[네트워크] OSI 7 계층과 TCP/IP 5 계층

 

 

OSI 7 계층이란

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국제표준화기구(ISO)에서 개발한 모델로, 컴퓨터 네트워크 프로토콜 디자인과 통신을 계층으로 나누어 설명한 것이다.

과거 OSI 7 계층모델은 간략화된 TCP/IP 4 계층 모델로 대체되었지만, 현대의 인터넷은 좀 더 세분화된 TCP/IP 5 계층을 주로 사용한다. 

 

각 계층은 하위 계층의 기능을 이용하고 상위 계층에게 기능을 제공한다. 예를 들어 응용 계층의 HTTP 프로토콜은 전송 계층의 TCP 프로토콜과 네트워크 계층의 IP 프로토콜을 이용해서 작동한다.

 

 

그렇다면 계층은 왜 나누고, 왜 알아야 할까? 

 

계층을 나누면 통신이 일어나는 과정을 단계별로 알 수 있고, 특정한 곳에 이상이 생기면 그 단계만 수정할 수 있기 때문이다.

또한 데이터 전송과정을 단계적으로 이해함으로써, 네트워크 기반 서비스를 설계할 수 있다.

각 계층의 역할과 발생할 수 있는 문제를 이해함으로써 네트워크 문제를 빠르게 추적하고 해결할 수 있다. 

 

 

각 계층별 역할을 알아보고, 계층 모델 관점에서 바라본 데이터 전송과정을 정리해보자.

 

 

L1 물리 계층 (Physical Layer)

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모든 프로그램은 0과 1의 나열인 Binary 데이터이다.

두 대의 컴퓨터가 통신하려면 Binary 데이터를 주고받으면 되는데 이 과정에서는 변환 작업이 필요하다. 

즉, 물리 계층에서는 이 변환 작업을 해주는 모듈이다.

 

물리 계층에서는 Binary 데이터를 아날로그 신호로 변환해서 전선으로 흘려보내고 (encoding)

아날로그 신호가 들어오면 Binary 데이터로 해석하여 (decoding)

물리적으로 연결된 두 대의 컴퓨터 Binary 데이터를 주고받을 수 있게 해 준다. 

 

실제로 이 모듈은 PHY칩에 하드웨어적으로 구현되어 있으며,

네트워크 인터페이스 카드(NIC), 무선 네트워크 인터페이스 카드(WNIC), 라우터, 스위치 등 네트워킹 장비 내부에 내장되어 있다.

 

 

전 세계의 수많은 컴퓨터가 연결되려면?

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그렇다면 전 세계의 수많은 컴퓨터들과 통신하기 위해선 어떻게 연결되어있는지 알아보자

 

1. 더미허브(DummyHub)

물리 계층에서 통신을 전선을 통해 주고받은 것처럼 컴퓨터 간 통신을 위해서 모든 컴퓨터가 전선으로 연결되어 있어야 한다면, 수십 대의 컴퓨터를 통신하기 위해선 수십 개의 전선이 필요할 것이고, 비용도 어마무시하게 커질 것이다. 

그래서 전선 하나로 여러 대의 컴퓨터와 통신할 방법을 모색하였는데, 바로 더미허브(DummyHub)이다.

더미허브는 위의 그림처럼 여러 대의 컴퓨터들을 하나의 전선으로 연결해 주는 역할을 한다.

다른 추가 기능 없이 허브의 역할만 담당하며 연결된 모든 곳으로 전파를 보낸다. 

그래서 A는 C한테만 데이터를 전송하고 싶어도 같은 더미허브로 연결된 다른 컴퓨터인 B와 D에도 데이터가 전송된다. 

또한 더미허브만으로 네트워크를 구성하면 충돌 가능성이 높아진다.

 

 

2. 스위치(Switch)

데이터의 목적지를 확인하여 전송할 필요성을 느꼈고, 그 기능을 하는 것이 스위치(L2 스위치)이다. 

스위치는 LAN(Local Area Network)에서 장치를 함께 연결하는 네트워킹 장치로, 장치의 MAC주소를 사용해서 데이터를 원하는 대상으로 전달한다. A가 보낸 데이터를 C만 받아볼 수 있게 된 것이다.

스위치는 데이터 링크 계층에서 작동한다.

 

 

3. 라우터(Router)

하나의 스위치로 연결되어 있는 기기들을 하나의 네트워크에 속해있다고 한다. 

그런데 서로 다른 네트워크에 속한 컴퓨터끼리 통신을 가능하게 하려면 네트워크 간의 연결이 필요한데 이 기능을 해주는 장비를 라우터라고 한다. 라우터는 라우팅을 능동적으로 수행하는 장치이다. 라우팅은 아래에서 설명한다.

스위치 + 라우터 = L3 스위치 라고 하고, 이는 우리가 흔히 아는 공유기이다. 

라우터를 통해 컴퓨터 A는 다른 네트워크에 속한 컴퓨터 H에게 데이터를 전송할 수 있게 된다. 

 

이런 식으로 전 세계의 네트워크들은 해저 광테이블로 연결되어 있고, 이것을 인터넷이라고 한다. 

 

 

L2 데이터 링크 계층 (Data Link Layer)

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한 네트워크 안에서 여러 컴퓨터가 한 컴퓨터로 동시에 데이터를 보내게 되면, 데이터가 뒤섞여 잘못된 데이터가 전달될 수 있다. 이를 위해 송신자(전송자)는 데이터의 앞뒤에 특정 비트열을 붙여서 전송하게 되는데 이를 프레임(frame)이라고 한다. 이렇게 되면 수신자는 여러 발송지로부터 전달받은 데이터를 잘 끊어 읽을 수 있게 된다. 

또한, 스위치를 사용해 해당 MAC 주소로 데이터를 전달한다. 

 

즉 데이터 링크 계층은 같은 네트워크에 있는 여러 대의 컴퓨터들이 데이터를 주고받기 위해 필요한 모듈이다.

이 모듈은 물리 계층과 같은 NIC 등의 네트워킹 장비 내부에 하드웨어 적으로 구현되어 있으며, 주로 컴퓨터와 노트북에 내장되어 있다.

물리 계층과 데이터 링크 계층까지의 동작을 이해하기 위한 그림이다.

 

 

L3 네트워크 계층(Network Layer)

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데이터 링크 계층이 같은 네트워크에 있는 컴퓨터 간의 통신이었다면, 서로 다른 네트워크에 있는 컴퓨터와는 어떻게 데이터를 주고받을 수 있을까?

위의 그림처럼 A에서 B로 데이터를 전달하려고 한다.

 

먼저 B 컴퓨터의 IP 주소를 알아야 한다.

이 IP 주소는 도메인 주소를 통해 알 수가 있는데 DNS 프로토콜을 통해서 도메인 주소로 목적지 서버의 IP 주소를 얻을 수 있다.

 

이렇게 얻은 IP 주소를 data에 붙여서 전송하는데 이를 패킷(packet)이라고 한다.

데이터링크 계층에서 패킷에 헤더를 추가해 프레임을 생성하고, 물리 계층을 거쳐 아날로그 신호로 인코딩되어 네트워크를 통해 전송된다. 

 

그럼 그 후에 수많은 라우터 중 어떻게 길을 찾아서 목적지 서버가 연결된 라우터도 도달할 수 있을까?

바로, 패킷은 라우팅을 통해 목적지 서버가 연결된 라우터에 도달할 수 있다.

 

라우팅이란?

라우팅 테이블의 경로 정보를 기반으로 현재의 네트워크에서 다른 네트워크로 최적의 경로를 통해 데이터를 전송하는 기법이다. 

라우팅 테이블이란?
라우팅 정보가 저장되는 테이블을 말한다.
라우팅 정보는 라우팅 계산에 필요한 요소(토폴로지, 트래픽 부하 여부, 링크 비용, 메시지 등)를 기반으로 라우팅 프로토콜을 통해 계산되는 정보를 말한다.

라우팅 프로토콜이란?
라우터 간 통신 방식을 규정하는 통신 규약이다.
하나의 AS(Autonomous System) 내에 있는 라우터 간에 사용되는 프로토콜을 IGP(Interior Gateway Protocol), 다른 AS에 속하는 라우터 간에 사용되는 프로토콜을 EGP(Exterior Gateway Protocol)라고 부른다.
IGP에는 대표적으로 벨만 포드 알고리즘으로 구현된 Distance Vector Protocol과, 다익스트라 알고리즘으로 구현된 Link State Protocol이 있고, EGP에는 Path Vector Protocol이 있다.

 

이러한 과정으로 패킷은 최적의 경로를 통해 목적지 서버가 연결된 라우터에 도착하게 된다. 

라우터에서 패킷을 열어 IP 주소를 확인하고, 해당 IP 주소의 컴퓨터로 데이터가 전달된다. 

 

즉 네트워크 계층은 수많은 네트워크들의 연결로 이루어진 inter-network 속에서 어딘가에 있는 목적지 컴퓨터로 데이터를 전송하기 위해 IP 주소로 길을 찾고(routing), 자신의 다음 라우터에게 패킷을 넘겨주는 기능을 하는 모듈이다. 

네트워크 계층은 운영체제의 커널에 소프트웨어적으로 구현되어 있다. 

 

 

L4 Transport Layer(전송 계층)

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네트워크 계층까지만 해도 인터넷상의 모든 컴퓨터가 서로 다 통신할 수 있게 되었다.

그런데 IP 주소로 목적지 컴퓨터에 도착했을 때 컴퓨터에 여러 개의 프로그램이 실행 중이라면 어떤 프로세스에 데이터가 가야 할지 알 수가 없다. 

 

바로 이를 위해 목적지 컴퓨터에 있는 프로세스의 포트번호를 알아야 한다. 우리는 목적지 서버의 포트 번호를 80으로 이미 알고 있다. 80은 웹서버의 웰노운 포트번호이다.

 

목적지 서버의 포트번호를 패킷에 담아서 네트워크 계층을 거쳐 IP 주소가 패킷에 담기고, 데이터 링크 계층을 거쳐 프레임을 생성하고 마지막 물리 계층을 거쳐서 아날로그 신호로 변환되어 통신 케이블을 통해 네트워크로 전송된다. 

 

즉, 전송 계층은 포트번호를 사용하여 도착지 컴퓨터의 최종 목적지인 프로세스에까지 데이터가 도달하게 하는 모듈이다. 전송계층은 운영체제의 커널에 소프트웨어적으로 구현되어 있다. 

 

🔽전송계층의 TCP, UDP 프로토콜

[네트워크] TCP와 UDP의 차이 (3 way handshaking)

 

 

L5 Session Layer(세션 계층)

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TCP/IP 모델에선 응용 계층과 통함 됨

세션이란?

웹 사이트의 여러 페이지에 걸쳐 사용되는 사용자 정보를 저장하는 방법을 의미한다. 사용자가 브라우저를 닫아 서버와의 연결을 끝내는 시점까지를 세션이라고 한다. 

🍪 쿠키 vs 세션 
쿠키는 클라이언트 측의 컴퓨터에 모든 데이터를 저장한다.(로그인 정보, 장바구니 정보저장 용도로 활용)
세션은 서비스가 돌아가는 서버 측에 데이터를 저장하고, 세션의 키값만을 클라이언트 측에 남겨둔다. 브라우저는 필요할 때마다 이 키값을 이용하여 서버에 저장된 데이터를 사용하게 된다. 
세션은 보안에 취약한 쿠키를 보완해 주는 역할을 하고 있다. 

 

세션 계층은 네트워크 상 양쪽 연결을 관리하고 연결을 지속시켜 주는 계층이다.

TCP/IP 세션을 만들고 유지하며, 연결된 세션으로 데이터를 교환하고, 세션이 종료되거나 전송이 중단될 시 복구하는 기능이 있다. 더불어 통신하는 사용자들을 동기화한다는 특징이 있다. 

통신 연결은 포트 기반으로 구성하여 연결하며, 운영체제가 통신을 하기 위한 세션 확립/유지/중단 과정을 해준다. 

OS가 속하는 계층이다. 

 

 

L6 Presentation Layer(표현 계층)

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TCP/IP 모델에선 응용 계층과 통함 됨

 

표현계층은 데이터를 어떻게 표현할지(데이터의 형식)를 결정하는 계층이다.

MIME 인코딩이나 암호화 등의 동작이 이 계층에서 이루어진다. 

예를 들어, EBCDID로 인코딩 된 문서 파일을 ASCII로 인코딩 된 파일로 바꿔 주는 것이나 특정 데이터가 text인지, gif인지, jpg인지 등의 구분을 해준다.

표현계층은 이렇게 코드 간의 번역을 담당하여 응용 계층으로부터 데이터의 형식 상 차이를 다루는 부담을 덜어준다. 

 

 

L7 Application Layer(응용 계층)

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응용 계층은 응용 프로세스와 직접 관계하여 일반적인 응용 서비스를 수행하는 역할을 담당하는 계층이다.

일반적인 응용 서비스란 응용 프로세스 간의 전환을 제공하는 것을 의미한다.

 

인터넷 애플리케이션에서는 HTTP(인터넷 접속), FTP(파일 전송), SMTP(전자메일 전송), Telnet(원격 로그인) 등과 같은 많은 프로토콜을 포함한다. 

한 엔드 시스템에 있는 애플리케이션이 다른 엔드 시스템에 있는 애플리케이션과 정보 패킷(Message)을 교환하는데 이때 위의 프로토콜들을 사용한다. 

엔드 시스템이란?
네트워크에서 사용자의 직접적인 상호작용을 담당하는 컴퓨팅 장치로
일반적으로 사용자의 컴퓨터, 노트북, 태블릿 또는 서버와 같은 장치를 가리킨다.

 

 

OSI 7계층 관점에서 바라본 데이터 전송 과정 정리

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각 계층에서 통신 프로토콜의 특성을 포함한 정보를 헤더에 포함시켜서 하위 계층에 전달하고(캡슐화),

이것은 최종적으로 물리 계층에서 Binary 데이터가 아날로그 신호로 변환되어 케이블을 통해 전기 신호로 전송된다. 

수신측에서는 캡슐화된 데이터의 헤더를 역순으로 하나씩 제거하면서(역캡슐화) 상위 계층으로 전달하고,

최종적으로 원본 데이터를 수신하게 된다. 

 

 

 

 

 

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🩷 참고 링크

[Server Study] 네트워크(Network)와 프로토콜(Protocol), OSI 7 계층(Layer)

[네트워크] OSI 7 계층

[네트워크] 더미허브, 브릿지, 스위치, 라우터에 대해 알아보자

[네트워크] 라우팅

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