CS 강의 9. OSI 7계층

출처 : 내일배움캠프

 

1. 네트워크의 기본구조

1 - 1. 네트워크

- 네트워크 : 정보가 전송되는 경로

=> 이러한 네트워크로 전세계 모든 컴퓨터를 연결하기 위해

1. 통신 장비 :어떻게 연결할지

2. 통신 역할 : 각 장비가 어떤 역할을 할지

3. 통신 규칙 : 각 장비는 서로 어떤 규칙을 가지고 정보를 주고 받을지

이 필요하다

 

LAN vs WAN

1) LAN : 사무실이나 빌딩 등 비교적 좁은 범위의 네트워크

2) WAN : 서로 떨어진 LAN 사이를 전용선 등으로 연결한 광역 네트워크

~ 와이파이 공유기의 인터넷 선이 WAN 포트

~ WAN으로 건물과 통신사 중계기(ISP), 나아가 네트워크 시스템(SDN)을 연결한다

1 - 2. 클라이언트와 서버

클라이언트 vs 서버

- 클라이언트 : 네트워크 상 서버에게 서비스를 요청하는 장비 ~ 컴퓨터, 핸드폰 등

- 서버 : 네트워크 상 서비스를 제공하는 장비 ~ 공유기, 도메인 관리기(DNS), IP 할당기(DHCP), 시간 관리기(NTP), 게이트웨이 등

 

서버의 종류

- 공유기 : 네트워크에서 파일이나 프린터를 공유

- 도메인 관리기(DNS) : 도메인 주소로 IP 주소를 찾게 해준다

- IP 할당기(DHCP) : 네트워크에 새로 접속한 장비에 IP 주소와 네트워크 설정을 해준다

- 시간 관리기(NTP) : 네트워크 상 장비들의 시간을 알맞게 맞춰준다

- 게이트웨이 : 여러 대의 장비가 외부 네트워크에 접속하게 해준다

2. OSI 7계층

2 - 1. 탄생 배경

- 1960년대에 미 국방성에서 네트워크 개발 후 미국에 배포

- 70년대에 ISO에서 OSI 7계층을 만들어 네트워크 기본 구조 가이드

- 80년대에 독일, 한국 등이 네트워크에 연결되었으나, OSI 7계층의 완성이 늦어졌다

- 90년대에 OSI보다 TCP/IP 프로토콜이 먼저 완성, 검증이 완료되어 표준이 되었다

=> OSI는 더 오래된 TCP/IP 프로토콜보다 2계층이 더 많은 7계층이다

 

+ 계층화 : 통신 기술의 도입과 통신 기능의 확장을 쉽게 하기 위해 규칙(프로토콜)을 몇 개의 계층으로 나누는 것을 "계층화"라고 한다.  기능에 필요한 몇 개의 계층만 표준화하면 정상적으로 통신이 가능하다

+ TCP/IP 프로토콜보다 상세하게 정리된 것이 OSI 7계층

2 - 2. 계층별 역할

각 계층은 독립적인 역할을 부여받아 동작하며, 문제 발생시 현상에 따라 원인 파악이 용이해진다. 이 모델을 통해 각 계층에서의 작업을 시각적으로 표현할 수 있다

이름	설명
응용 계층(Application)	애플리케이션 서비스 제공
표현 계층(Presentation)	문자코드, 압축, 암호화
⛳️세션 계층(Session)	통신 방식 결정
전송 계층(Transport)	신뢰성 있는 통신 구현
네트워크 계층(Network)	다른 네트워크와 통신하기 위한 IP주소 결정
데이터링크 계층(Data Link)	물리주소 결정
물리 계층(Physical Layer)	물리적인 연결과 전기 신호 변환

1) 계층 간 인터페이스 : 자신의 바로 위 계층에 제공되는 정보와 서비스를 정의

2) 계층 기본구조

- 계층 1, 2, 3 : 네트워크 지원계층 ~ 하나의 장치에서 다른 장치로 전송되는 데이터의 물리적인 면 처리

- 계층 5, 6, 7 : 사용자 지원계층 ~ 관계 없는 소프트웨어 시스템 간 상호 운용성 제공

- 계층 4 : 전송 계층 ~ 네트워크 지원 계층과 사용자 지원 계층을 서로 연결, 네트워크 지원 계층이 전송한 것을 사용자 지원 계층이 사용할 수 있는 형태가 되도록 보장

~ 4계층을 네트워크 지원 계층에 합쳐 1 ~ 4의 데이터 플로우 계층과 5 ~ 7의 애플리케이션 계층으로 나누기도 한다

 

각 계층 장비의 기준

1. L1 ~ 1계층 기능만 : 인코더/디코더

2. L2 ~ 1, 2계층의 기능 : L2 스위치 / MAC 주소

3. L3 ~ 1, 2, 3계층의 기능 : 라우터 = 중계노드/ IP 주소

4. L4 ~ 1, 2, 3, 4계층의 기능 : L4 로드밸런서/ 포트

5. L5 ~ 모든 계층의 기능 : 컴퓨터, 핸드폰

=> 네트워크의 물리적 연결은 L2, L4 장비를 케이블로 연결하는 것이다

~ L2 스위치가 L3 장비기능도 하고 있다, L5 ~ L7는 논리적인 SW 구간이다

계층별 역할

1. 물리 계층

물리적으로 연결된 두 대의 컴퓨터가 전선을 통해 직접 데이터를 송수신할 수 있게 해주는 모듈

목적 : 등어온 전기 신호를 그대로 잘 전달하는 것

동작 :

- 전기 신호를 비트로, 비트를 전기 신호로 변환

- 아날로그 - 디지털, 물리적인 케이블 계층

- 비트 단위로 전소오디는 전기신호

규칙 :

물리 계층에서는 두 시스템 간 데이터를 전송하려고 링크를 활성화하고 관리하는 전기적, 기계적, 절차적, 기능적 특성을 정의

 

2. 데이터 링크 계층

출발 주소와 도착 주소를 확인하고 자신에게 보낸 데이터인지 아닌지 검사한 후 데이터 처리를 수행한다

목적 : 주소 정보를 정의하고 정확한 통신이 되게 하는 것 ~ MAC 주소

동작 :

- framing, switching

- MAC 주소를 기반으로 같은 네트워크에 있는 장비들이 데이터들을 주고 받게 해준다

- 물리적인 네트워크를 통해 데이터를 전송

- 전송할 때 보낼 데이터를 frame 단위로 쪼개고 순번을 매긴 후 frame 앞뒤에 표시

=> 이를 통해 순서를 맞추고 빠진 데이터를 확인, 복구

=> L2 장비 간 신뢰성있는 전송 보장

규칙 :

- 네트워크 접속 장치간 신호를 주고받는 규칙을 정하는 계층

- frame 데이터가 잘못되었을 경우 다시 요청하는 방식으로 복구

장비 : 브리지, L2 스위치 등

 

IP vs MAC

- IP

장치가 네트워크에 등록되는 시점에 할당받는 번호 ~ 이사가는 시점에 할당받는 집주소

- MAC

장치가 생산될 때 제조사에서 할당해주는 고유번호 ~ 태어날 때 할당받는 주민등록번호

 

~ 네트워크에 등록 요청하면 네트워크 서버 장비들은 IP 주소를 장비들에게 할당해주고 이것을 MAC 주소와 매핑시켜 준다. 이 매핑정보를 통해 전송경로를 타고간다

~ 네트워크 상에서는 IP 주소를 가지고 통신하는 것같이 보이나 실제로는 네트워크 장비끼리 서로 MAC 주소를 공유해 연결된다

- 도착지 IP 주소를 찾을 때까지 출발 MAC 주소와 도작 MAC 주소를 계속 업데이트하며 이동

- MAC 주소는 L2 스위치, IP 주소는 L3 라우터가 알고 있다

 

3. 네트워크 계층

IP 주소를 이용해 서로 다른 네트워크에 속한 컴퓨터끼리 데이터를 주고 받게 해주는 것

목적 : IP 주소를 제공

동작 :

- Packet, Routing, Forwarding

- 호스트에 IP 주소를 부여하고 도착지 IP 주소까지 최적의 경로를 찾아준다(라우팅)

- 데이터 전송과 경로 선택 기능을 제공하고, 라우팅 프로토콜을 사용해 최적의 경로를 선택

- 데이터를 전송할 수신측의 주소를 찾고 수신된 데이터 주소를 확인해 자신의 것이면 위 계층(전송계층)으로 올려준다

규칙 :

- 서로 다른 두 네트워크 간 통신 담당

- 2계층인 데이터링크 계층은 같은 MAC 주소를 기반으로 네트워크 내 통신을 담당하지만 IP 주소를 기반으로 외부 네트워크와 통신을 담당한다

장비 : 라우터

- 주소 변환 프로토콜은 네트워크 계층의 기능

- 3계층의 라우터들이 패킷에 있는 IP 헤더를 보고 가장 가까운 경로로 전달해준다

 

IPv4 vs IPv6

	IPv4	IPv6
주소 길이	32bit	128bit
표시 방법	4개 부분에 8bit씩 10진수로 표시 ex) 202.30.64.22	8개 부분에 16bit씩 16진수로 표시 ex) 2001:0203:abcd:ffff:0000:0000
주소 개수	256*256*256*256 = 약 43억개	약 43억*43억*43억*43억개

 

4. 전송 계층

프로토콜(TCP, UDP)관련 계층으로 오류 복구와 흐름 제어 등 담당

목적 : 두 시스템 간 신뢰성 있는 데이터를 전송

동작 :

- port

- 네트워크 지원 계층(L1 ~ L3)과 사용자 지원 계층(L5 ~ L7)을 서로 연결

- 네트워크 지원 계층이 전송한 것을 사용자 지원 계층이 사용할 수 있는 형태가 되도록 보장

- 송신부 : 세션 계층의 데이터에 포트 번호를 달고 프로토콜 설정 후 네트워크 계층으로 보냄

- 수신부 : 네트워크 계층의 패킷을 프로토콜에 맞게 데이터로 변환 후 세션 계층의 알맞은 어플리케이션 포트로 보냄

규칙 :

- 운영체제의 커널에 SW 구현

- 종류 = 프로토콜 종류

~ TCP : 오류방지, 데이터 신뢰도가 높은 프로토콜

~ UDP : 데이터 손실이 있더라도 데이터를 지속적으로 전송/비디오

- 하위 계층으로 신뢰할 수 있는 데이터를 전송, 송수신자 간 논리적 연결 수행

~ 시퀀스 넘버기반 = 헤더 = 중간에 흐트러진 데이터 체크

장비 : L4 스위치(로드밸런서)

 

5. 세션 계층

- 응용 시스템 간 세션을 관리하며 송수신자 간 동기화 신호를 주고받는다

- 통신 방식(단순: TV, 반이중: 무전기, 전이중: 전화)을 결정 ~ SSH(22port), TLS(web 표준) 등

- 세션을 열고 닫는 매커니즘 계층

- 세션 복구도 지원, 세션 복구는 체크포인트를 통해 동기화를 시켜준다(응용 시스템에서 복구)

~ ex) 100MB 전송, 체크포인트는 5MB마다 설정되었고, 48MB 전송중 연결이 끊기면 45MB 지점부터 다시 연결 및 전송한다

 

6. 표현 계층

- encoding, decoding

- 네트워크를 통해 송수신된 이진 데이터를 인코딩, 디코딩하는 방법(메타 정보)를 넘겨준다

- 데이터를 읽을 수 있는 형식으로 변환(데이터 인코딩, 디코딩, 암호화, 복호화 등의 기능 수행)

- 데이터 변환, 압축 및 암호화가 이루어지는 계층

- 서로 다른 통신기기 간 다른 인코딩을 사용할 수 있기 때문에 변환

 

7. 응용 계층

- 브라우저, 메일 시스템 등 프로그램들이 해당 프로토콜을 통해 데이터를 전송할 수 있게 해준다

- FTP, HTTP, SMTP, Telnet과 같은 프로토콜이 속한 계층

2 - 3. 각 계층별 통신규칙 및 단위

송신 : 응용 계층에서 하위 계층으로 순차적으로 데이터 송신

수신 : 물리 계층에서 상위 계층으로 순차적으로 데이터 수신

 

물리 계층과 응용 계층을 제외한 나머지 계층에서는 데이터 시작 부분과 끝 부분에 헤더나 트레일러 형태로 정보 추가

 

계층별 통신 단위 = PDU = 프로토콜 데이터 유닛

~ 데이터 통신 간 PDU가 표준이다

1. 물리 계층

규칙 : Hub, Repeater

단위 : 비트

2. 데이터 링크 계층

규칙 : MAC 주소

단위 : 프레임

3. 네트워크 계층

규칙 : IP

단위 : 패킷

4. 전송 계층

규칙 : TCP, UDP

단위 : 세그먼트

5. 세션 계층

규칙 : OS

단위 : 데이터

6. 표현 계층

규칙 : JPG, MPEG

단위 : 데이터

7. 응용 계층

규칙 :

- HTTP = 웹 접근 프로토콜

- FTP = 파일 전송 프로토콜

- Telnet = 통신 프로토콜(단말 접속용)

단위 : 데이터

 

+ 캡슐화 : 상위 -> 하위 계층으로 데이터 이동(송신)할 수록 캡슐화 진행, 수신 시에는 반대로 디캡슐화가 진행된다

2 - 4. TCP/IP 프로토콜

IP 프로토콜에 따라 네트워크를 연결하고, TCP 프로토콜에 따라 데이터를 정상적으로 전송하도록 하는 두 개의 프로토콜을 중심으로 여러 프로토콜을 구성한 표준 네트워크 규칙

 

~  TCP/IP 프로토콜이 나온 이후 OSI 7계층 모델을 참고해 TCP/IP 프로토콜이 업데이트되어 표준으로 자리잡았다

TCP/IP는 TCP와 IP를 중심으로 한 여러 프로토콜의 집합체를 총칭하는 용어

- 1~2계층(물리, 데이터링크)의 이더넷과 같은 LAN, WAN 기술

- 3계층(네트워크)의 IP

- 4계층(전송)의 TCP, UDP

- 5계층(응용)의 HTTP, HTTPS. FTP 등

~ 프로토콜 서비스별 포트 번호

웹 서비스(HTTP, HTTPS) : 80, 443

파일 전송 서비스(FTP) : 21

이메일 서비스(SMT, POP3) : 25. 110

도메인 서비스(DNS) : 53

 

TCP/IP 헤더

- L4 헤더 : TCP(데이터 순서 보장)과 UDP(일방적으로 전송) 중 어느 것을 사용할 지 선택 후 알맞는 헤더를 붙인다 = 세그먼트

- L3 헤더 : IP 프로토콜로 네트워크 레이어에서 출발지와 도착지 주소를 적고 캡슐화 해준다 = 패킷

- L2 헤더 : 데이터 링크 계층에서는 출발지 MAC 주소와 가장 가까운 라우터의 MAC 주소를 넣는다(도착지 MAC 주소는 아직 모르기 떄문)

- L2 트레일러 : 오류 제어를 위한 정보를 트레일러로 담아 넣는다 = 프레임 구분용

 

L2 헤더의 MAC 주소

- 3계층의 DHCP, ARP의 IP주소들의 매핑테이블을 통해 IP주소가 MAC주소로 바뀐게 들어있다

 

+ 패킷

3계층의 가장 작은 데이터 단위

용도 : 인터넷에서 하는 모든 작업에 패킷이 사용된다. 인터넷에서 사용자 간 데이터를 주고받고, 이 때 데이터는 패킷으로 전달된다. 이를 패킷 네트워크라고 한다

특징 : 데이터는 패킷으로 나뉘어 보내진다 ~ 사진 송신 시 여러 패킷으로 나눠 보내고, 수신 컴퓨터는 그 나눠진 패킷을 재결합해 원본 사진을 완성한다

구조 :

1) 헤더 : 패킷 길이, 프로토콜, 보낸/받는 사람의 IP 주소 등이 포함된다

2) 페이로드 : 패킷의 본문

3) 트레일러 : footer라고도 하며, 패킷의 끝에 도달했음을 수신 컴퓨터에게 알리는 비트가 담겨 있다