네트워크 | OSI 7 계층 그림과 함께 이해하기

noopy·2021년 8월 15일

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네트워크

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OSI 7계층을 쉽고 넓게 이해할 수 있도록 자료를 준비해보았다!😉
잘못된 부분은 댓글로 말씀해주시면 반영하겠음!!

OSI 7 계층

Open Systems Interconnection(개방형 시스템 상호연결)의 약자로, 네트워크에서 통신이 일어나는 과정을 7계층으로 나눈 모델.

네트워크

하드웨어끼리 마치 그물망처럼 연결되어 데이터들을 주고 받는 집단.

OSI 7계층을 이해하기에 앞서 네트워크에 대해 이해할 필요가 있다.
네트워크는 일대일 커뮤니케이션에서 원거리 커뮤니케이션의 필요성으로 발달하게 되었다.

기술의 발달로 기존 아날로그 신호가 아닌 전기적 신호를 활용하게 되면서 마치 여러 대의 기기가 그물망처럼 연결되어 서로 통신한다는 뜻의 네트워크 구축을 가속화 시켰다.
이 과정에서 1970 - 1980 년대 말까지 많은 대학들과 연구가들은 서로 다른 네트워크들을 연결시키려고 노력했다.

OSI 7계층의 탄생

이때 탄생된 것이 OSI 7계층이다.

서로 이질적인 네트워크 간의 연결에 어려움이 많아, 호환성 이슈를 방지하고자 ISO(국제 표준화 기구)에서 OSI 참조모델을 제시하게 된다.
즉, OSI 7계층은 네트워크를 만들 때, 이것을 참조해서 만들어라 - 라는 참조모델인 것이다.
따라서 OSI 7 계층을 이해하면, 네트워크 구성을 예측하고 이해할 수 있다.

계층 설명

1계층 (Physical Layer)

앞서 네트워크를 설명하며 전기적 신호를 이용해 전화나 인터넷을 이용한다고 했는데. 이것이 어떻게 가능할까?

이것에 대해 다루는게 1계층,Physical Layer이다.

컴퓨터는 전기가 흐른다(1), 흐르지않는다(0)는 신호로 데이터를 정의한다.
하지만 이런 형태의 전자기파는 항상 0, 무한대, 0, 무한대의 주파수 범위를 갖기 때문에 이런 전기적 신호를 통과시킬 수있는 전선은 없다!고 할 수 있다.🧐
따라서 곡선 형태의 아날로그 신호로 변경해줘야 한다.

즉 최소 두대의 컴퓨터가 통신하기 위해,
0, 1의 나열을 아날로그 신호로 바꾸어 전선으로 흘려 보내고,
아날로그 신호를 0, 1의 나열로 해석하는 역할을 하는 것이 Physical Layer가 하는 역할이다.

Physical Layer의 미디어 타입은 유선으론 구리, 광섬유 등이 있고 무선으론 공기도 가능하다.

2계층(Data Link Layer)

2계층을 설명하기에 앞서 각 계층은 독립적이지만, 기본적으로 상하구조 체계이기 때문에
윗 계층이 동작하기 위해선 아래 계층들이 잘 작동해야 함을 전제로 한다.

사진을 살펴보면, 데이터링크 계층으로부터, physical 계층이 데이터를 전달받아 상대방 컴퓨터로 신호를보내고 있다.

따라서 데이터 계층은 직접 연결된 이웃 컴퓨터와의 통신만을 다룬다. 이 계층에서 전송되는 데이터 단위는프레임이라 부른다.
직접 연결된 컴퓨터와의 통신만을 다루므로, 이웃의 컴퓨터를 넘어가는 통신은 데이터 링크 계층에선 관여하지 않는다.

데이터 링크 계층은 통신에 오류가 없도록 다양한 역할들을 수행한다.

프레이밍: Physical Layer를 통해 받은 신호를 조합해 Frame 단위의 데이터 유닛으로 만들어 처리
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 패턴)

이처럼 데이터 링크 계층은 단순히 데이터를 마구잡이로 보내지 않고 안전하게 보내는 역할도 수행한다.

3계층 (Network Layer)

미국에 있는 A가 한국에 있는 B에게 데이터를 보낼 땐 어떻게 할까?
이것에 대해 다루는 것이 3계층, 네트워크 계층이다.

네트워크 계층은 전송할 데이터를 여러개의 경로를 거쳐 목적지에 전송하는 계층이다.

이 계층에서 전송단위는 패킷이라 부른다.
즉 주소(IP)를 정하고 경로를 선택하고, 패킷을 전달하는 것이 이 계층에서 이루어지고, 이것을 라우팅이라 한다.
라우팅은 네트워크에서 패킷을 보낼 때 목적지까지 갈 수 있는 여러경로 중 한 경로를 설정해주는 과정이다.

4계층 (Transport Layer)

이제 우리는 모든 데이터를 송수신할 수 있게 되었다. 하지만 데이터를 주고 받는다고 끝은 아닐 것이다.

4계층, Transport 계층에서는 사용자들이 신뢰성있는 데이터를 받을수 있도록 전송 속도를 조절하거나, 오류가 발생하면 맞춰주는 역할을 한다.

대표적으로 TCP 프로토콜과UDP 프로토콜이 있다.

TCP 프로토콜은 신뢰성있는 통신을 보장하고, 신뢰성있는 연결과 전달을 보장하는만큼 계속 연결을 유지해야 해서 그만큼의 리소스가 더 들어간다.

반대로, UDP 프로토콜은 빠른 데이터 전송에 초점을 뒀다. 목적지에 데이터가 제대로 도착했는지는 상관하지 않는다. 따라서 신뢰성있는 데이터 전송보다 스트리밍과 같은 연속적인 특성을 가진 서비스에 UDP 프로토콜이 적합하다고 할 수 있다.

OSI 1 ~ 4 계층 복습

1계층 (Physical Layer)

이 계층에서는 주로 전기적 신호를 이용해 통신 케이블로 데이터를 전송하게 된다.
이 계층에서 사용되는 통신 단위는 비트이며 이것은 1과 0으로 나타내어지는, 즉 전기적으로 On, Off 상태를 표현한다.
1계층의 장비로는 케이블, 리피터, 허브등이 있다.

2계층 (Data Link Layer)

데이터 링크 계층은 직접적으로 연결된 두 개의 노드 사이에 데이터 전송을 가능하게 하고, Pysical 계층에서 발생한 오류를 수정하기도 한다.
이 계층에서 전송되는 데이터 단위는프레임이라 부른다.
2계층의 장비로는 브리지, 스위치등이 있다.

3계층 (Network Layer)

라우팅은 네트워크에서 패킷(데이터 전송 단위)을 보낼 때 목적지까지 갈 수 있는 여러경로 중 한 경로를 설정해주는 과정으로, Network Layer에서 대부분의 라우팅이 작동한다.
3계층의 장비로는 라우터, L3 스위치 등이 있다.

4계층 (Transport Layer)

4계층, Transport 계층에서는 보내고자 하는 데이터의 용량과, 속도, 목적지를 처리한다. 주로 이용되는 것은 TCP와 UDP 프로토콜이다.
4계층의 장비로는 L4 스위치가 있다.
L3와의 차이점은 3계층에서 온 트래픽을 분석해 서비스 종류를 구분한다.

5계층 (Session Layer)

Physical Layer(1계층) ~ Transport Layer(4계층)의 주된 기능은 데이터를 전달하는 것이다.

5계층부터는 데이터를 송수신하는 양쪽 종점 컴퓨터 내의 프로세스들 간의 통신 프로토콜이라 할 수 있다.

🧐 세션

1.네트워크 환경에서 사용자 간 또는 컴퓨터 간의 대화를 위한 논리적 연결
- 물리적 연결: 케이블을 통해 직접 연결되는 통신
- 논리적 연결: 물리적 연결 외에 IP(논리주소), MAC address(물리주소) 등을 통해 통신
2.프로세스들 사이에 통신을 수행하기 위해서 메시지 교환을 통해 서로를 인식 한 이후부터 통신을 마칠 때까지의 기간.

세션 계층(Session Layer, 5계층)에서는 응용 프로그램 간의 통신을 하기 위한 세션을 운영체제를 통해 확립, 유지, 중단하는 작업을 수행한다.
즉, 응용 프로그램들 간의 접속을 설정, 유지하고 끊어질 경우 데이터를 재전송하거나 연결을 복구한다.

🧐 동기화

세션계층의 중요한 기능에는 동기화가 있다. 동기란 통신 양단에서 서로 동의하는 논리적인 공통처리 지점으로써, 동기점을 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 통신관리 및 동기화가 이루어진다.

세션 계층 역할 요약

사용자 위주의 논리적인 연결 서비스 제공
전송모드 설정 (반이중, 전이중, 단방향, 병렬, 직렬, 동기, 비동기)
대화와 동기를 위한 데이터 교환 관리
토큰 (Token: 특정 서비스 요구 권리)

6계층 (Presentation Layer)

Presentation 계층은 7계층(Application Layer)에서 넘겨받은 데이터를 Session Layer(5계층)이 다룰 수 있는 데이터로 바꾸고,
반대로 Session Layer에서 넘겨받은 데이터를 Application Layer가 이해할 수 있는 형태로 바꾸고 전달한다.
또 그러한 데이터를 안전하게 사용하기 위해 암호화 / 복호화도 진행한다.

즉, 사용자들이 상위나 하위계층에서 사용하는 데이터 표현양식과 무관하게 사용할 수 있도록 해주는 환경을 제공한다.

예시)
EBCDIC로 인코딩된 문서 파일을 ASCII로 인코딩된 파일로 바꿔 주기,
해당 데이터가 TEXT인지, 그림인지, GIF인지 JPG인지의 구분해주기.

7계층 (Application Layer)

응용 계층(Application layer)은 유저와 가장 가까운 층으로, 응용 프로세스(크롬이란 웹 클라이언트에 접속해)와 직접 관계해 일반적인 응용 서비스(HTTP 프로토콜 등)를 수행한다.

응용 계층 역할 요약

전송된 메일, 사진, 동영상 등이 크롬이나 사파리 등의 응용프로그램을 통해 사용자가 눈으로 확인할 수 있는 과정이며, 이 데이터들은 해당되는 프로토콜(HTTP, FTP, SMTP 등)에 의해 처리된다.

예시)

HTTP라는 Application Layer의 프로토콜은 응용 프로그램인 웹이나 브라우저에 필요한 데이터를 송수신할 때 사용한다.
FTP는 파일 전송 프로토콜로 서버와 클라이언트 사이의 파일을 주고 받을 때 사용한다.

💊 데이터 캡슐화

데이터를 보낼 때는 7계층 👉🏻 1계층으로 간다. 이 과정에서 캡슐화를 하게 되는데 각 계층은 다른 계층과 통신할 때 데이터에 특정 정보가 들어있는 Header 와 Footer 를 추가한 후 다른 계층으로 전달한다.

PDU(Protocol Data Unit)은 프로토콜 데이터 단위이며 OSI 모델의 정보 처리 단위이다.(2계층의 데이터 PDU는 프레임)
아래 계층으로 내려갈수록 PDU 에는 다양한 프로토콜에 의해 Header 와 Footer 가 더해진다.
반대로 데이터를 받은 컴퓨터가 PDU로부터 프로토콜의 Header 와 Footer 를 분석하며 올라가 마지막 응용 계층에 도달하면 원본 데이터만 남는다.(디캡슐화)

⤿ 총 흐름

이메일을 보내는 과정

작성된 메세지는 Application 계층(7계층)에서 Presentation 계층(6계층)으로 전달하게 된다.
Presentation 계층(6계층)에서는 전달된 메세지를 데이터로 변환 하거나, 암호화 또는 압축을 수행한다. 이렇게 변한된 데이터는 Session 계층(5계층)으로 전달되게 된다.
Session 계층(5계층)으로 전달된 데이터는 동기화를 위하여 주기적으로 동기점(sync)을 삽입하여 Transport 계층(4계층)으로 데이터를 전달하게 된다.
Transport 계층(4계층)에서는 발신지와 목적지를 정하고 연결 방식을 연결성, 비연결성 방식으로 설정하여, 흐름 제어와 오류 제어 기능을 한다. 데이터 단위를 Segment 또는 Datagram으로 나눈다. 만약에 악성코드가 있을 경우 방화벽이 작동을 해서 걸러준다.
Network 계층(3계층)에서 라우팅에 필요한 논리 주소를 설정하고, 패킷에 대한 라우팅 정보를 삽입한다.
Data Link 계층(2계층)에는 우선 Frame 단위로 데이터를 나눈다. 그리고 MAC 주소로 지정을 하고 속도 차이를 원할히 메꾸기 위해서 흐름 제어를 한다.
Physical 계층(1계층)에는 전송 매체가 일반 케이블인지 광케이블인지 메체의 길이를 설정한다. 그리고 데이터를 회선으로 보내기 위해 전기적인 변환을 담당한다.