[Network] OSI 7 계층과 TC/ICP 4 계층

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Seyun.

[Network] OSI 7 계층과 TC/ICP 4 계층Computer Science/Network2023. 11. 28. 13:30@Seyun.

Table of Contents

📌 OSI 7 계층이란?

네트워크에서 통신이 일어나는 과정을 7단계로 나눈 것
국제 표준화 기구(ISO)에서 개발한 모델

📌 왜 7 계층으로 나눠야 할까?

통신이 일어나는 과정이 꽤 복잡하다.
- 이 복잡한 과정을 단계별로 파악하여 흐름을한눈에 보기 쉽고, 사람들이 이해하기 쉽다.
- 특정 문제가 발생했을 때 다른 단계를 수정하지 않고도 이상이 생긴 단계만 수정하여 문제를 해결할 수 있다.

📌 OSI 7 계층에 대해 자세히 알아보자.

OSI 7 계층은 위의 그림과 같이, 7단계의 계층들의 순서에 따라 각 계층에서 담당하는 기술과 방식으로 데이터를 종단에서 반대쪽 종단으로 전달한다.

✅ Layer 1 : Physical Layer(물리 계층)

데이터를 전기적 신호로 변환하여 전송하는 계층

전기, 물리 신호에 대한 계층

Bit 단위를 사용
- 전기적 신호 (0 or 1)을 나타낼 때 사용하는 단위
- 0과 1은 Off, On를 나타낸다.

단순 전기적 신호를 전달하는 역할
- 오류 제어, 알고리즘 등이 없음.
  - 데이터가 무엇인지, 어떤 에러가 있는지는 전혀 신경쓰지 않는다.
  - 단지 데이터를 전기적 신호로 변환하여 주고 받기만 한다.

송신 : 2 계층(Data Link Layer)로부터 0, 1로 구성된 비트열 데이터(Frame)을 받아 전기적 신호로 변환 후 전송
수신 : 전기적 신호를 0, 1로 구성된 비트로 복원하여 2 계층(Data Link Layer)로 전송

통신 단위
- 비트(Bit)
대표 장비 : 랜 케이블, 허브, 리피터, 전선, 광케이블, 동축케이블, 무선 전파, PSTN, DSU, CSU, 모뎀 등

✅ Layer 2 : Data Link Layer(데이터 링크 계층)

Physical Layer로 송수신되는 정보를 관리하여 안전하게 전달되도록 돕는 계층
Mac 주소를 통해 통신
Frame에 MAC 주소를 부여하고, 에러 검출 / 재전송 / 흐름 제어를 진행한다.

1계층(Physical Layer)을 통해 송수신되는 정보의 오류와 흐름을 관리하여 안전한 정보의 전달을 수행하도록 도와준다.
- 과도한 양의 데이터가 한번에 전송되지 않도록, 데이터의 양을 조절한다.
- 데이터의 오류를 검출하고 복구하는 오류 제어 / 흐름 제어를 수행한다.

1~3 계층에서는 논리 주소(ex> IP 주소)가 아닌 물리 주소(ex> MAC 주소)를 참조하여 각 장비별 데이터 전송을 수행한다.
- - 1 계층(Physical Layer)에서 발생할 수 있는 오류를 찾고 수정하는데 필요한 기능 / 절차를 제공한다.

Data Link Layer의 흐름
- 물리적 주소를 지정한다. (ex> MAC 주소)
- 전송 데이터(비트 모음)의 헤더에 목적지 주소를 붙인다.
- 꼬리 부분에 오류 검출을 위한 부분이 존재한다.
- 이 처럼 Data Link Layer에서 데이터를 프레임(Frame)이라고 한다.
  - Data Link Layer의 데이터 단위 : 프레임(Frame)
- 프레임의 구성요소
  - Header : MAC 주소 (물리적 주소)
  - Data : 4계층(Transport Layer)의 Header와 Packet
  - Trailer : 오류 검출을 위해 사용
    - FCS(Frame Check Sequence, 프레임 체크 문자열)
    - CRC(Cyclick Redundancy Check, 순환 중복 검사)

포인트 투 포인트(Point to Point)간 신뢰성 있는 전송을 보장하기 위해 CRC 기반 오류 제어와 흐름 제어가 필요하다.
- 네트워크 위의 개체들 간 데이터를 전달
- 1계층 (Physical Layer)에서 발생할 수 있는 오류를 찾고 수정하는데 필요한 기능적, 절차적 수단 제공

Data Link Layer의 부계층
- LLC(Logical Link Control, 논리적 연결 제어) : Data Link Layer의 기본 기능을 다룬다.
- MAC(Media Access Control, 매체 접근 제어) : 물리적 전송 선로의 특징과 매체 간 연결 방식에 따른 제어 부분 처리

통신 단위
- 프레임(Frame)
대표 장비
- 브릿지, 스위치(L2 Switch) 등
대표 프로토콜 / 기술
- MAC(물리적 주소), PPP(Point to Point Protocol) 등

✅ Layer 3 : Network Layer(네트워크 계층)

데이터를 목적지까지 가장 안전하고 빠르게 전달하는 기능 담당
라우터를 통해 이동할 경로를 선택하여 IP 주소를 지정하고, 해당 경로에 따라 패킷을 전달
라우팅, 흐름 제어, 오류 제어, 세그먼테이션 수행

데이터를 목적지까지 가장 안전하고 빠르게 전달하는 기능 (Routing, 라우팅)
경로를 선택하고 주소를 정하고 경로에 따라 패킷을 전달
다양한 길이의 데이터를 네트워크들을 통해 전달하고, 그 과정에서 전송 계층이 요구하는 서비스 품질(QoS)을 제공하기 위한 기능적, 절차적 수단 제공

데이터를 연결하는 다른 네트워크를 통해 전달함으로써 인터넷이 가능하게 만드는 계층
IP(논리적 주소 구조, 네트워크 관리자가 직접 주소를 할당하는 구조), 계층적(hierarchical)
계층 사이에 네트워크 서비스 데이터 유닛(NSDU : Network Service Data Unit)을 교환하는 기능 제공

라우팅, 흐름 제어, 세그멘테이션, 오류 제어, 인터네트워킹 등 수행
- 라우팅 : 패킷 전달을 위해 할당된 IP 주소를 기반으로 네트워크를 구분

통신 단위
- 패킷(Packet)
대표 장비
- 라우터, Layer3 스위치(IP 주소 사용)

✅ Layer 4 : Transport Layer(전송 계층)

TCP, UDP 프로토콜을 통해 통신을 활성화
포트를 열고, 프로그램들이 전송할 수 있도록 제공

통신을 활성화하기 위한 계층
- 보통 TCP 프로토콜 이용
- 포트를 열어 응용 프로그램들이 전송할 수 있도록 한다.
양 끝단의 사용자들이 신뢰성 있는 데이터를 주고받을 수 있게 해준다.
- 상위 계층이 데이터 전달의 유효성이나 효율성을 생각하지 않도록 해준다.

각 종단 간 데이터 전송에 대한 전반적 조율 담당
- 통신의 신뢰성 보장

Segmentation : 쪼개진 데이터 유닛인 세그먼트(Segment)를 포트 번호 등으로 구분하여 각 응용 계층이 나눠 받도록 하는 분할작업
Flow Control(흐름 제어) : 서로 다른 장비 간 각기 다른 대역폭 속도를 맞춤
Error Control(오류 제어) : 수신하지 못한 세그먼트가 존재할 때 해당 부분만 다시 송신을 요청
Connection-oriendted(연결형) : 데이터 수신 유/무 확인
- 전송이 유효한지 확인하고 전송 실패한 패킷들을 재전송 한다는 뜻
Connectionless(비연결형) : 데이터 수신 유/무 확인

통신 단위
- 세그먼트(Segment)
대표 장비
- 게이트웨이
프로토콜
- TCP : 연결성 데이터 전송 프로토콜
  - 데이터 전송 시 신뢰성 높은 데이터 전송
  - 3 Way-HandShaking 작업 수행
- UDP : 비연결성 데이터 전송 프로토콜
  - 데이터 전송을 할 시 신뢰성이 낮은 대신 빠른 전송 제공

✅ Layer 5 : Session Layer(세션 계층)

데이터가 통신하기 위한 논리적 연결 담당
TCP/IP 세션을 만들고 없애는 책임을 가짐

데이터가 서로 만나는 환경을 조성
- 권한 인증/인가
4계층(Transport Layer)과 무관하게 응용프로그램 관점에서 봐야 한다.

기능
- 세션 설정
- 세션 유지
- 세션 종료
- 전송 중단 시 복구

양 끝단의 응용 프로세스가 통신을 관리하기 위한 방법 제공
- duplex(동시 송수신 방식)
- half-duplex(반이중 방식)
- full duplex(전이중 방식)
TCP/IP 세션을 만들고 없애는 책임

통신하는 사용자들을 동기화하고, 오류복구 명령을 일괄적으로 다룸.
통신을 위한 세션 확립/유지/중단(OS가 해줌)

통신 단위
- 메시지
프로토콜
- SSH : 원격 컴퓨터에 안전하게 액세스 하기 위한 프로토콜
- TLS : 암호화 보안 프로토콜

✅ Layer 6 : Presentation Layer(표현 계층)

데이터 표현에 대한 독립성을 제공하고 암호화하는 역할을 담당
파일 인코딩, 명령어를 포장, 압축, 암호화

데이터를 더 빠르고 안전하게 전송하기 위해 압축 / 암호화 / 복호화 작업 수행
- 데이터 표현이 상이한 응용 프로세스의 독립성을 제공하고 암호화
코드 간 번역을 담당하여 사용자 시스템에서 데이터의 형식상 차이를 다루는 부담을 7계층(Application Layer)으로부터 덜어줌.

통신단위
- 메시지
프로토콜
- SSL
- JPEG
- MPEG
- SMB

✅ Layer 7 : Application Layer(응용 계층)

최종 목적지로서, 응용 프로세스와 직접 관계하여 일반적인 응용 서비스 수행
사용자 인터페이스, 전자우편, DB 관리 등의 서비스 제공

도착한 데이터를 최종 사용자가 확인하는 마지막 단계
브라우저, 메일 등 네트워크를 활용하는 다양한 응용 프로그램들이 포함된다.
응용 프로세스와 직접 관계하여 일반적인 응용 서비스를 수행한다.

통신단위
- 메시지
프로토콜
- DHCP
- DNS
- FTP
- HTTP

📌 OSI 7 계층의 계층간 관계

OSI 7 계층에서 데이터를 전송할 때 각 층마다 별도로 인식할 수 있는 헤더를 각각 붙이게 되는데, 이 과정을 캡슐화 라고 한다.(Encapsulation)
- 반대로 헤더가 벗겨지는 것을 디캡슐화(De-Encapsulation)

각 계층은 아래 계층의 데이터가 된다.
- 직전 계층으로부터 내려오는 부분을 Payload라고 부른다.
- 각 계층마다 요청(Request) / 응답(Response)의 상호작용을 수행하기에, 이는 Server / Client 관계라고도 볼 수 있다.

PDU(Process Data Unit) : 각 계층에서 데이터 단위를 구분

📌 TCP/IP 4 계층

✅ TCP/IP 4 계층이란?

인터넷에서 대부분은 IP 기반의 TCP 통신으로 이루어진다.
- 이에 TCP/IP 통신을 기준으로 만든 것이 TCP/IP 4 계층이다. (Internet Protocol Sweet라고도 부른다.)

but > TCP/IP 4 계층 모델은 OSI 7 계층 모델의 진화한 모델이 아니라, 서로 다른 모델로 인식해야 한다.

✅ Layer 1 : Network Layer(네트워크 계층)

OSI 7계층의 Physical Layer와 Data Link Layer에 해당한다.
물리적인 TCP/IP 패킷의 전달 및 수신 과정 담당

✅ Layer 2 : Internet Layer(인터넷 계층)

OSI 7 계층에서 Network Layer와 대응되는 계층
패킷을 목적지까지 효율적으로 전달하는 것만 고려
논리적 주소인 IP 주소를 판독하고 목적지의 네트워크를 찾아가 목적지에 잘 도착하도록 전송

✅ Layer 3 : Transport Layer(전송 계층)

OSI 7 계층의 Transport Layer와 동일한 역할
전달되는 패킷의 오류를 검사하고 전반적인 제어를 담당

✅ Layer 4 : Application Layer(응용 계층)

OSI 7 계층에서 Session Layer, Presentation Layer, Application Layer의 역할들에 해당
사용자의 응용 프로그램 레벨에서 데이터를 처리하는 계층(하위 계층으로부터 받은 메시지를 변환하거나, 하위 계층으로 메시지를 전달)

📌 OSI 7 계층 vs TCP/IP 4 계층

📌 계층 모델의 장점

데이터 흐름이 한눈에 보인다.
표준화된 규칙을 기반으로 하여, 다른 제조사의 장비 끼리도 통신이 가능(호환성 보장)
계층 단계별로 체크가 가능하여, 장애 처리가 쉽다.
다른 계층의 전달 과정을 알 필요가 없이, 자신의 계층에만 집중하면 된다.
- 캡슐화와 은닉이 가능해진다.
대부분의 업계인들이 알고 있고, 사용하는 방식이기에 소통이 편하다.

📚 출처

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