OSI 7계층이란?
OSI 7계층(OSI 7 Layer)은 네트워크에서 통신이 이루어지는 과정을 7개의 추상적인 계층으로 나눈 모델이다. 각 계층은 독립적인 역할을 수행하며, 하위 계층에서 처리된 데이터를 상위 계층으로 전달하는 방식으로 작동한다. OSI 모델은 1984년 국제 표준화 기구(ISO)에 의해 개발되었고, 현재 네트워크 시스템의 기반이 되었다.
1. 물리 계층 (Physical Layer)
실제로 전기적, 기계적, 기능적 특성을 이용해 데이터를 전송하는 역할을 수행한다. 단순히 데이터를 물리적으로 전송하는 역할을 할 뿐, 알고리즘 또는 오류 제어 기능은 존재하지 않는다.
- 데이터 단위: bit (0 or 1)
- 프로토콜: RS-232, X.25 / X.21
- 장비: 케이블, 광섬유, 허브, 리피터
- RS-232: 보통 15m이하 단거리에서 38400bps까지 전송을 위한 직렬 인터페이스. 주로 컴퓨터와 주변기기(모뎀, 프린터 등) 간의 국소적인 연결에 사용된다.
- X.25 / X.21: X.25는 컴퓨터간 데이터를 패킷 교환 방식으로 전송하는 네트워크 프로토콜이고, X.21은 디지털 회선을 사용하여 컴퓨터 네트워크를 연결하는 물리적 인터페이스이다.
- 허브: 데이터 패킷을 여러 포트를 통해 전송하여, 다수의 장치에 브로드캐스트하는 네트워크 장비이다.
- 리피터: 전송 중인 신호를 받아서 강화하고, 더 멀리 전송할 수 있도록 하는 네트워크 장비이다.
2. 데이터 링크 계층 (Data Link Layer)
네트워크 내 노드 간 데이터 전송을 관리하며, 스위치와 같이 물리적으로 연결된 장치 간의 연결을 관리한다. 데이터 링크 계층은 LLC (Logical Link Control) 서브레이어와 MAC (Media Access Control) 서브레이어로 구분되며, 데이터 프레임을 동기화하고 패키징하여 적절한 노드 간 정보를 라우팅한다. 오류 제어와 재전송 기능이 존재한다.
- 데이터 전송 단위: Frame
- 프로토콜: Ethernet, PPP, 802.11 (Wi-Fi)
- 장비: 브릿지, 스위치
- MAC (Media Access Control): 네트워크 장치 간 데이터 전송 시 매체 접근을 조절한다. 네트워크 내의 각 장치는 고유의 MAC 주소를 가지고 있으며, 이 주소를 사용하여 데이터 패킷이 정확한 목적지로 전송되도록 한다. 또한, 충돌 감지 및 회피 기술을 활용하여 네트워크 상의 데이터 전송 충돌을 최소화한다.
- LLC (Logical Link Control): 흐름 제어와 오류 제어를 담당한다. 프레임의 동기화를 관리하고, 필요 시 프레임의 재전송을 요청함으로써 신뢰할 수 있는 데이터 전송을 보장한다.
- Ethernet: 가장 널리 사용되는 유선 네트워크 기술 중 하나로, 데이터를 프레임 단위로 전송한다. Ethernet 프로토콜은 MAC 주소를 사용하여 장치 간 데이터를 전송하며, 일반적으로 국내 네트워크 또는 사무실 환경에서 사용된다.
- PPP: 직접 연결된 두 네트워크 장치 간의 데이터 링크를 설정하고 유지하는 데 사용되는 프로토콜이다.
- 802.11 (Wi-Fi): 무선 LAN(WLAN) 기술을 위한 일련의 IEEE 표준이다. 이 표준은 무선 장치 간의 통신을 가능하게 하며, 특히 Wi-Fi 네트워크에서 널리 사용된다.
- 브릿지: 두 개 이상의 네트워크 세그먼트를 연결하고 트래픽을 필터링하는 네트워크 장치이다. 브릿지는 MAC 주소를 사용하여 각 패킷의 출발지와 목적지를 확인하고, 필요한 경우에만 패킷을 다른 네트워크 세그먼트로 전송한다.
- 스위치: 네트워크 내의 여러 장치를 물리적으로 연결하고 데이터 패킷을 효율적으로 라우팅하는 네트워크 장치이다. 스위치는 연결된 각 장치에 대한 MAC 주소 테이블을 유지하며, 이 테이블을 참조하여 데이터를 정확한 목적지로 직접 전송한다.
3. 네트워크 계층 (Network Layer)
여러 네트워크 간 데이터를 조직하고 전송한다. 네트워크 계층은 데이터를 최적의 물리적 경로로 라우팅하고, 네트워크 특성, 가용 경로, 데이터 패킷의 혼잡 및 서비스 우선 순위 등을 고려한다. IPv4와 IPv6 같은 프로토콜을 포함하며, 라우터와 L3 스위치 (Layer 3 Switch) 같은 하드웨어를 사용한다.
- 데이터 단위: Packet
- 프로토콜: IP (IPv4, IPv6), ICMP
- 장비: 라우터, L3 스위치
- IP (Internet Protocol): 네트워크 간 데이터를 전송하는 데 사용되는 주요 프로토콜이다. IP 네트워크의 기기를 나타내는 주소가 흔히들 말하는 IP 주소이며, IP 네트워크 상의 각 장치(호스트)를 식별하는데 사용된다.
- IPv4: IP의 네 번째 버전으로, 전 세계적으로 가장 널리 사용되는 프로토콜이다. 해당 프로토콜은 32비트 주소 체계를 사용하여 약 43억 개의 고유 주소를 제공한다.
- IPv6: IPv6는 IPv4의 후속 버전으로, 더 많은 주소 공간과 보안 기능을 제공한다. IPv6는 128비트 주소 체계를 사용하여 거의 무한에 가까운 주소를 할당할 수 있으며, 인터넷의 성장과 IoT(사물인터넷) 장치의 증가에 대응하기 위해 설계되었다.
- ICMP: 네트워크 장치 간에 통신 문제를 진단하고 보고하는 데 사용되는 프로토콜이다. 예를 들어, 네트워크 연결, 경로 문제, 접근 가능한 호스트의 정보 등을 전송하는 데 사용되며, "핑" 명령을 통해 네트워크 연결 상태를 확인하는 데 자주 사용된다.
- 라우터: 여러 네트워크 간 데이터 패킷을 전송하는 네트워크 장비로, 데이터를 최적의 경로로 전송하기 위해 라우팅 테이블을 사용한다. 라우터는 패킷의 출발지와 목적지 주소를 분석하여 패킷을 적절한 네트워크로 전달한다.
- L3 스위치: 전통적인 스위치 기능에 라우팅 기능을 추가한 장비이다. (Layer 3 = Network Layer) 이 장비는 네트워크 계층에서 작동하여, MAC 주소 뿐만 아니라 IP 주소를 기반으로 데이터 패킷을 전송한다.
4. 전송 계층 (Transport Layer)
상위 계층의 메시지를 하위 계층으로 전송하는 계층이다. 데이터 패킷의 완전하고 신뢰성 있는 전송을 보장한다. 이 계층은 에러 제어, 흐름 제어, 혼잡 제어 메커니즘을 제공하며, TCP (Transmission Control Protocol)와 UDP (User Datagram Protocol) 같은 일반 프로토콜을 포함한다. 또한, 패킷 분할 (Segment) 및 재조합을 통해 데이터의 무결성과 순차적 전송을 관리한다.
- 데이터 단위: Segment
- 프로토콜: TCP, UDP, SCTP
- 장비: L4 스위치
- Segment: Network Layer의 Packet과 혼동되는 개념일 수 있다. 쉽게 설명하면, Segment, Packet, Frame은 모두 같은 데이터이지만, 각 OSI 계층에서 다른 정보로 캡슐화되어 있다고 볼 수 있다. 어떤 헤더 정보까지 포함되어 있는지, 어떤 OSI 계층에서 캡슐화된 것인지에 따라 부르는 명칭이 달라진다.
- Port Number: 포트 번호는 "호스트 내에서" 특정 프로세스를 식별하는데 사용된다. 택배를 예시로 설명하면, 호스트를 건물, 프로세스는 해당 건물 내 택배 수령인으로 비유할 수 있다. 즉, IP 주소는 건물의 위치, 포트 번호는 건물 내 택배 수령인의 위치라고 할 수 있다.
- TCP: TCP는 신뢰성 있는 데이터 전송을 제공하는 연결 지향 프로토콜이다. 데이터 전송 과정에서 에러 제어, 흐름 제어 및 혼잡 제어 기능을 제공하여 데이터가 순서대로, 오류 없이 전달될 수 있도록 한다. 데이터 손실이 발생했을 경우 재전송을 수행한다.
- UDP: UDP는 연결이 없는 통신을 제공하는 프로토콜로, TCP보다 신뢰성이 낮지만, 더 빠른 데이터 전송이 가능하다. 각 UDP 데이터그램은 독립적으로 처리되며, 순서 보장이나 에러 복구 기능은 제공하지 않는다.
- SCTP: SCTP는 TCP와 UDP의 특성을 모두 갖춘 프로토콜로, 신뢰성 있는 데이터 전송과 함께 멀티 스트리밍을 지원한다. 이는 메시지 지향 프로토콜로, 여러 스트림을 동시에 관리할 수 있어, 데이터의 순서가 바뀌지 않게 하면서도 한 스트림의 지연이 다른 스트림에 영향을 주지 않는다.
- L4 스위치: L3 스위치와 같은 맥락으로, Transport Layer에서 사용되는 스위치. L4 스위치는 TCP나 UDP 프로토콜의 포트 번호를 확인하여 트래픽을 라우팅한다. 예를 들어, HTTP 트래픽(Port 80)과 HTTPS 트래픽(Port 443)을 구분하여 다른 서버 또는 리소스로 전송할 수 있다.
5. 세션 계층 (Session Layer)
서버 간의 세션을 관리하여 통신을 조정한다. 이 계층은 세션 활동의 시작, 종료 및 재개를 관리하고, 특정 애플리케이션과 서버 간의 통신을 인증하고 승인한다.
- 데이터 단위: Message
- 프로토콜: SSH (Secure Shell), TLS (Transport Layer Security)
- Message: Segment와 같이, Session Layer에서 처리할 수 있는 형태로 캡슐화된 데이터 단위이다.
- SSH: 원격 컴퓨터에 안전하게 접속하고 제어하기 위해 사용되는 프로토콜이다. SSH는 데이터 암호화를 제공하여 네트워크를 통한 데이터 전송 시 보안성을 강화하며, 명령 실행, 파일 전송 등을 안전하게 처리할 수 있다.
- TLS: 데이터의 안전한 전송을 위해 널리 사용되는 프로토콜로, 주로 웹 브라우징, 이메일, 즉시 메시징과 같은 서비스에서 데이터 보안을 제공한다. SSH는 명령 실행을 위해 암호화된 연결을 설정하여 안전한 원격 서버 관리에 중점을 맞춘 프로토콜이고, TLS는 데이터 전송 보안에 사용되는 프로토콜이다.
6. 표현 계층 (Presentation Layer)
애플리케이션과 네트워크 사이에서 데이터 형식을 변환한다. 데이터 변환, 문자 코드 변환, 데이터 압축 및 암호화/복호화를 담당하며, 수신된 정보가 각 네트워크 엔티티에서 사용될 수 있도록 한다.
- 데이터 단위: Message
- 프로토콜: ASCII, MPEG, JPEG
- ASCII: ASCII는 문자 인코딩 표준으로, 영문 알파벳과 일부 기타 문자를 숫자로 변환하는 데 사용된다.
- MPEG: MPEG는 비디오 및 오디오 데이터 압축을 위한 표준 세트로, 비디오 및 오디오 스트리밍, TV 방송 및 DVD 저장 등 다양한 목적으로 사용된다.
- JPEG: JPEG는 이미지 파일을 저장하고 압축하기 위한 표준 방법이다. JPEG 압축은 주로 사진과 같은 복잡한 그래픽 이미지에서 사용된다.
7. 응용 계층 (Application Layer)
OSI 모델의 최상위 계층으로, 사용자가 네트워크 서비스를 직접적으로 사용할 수 있도록 설계되었으며, 응용 프로그램 수준에서 네트워킹 프로세스를 관리한다. Application Layer는 이메일, 네트워크 데이터 공유, 파일 전송 및 디렉토리 서비스와 같은 사용자 지향 서비스를 직접 제공하며, FTP, SMTP, DNS와 같은 통신 프로토콜과 서비스를 제공한다. 쉽게 설명하면, 웹, 이메일, 파일 공유 등 사용자가 실제로 사용하는 서비스를 제공하는 계층이다.
- 데이터 단위: Message
- 프로토콜: HTTP, FTP, DNS, SMTP
- HTTP: 주로 웹 브라우저와 웹 서버 간의 통신에 사용되며, 클라이언트가 서버로 요청을 보내고 서버가 응답을 반환하는 구조
- FTP: 컴퓨터 네트워크를 통해 파일을 전송하기 위한 표준 프로토콜
- DNS: 도메인 이름을 IP 주소로 변환하는 시스템
- SMTP: 이메일을 전송하기 위한 표준 프로토콜
마치며
이렇게 복잡하게 OSI 7계층으로 네트워크 통신 과정을 나눈 이유가 무엇일까? OSI 7계층 개발 당시, 컴퓨터 네트워킹 기술이 급속도로 발전함에 따라 다양한 네트워크 시스템 간의 호환성 문제가 대두되었다. 이에 따라 OSI 모델은 네트워크 통신을 명확하게 이해하고 설명할 수 있는 표준 프레임워크를 제공하고자 만들어진 것이다.
예를 들어보자. 만약 PC방에서 리그오브레전드를 플레이하던 중 연결이 끊겼을 경우, OSI 7계층에 따라 문제를 진단할 수 있다. 해당 PC방의 모든 컴퓨터가 연결이 끊겼을 경우, 라우터 또는 Physical Layer 문제를 의심할 수 있고, 하나의 PC만 연결이 끊겼다면 Data Link Layer 또는 Physical Layer 문제, PC는 정상이지만 리그오브레전드 소프트웨어만 동작하지 않을 경우 Application Layer 문제를 의심해볼 수 있을 것이다. 이와 같이 OSI 7계층 모델은 네트워크 문제를 진단할 때 각 계층을 별도로 검토하여 문제를 식별할 수 있도록 한다.
