The OSI Model and TCP/IP Protocol

internet

internet은 네트워크 간의 통신을 의미한다. 우리가 사용하는 인터넷(Internet)은 TCP/IP protocol을 이용하는 컴퓨터 네트워크의 한 종류다. 네트워크 통신에서 데이터의 전달 방식에는 다음의 두 가지가 있다.

1. Circuit Switching Network (중앙 제어 전달 방식)

• 경로 설정 시 중앙 제어를 통해 전용선을 만드는 방식이다.
• 간편하지만, 중앙 제어에 문제가 생기면 전체 네트워크가 다운되는 단점이 있다.

2. Packet Switching Network (목적지 주소 전달 방식)

• 경로 설정에 대한 중앙제어가 없는 대신 교차로끼리 정보를 공유해 경로를 만들어 나간다.
• 네트워크의 한 부분이 망가져도 경로를 우회하며 수정한다.
• 우리가 사용하는 인터넷은 이 방법을 채용한다.

Hop to Hop Delivery

• 앞에서 인터넷은 packet switching network을 이용하며, 교차로들끼리 정보를 주고받는다고 했다.
• 마찬가지로 데이터도 source에서 destination까지 직통으로 이동하지 않고, 교차로들을 거쳐간다. 교차로에 데이터가 도착하면, destination에 도달하기 위해 가야 할 다음 교차로에 대한 정보를 얻는다.이런 데이터 전달 방식을 hop to hop delivery라고 한다.
• 인천에서 강남까지 지하철을 타고 갈때, 1호선에서 2호선으로 환승하는 것과 유사하다. 인천역에서 1호선을 타고 가다 보면, 신도림역에서 강남 방면으로 가는 2호선 열차 환승 안내 방송이 나온다.

IP, MAC, port

• hop to hop delivery를 하기 위해서는 세 가지의 주소가 필요하다. source와 destination을 명시하는 IP 주소, 중간의 교차로에 대한 정보를 담은 MAC 주소, 그리고 destination에 도착 이후 데이터를 어느 application에 전달할지 명시하는 port 번호가 있다.
• IP 주소는 logical address라고도 부른다. 데이터 통신 시 출발점과 도착점은 변하지 않으므로, IP 주소 또한 변하지 않는다. 또한, IP 주소는 중복될 수 없고 유일해야 한다.
• MAC 주소는 physical address라고도 부른다. IP 주소와는 다르게 교차로 정보는 계속 바뀌기 때문에, MAC 주소도 변할 수 있다. 또한 MAC 주소는 local 내에서만 중복되지 않으면 된다.

OSI MODEL

ISO라는 단체에서 네트워크 통신의 논리적 요소들을 구분해 모듈화했다. 이를 OSI model 또는 OSI 7 layers라고 부른다. 각 layer에는 정해진 역할이 있다.

Physical Layer

• data를 bit 형태로 전송하는 역할을 맡는다. 어떤 방식으로 전송해야 효율적인지 결정한다.
• communication unit은 bit이다. Layer들을 거칠수록 unit의 header등 위치에 추가적인 정보들이 추가된다. 정보가 추가될수록 명칭이 달라진다.

Data Link Layer

• hop to hop delivery를 책임지고, 이에 필요한 MAC 주소를 header에 표기한다.
• communication unit은 frame이다.

Network Layer

• source to destination delivery를 책임지고, 이에 필요한 IP 주소를 header에 표기한다.
• communication unit은 datagram이다.

Transport Layer

• process to process communication을 책임지고, 이에 필요한 port 번호를 header에 표기한다.
• communication unit은 segment, user datagram, packet이다. segment는 TCP에서, user datagram은 UDP에서 사용한다. packet은 이들을 혼용해 부르는 말이다.

Application Layer

• TCP에서는 Transport layer 이후의 세 단계를 합쳐서 application layer라 부른다.
• communication unit은 message이며, application간의 통신에서 사용한다.
  

Filtering

• 위 그림은 기존의 데이터 전송 경로를 나타낸다. 컨테이너 벨트와 유사한 방식으로 작동한다.
• frame에 source의 IP 주소인 10, destination의 IP 주소인 87이 적혀있다. 10에서 출발한 data는 바로 87로 가지 않고, 28, 53, 65를 순차적으로 방문한다. 10의 입장에서는 87의 위치를 모르기 때문이다.
• 각 컴퓨터에 도착할 때 마다 data의 복사본을 전달한다. 87을 제외한 컴퓨터들은 frame에 적힌 destination이 자신이 아니기 때문에 복사본을 파기한다. 87에서는 복사본을 저장한다. 이 방법은 data 전송시마다 경로 상의 모든 컴퓨터를 계속 순회해야 하기 때문에 비효율적이다.
  
• 위의 문제점을 수정한 그림이다. 컴퓨터들이 직렬로 연결되어 있지 않고, 멀티탭 역할을 하는 switch를 통해 병렬적으로 연결된다.
• 첫 데이터 전송에는 source인 10의 입장에서 destination인 87의 위치를 모르기 때문에 전의 방식과 같이 2,3,4 모든 경로를 통해 data를 전송한다. 28과 53은 받은 복사본을 파기하고, 87은 복사본을 저장한 후 data를 받았다는 신호를 4 경로를 통해 10에게 답장으로 보낸다.
• 1과 4에서 오간 신호를 통해 switch는 1 경로의 끝에 10이, 4 경로의 끝에 87이 있음을 유츄할 수 있다. 이 정보를 내장된 table에 저장한다. 이제 해당 정보가 있기 때문에 10이나 87이 포함된 데이터 전송에서 2, 3번 경로를 쓰지 않아도 된다. 이 기능을 filtering이라고 한다.
• switch는 filtering 기능이 탑재된 hub인 것이다.

Routing과 ARP

• 앞서 언급한 source to destination delivery, hop to hop delivery를 보여주는 그림이다. frame을 A에서 P로 보내는 것이 목적이다.
• 경로를 살펴보면, 데이터는 F, T, N, Z를 거치고, 각 IP 주소에는 일대일로 대응되는 숫자로 된 MAC 주소가 있다. hop to hop delivery에는 MAC 주소가 이용되기 때문에 이를 명시해야 하기 때문이다.
• 두 종류의 표가 보일 것이다. 초록색 표에는 destination과 next의 IP 주소가, 보라색 표에는 next의 MAC 주소가 적혀있다. Sender은 우선 초록색 표를 조회해 다음으로 보낼 곳의 IP 주소를 찾는다. destination과 next의 IP 주소가 적힌 이 표를 routing table이라고 한다. routing table을 통해 IP 주소를 알았지만, hop to hop delivery를 위해서는 MAC 주소가 필요하다. 이때 조회하는 것이 보라색 ARP table이다. 이에는 해당 IP 주소와 mapping된 MAC 주소가 명시되어 있다. 이들은 각 컴퓨터와 router (네크워크 간 연결 기능을 하는 하드웨어)에 저장되어 있다.
• 앞서 말했듯이, logical address는 변하지 않고, physical address는 hop to hop의 과정마다 바뀌는 것을 볼 수 있다.