📚[CS 북스터디]네트워크 한 방에 정리하기 - 네트워크 계층 모델

📖 네트워크 계층 모델

🔎 OSI 7 계층

통신과 네트워크에 대해 깊게 공부하지 않았어도 아래 있는 말들은 많이 들어봤을 것이다.

OSI 7 계층❓ 물데네전세표응❓

아래 사진에 있는 모델이 우리가 평상시에 "물데네전세표응" 으로 알고 있었던(혹은 시험기간에 열심히 외우고 있었던...) OSI 7 계층 모델이다.

그러면 OSI 7 계층은 무엇일까?

OSI 7 계층 모델은 국제 표준화 기구인 ISO가 확립한 모델로 개방화된 Open 데이터 통신 환경에 적합한 계층적 구현 모델의 표준이다.

위 그림을 보면 서로 연결되어 있는 두 호스트가 각각 7개의 계층으로 구성된 모듈을 수행함으로써 데이터 송수신을 하고 있는 것을 확인할 수 있다.

그림을 보면 전송 데이터는 송신 호스트의 응용 계층(Application Layer)에서 시작해 하위 계층으로 순차적으로 전달되어, 최종적으로 물리 계층(Physical Layer)에서 수신 호스트에 전달되는 것을 알 수 있다. 수신 호스트에서는 데이터를 상위 계층으로 순차적으로 이동시켜 응용 계층까지 보내준다.

데이터가 하위 계층으로 내려갈 때는 각 계층의 프로토콜에서 정의한 헤더 정보가 추가되는 것을 확인할 수 있다. 반대로 데이터를 수신하는 호스트에서는 상위 계층으로 올라가며 순차적으로 헤더 정보를 제거하고 해석하면서 프로토콜 기능을 수행한다.

🔎 TCP/IP 4 계층

많은 사람들이 OSI 7 계층에 대해서는 많이 들어봤겠지만 TCP/IP 4 계층 모델은 조금 생소할 수 있다. TCP/IP 계층은 네 개의 계층을 가지고 있으며 OSI 7 계층과 많이 비교한다.

그렇다면 OSI 7계층과 TCP/IP 4계층은 어떤 차이가 있을까?

아래 사진에서 TCP/IP 계층과 달리 OSI 계층은 애플리케이션 계층을 세 개로 쪼개고 링크 계층을 데이터 링크 계층, 물리 계층으로 나눠서 표현하는 것이 다르며, 인터넷 계층을 네트워크 계층으로 부른다는 점이 다르다.

지금부터 TCP/IP 4 계층을 하나씩 살펴보자

📌 애플리케이션 계층

애플리케이션(application) 계층은 FTP, HTTP, SSH, SMTP, DNS 등 응용 프로그램이 사용되는 프로토콜 계층이며 웹 서비스, 이메일 등 실질적으로 사람들에게 제공하는 층이다.

📌 전송 계층

전송(transport) 계층은 송신자와 수신자를 연결하는 통신 서비스를 제공하며 연결 지향 데이터 스트림 지원, 흐름 제어를 제공할 수 있으며 애플리케이션 계층과 인터넷 계층 사이의 데이터가 전달될 때 중계 역할을 한다.

대표적으로 연결형 서비스의 TCP와 비연결형 서비스의 UDP 프로토콜이 있다.

TCP는 패킷 사이에 순서를 보장하고 연결지향 프로토콜을 사용해서 연결을 하여 신뢰성을 구축해서 수신 여부를 확인하는 가상 회선 패킷 교환 방식을 사용한다.

가상 회선 패킷 교환 방식

일반적으로 가상 회선 방식은 연결형 서비스를 지원하기 위한 기능으로, 미리 설정된 논리적인 연결을 통해 전송되는 모든 패킷의 경로가 동일하다.

위 사진에서 볼 수 있듯이 송수신 호스트 사이에 설정된 가상의 단일 파이프를 통해 전송되는 모든 패킷의 경로가 동일하다. 송수신 호스트 사이에 설정된 가상의 단일 파이프를 통해 송신 호스트가 입력단으로 패킷을 송신하고, 수신 호스트가 출력단에서 패킷을 수신한다.

즉, 모든 패킷이 하나의 파이프로 표현되는 동일 경로로 전송되므로 패킷이 도착하는 순서가 보낸 순서와 동일하다.

UDP는 순서를 보장하지 않고 수신 여부를 확인하지 않으며 단순히 데이터만 주는 데이터그램 패킷 교환 방식을 사용한다.

데이터그램 패킷 교환 방식

패킷 교환 방식에서 비연결형 서비스를 이용해 패킷을 독립적으로 전송하는 것을 데이터그램 방식이라고 한다.

데이터그램 방식은 가상 회선 방식과 다르게 데이터를 전송하기 전에 연결을 설정하지 않으므로, 송신 호스트가 전송한 패킷이 독립적으로 라우팅되는 것 을 알 수 있다. 위 사진 (b)와 같이 패킷 3은 패킷 1.2와 다른 경로를 선택할 수 있으며, 각 전송 경로의 속도는 네트워크 혼잡도에 따라 가변적이다.

즉, 송신 호스트가 전송한 패킷이 독립적으로 라우팅되므로 데이터의 도착 순서가 바뀔 수 있다.

📌 인터넷 계층

인터넷(internet) 계층은 장치로부터 받은 네트워크 패킷을 IP 주소로 지정된 목적지로 전송하기 위해 사용되는 계층입니다.

IP, ARP, ICMP 등이 있으며 패킷을 수신해야 할 상대의 주소를 지정하여 데이터를 전달한다. 상대방이 제대로 받았는지에 대해 보장하지 않는 비연결형적인 특징을 가지고 있다.

📌 링크 계층

링크(link) 계층(네트워크 접근 계층)은 전선, 광섬유, 무선 등으로 실질적으로 데이터를 전달하며 장치 간에 신호를 주고받는 규칙을 정하는 계층이다.

이를 물리 계층과 데이터 링크 계층으로 나누기도 하는데 물리 계층은 무선 LAN과 유선 LAN을 통해 0, 1로 이루어진 데이터를 보내는 계층이고, 데이터 링크 계층은 이더넷 프레임을 통해 에러 확인, 흐름 제어, 접근 제어를 담당하는 계층이다.

유선 LAN을 이루는 이더넷은 IEEE802.3 이라는 프로토콜을 따르며 전이중화 통신을 사용한다.

전이중화(full duplex) 통신

아래 그림과 같이 양쪽에서 데이터를 동시에 전송하는 데이터 전달 방법을 전이중화 통신이라고 한다. 전이중화 통신은 회선이 2개이므로 양쪽 장치가 동시에 송수신 할 수 있다.

일반적인 데이터 통신은 대부분 전이중화 통신이다.

무선 LAN 장치는 수신과 송신에 같은 채널을 사용하기 때문에 반이중화 통신을 사용한다.

반이중화(half duplex) 통신

반이중화 통신은 양쪽 장치는 서로 통신할 수 있지만, 동시에 통신할 수 없으며 한 번에 한 방향으로만 통신할 수 있는 방식을 말한다.

송신과 수신이 하나의 채널에서 이루어진다. 따라서 충돌을 피하기 위해서 상대의 데이터 전송이 완료될 때까지 기다렸다가 데이터를 전송해야 한다.

데이터 링크 계층은 이더넷 프레임을 통해 전달받은 데이터의 에러를 검출하고 캡슐화한다.

이더넷 프레임

아래 그림은 이더넷 프로토콜에서 사용하는 이더넷 프레임의 구조이다.

필드의 의미는 아래와 같다.

Preamble(프리엠블)
7바이트 크기로, 수신 호스트가 송신 호스트의 클록과 동기를 맞출 수 있도록 시간 여유를 제공하는 것이 목적이다. 각 바이트는 10101010 비트 패턴을 포함한다.

Start Frame Delimiter(시작 구분자)
프레임이 시작된다는 의미로 사용되며, Preamble 필드와 구분하기 위해서 10101011의 값을 가진다.

Source Address/Destination Address(송신 호스트 주소/수신 호스트 주소)
MAC 계층에서는 호스트를 구분하기 위하여 고유의 MAC 주소를 사용하며, MAC 주소는 일반적으로 LAN 카드에 내장되어 제공된다. 두 필드는 전송되는 프레임의 송신 호스트와 수신 호스트의 주소를 표현한다.

Length/Type
필드 값이 1,500 이하이면 Data 필드의 데이터 크기를 의미하는 Length로 해석하고, 그렇지 않으면 Type으로 해석한다.

Data
Payload라고도 불리며 전달받은 데이터가 배치되는 곳이다.

CRC(순환 중복 검사)
에러 확인 비트이다.

지금까지 TCP/IP 4 계층에 대해 알아보았는데 그렇다면 계층 간 데이터를 어떻게 송수신 하는걸까?

🔎 계층 간 데이터 송수신 과정

아래 그림에서도 볼 수 있듯이 OSI 7 계층과 마찬가지로 전송 데이터는 송신 호스트의 응용 계층(Application Layer)에서 시작해 하위 계층으로 순차적으로 전달되어, 최종적으로 링크 계층(Link Layer)에서 수신 호스트에 전달되는 것을 알 수 있다. 수신 호스트에서는 데이터를 상위 계층으로 순차적으로 이동시켜 응용 계층까지 보내준다.

이때 응용 계층에서 전송 계층으로 데이터가 전달될 때 상위 계층의 헤더가 하위 계층의 데이터에 포함되는 캡슐화 과정이 진행된다.
마찬가지로 데이터가 하위 계층에서 상위 계층으로 전달되면서 각 계층의 헤더 부분을 제거하는 비캡슐화 과정이 진행되는 것을 확인 할 수 있다.

아래 사진을 보면 데이터 송수신 과정에서 캡슐화/비캡슐화 과정을 확인할 수 있다.

이렇게 캡슐화와 비캡슐화를 거쳐 최종적으로 사용자에게 응용 계층의 PDU인 데이터로 전달된다.

PDU(Protocol Data Unit)

네트워크의 어떠한 계층에서 계층으로 데이터가 전달될 때 한 덩어리의 단위를 PDU라고 한다.

아래 그림을 보면 각 계층의 PDU를 확인할 수 있다.

• 응용 계층: Data
• 전송 계층: Segments(TCP), Datagrams(UDP)
• 인터넷 계층: Packets
• 링크 계층: Frames