[Network] 네트워크 계층 구조 (OSI 7계층, TCP/IP 4계층)

인터넷 프로토콜 스위트

인터넷 프로토콜 스위트(Internet protocol suite)은 인터넷에서 정보를 주고받는 데 이용되는 통신 프로토콜의 모음이다. 이를 보통 TCP/IP 4계층 모델과 OSI 7계층 모델로 설명한다.

💡 프로토콜 (protocol)
- 컴퓨터 내부 또는 컴퓨터 사이에서 데이터의 교환 방식을 정의하는 규칙 체계
- 기기 간 통신은 교환되는 데이터의 형식에 대해 상호 합의를 요구하는데, 이런 형식을 정의하는 규칙의 집합을 프로토콜이라고 한다.

 

네트워크 계층구조

컴퓨터 간 서로 통신하기 위해선 하나의 프로토콜로만 이루어질 수 없다. 통신 프로토콜의 집합은 프로토콜의 네트워킹 범위에 따라 추상화 계층으로 구분할 수 있으며 대표적으로 OSI 7계층과 TCP/IP 4계층 모델로 프로토콜들을 각 계층으로 추상화하고 설명할 수 있다.

각 계층들은 특정 계층이 변경되었을 때 다른 계층이 영향을 받지 않도록 유연하게 설계되어있다. 예를들어 전송계층에 해당하는 TCP를 UDP로 변경하더라고 다른 계층의 프로토콜에게 영향을 주지 않는다.

 

데이터 송수신 과정

TCP/IP 4계층 모델에서 데이터 송수신 과정

송신자가 수신자에게 데이터를 보내는 과정은 위의 그림과 같다. 송신자가 전송 요청을 보내면 상위 계층에서 하위 계층으로 데이터가 전달되면서 필요한 정보를 데이터에 포함시키는 캡슐화 과정이 이루어지고, 수신자의 하위계층에서 해당 정보를 전달받으면 캡슐화 시킨 데이터 단위에서 정보를 제거하는 비캡슐화 과정을 거쳐 최종적으로 수신자에게 전달된다. 각 계층 사이에 전달되는 데이터의 단위를 PDU라고 부르며 가장 최하위 계층에선 최종적으로 데이터를 전기적인 신호(0과 1)로 변환하여 주고받는다.

 

PDU

PDU(Protocol Data Unit)는 각 계층의 프로토콜에서 처리하는 한 덩어리의 데이터 단위를 말한다. 이 데이터 단위는 제어 관련 정보가 포함된 헤더 부분과 데이터를 의미한는 페이로드 로 구성되어 있으며, 이 데이터 단위를 부르는 명칭은 각 계층마다 다르다.

 

캡슐화

캡슐화 과정은 상위 계층의 헤더와 데이터를 하위 계층의 데이터 부분에 포함시키고 해당 계층의 헤더를 삽입하는 과정을 말한다.

해당 계층의 PDU = 상위 계층 데이터 + 해당 계층 헤더

TCP/IP 4계층에서 캡슐화 과정

• 애플리케이션 계층 → 전송계층 : TCP 헤더 추가 (세그먼트화, 데이터그램화)
• 전송계층 → 인터넷 계층 : IP 헤더 추가 (패킷화)
• 인터넷 계층 → 링크 계층 : 프레임 헤더 추가, 트레일러 추가 (프리엠화)
• 최종적으로 전기 신호로 변환 → 수신 측에 전달

    *트레일러: 데이터 전송 시 마지막에 추가하는 정보

 

비캡슐화 (역캡슐화)

비캡슐화 과정은 하위 계층에서 상위 계층으로 가며 각 계층의 헤더 부분을 제거하는 과정을 말한다. 송신 측에서 보낸 캡슐화된 데이터를 전달 받으면 링크 계층에서부터 애플리케이션 계층까지 올라오며 프레임화된 PUD가 메시지화된다.

 

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OSI 7계층

OSI (Open Systems Interconnection) 7계층은 네트워크에서 프로토콜을 통해 통신하는 구조를 7개의 계층으로 분리하여 계층 간 상호 작용하는 방식을 정해놓은 것이다. ISO(국제표준화기구)에서 개발한 네트워크 표준 모델이다. OSI 7계층을 OSI 참조 모델이라고도 부르는데, 누구나 OSI 7계층을 참조에 모든 통신 장치를 만들기 때문이다. 모델의 각 계층은 독립되어있기 때문에 특정 계층에 이상이 생기더라도 다른 계층에 영향을 주지 않는다.

 

7계층 애플리케이션 계층

최상위 계층으로 사용자에게 네트워크 자원에 접근 가능하도록 인터페이스를 제공한다. 사용자가 최종적으로 볼 수 있는 유일한 계층으로 사용자가 실제로 실행하는 응용 프로그램들이 이 계층에 속한다. 예를 들어 브라우저, 이메일 등의 서비스들을 제공한다.

📃프로토콜: HTTP, FTP, SMTP, DNS, POP3, IMAP, Telnet 등
📍PUD: 메시지

 

6계층 표현 계층

표현 계층에서는 전송하는 데이터의 표현 방식을 결정한다. 응용 계층과 세션 계층 사이에서 데이터를 읽을 수 있는 형식으로 변환하는데, 데이터의 인코딩과 디코딩이 이루어진다. (응용→세션: 세션 계층에 맞게 변환, 세션→응용: 응용 계틍에 맞게 변환) 또한 데이터의 안전을 위해 암호화 및 복호화 과정도 해당 계층에서 이루어진다.

📃프로토콜: JPEF, MPEG, GIF, ASCII, AFP, PAP 등
📍PUD: 메시지

 

5계층 세션 계층

세션 계층에서는 두 노드(네트워크 장치) 사이의 세션을 관리하며 포트를 기반으로 연결한다. 모든 노드 간에 연결을 설정 및 관리하고 연결 형태 (전이중, 반이중) 확인, TCP/IP 세션 생션, 전송 중단 시 복구 등의 기능을한다.

📃프로토콜: SSH, NetBIOS 등
📍PUD: 메시지

💡 세션
일정시간 동안 같은 사용자로부터 들어오는 일련의 요구를 하나의 상태로 보고 그 상태를 일정하게 유지하는 기술을 말함

 

4계층 전송 계층

전송 계층에서는 하위 계층에 신뢰할 수 있는 데이터 전송 서비스를 제공한다. 즉, 노드 간 신뢰성 있는 데이터를 서로 주고받을 수 있도록 하여 상위 계층에서 데이터 전달 과정에 대해 생각하지 않도록 도와준다. 시퀀스 넘버 기반의 오류 제어 방식을 사용하며 흐름제어, 데이터 분리 등을 통해 오류없이 상대 노드로 데이터가 전달되게 한다.

📃프로토콜: TCP(신뢰성, 연결지향적), UDP(비신뢰성, 비연결성)
📍PUD: 세그먼트(TCP), 데이터그램(UDP)
📠 장비: 게이트 웨이

 

3계층 네트워크 계층

OSI 7계층 중 가장 복잡한 계층 중 하나로 실제 네트워크 간 라우팅을 담당한다. 즉, 데이터를 목적지까지 가장 안전하고 빠르게 전달하는 역할을 맡고있으며 라우터를 통해 경로를 선택하여 **논리 주소(IP)**를 정하고 경로에 따라 패킷을 전달한다. 상대방이 제대로 받았는지에 대해 보장하지 않는 비연결형적인 특징을 가지고 있다. (낮은 신뢰성 → 상위 계층에서 패킷 분실 오류 복구)

💡 라우팅
어떤 네트워크 안에서 통신 데이터를 짜여진 알고리즘에 의해 최대한 빠르게 보낼 최적의 경로를 선택하는 과정

💡 라우팅으로 인한 안전한 전달, 하지만 낮은 신뢰성??
네트워크 계층에선 목적지까지 데이터가 정확하고 신속히 올바른 경로로 라우팅한다는 의미에서 “안전”이라는 표현을 사용했다. 패킷이 도착지에 오류없이 도달하고 잘못된 경로로 전달되거나 손실되지 않도록 하는 것을 말한다.

하지만 네트워크 계층은 비연결형 프로토콜을 기반으로 동작한다. 이 의미는 패킷이 독립적으로 처리되어 독립적인 경로로 전달된다는 것을 의미한다. 이런 특성으로 인해 패킷이 목적지로 이동하는 동안 다른 경로를 통해 전달될 수 있으며 패킷의 손실이 발생할 수 있다. 결론적으로 네트워크 계층에서는 패킷의 정확한 도착을 보장하지 않으며 패킷의 신뢰성과 도착보장을 위해선 상위 계층에서 패킷 분실 오류를 복구해야 한다.

📃프로토콜: IP, RIP, ARP, ICMP
📍PUD: 패킷
📠 장비: 라우터

 

2계층 데이터 링크 계층

데이터 링크 계층에서는 물리적인 네트워크를 통해 데이터를 전송한다. 1홉 통신을 담당한다고도 표현한다. 프레임에 물리적 주소(MAC 주소)를 부여하고 에러검출, 재전송, 흐름 제어 등을 통해 포인트 투 포인트 간 신뢰성 있는 전송을 보장한다.

💡 홉(hop)
컴퓨터 네트워크에서 노드에서 다음 노드로 가는 경로를 말한다. 1홉 통신이라는 뜻는 한 라우터에서 그 다음 라우터까지의 경로를 의미.

📃프로토콜: Ethernet, PPP, HDLC 등
📍PUD: 프레임
📠 장비: 브릿지, 스위치, 이더넷

 

1계층 물리 계층

최하위 계층으로 데이터가 전송되는 물리적인 매체이다. 데이터 링크 계층으로 부터 프레임을 받고 0과 1로 이루어져있는 전기적 신호로 변환 후 구리나 광섬유 또는 무선 통신 매체를 통해 전송한다. OSI 7계층 중 가장 복잡한 계층으로 간주된다.

📃프로토콜: RS-232, RS-449 등 케이블
📍PUD: 비트
📠 장비: 통신 케이블, 리피터, 허브 등

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TCP/IP 4계층

TCP/IP는 문자 그대로 보면 OSI 7계층 구조에서 봤던 3계층의 전송제어 프로토콜(TCP)와 4계층의 인터넷 프로토콜(IP)를 의미한다. 하지만 TCP/IP 4계층 구조는 단순히 두 프로토콜만을 말하는 것이 아닌 프로토콜 스위트(프로토콜 집합) 중 TCP와 IP가 포함된 프로토콜 집합을 말한다.

OSI 7계층은 표준이되는 모델이긴 하지만 실질적으로 구현되는 사례가 없는 반면 TCP/IP 4계층은 현재 많은 프로그램들이 인터넷으로 통신하는데 있어 가장 기반이 되는 모델이다.

 

4계층 애플리케이션 계층

OSI 7계층에서 7,6,5 계층에 해당한다. 네트워크, 이메일, 웹 등의 서비스를 제공하기 위해 응용 프로그램들이 표준적인 인터페이스를 제공한다.

📃프로토콜: HTTP, FTP, SMTP, DNS, SSH 등
📍PUD: 메시지

 

3계층 전송 계층

OSI 7계층에서 4계층인 전송 계층에 해당한다. 노드 사이 신뢰성 있는 전송기능을 제공하며 시스템의 논리 주소와 포트를 이용해 상위 계층의 프로세스를 연결해 통신한다. 정확한 패킷의 전송을 보장하는 TCP와 정확한 전송을 보장하지 않는 UDP 프로토콜이 있다.

📃프로토콜: TCP(신뢰성, 연결지향적), UDP(비신뢰성, 비연결성)
📍PUD: 세그먼트(TCP), 데이터그램(UDP)
📠 장비: 게이트 웨이

 

2계층 인터넷 계층

OSI 7계층에서 3계층인 네트워크 계층에 해당한다. 상위 전송계층에서 받은 데이터에 IP 패킷 헤더를 붙여 IP 패킷을 만들어 논리 주소를 전달하고 정해진 목적지까지 라우팅하는 계층이다. 상대방이 제대로 받았는지에 대해 보장하지 않는 비연결형적인 특징을 가지고 있다. (상위 계층에서 패킷 분실 오류 복구)

📃프로토콜: IP, RIP, ARP, ICMP
📍PUD: 패킷
📠 장비: 라우터

 

1계층 링크 계층 (네트워크 접근 계층)

OSI 7계층에서 2,1계층에 해당한다. 운영체제의 네트워크 카드, 디바이스 드라이버 등과 같은 하드웨어적 요소와 관련된 모든 것을 지원한다. 상위 계층인 인터넷 계층으로부터 받은 패킷에 물리적 주소(MAC)가 담긴 헤더를 추가하여 프레임을 만들고 프레임을 물리계층으로 전달한다.

📃프로토콜: Ethernet, PPP, HDLC 등
📍PUD: 프레임
📠 장비: 브릿지, 스위치, 이더넷

 

📑

🔗참고
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