[Computer Science][Network] 🖥️ OSI(Open Systems Interconnection) 7 계층 완벽 가이드

김상욱·2024년 8월 15일

🖥️ OSI(Open Systems Interconnection) 7 계층 완벽 가이드

통신이 일어나는 과정을 단계별로 이해하고, 특정 단계에서 발생하는 문제를 효율적으로 해결하기 위해 OSI 7 계층 모델은 매우 중요한 역할을 합니다. 이 글에서는 OSI 7 계층을 하나하나 분석하고, 데이터가 네트워크를 통해 전송될 때 어떤 과정을 거치는지 알아봅니다. 어떤 내용도 생략하지 않고 설명하니, 끝까지 읽어보세요! 😊

🛠️ 7계층은 왜 나눌까?

복잡성 감소 : 네트워크 통신 과정을 일곱 개의 단계로 나눔으로써, 각 단계에서 수행해야 할 작업을 명확하게 정의하고, 전체 시스템의 복잡성을 줄입니다.
문제 해결 용이성 : 각 계층은 독립적으로 동작하며, 특정 계층에 문제가 발생했을 때, 그 계층만 집중적으로 점검하고 수정할 수 있습니다.
표준화 : 계층을 나누어 각각의 역할을 정의함으로써, 서로 다른 제조사의 장비와 소프트웨어도 동일한 계층에서 정해진 방식으로 통신할 수 있어 호환성과 상호운용성이 보장됩니다.
기술 발전과 유연성 : 각 계층이 독립적으로 기능하므로, 한 계층의 기술이 발전해도 다른 계층에 영향을 미치지 않습니다. 이를 통해 새로운 기술이나 프로토콜을 도입할 때도 유연하게 대응할 수 있습니다.
교육 및 이해 용이성 : 복잡한 네트워크 통신 과정을 계층별로 나누어 설명함으로써, 개념을 쉽게 이해하고 학습할 수 있습니다. 이는 네트워크 기술 교육에 유용합니다.

🔌 1) 물리(Physical) 계층

Coax, Fiber, Wireless, Hubs, Repeaters

역할: 단지 데이터를 전기적인 신호로 변환해서 주고받는 기능을 수행하는 공간입니다.
기능: 데이터를 전송하는 역할만 담당합니다.
Coax: 동축 케이블
Fiber: 광섬유 케이블
Wireless: 무선 통신
Hubs: 여러 네트워크 장치를 연결하는 중앙 장치로, 데이터를 연결된 모든 장치로 전송하는 장치
Repeaters: 신호를 재생하고 증폭시켜, 신호가 더 먼 거리까지 전송될 수 있도록 도와주는 장치

📦 2) 데이터 링크(Data Link) 계층

Frames
Ethernet, PPP, Switch, Bridge

역할: 물리 계층으로 송수신되는 정보를 관리하여 안전하게 전달되도록 도와주는 역할을 합니다.
기능: MAC 주소를 통해 통신하며, 프레임(데이터 링크 계층의 데이터 단위)에 MAC 주소를 부여하고, 에러 검출(프레임이 손상되지 않고 잘 전달되었는지 확인), 재전송(오류가 발견되면 프레임의 재전송 요청), 흐름 제어(데이터 전송 속도 조절) 등을 진행합니다.
프레인 생성: 네트워크 계층에서 전달된 패킷을 받아 프레임(Frame)이라는 데이터 단위로 캡슐화합니다.
Ethernet: 유선 LAN(Local Area Network)에서 가장 널리 사용되는 네트워크 기술. 프레임이라는 단위로 데이터를 전송하며, 여러 장치가 동시에 네트워크를 사용할 수 있도록 합니다. 유선 연결을 통해 빠르고 안정적인 네트워크 통신을 제공합니다.
PPP (Point-to-Point Protocol): 두 개의 네트워크 장치 간에 데이터를 전송하기 위한 프로토콜. 데이터 전송을 위한 연결을 설정하고, 데이터가 올바르게 전송되었는지를 확인하며, IP 주소 할당 등의 기능을 제공합니다.
Switch: 여러 네트워크 장치를 서로 연결하고, 각 장치에 맞는 데이터만 전송하는 네트워크 장치. MAC 주소를 기반으로 데이터를 전달하며, 데이터가 목적지 장치로만 전송되도록 합니다. 이는 네트워크 효율성과 보안을 높여줍니다.
Bridge: 두 개의 네트워크 세그먼트(물리적으로 분리된 네트워크의 일부분)를 연결하여 하나의 네트워크처럼 동작하게 만드는 장치입니다. MAC 주소를 사용하여 데이터를 전달하며, 네트워크 트래픽(데이터가 네트워크를 통해 이동하는 것)을 분할하여 불필요한 트래픽이 전체 네트워크에 퍼지는 것을 막습니다. 즉, 세그먼트 A에서 발생한 데이터가 세그먼트 B로 전달될 필요가 없는 경우, 브리지는 이 데이터를 세그먼트 A 내에서만 처리하고, 세그먼트 B로 처리하지 않습니다. 이는 네트워크의 성능과 안정성을 높여줍니다.

🚦 3) 네트워크(Network) 계층

Packets
IP, ICMP, IPSec, IGMP

역할: 데이터를 목적지까지 가장 안전하고 빠르게 전달하는 기능을 담당합니다.
기능:
- 패킷 구성: 송신받을 때 세그먼트를 패킷으로 나누고, IP 주소 등 네트워크 계층에서 필요한 정보를 추가합니다.
- 라우팅: 네트워크 상의 데이터 패킷이 목적지까지 가는 최적의 경로를 결정하는 과정입니다.
- IP 주소를 통해 데이터의 출발지와 목적지를 식별합니다.
- 흐름 제어: 송신자와 수신자 간의 데이터 전송 속도를 조절하는 기능입니다.
- 오류 제어: 데이터 패킷이 네트워크를 통해 전송될 때 발생할 수 있는 오류를 검출하고 수정하는 과정입니다.
- 세그먼테이션=프래그멘테이션: 전송 계층에서 전달된 세그먼트가 네트워크의 MTU(Maximum Transmission Unit, 최대 전송 단위)보다 큰 경우, 패킷을 더 작은 조각으로 나눕니다.
IP (Internet Protocol): 인터넷을 포함한 네트워크에서 데이터를 패킷으로 나누어 전송하고, 그 패킷을 목적지까지 전달하는 역할을 하는 기본 프로토콜입니다.
ICMP (Internet Control Message Protocol): 네트워크 장치 간의 오류 보고와 진단 메시지를 전달하는 데 사용되는 프로토콜입니다.
IPSec (Internet Protocol Security): IP 계층에서 데이터의 무결성과 기밀성을 보장하는 보안 프로토콜입니다.
IGMP (Internet Group Management Protocol): 네트워크에서 멀티캐스트 그룹을 관리하는 프로토콜입니다.
라우터(Router) : IP 주소를 사용하여 네트워크 간의 데이터 패킷을 전달합니다. IP 주소는 네트워크 내에서 데이터를 전송할 위치를 식별하는 데 사용되며, 라우터는 이 IP 주소를 분석하여 최적의 경로를 설정합니다.

🔄 4) 전송(Transport) 계층

End-to-end connections
TCP, UDP

역할: TCP와 UDP 프로토콜을 통해 통신을 활성화합니다. 포트(전송 계층에서 사용하는 논리 주소)를 열어두고, 프로그램들이 데이터를 전송할 수 있도록 제공합니다.
기능:
- End-to-end connections: 송신자와 수신자 간에 직접적인 연결을 설정하여 데이터를 주고받는 것을 의미합니다.
- Segmentation: 응용 계층에서 받은 데이터를 작은 세그먼트(Segment)로 나누는 작업을 합니다.
TCP (Transmission Control Protocol):
- 연결 지향적: 데이터 전송 전에 송신자와 수신자 간에 연결을 설정합니다.
- 신뢰성 보장: 데이터가 손실되거나 순서가 뒤바뀌지 않도록 보장하며, 손실된 데이터는 재전송됩니다.
- 오류 검사 및 흐름 제어: 데이터의 무결성을 확인하고, 송신 속도를 조절하여 네트워크 혼잡을 방지합니다.
UDP (User Datagram Protocol):
- 비연결 지향적: 연결을 설정하지 않고, 데이터를 독립적인 패킷(데이터그램)으로 전송합니다.
- 신뢰성 없음: 데이터가 손실되거나 순서가 뒤바뀔 수 있으며, 이를 복구하지 않습니다. 단순히 데이터를 빠르게 전송하는 데 중점을 둡니다.
- 실시간 전송: 데이터를 실시간으로 전송합니다.
- 오류 검사 및 흐름 제어 없음: 데이터 전송의 신뢰성이나 흐름을 보장하지 않습니다.

🔗 5) 세션(Session) 계층

Synch & send to port
API's, Sockets, WinSock

역할: 송신자와 수신자가 데이터를 주고받기 전에 서로 상태를 맞추는 과정인 동기화가 일어납니다.
기능: 데이터가 통신하기 위한 논리적 연결(물리적 연결과는 다르게 소프트웨어적으로 데이터를 교환하기 위해 설정되는 가상적인 연결)을 담당합니다. TCP/IP 세션(두 장치 간에 데이터를 주고받기 위해 설정되는 연결)을 만들고 없애는 책임을 지니고 있습니다.
API: 응용 프로그램 간의 상호작용을 가능하게 만드는 인터페이스입니다.
Sockets: 네트워크 통신의 종단점을 나타내며, 두 장치 간의 데이터 교환을 가능하게 합니다. 소켓은 IP 주소와 포트 번호를 결합하여 통신할 수 있는 경로를 설정합니다.
WinSock (Windows Sockets): Windows 운영체제에서 네트워크 소켓을 사용할 수 있게 해주는 API입니다.

🎨 6) 표현(Presentation) 계층

Syntax layer
SSL, SSH, IMAP, FTP, MPEG, JPEG

역할: 데이터 표현에 대한 독립성을 제공하고 암호화를 담당합니다.
기능: 파일 인코딩, 명령어 포장, 데이터 압축, 암호화 등의 작업을 수행합니다.
SSL (Secure Sockets Layer): 데이터 전송 중에 보안을 강화하기 위해 사용하는 프로토콜입니다.
SSH (Secure Shell): 네트워크

상에서 안전하게 원격 로그인을 할 수 있게 해주는 프로토콜입니다.
IMAP (Internet Message Access Protocol): 이메일을 서버에서 읽고 관리하기 위한 프로토콜입니다.
FTP (File Transfer Protocol): 파일을 전송하기 위한 표준 프로토콜입니다.
MPEG (Moving Picture Experts Group): 동영상과 오디오의 압축 및 전송을 위한 표준 형식입니다.
JPEG (Joint Photographic Experts Group): 이미지 파일의 압축 및 저장을 위한 표준 형식입니다.

🌐 7) 응용(Application) 계층

End User layer
HTTP, FTP, IRC, SSH, DNS

역할: 최종 목적지로, 응용 프로세스(웹 브라우저나 이메일 클라이언트와 같은 프로그램)와 직접 관계하여 일반적인 응용 서비스를 수행합니다.
기능: 사용자 인터페이스, 전자우편, 데이터베이스 관리 등의 서비스를 제공합니다.
HTTP (Hypertext Transfer Protocol): 웹 브라우저와 웹 서버 간에 웹 페이지를 주고받는 프로토콜입니다.
FTP (File Transfer Protocol): 파일을 전송하기 위한 표준 프로토콜입니다.
IRC (Internet Relay Chat): 실시간 텍스트 채팅을 가능하게 하는 프로토콜입니다.
SSH (Secure Shell): 네트워크 상에서 안전하게 원격 로그인을 할 수 있게 해주는 프로토콜입니다.
DNS (Domain Name System): 도메인 이름을 IP 주소로 변환하는 서비스입니다.

🗂️ 데이터가 전송될 때의 흐름

응용 계층에서 사용자가 웹사이트에 접속하려고 웹 주소를 입력하면, 이 정보는 응용 계층에서부터 시작됩니다.
표현 계층은 웹 페이지의 데이터를 HTML 형식으로 인코딩하고, 필요하다면 데이터를 압축하거나 암호화합니다.
세션 계층은 웹 브라우저와 웹 서버 간의 세션을 설정하여, 데이터를 주고받을 수 있는 연결을 만듭니다.
전송 계층에서 데이터는 TCP 세그먼트로 나뉘어져, 신뢰성 있게 전송될 수 있도록 준비됩니다. TCP는 이 세그먼트의 전송을 관리합니다.
네트워크 계층은 TCP 세그먼트를 패킷으로 나누고, IP 주소를 할당하여 목적지 서버로 전달할 준비를 합니다.
데이터 링크 계층은 패킷을 프레임으로 감싸고, 물리적 네트워크(예: 이더넷)를 통해 오류 없이 전송될 수 있도록 합니다.
물리 계층에서 데이터는 전기적 신호로 변환되어 실제로 네트워크 케이블이나 무선 신호를 통해 서버로 전송됩니다.

🗂️ 데이터 수신 시의 흐름

물리 계층에서 전송된 신호를 수신하고, 데이터를 비트로 변환합니다.
데이터 링크 계층은 이 비트들을 모아 프레임으로 조립하고, 오류가 없는지 확인한 후 상위 계층으로 전달합니다.
네트워크 계층은 프레임에서 IP 패킷을 추출하고, 이를 세그먼트로 분할하여 전송 계층으로 전달합니다.
전송 계층에서는 세그먼트를 조립하여 데이터를 완성하고, 신뢰성 검사를 수행한 후 세션 계층으로 넘깁니다.
세션 계층은 세션을 관리하고, 데이터가 올바른 응용 프로그램으로 전달되도록 보장합니다.
표현 계층은 데이터의 형식을 해석하고, 필요한 경우 압축을 해제하거나 암호를 해독합니다.
응용 계층에서는 사용자가 요청한 웹 페이지를 웹 브라우저에 표시합니다.

TCP/IP 4계층 모델

OSI 모델은 7계층을 세분화되어 있어, 통신 과정의 각 단꼐를 세밀하게 나누어 설명합니다. 이로 인해 네트워크 프로토콜 설꼐와 문제 해결에서 더 구체적인 분류가 가능합니다.
TCP/IP 모델은 실제 네트워크 구현을 더 단순화하여, 4개의 계층으로 통신 과정을 나누어 설명합니다. 이 모델은 실용적이고 효율적인 방식으로 인터넷 프로토콜을 설명합니다.

1. 응용 계층 (Application Layer)

기능 : 응용 계층은 사용자가 직접 상호작용하는 애플리케이션과 네트워크 통신을 연결하는 역할을 합니다. 이 계층은 애플리케이션이 네트워크 서비스에 접근할 수 있게 해주는 다양한 프로토콜을 포함합니다.
주요 프로토콜 :
- HTTP/HTTPS : 웹 페이지와 데이터를 주고받기 위한 프로토콜
- FTP : 파일 전송을 위한 프로토콜
- SMTP : 이메일 전송을 위한 프로토콜
- DNS : 도메인 이름을 IP 주소로 변환하는 서비스
역할 : 웹 브라우징, 이메일 송수신, 파일 전송 등 인터넷에서 사용하는 다양한 서비스들이 이 계층에서 동작합니다.

2. 전송 계층 (Transport Layer)

기능 : 전송 계층은 두 호스트 간의 데이터 전송을 관리하고, 신뢰성 있는 통신을 제공하는 역할을 합니다. 이 계층은 데이터가 목적지에 정확히 도착하도록 보장하며, 오류 검출 및 복구, 데이터의 순서 보장, 흐름 제어 등을 수행합니다.
주요 프로토콜:
- TCP : 연결 지향적 프로토콜로, 데이터 전송의 신뢰성을 보장합니다. 데이터가 손실되거나 순서가 어긋날 경우, TCP는 이를 복구하고 재전송합니다.
- UDP : 비연결 지향적 프로토콜로, 빠른 데이터 전송을 위해 설계되었습니다. 신뢰성보다는 속도가 중요한 애플리케이션에서 사용됩니다.
역할 :
- TCP는 이메일, 파일 전송, 웹 페이지 로드와 같이 신뢰성이 중요한 서비스에서 사용되며, UDP는 스트리밍, 온라인 게임 등에서 사용됩니다.

3. 인터넷 계층 (Internet Layer)

기능 : 인터넷 계층은 데이터 패킷을 네트워크 경로를 통해 목적지까지 라우팅하는 역할을 합니다. 이 계층은 데이터 전송의 논리적 주소 지정, 패킷 분할 및 조립, 경로 선택 등을 담당합니다.
주요 프로토콜 :
- IP (Internet Protocol) : 패킷을 네트워크를 통해 라우팅하는 데 사용됩니다. IP 주소를 사용해 송신자와 수신자를 식별하며, 패킷을 최종 목적지까지 전송합니다.
- ICMP (Internet Control Message Protocol) : 네트워크 진단 및 오류 보고에 사용됩니다.
- ARP (Addresss Resolution Protocol) : IP 주소를 물리적 MAC 주소로 변환하는 데 사용됩니다.
역할 : 이 계층에서 IP 주소를 기반으로 데이터가 전송되며, 네트워크 간 패킷 전송의 경로를 결정합니다.

4. 네트워크 인터페이스 계층 (Network Interface Layer)

기능 : 네트워크 인터페이스 계층은 물리적으로 데이터를 전송하는 하드웨어와 직접 상호작용합니다. 이 계층은 데이터를 실제로 전송하는 네트워크 장치(예 : 이더넷, 와이파이)를 관리하며, 데이터를 프레임 형태로 물리적 매체를 통해 전송합니다.
주요 프로토콜 :
- Ethernet : 유선 네트워크에서 데이터 링크를 구성하는 프로토콜 입니다.
- Wi-Fi : 무선 네트워크에서 데이터를 전송하는 프로토콜 입니다.
- PPP (Point-to-Point Protocol) : 두 노드 간의 직접 연결을 관리하는 프로토콜 입니다.
역할 : 이 계층은 데이터를 실제로 전송하는 물리적 연결을 관리하며, 네트워크 카드(NIC)를 통해 데이터를 송수신합니다.