있고 무선으론 공기도 가능하다.
• 하지만 이런 형태의 전자기파는 항상 0, 무한대, 0, 무한대의 주파수 범위를 갖기 때문에 이런 전기적 신호를 통과시킬 수있는 전선은 없다!고 할 수 있다. 따라서 곡선 형태의 아날로그 신호로 변경해줘야 한다.

 

2계층(Data Link Layer)

데이터 링크 계층은 직접적으로 연결 된 두 개의 노드 사이에 데이터 전송을 가능하게 하고, Pysicla 계층에서 발생한 오류를 수정하기도 한다.

2계층에서 전송되는 데이터 단위는 프레임이라 부른다.

장비로는 브리지, 스위치 등이 있다.

• 2계층을 설명하기에 앞서 각 계층은 독립적이지만, 기본적으로 상하구조 체계이기 때문에따라서 데이터 계층은 직접 연결된 이웃 컴퓨터와의 통신만을 다룬다. 이 계층에서 전송되는 데이터 단위는프레임이라 부른다. 직접 연결된 컴퓨터와의 통신만을 다루므로, 이웃의 컴퓨터를 넘어가는 통신은 데이터 링크 계층에선 관여하지 않는다.
  • 프레이밍: Physical Layer를 통해 받은 신호를 조합해 Frame 단위의 데이터 유닛으로 만들어 처리
  • 흐름제어: 데이터를 송수신 시, 너무 많거나 너무 적은 데이터를 송수신하지 않도록 흐름제어
  • 오류제어: 프레임 전송 시 발생한 오류를 복원하거나 재전송
  • 접근제어: 매체 상 통신 주체(장치)가 여러 개 존재할 때, 데이터 전송 여부 결정
  • 동기화: 프레임 구분자 (특별한 bit 패턴)
  이처럼 데이터 링크 계층은 단순히 데이터를 마구잡이로 보내지 않고 안전하게 보내는 역할도 수행한다.
• 데이터 링크 계층은 통신에 오류가 없도록 다양한 역할들을 수행한다.
• 사진을 살펴보면, 데이터링크 계층으로부터, physical 계층이 데이터를 전달받아 상대방 컴퓨터로 신호를보내고 있다.
• 윗 계층이 동작하기 위해선 아래 계층들이 잘 작동해야 함을 전제로 한다.

 

3계층 (Network Layer)

라우팅은 네트워크에서 패킷(데이터 전송 단위)을 보낼 때 목적지까지 갈 수 있는 여러경로 중 한 경로를 설정해주는 과정으로, Network Layer에서 대부분의 라우팅이 작동한다.

3계층의 장비로는 라우터, L3 스위치 등이 있다.

• 자세한 내용미국에 있는 A가 한국에 있는 B에게 데이터를 보낼 땐 어떻게 할까? 이것에 대해 다루는 것이 3계층, 네트워크 계층이다.이 계층에서 전송단위는 패킷이라 부른다. 즉, 주소(IP)를 정하고 경로를 선택하고, 패킷을 전달하는 것이 이 계층에서 이루어지고, 이것을 라우팅이라 한다. 라우팅은 네트워크에서 패킷을 보낼 때 목적지까지 갈 수 있는 여러경로 중 한 경로를 설정해주는 과정이다.
• 네트워크 계층은 전송할 데이터를 여러개의 경로를 거쳐 목적지에 전송하는 계층이다.

 

4계층 (Transport Layer)

4계층, Transport 계층에서는 보내고자 하는 데이터의 용량과, 속도, 목적지를 처리한다. 주로 이용되는 것은 TCP와 UDP 프로토콜이다.

4계층의 장비로는 L4 스위치가 있다. L3와의 차이점은 3계층에서 온 트래픽을 분석해 서비스 종류를 구분한다.

• 자세한 내용이제 우리는 모든 데이터를 송수신할 수 있게 되었다. 하지만 데이터를 주고 받는다고 끝은 아닐 것이다.반대로, UDP 프로토콜은 빠른 데이터 전송에 초점을 뒀다. 목적지에 데이터가 제대로 도착했는지는 상관하지 않는다. 따라서 신뢰성있는 데이터 전송보다 스트리밍과 같은 연속적인 특성을 가진 서비스에 UDP 프로토콜이 적합하다고 할 수 있다.
• TCP 프로토콜은 신뢰성있는 통신을 보장하고, 신뢰성있는 연결과 전달을 보장하는만큼 계속 연결을 유지해야 해서 그만큼의 리소스가 더 들어간다.
• 대표적으로 TCP 프로토콜과UDP 프로토콜이 있다.
• 4계층, Transport 계층에서는 사용자들이 신뢰성있는 데이터를 받을수 있도록 전송 속도를 조절하거나, 오류가 발생하면 맞춰주는 역할을 한다.

 

5계층 (Session Layer)

Physical Layer(1계층) ~ Transport Layer(4계층)의 주된 기능은 데이터를 전달하는 것이다.

5계층부터는 데이터를 송수신하는 양쪽 종점 컴퓨터 내의 프로세스들 간의 통신 프로토콜이라 할 수 있다.

세션 계층(Session Layer, 5계층)에서는 응용 프로그램 간의 통신을 하기 위한 세션을 운영체제를 통해 확립, 유지, 중단하는 작업을 수행한다.

즉, 응용 프로그램들 간의 접속을 설정, 유지하고 끊어질 경우 데이터를 재전송하거나 연결을 복구한다.

세션 계층 역할 요약

• 사용자 위주의 논리적인 연결 서비스 제공
• 전송모드 설정 (반이중, 전이중, 단방향, 병렬, 직렬, 동기, 비동기)
• 대화와 동기를 위한 데이터 교환 관리
• 토큰 (Token: 특정 서비스 요구 권리)
• 세션
  1. 네트워크 환경에서 사용자 간 또는 컴퓨터 간의 대화를 위한 논리적 연결
     • 물리적 연결: 케이블을 통해 직접 연결되는 통신
     • 논리적 연결: 물리적 연결 외에 IP(논리주소), MAC address(물리주소) 등을 통해 통신
  2. 프로세스들 사이에 통신을 수행하기 위해서 메시지 교환을 통해 서로를 인식 한 이후부터 통신을 마칠 때까지의 기간.
• 동기화
  • 예시)우리는 로그인을 통해 다양한 응용프로그램과 세션을 이루면서 데이터를 주고받는다. 여러 프로그램에 동시에 로그인할 수도 있으며 로그아웃할 때까지 통신관리 및 동기화가 이루어진다.
• 세션계층의 중요한 기능에는 동기화가 있다. 동기란 통신 양단에서 서로 동의하는 논리적인 공통처리 지점으로써, 동기점을 설정하기 위해 사용된다.동기점이 설정된다는 의미는 그 이전까지의 통신은 서로 완벽하게 처리했다는 것을 뜻한다.이를 통해 송수신 중 오류가 발생하면, 처음부터가 아닌 동기화 이후부터 다시 재전송한다.

 

6계층 (Presentation Layer)

Presentation 계층은 7계층(Application Layer)에서 넘겨받은 데이터를 Session Layer(5계층)이 다룰 수 있는 데이터로 바꾸고, 반대로 Session Layer에서 넘겨받은 데이터를 Application Layer가 이해할 수 있는 형태로 바꾸고 전달한다.

또 그러한 데이터를 안전하게 사용하기 위해 암호화 / 복호화도 진행한다.

즉, 사용자들이 상위나 하위계층에서 사용하는 데이터 표현양식과 무관하게 사용할 수 있도록 해주는 환경을 제공한다.

• 예시)EBCDIC로 인코딩된 문서 파일을 ASCII로 인코딩된 파일로 바꿔 주기,해당 데이터가 TEXT인지, 그림인지, GIF인지 JPG인지의 구분해주기.

프리젠테이션 계층 역할 요약

• 응용 계층의 다양한 정보 표현 양식을 수용
• 사용자가 이해하는 문장(추상구문)을 전송형태의 구문(전송구문)으로 변환
• 암호화, 데이터 압축 수행

 

7계층 (Application Layer)

응용 계층(Application layer)은 유저와 가장 가까운 층으로, 응용 프로세스(크롬이란 웹 클라이언트에 접속해)와 직접 관계해 일반적인 응용 서비스(HTTP 프로토콜 등)를 수행한다.

 

응용 계층 역할 요약

전송된 메일, 사진, 동영상 등이 크롬이나 사파리 등의 응용프로그램을 통해 사용자가 눈으로 확인할 수 있는 과정이며, 이 데이터들은 해당되는 프로토콜(HTTP, FTP, SMTP 등)에 의해 처리된다.

예시)

• HTTP라는 Application Layer의 프로토콜은 응용 프로그램인 웹이나 브라우저에 필요한 데이터를 송수신할 때 사용한다.
• FTP는 파일 전송 프로토콜로 서버와 클라이언트 사이의 파일을 주고 받을 때 사용한다.

데이터 캡슐화

데이터를 보낼 때는 7계층 → 1계층으로 간다. 이 과정에서 캡슐화를 하게 되는데 각 계층은 다른 계층과 통신할 때 데이터에 특정 정보가 들어있는 Header 와 Footer 를 추가한 후 다른 계층으로 전달한다.

PDU(Protocol Data Unit)은 프로토콜 데이터 단위이며 OSI 모델의 정보 처리 단위이다.(2계층의 데이터 PDU는 프레임) 아래 계층으로 내려갈수록 PDU 에는 다양한 프로토콜에 의해 Header 와 Footer 가 더해진다.

반대로 데이터를 받은 컴퓨터가 PDU로부터 프로토콜의 Header 와 Footer 를 분석하며 올라가 마지막 응용 계층에 도달하면 원본 데이터만 남는다.(디캡슐화)

OSI 7계층은 장비 개발, 통신 자체에 대한 표준으로 사용되지만, 실제 통신 자체는 보통 TCP/IP를 사용한다.

TCP/IP는 OSI보다 먼저 개발되었으며, 지속적으로 표준화되어 신뢰성이 우수하다.

 

TCP/IP 4계층

• ARPANET이 개발된 이후 현재의 인터넷으로 발전해나가는 과정에서 대부분의 데이터 통신이 TCP와 IP기반으로 이루어졌기 때문에 인터넷 프로토콜 그 자체를 표현하는 용어
• 사실상 인터넷 프로토콜을 대표하는 용어로 사용
• TCP/IP는 현재 인터넷에서 컴퓨터들이 서로 정보를 주고받는데 쓰이는 통신규약(프로토콜)의 모음

1계층 - 네트워크 액세스 계층(Network Access Layer)

• OSI 7계층의 물리계층과 데이터 링크 계층에 해당
• 물리적인 주소로 MAC을 사용
• CSMA/CD, MAC, LAN, X25, 패킷망, 위성 통신, 다이얼 모뎀, LAN, 패킷망 등
• Ehternet(이더넷), Token Ring, PPP 등등

2계층 - 인터넷 계층(Internet Layer)

• OSI 7계층의 네트워크 계층에 해당
• 통신 노드 간의 IP패킷을 전송하는 기능과 라우팅 기능을 담당
• IP, ICMP, ARP, RARP, OSPF, BGP 등등

3계층 - 전송 계층(Transport Layer)

• OSI 7계층의 전송 계층에 해당
• 통신 노드 간의 연결을 제어하고, 신뢰성 있는 데이터를 전송
• TCP, UDP 등등

4계층 - 응용 계층(Application Layer)

• OSI 7계층의 세션 계층, 표현 계층, 응용 계층에 해당
• TCP/UDP 기반의 응용 프로그램을 구현할 때 사용
• SMTP, FTP, HTTP, SSH, DNS 등등

 

TCP 와 UDP

TCP와 UDP는 TCP/IP의 전송계층에서 사용되는 프로토콜이다. 전송계층은 IP에 의해 전달되는 패킷의 오류를 검사하고 재전송 요구 등의 제어를 담당하는 계층이다.

TCP는 Transmission Control Protocol의 약자이고, UDP는 User Datagram Protocol의 약자이다. 두 프로토콜은 모두 패킷을 한 컴퓨터에서 다른 컴퓨터로 전달해주는 IP 프로토콜을 기반으로 구현되어 있지만, 서로 다른 특징을 가지고 있다.

TCP의 데이터 송신 과정

UDP의 데이터 송신 과정

TCP	UDP
Connection-oriented protocol (연결지향형 프로토콜)	Connection-less protocol (비 연결지향형 프로토콜)
Connection by byte stream (바이트 스트림을 통한 연결)	Connection by message stream(메시지 스트림을 통한 연결)
Congestion / Flow control (혼잡제어, 흐름제어)	NO Congestion / Flow control (혼잡제어와 흐름제어 지원 X)
Ordered, Lower speed (순서 보장, 상대적으로 느림)	Not ordered, Higer speed (순서 보장되지 않음, 상대적으로 빠름)
Reliable data transmission (신뢰성 있는 데이터 전송 - 안정적)	Unreliable data transmission (데이터 전송 보장 X)
TCP packet : Segment (세그먼트 TCP 패킷)	UDP packet : Datagram (데이터그램 UDP 패킷)
HTTP, Email, File transfer에서 사용	DNS, Broadcasting (도메인, 실시간 동영상 서비스에서 사용)

 

Notion : https://noyclah.notion.site/OSI-7-TCP-IP-SPA-9458765687dd4fd1919a7dea29844e3f