"데이터가 전달되는 원리" OSI 7계층 모델과 TCP/IP 모델

1. 데이터의 기술적 개념

우선 데이터의 기술적 개념부터 생각해보자. 우리가 흔히 말하는, 컴퓨터 화면을 통해 볼 수 있는 모든 데이터는 컴퓨터 밖 세상의 것들과 크게 다르지 않다. 책처럼 읽을 수 있는 인터넷 신문기사의 글자들, 눈으로 본 것과 똑같이 찍혀 sns에 업로드 된 사진들... 이런 것들을 우리는 데이터라고 부른다. 너무 당연하게 받아들여온 개념이어서일까? 우리는 그것이 사실은 수많은 0과 1로 이루어진 숫자에 불과하다는 사실을 쉽게 잊는다. 그래서 데이터가 어떻게 전달되는가? 를 생각해보자니 너무 막연하고 어렵게 느껴지는 것이다.

데이터는 0혹은 1로 이루어진 숫자이고, 컴퓨터는 이진법의 숫자를 전기의 켜짐과 꺼짐으로 표현할 수 있다. 즉, 데이터는 아주 긴 전기 신호 인 것이다. 이렇게 이해하니 막연했던 데이터 전달 과정을 조금을 상상할 수 있을 것 같다. 아주 긴 케이블이 필요하겠구나. 그런데 케이블만 있으면 정말 데이터를 전달할 수 있는걸까?

2. 프로토콜(Protocol)이 필요하다

컴퓨터, ip폰 등 한 클라이언트에서 발생한 데이터가 상대방 컴퓨터 혹은 서버로 전달되기 위해서는 표준화 된 어떠한 약속 혹은 절차를 따라야한다. 전기 신호가 그냥 케이블을 타고 상대방 컴퓨터로 전달되는 것이 아니다.

보내는 쪽에서는 데이터를 안전하고, 정확하고, 신속하게 규격화 즉 포장하는 방법이 필요하고, 받는 쪽에서는 그 데이터를 안전하고 정확하고 신속하게 해석하는 방법이 필요한 것이다. 그런 기술적 약속을 프로토콜 이라고 한다. 네트워크를 공부한다는 것은 많은 프로토콜을 학습한다는 것과 마찬가지다.

컴퓨터 간 데이터를 주고받을 때 에러가 발생하지 않도록 알맞게 나누어 전송하고, 이를 수신하여 다시 기존에 정보로 변환하는 과정, 어떤 모델이 약속되어 있는지 알아보자.

3. 계층구조

네트워크 상에서 여러 대의 컴퓨터가 데이터를 주고 받으려면 이들을 서로 연동할 수 있도록 표준화된 인터페이스를 지원해야한다. OSI 7모델과 TPC/IP 모델 모두 계층 구조를 갖고 있기 때문에, 자세히 알아보기 전에 먼저 계층 구조가 어떤 것인지, 적용하면 어떤 점이 좋은지를 알 필요가 있다. 계층 구조(Layered)는 네트워크 뿐만 아니라 운영체제 등 다양한 분야에서 적용되는데, 계층 구조를 사용하는 목적은 분할 정복(Divide and Conquer) 때문이다. 어떠한 복잡한 문제를 해결하고자 할 때, 나누어 생각하면 쉽게 해결할 수 있다는 취지인 것이다.

계층 구조의 또다른 특징은 위, 아래 층으로만 이동할 수 있다는 점이다. 건너뛰어 한번에 맨위 또는 아래로 갈 수 없다. 즉, 다음 단계로 넘어가려면 이전 계층이 전제조건이 되어야한다.

4. OSI 7계층 모델

OSI 7 Model은 네트워크 통신 과정을 7개의 계층으로 구분한 산업 표준 참조 모델이다. 초창기의 네트워크는 각 컴퓨터마다 시스템이 달랐기 때문에 하드웨어와 소프트웨어의 논리적인 변경없이 통신할 수 있는 표준 모델이 나타나게 되었다.

OSI 참조 모델은 위의 그림과 같이 7개의 층으로 이루어져 있다.

PDU 란?

OSI 7계층에서는 PDU 개념을 중요시 하는데, PDU(Process Data Unit)란 각 계층에서 전송되는 단위이다. 1계층에서 PDU가 비트(Bit)라고 생각하기 쉽지만 PDU라고 하지 않고 여기서 비트는 단위라기 보다는 단지 전기 신호의 흐름일 뿐이다.

PDU는 2계층-프레임(Frame), 3계층-패킷(Packet), 4계층-세그먼트(Segment) 만 생각하면 된다. 네트워크 통신과정을 깊게 이해하기 위해서는 왜 각각의 계층의 PDU가 다른지 알아야 하고, 역할에 대해 알고 있어야 한다.

1계층 : 물리계층 (Physical Layer)

물리계층은 OSI 모델의 최하위 계층에 속하며, 상위 계층에서 전송된 데이터를 물리 매체(허브, 라우터, 케이블 등)를 통해 다른 시스템에 전기적 신호를 전송하는 역할을 한다.

즉, 기계어를 전기적 신호로 바꿔서 와이어에 실어주는 것이다.

• PDU : 비트(Bit)
• 프로토콜 : Modem, Cable, Fiber, RS-232C
• 장비 : 허브, 리피터

2계층 : 링크계층 (Link Layer)

링크계층은 네트워크 기기들 사이의 데이터 전송을 하는 역할을 한다. 시스템 간의 오류 없는 데이터 전송을 위해 패킷을 프레임으로 구성하여 물리계층으로 전송한다. 3계층에서 정보를 받아 주소와 제어정보를 헤더와 테일에 추가한다.

• PDU : 프레임(Frame)
• 프로토콜 : 이더넷, MAC, PPP, ATM, LAN, Wifi
• 장비 : 브릿지, 스위치

3계층 : 네트워크계층 (Network Layer)

네트워크계층은 기기에서 데이터그램(Datagram)이 가는 경로를 설정해주는 역할을 한다. 라우팅 알고리즘을 사용하여 최적의 경로를 선택하고 송신측으로부터 수신측으로 전송한다. 이때, 전송되는 데이터는 패킷 단위로 분할하여 전송한 후 다시 합쳐진다. 2계층이 노드 대 노드 전달을 감독한다면, 3계층은 각 패킷이 목적지까지 성공적이고 효과적으로 전달되도록 한다.

• PDU : 패킷(Packet)
• 프로토콜 : IP, ICMP 등
• 장비 : 라우터, L3 스위치

4계층 : 전송계층 (Transport Layer)

발신지에서 목적지(End-to-End) 간 제어와 에러를 관리한다. 패킷의 전송이 유효한지 확인하고 전송에 실패된 패킷을 다시 보내는 것과 같은 신뢰성있는 통신을 보장하며, 헤드에는 세그먼트가 포함된다. 주소 설정, 오류 및 흐름 제어, 다중화를 수행한다.

• PDU : 세그먼트(Segment)
• 프로토콜 : TCP, UDP , ARP, RTP
• 장비 : 게이트웨이, L4 스위치

5계층 : 세션계층 (Session Layer)

통신 세션을 구성하는 계층으로, 포트(Port)번호를 기반으로 연결한다. 통신장치 간의 상호작용을 설정하고 유지하며 동기화한다. 동시송수신(Duplex), 반이중(Half-Duplex), 전이중(Full-Duplex) 방식의 통신과 함께 체크 포인팅과 유후, 종료, 다시 시작 과정 등을 수행한다.

• 프로토콜 : NetBIOS, SSH, TLS

6계층 : 표현계층 (Presentation Layer)

표현계층은 송신측과 수신측 사이에서 데이터의 형식(png, jpg, jpeg...)을 정해준다. 받은 데이터를 코드 변환, 구문 검색, 암호화, 압축의 과정을 통해 올바른 표준방식으로 변환해준다.

• 프로토콜 : JPG, MPEG, SMB, AFP

7계층 : 응용계층 (Application Layer)

응용계층은 사용자와 바로 연결되어 있으며 응용 SW를 도와주는 계층이다. 사용자로부터 정보를 입력받아 하위 계층으로 전달하고 하위 계층에서 전송한 데이터를 사용자에게 전달한다.

파일 전송, DB, 메일 전송 등 여러가지 응용 서비스를 네트워크에 연결해주는 역할을 한다.

• 프로토콜 : DHCP, DNS, FTP, HTTP

5. TCP/IP 모델

그렇지만 OSI 참조 모델은 말그대로 참조 모델일 뿐 실제 사용되는 인터넷 프로토콜은 을 7계층 구조를 완전히 따르지는 않는다. 인터넷 프로토콜 스택(Internet Protocol Stack)은 현재 대부분 TCP/IP를 따른다.

TCP/IP는 인터넷 프로토콜 중 가장 중요한 역할을 하는 TCP와 IP의 합성어로 데이터의 흐름 관리, 정확성 확인, 패킷의 목적지 보장을 담당한다. 데이터의 정확성 확인은 TCP가, 패킷을 목적지까지 전송하는 일은 IP가 담당한다.

TCP/IP의 4계층
TCP/IP는 OSI 참조 모델과 달리 표현계층, 세션계층을 응용계층에 다 포함시키고 있지만, 사실상 TCP/IP Model의 Application 계층 하나에서 Application, Presentatiom, Session 계층의 구현을 다 하고 있다고 이해하는 게 올바르다.

데이터는 아래 그림과 같이 단계 별로 헤더(Data → Segment → Datagram → Frame)를 붙여 전송하며 이를 데이터 캡슐화라고 한다.

6. 참고

https://madplay.github.io/post/network-osi-7-layer

https://swalloow.tistory.com/56?category=676173

http://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=demonicws&logNo=40117378644