[네트워크] OSI 7 Layer와 TCP/IP

네트워크(Network)

사용자 혹은 데이터가 어떤 곳에서 다른 곳으로 이동할 수 있게 만든 통로입니다. 현대의 네트워크는 TCP/IP를 이용하고 어떤 곳에서든 접근할 수 있게 해줍니다.

1. OSI(Open System Interconnection) 7 Layer?

OSI 7 Layer는 네트워크에서 통신이 일어나는 과정을 7단계로 나눈 네트워크 분야에서 가장 중요하게 다루는 것으로, 세계적으로 사용되고 있는 네트워크 표준 모델입니다. 이 안에 TCP/IP 및 네트워크 통신에 사용되는 전반적인 프로토콜이 모두 포함되어 있습니다.

1.1 OSI를 7 Layer로 나눈 이유는?

통신이 일어나는 과정을 단계별로 파악하기 위해서입니다. 흐름을 한 눈에 파악하기 쉬우며, 이해하기 쉽고, 7 계층 중 특정한 곳에 이상이 생기면 다른 단계의 장비 및 소프트웨어를 건드리지 않고도 이상이 생긴 단계만 고쳐 문제를 해결할 수 있습니다.

It is because of the fact that it will be easy for troubleshooting the network problems. Only the layer in which the problem exist will be modified. Other layers are left untouched.

e.g.

PC방에서 배틀그라운드 중에 연결이 끊겼을 때, 어디서 문제가 생겼는 지 역으로 추정할 수 있다.

• 모든 PC에 같은 문제가 생김 => L3 || L1(라우터의 문제이거나 광랜을 제공하는 통신사의 회선 문제)
• 한 PC만 문제가 있음 => L2 || L7 (배틀그라운드 소프트웨어의 문제이거나 스위치의 문제)

OSI 7 Layer

L1: 물리층(Physical Layer)

주로 전기적, 기계적, 기능적인 특성을 이용하여 통신 케이블로 데이터를 전송합니다.
이 계층에서는 단지 데이터를 전송만 할 뿐, 전송하려는 데이터가 무엇인지, 받으려는 데이터가 무엇인지, 어떤 에러가 있는 지 등에는 전혀 신경쓰지 않습니다. 단지, 데이터를 전기적인 신호로 변환해서 주고받는 기능만 할 뿐입니다.

통신 단위

이 계층에서 사용되는 통신 단위는 bit이며 데이터를 전기적으로 ON, OFF 상태를 나타내는 1과 0로 표현하여 통신합니다. 이 실제로 장치들을 연결하기 위한 물리적인 사항을 정의합니다.

대표 장비

• 통신 케이블
• 리퍼터
• 허브

L2: 데이터 링크층(Data Link Layer)

L1(물리층)을 통해 송수신되는 정보의 오류와 흐름을 관리하여 안전한 정보 전달을 보장하는 역할을 합니다. 따라서 통신에서의 오류도 찾아주고, 재전송하는 기능을 가지고 있습니다. 이 계층에서는 MAC주소를 가지고 통신을 합니다.
L2(데이터 링크층)은 포인트 투 포인트(Point-to-Point)간의 신뢰성있는 전송을 보장하기 위한 계층으로, CRC기반의 오류 제어와 흐름 제어가 필요합니다. 네트워크 위의 개체들 간의 데이터를 전달하고, 물리 계층에서 발생할 수 있는 오류를 찾아낸 뒤, 수정하는 데 필요한 기능적, 절차적 수단을 제공합니다.
주소 값은 물리적으로 할당받는데, 이는 네트워크 카드가 만들어질 때부터 MAC 주소가 정해져 있다는 뜻입니다.
주소 체계는 계층이 없는 단일 구조로, L2의 가장 잘 알려진 예는 이더넷입니다. 이 외에도 HDLC나 ADCCP 같은 포인트 투 포인트(Point-to-Point)프로토콜이나 패킷 스위칭 네트워크, LLC, ALOHA같은 근거리 네트워크용 프로토콜도 있습니다.
네트워크 브릿지나 스위치 등이 이 계층에서 동자가며, 직접 이어진 곳에만 연결할 수 있습니다.

통신 단위.

이 계층에서 전송되는 단위를 frame이라고 합니다.

대표 장비

• 브리지
• 스위치

L3: 네트워크층(Network Layer)

데이터를 목적지까지 가장 안전하고 빠르게 전달하는 기능(Routing)을 합니다. 여기에 사용되는 프로토콜은 종류도 다양하고, Routing하는 기술도 다양합니다.
여러개의 노드를 거칠 때마다 경로를 찾아주는 역할을 하고, 다양한 길이의 데이터를 네이트워크를 통해 전달하고, 그 과정에서 전송 계층이 요구하는 서비스 품질(QoS)를 제공하기 위한 기능적, 절차적 수단을 제공합니다.
L3에서는 라우팅, 흐름 제어, 세그멘테이션, 오류 제어, 인터네트워킹 등을 수행합니다.
네트워크 관리자가 직접 주소를 할당하는 논리적이고 계층적인 주소 구조(IP)를 가집니다.
서브네트의 최상위 계층으로 경로를 설정하고, 청구 정보를 관리합니다. 개방형 시스템들의 사이에서 네트워크 연결을 설정, 유지, 해제하는 기능을 부여하고, 전송 계층 사이에 네트워크 서비스 데이터 유닛(NSDU: Network Service Data Unit)을 교환하는 기능을 제공합니다.

대표 장비

• 라우터
• L3 스위치

IP Layer

TCP/IP 상에서 IP Layer이란 네트워크의 주소(IP 주소)를 정의하고, IP 패킷의 전달 및 라우팅을 담당하는 계층을 의미합니다.
OSI 7 Layer의 관점에서 보면 IP Layer는 패킷을 목적지까지 전달하는 역할과 그에 수반되는 기타 역할을 하는 L3(네트워크층)에 해당합니다.
IP Layer에서는 그 하위 Layer인 L2(데이터 링크층)의 하드웨어적인 특성에 관계없이 독립적인 역할을 수행합니다.

IP Layer에서의 주요 프로토콜

• 패킷의 전달을 책임지는 IP
• 패킷의 전달 에러의 보고 및 진단을 위한 ICMP
• 복잡한 네트워크에서 인터네트워킹을 위한 경로를 찾게 해주는 라우팅 프로토콜

IP Protocol

TCP/IP기반의 인터넷 망을 통하여 데이터그램을 전달하는 프로토콜입니다.

주요 기능

• IP Layer에서 IP 패킷의 라우팅 대상이 됩니다.
• IP 주소를 지정합니다.
• 신뢰성 및 흐름제어 기능이 없습니다. => Best Effort Service
• 신뢰성을 확보하려면 IP Layer 위의 TCP와 같은 상튀 트랜스포트 계층에 의존해야합니다.
• 비연결성 데이터그램 방식으로 전달되는 프로토콜입니다. => Connectionless
• 패킷의 완전한 전달(소실, 중복, 지연, 순서바뀜 등이 없음)을 보장하지 않습니다. => Unreliable
• IP 패킷 Header 내 수신 및 발신 주소를 포함합니다. => IPv4 Header, IPv6 Header, IP Address
• IP Header 내에 Byte 전달 순서: 최상위 바이트(MSB)를 먼저 보냅니다. => Big-endian
• 경우에 따라서는 단편화가 필요합니다. => IP 단편화
• TCP, UDP, ICMP, IGMP등 IP 데이타그램에 실려서 전송합니다.

L4: 전송층(Transport Layer)

통신을 활성화하기 위한 계층입니다. 보통 TCP Protocol을 이용하며, 포트를 열어서 응용프로그램들이 전송할 수 있게합니다.
만약 데이터가 왔다면, L4(전송층)에서 해당 데이터를 하나로 합쳐 L5(세션층)에 보내줍니다.
단대단 오류제어 및 흐름제어를 하며, 이 Layer까지는 물리적인 계층에 속합니다.(TCP/UDP Protocol 사용)
L4(전송층)은 오류검출 및 복구와 흐름제어, 중복검사 등을 수행하여 양 끝단(End to End)의 사용자들이 신뢰성 있는 데이터를 주고 받을 수 있게 해주어, 상위 Layer들이 데이터 전달의 유효성이나 효율성을 생각하지 않도록 해줍니다. 시퀀스 넘버 기반의 오류 제어 방식을 사용합니다. 특정 연결의 유효성을 제어하고, 일부 프로토콜은 상태의 개념이 있으며, 연결 기반(Connection Oriented)입니다.
이는 전송 계층이 패킷들의 전송이 유효한 지 확인하고 전송 실패한 패킷들을 다시 전송한다는 것을 의미합니다.

대표

• TCP

TCP(Transmission Control Protocol)

L4(전송층) 프로토콜의 종류 중 하나입니다.
양종단 호스트 내 프로세스 상호간의 신뢰적인 연결지향적 서비스를 제공합니다.

• IP의 비신뢰적인 최선현 서비스에 신뢰적인 연결지향적 서비스를 제공합니다.
• 신뢰할 수 있는 전송을 보장하여, 어플리케이션 구현이 한층 더 쉬워집니다.

TCP의 특성

1. 신뢰성 있음 (Reliable)
   패킷 손실, 중복, 순서바뀜 등이 없도록 보장합니다. TCP 하위계층인 IP 계층의 신뢰성 없는 서비스를 보완하기 위해 다방면으로 신뢰성을 제공합니다.
2. 연결지향적 (Connection-Oriented)
   같은 L4의 UDP가 비연결성(Connectionless)인 것과 달리, TCP는 연결지향적(Connection-Oriented)입니다.
   TCP는 느슨한 연결(Loosly Connected)을 갖기 때문에 강한 연결을 의미하는 가상회선보다는 연결지향적(Connection-Oriented)이라고 말하는 것이 적절합니다.
   양단간 어플리케이션/프로세스는 TCP가 제공하는 연결성 회선을 통하여 서로 통신합니다.

UDP(User Datagram Protocol)

TCP와 같이 L4(전송층) 프로토콜의 종류 중 하나로 다음과 같은 특징을 가집니다.

• 신뢰성이 낮은 프로토콜로 완전성을 보장하지 않습니다.
• 가상회선을 굳이 확립할 필요가 없고, 유연하며, 효율적인 어플리케이션의 데이터 전송에 사용됩니다.

UDP의 특성

1. 비연결적이고, 신뢰성이 없으며, 순서화되지 않은 Datagram 서비스 제공

   • 메시지가 제대로 도착했는 지 확인하지 않습니다.(확인응답 없음)
   • 수신된 메시지의 순서를 맞추지 않습니다.(순서제어 없음)
   • 흐름 제어를 위한 피드백을 제공하지 않습니다.(흐름제어 없음)
   • 검사합을 제외한 특별한 오류 검출 및 제어가 없기 때문에, UDP를 사용하는 프로그램 쪽에서 오류제어 기능을 스스로 갖추어야 합니다.(오류제어 거의 없음)
   • Datagram-Oriented의 L4(전송층) 프로토콜로 비연결접속상태에서 통신합니다.(논리적 가상회선 연결 필요없음)

2. 실시간 응용 및 멀티캐스팅 가능

   • 빠른 요청과 응답이 필요한 실시간 어플리케이션에 적합합니다.
   • 여러 다수의 지저멩 전송이 가능합니다.

3. 헤더의 단순함(Simple Header)

   • UDP는 TCP와 같이 16-bit의 포트번호를 사용합니다.
   • 헤더는 고정크기의 8-byte(cf. TCP는 20-byte)만 사용하여 헤더 처리에 많은 시간과 노력을 요하지 않습니다.

L5: 세션층(Session Layer)

데이터가 통신하기 위한 논리적인 연결을 의미합니다. 통신을 하기 위한 대문이라 생각하면 됩니다.
하지만 L4(통신층)에서도 연결을 맺고 종료할 수 있기 때문에 우리가 어느 계층에서 통신이 끊어졌는 지 판단하는 데에는 한계가 있습니다. 따라서, L5(세션층)은 L4(통신층)과 무관하게 응용 프로그램 관점에서 봐야합니다.

주요 기능

• 세션 설정, 유지, 종료 (by OS)
• 전송 중단시 복구
  양 끝단의 프로세스가 통신을 관리하기 위한 방법을 제공합니다.
  동시 송수신 방식(duplex), 반이중 방식(half-duplex), 전이중방식(full-duplex)의 통신과 함께, 체크 포인팅과 유지, 종료, 다시 시작 등의 과정을 수행합니다.
  이 Layer는 TCP/IP 세션을 만들고 없에는 책임을 집니다.

L6: 표현층(Presentation Layer)

L6(표현층)은 코드 간의 번역을 담당하여 사용자 시스템에서 데이터의 형식상 차이를 다루는 부담을 응용계층으로부터 덜어줍니다. MIME인코딩이나 암호화 등의 동작이 L6(표현층)에서 이루어집니다. 예를 들어, EBCDIC으로 인코딩 된 문서 파일을 ASCII로 인코딩 된 파일로 바꿔 주는 식입니다.
해당 데이터가 텍스트인지 이미지인지 등의 구분을 하는 것이 L6(표현층)의 몫입니다.

L7: 응용층(Application Layer)

네트워크의 최종 목적지로 HTTP, FTP, SMTP, POP3, IMAP, Telnet등과 같은 프로토토콜이 있습니다.
해당 통신 패킷들은 프로토콜에 의해 모두 처리되며 우리가 사용하는 브라우저나 메일 프로그램은 프로토콜을 보다 쉽게 사용하게 해주는 응용프로그램입니다. 한마디로 모든 통신의 양 끝단은 HTTP와 같은 프로토콜이지 응용프로그램이 아닙니다.
L7(응용층)은 응용 프로세스와 직접 관계하여 일반적인 응용 서비스를 수행합니다. 일반적인 응용 서비스는 관련된 응용 프로세스들 사이의 전환을 제공합니다. 응용 서비스의 예로는 가상터미널(Telnet), JTM(Job Transfer and Manipulation protocol)등이 있습니다.

HTTP(HyperText Transfer Protocol)

웹 상에서 웹 서버 및 웹 브라우저 상호 간의 데이터 전송을 위한 응용계층 프로토콜입니다. 초기에는 WWW상의 Hypertext 형태의 문서를 전달하는 데 주로 이용하다가 현재에는 이미지, 비디오, 음성 등 거의 모든 형식의 데이터 전송이 가능해졌습니다.

1. 요청 및 응답의 구조

   • Client/Server 모델

2. 메세지 교환 형태의 프로토콜

   • Client와 Server간에 HTTP Message를 주고 받으며 통신합니다. (SMTP 전자메일 Protocol과 유사합니다)
   • HTTP의 응답 및 요청 메세지 구성
   • HTTP 메시지 내 헤더 항목들

3. 트랜잭션 중심의 비연결성 프로토콜

   • 종단간의 연결이 없습니다.(Connectionless)
   • 이전의 상태를 유지하지 않습니다.(Stateless)

4. 전송계층 프로토콜 및 사용 포트 번호

   • 전송계층 프로토콜: TCP
   • 사용 포트 번호: 80