OSI 7계층이란?
OSI(Open Systems Interconnection) 7계층(또는 OSI 모형)은 컴퓨터 네트워크 통신 흐름과 프로토콜 디자인을 7단계의 과정으로 나눈 모델을 말한다.
목적
이 모델은 프로토콜을 기능별로 나눈 것이다. 각 계층은 하위 계층의 기능만을 이용하고, 상위 계층에게 기능을 제공한다. '프로토콜 스택' 혹은 '스택'은 이러한 계층들로 구성되는 프로토콜 시스템이 구현된 시스템을 가리키는데, 프로토콜 스택은 하드웨어나 소프트웨어 혹은 둘의 혼합으로 구현될 수 있다. 일반적으로 하위 계층들은 하드웨어로, 상위 계층들은 소프트웨어로 구현된다.
계층별 기능
물리 계층
물리 계층(Physical layer) 은 네트워크의 기본 네트워크 하드웨어 전송 기술을 이룬다. 네트워크의 높은 수준의 기능의 논리 데이터 구조를 기초로 하는 필수 계층이다.
다양한 특징의 하드웨어 기술이 접목되어 있기에 OSI 아키텍처에서 가장 복잡한 계층으로 간주된다.
이 계층에서는 전기적, 기계적, 기능적인 특성을 이용해서 통신 케이블로 데이터를 전송하게 된다.(비트 통신 단위 사용)
통신을 하기 위해서 0, 1의 나열을 아날로그 신호로 바꾸어 실제 물리적인 케이블, 리피터 등을 통하여 전송하고 아날로그 신호를 다시 비트로 해석하는 역할 을 담당한다.
이 계층에서는 단지 데이터를 전달만 할뿐 전송하려는(또는 받으려는)데이터가 무엇인지, 어떤 에러가 있는지 등에는 전혀 신경 쓰지 않는다.
- 케이블 / 리피터 / 허브를 통해 데이터 전송
데이터링크 계층
데이터링크 계층(Datalink Layer) 은 포인트 투 포인트(Point to Point) 간 신뢰성있는 전송을 보장하기 위한 계층으로 CRC 기반❓의 오류 제어와 흐름 제어가 필요하다.
네트워크 위의 개체들 간 데이터를 전달하고, 물리 계층에서 발생할 수 있는 오류를 찾아 내고, 수정하는 데 필요한 기능적, 절차적 수단을 제공한다.
주소 값은 물리적으로 할당 받는데, 이는 네트워크 카드가 만들어질 때부터 맥 주소(MAC address)가 정해져 있다는 뜻이다. 주소 체계는 계층이 없는 단일 구조이다.
이 계층은 직접 연결된 이웃 컴퓨터와의 통신만을 다룬다. 이 계층에서 전송되는 데이터 단위는 프레임 이라고 한다. 직접 연결된 컴퓨터와의 통신만을 다루기 때문에, 이웃의 컴퓨터를 넘어가는 통신은 데이터 링크 계층에선 관여하지 않는다.
데이터 링크 계층의 가장 잘 알려진 예는 이더넷이다. 이 외에도 HDLC나 ADCCP 같은 포인트 투 포인트(point-to-point) 프로토콜이나 패킷 스위칭 네트워크나 LLC, ALOHA 같은 근거리 네트워크용 프로토콜이 있다. 네트워크 브릿지나 스위치 등이 이 계층에서 동작하며, 직접 이어진 곳에만 연결할 수 있다.
데이터링크에서는 아래와 같은 역할을 한다.
- 프레이밍 : Physical Layer를 통해 받은 신호를 조합해 Frame 단위의 데이터 유닛으로 만들어서 처리(MAC-물리적 주소부여)
- 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 페턴)
이 계층에서 전송되는 단위를 프레임이라고하며 대표적으로 '브릿지' , '스위치' 등이 있다.
네트워크 계층
네트워크 계층(Network layer) 은 여러 개의 노드를 거칠때마다 경로를 찾아주는 역할을 하는 계층으로 다양한 길이의 데이터를 네트워크들을 통해 전달하고, 그 과정에서 전송 계층이 요구하는 서비스 품질(QoS)을 제공하기 위한 기능적, 절차적 수단을 제공한다.
이 계층에서 전송단위는 패킷 이라 부른다. 주소(IP)를 정하고 경로를 선택하고, 패킷을 전달하는 것이 이 계층에서 이루어지고, 이것을 라우팅 이라 한다.
라우팅은 네트워크에서 패킷을 보낼 때 목적지까지 갈 수 있는 여러 경로 중 한 경로를 설정해주는 과정이다.
네트워크 계층은 라우팅, 흐름 제어, 세그멘테이션(segmentation/desegmentation), 오류 제어, 인터네트워킹(Internetworking) 등을 수행한다.
라우터가 이 계층에서 동작하고 이 계층에서 동작하는 스위치도 있다. 데이터를 연결하는 다른 네트워크를 통해 전달함으로써 인터넷이 가능하게 만드는 계층이다. 논리적인 주소 구조(IP), 곧 네트워크 관리자가 직접 주소를 할당하는 구조를 가지며, 계층적(hierarchical)이다.
서브네트의 최상위 계층으로 경로를 설정하고, 청구 정보를 관리한다. 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 제공한다.
- 주소부여(IP)
- 경로설정(Route)
전송 계층
전송 계층(Transport layer) 은 양 끝단(End to end)의 사용자들이 신뢰성있는 데이터를 주고 받을 수 있도록 해주어, 상위 계층들이 데이터 전달의 유효성이나 효율성을 생각하지 않도록 해준다.
시퀀스 넘버 기반의 오류 제어 방식을 사용한다. 전송 계층은 특정 연결의 유효성을 제어하고, 일부 프로토콜은 상태 개념이 있고(stateful), 연결 기반(connection oriented)이다.
이는 전송 계층이 패킷들의 전송이 유효한지 확인하고 전송 실패한 패킷들을 다시 전송한다는 것을 뜻한다. 가장 잘 알려진 전송 계층의 예는 TCP이다.
- TCP : 신뢰성있는 통신을 보장 하고, 신뢰성있는 연결과 전달을 보장하는만큼, 계속 연결을 유지해야해서 리소스를 더 많이 차지한다.
- UDP : 빠른 데이터 전송에 초첨 을 두고, 목적지에 데이터가 제대로 도착했는지 상관하지 않는다. 따라서 신뢰성있는 데이터 전송보다, 스트리밍과 같은 연속적인 특성을 가진 서비스에 UDP 프로토콜이 적합하다고 볼 수 있다.
종단간(end-to-end) 통신을 다루는 최하위 계층으로 종단간 신뢰성 있고 효율적인 데이터를 전송하며, 기능은 오류검출 및 복구와 흐름제어, 중복검사 등을 수행한다.
- 패킷 생성(Assembly/Sequencing/Deassembly/Error detection/Request repeat/Flow control)
세션 계층
세션 계층(Session layer) 은 양 끝단의 응용 프로세스가 통신을 관리하기 위한 방법을 제공한다. 동시 송수신 방식(duplex), 반이중 방식(half-duplex), 전이중 방식(Full Duplex)의 통신과 함께, 체크 포인팅과 유휴, 종료, 다시 시작 과정 등을 수행한다. 이 계층은 TCP/IP 세션을 만들고 없애는 책임을 진다.
- 네트워크 환경에서 사용자 간 또는 컴퓨터 간의 대화를 위한 논리적 연결
- 물리적 연결 : 케이블을 통해 직접 연결되는 통신
- 논리적 연결 : 물리적 연결 외에 IP(논리적 주소), MAC Address(물리주소) 등을 통해 통신
- 프로세스들 사이에 통신을 수행하기 위해서 메시지 교환을 통해 서로를 인식 한 이후부터 통신을 마칠때까지의 기간.
통신하는 사용자들을 동기화하고 오류복구 명령들을 일괄적으로 다룬다. 즉 응용 프로그램들 간의 접속을 설정, 유지하고 끊어질 경우 데이터를 재전송하거나, 연결을 복구한다.(✅동기화)
세션 계층의 중요한 기능에 동기화가 있다. 통신 양단에서 서로 동의하는 논리적인 공통처리 지점으로써, 동기점 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.
- 예시
우리는 로그인을 통해 다양한 응용프로그램과 세션을 이루면서 데이터를 주고받는다. 여러 프로그램에 동시에 로그인할 수도 있으며, 로그아웃할 때까지 통신관리및 동기화가 이루어진다.
세션 계층을 요약하면 아래와 같다.
- 사용자 위주의 논리적인 여결 서비스 제공
- 전송모드 설정(반이중, 전이중, 단방향, 병렬, 직렬, 동기, 비동기)
- 대화와 동기를 위한 데이터 교환 관리
- 토큰(Token : 특정 서비스 요구 권한)
- 통신을 하기 위한 세션을 확립/유지/중단 (운영체제가 해줌)
표현 계층
표현 계층(Presentation layer) 은 응용 계층에서 넘겨받은 데이터를 세션 레이어에서 다룰 수 있는 데이터로 변경해주고, 반대로 세션 레이어에서 넘겨받은 데이터를 응용 계층에서 이해할 수 있는 형대로 바꿔 전달한다. 그러한 데이터를 안전하게 사용하기 위해 암/복호화도 진행한다.
또한 코드 간의 번역을 담당하여 사용자 시스템에서 데이터의 형식상 차이를 다루는 부담을 응용 계층으로부터 덜어 준다. MIME 인코딩이나 암호화 등의 동작이 이 계층에서 이루어진다. 예를 들면, EBCDIC로 인코딩된 문서 파일을 ASCII로 인코딩된 파일로 바꿔 주는 것이 표현 계층의 몫이다.
- 사용자의 명령어를 완성 및 결과 표현.
- 포장/압축/암호화
응용 계층
응용 계층(Application layer) 은 유저와 가장 가까운 층으로, 응용 프로세스(크롬이란 웹 클라인트 접속)와 직접 관계해 일반적인 응용 서비스(HTTP 프로토콜 등)을 수행한다.
일반적인 응용 서비스는 관련된 응용 프로세스들 사이의 전환을 제공한다. 응용 서비스의 예로, 가상 터미널(예를 들어, 텔넷), "Job transfer and Manipulation protocol" (JTM, 표준 ISO/IEC 8832) 등이 있다.
응용 계층에 역할을 요약하면 전송된 메일, 사진, 동영상 등이 크롬이나 사파리 등이 응용프로그램을 통해 사용자가 눈으로 확인할 수 있는 과정이며, 이 데이터들은 해당되는 프로토콜(HTTP, FTP, SMTP 등)에 의해 처리된다.
- 네트워크 소프트웨어 UI 부분
- 사용자의 입출력(I/O)부분
데이터 캡슐화
데이터를 보낼 때는 7계층에서 1계층으로 간다. 이 과정에서 캡슐화를 하게 되는데 각 계층은 다른 계층과 통신할 때 데이터의 특정 정보가 들어있는 header와 footer를 추가한 후 다른 계층으로 전달한다.
PDU(Protocol Data Unit)은 프로토콜 데이터 단위이며 OSI 모델의 정보 처리 단위이다.(예 : 2계층의 데이터 PDU는 프레임)
아래 계층으로 내려갈수록 PDU에는 다양한 프로토콜에 의해 Header와 Footer가 더해진다. 반대로 데이터를 받은 컴퓨터가 PDU로부터 프로토콜의 Header와 Footer를 분석하며 올라가 마지막 응용계층에 도달하면 원본 데이터만 남는다.(✅디캡슐화)
예시
웹 사이트 접속
- 사이트 접속
- 응용 계층 에서 HTML 요청
- GET/abc.html HTTP/1.1
- 웹 사이트에서 접속하기 위한 요청을 보낼 때 HTTP 프로토콜 을 사용
- 요청 데이터가 전송(Transport Layer)에 전달 되고, 전송 계층에서 TCP 또는 UDP의 헤더 정보가 붙는다. TCP 헤더에서는 포트 번호를 통해 어느 어플리케이션에 데이터를 보낼 지 결정
- 출발지 포트 번호는 잘 알려진 포트번호가 아닌 번호에서 무작위를 선택합니다. 목적지 포트는 HTTP이므로 80번 포트(HTTPS의 경우에는 443포트)
- 전송 계층에서 네트워크 계층으로 데이터가 전달되는데 네트워크 계층에서 헤더에 IP 추가. 전송 계층에서 전달받은 세그먼트에 IP헤더를 붙이는데 IP헤더에는 출발지 IP와 도착지 IP 주소 포함
- 데이터링크 계층으로 패킷이 전달될 때, 이더넷 헤더 추가
- 마지막 물리 계층에서 이더넷 프레임이 전달되고 전기 신호로 변환되어 네트워크로 전송.
메일 전송
- 작성된 메시지는 응용 계층(Application Layer)에서 표현 계층(Presentation Layer)으로 전달
- 표현 계층(Presentation Layer)에서는 전달된 메시지를 데이터로 변환하거나, 암호화 또는 압축을 수행 한다. 변환된 데이터는 세션 계층(Session Layer)로 전달.
- 세션 계층(Session Layer)으로 전달된 데이터는 동기화를 위하여 주기적으로 동기점을 삽입 하여 전송 계층(Transport Layer)으로 데이터를 전달하게 된다.
- 전송 계층(Transport Layer)에서는 발신지와 목적지를 정하고 연결 방식을 연결성, 비연결성 방식으로 설정하여, 흐름 제어와 오류 제어 기능 을 한다. 데이터 단위를 Segment 또는 Datagram으로 나눈다. 만약 악성코드가 있을 경우 방화벽이 작동을 해서 걸러준다.
- 네트워크 계층(Network Layer)에서 라우팅 에 필요한 논리 주소를 설정하고, 패킷에 대한 라우팅 정보를 삽입한다.
- 데이터링크 계층에(DataLink Layer)서 우선 Frame 단위로 데이터 를 나눈다. 그리고 MAC 주소로 지정을 하고 속도 차이를 원할히 메꾸기 위해서 흐름 제어를 한다.
- 물리 계층(Physical Layer)에는 전송 매체가 일반 케이블인지 광케이블인지 메체의 길이를 설정한다. 그리고 데이터를 회선으로 보내기 위해 전기적인 변환 을 담당한다.
출처 및 참고
