[Network] OSI 7계층(feat.TCP/IP Updated)

 💡 주변에서 들어만 봤던, 그게 무엇인지 잘 몰랐던 OSI 7계층에 대해 기본적으로 알고가자!

  노션에서 보기

 

📁 OSI 7계층이란?

• 네트워크에서 전송이 이루어질때는 데이터가 단순히 전송만되는 것이 아닌 포트정보, IP 정보 등이 함께 전달된다.
• 이때, 데이터가 어떤 과정을 거쳐 전달되는지를 나타낸 것이 OSI 계층이다.
• 즉, OSI 7계층이란, 네트워크에서 통신이 일어나는 과정을 7단계로 나눈 것
  • OSI(Open System Interconnection) 모형 : 네트워크 및 무선 통신 시스템의 기능을 설명하는 핵심 개념
• OSI 7단계로 정의한 이유는,
  • 통신이 일어나는 과정을 단계적으로 파악하기 위함
  • 통신 과정 중에 특정한 곳에 이상이 생길 경우, 다른 단계의 장비나 소프트웨어 등을 건드리지 않고, 통신 장애를 일으킨 단계에서 해결 가능
• 1계층부터 → 7계층 순으로 올라가자

 

 

 

• 왼쪽 : 각 계층 이름
• 가운데 : 계층의 기능
• 마지막 : 데이터 단위의 이름

 

⚒️ OSI 모델 Vs TCP/IP 모델

 

OSI 7계층과 TCP/IP

 

• 현대의 인터넷은 OSI 모델이 아닌 TCP/IP 모델을 따르고 있다.
• TCP/IP 모델도 OSI 모델과 마찬가지로, 네트워크 시스템에 대한 모델이다.
• 현대의 인터넷이 TCP/IP 모델을 따르는 이유는, OSI 모델이 TCP/IP 모델과의 시장 점유 싸움에서 졌기 때문

 

🔔 TCP/IP 모델이란?

 

 

• OSI의 7 Layer의 5, 6, 7 계층이 하나의 어플리케이션 Layer 로 뭉뚱그려져 있음!
  • Data Link Layer 와 Physical Layer 도 하나로 합쳐졌는데?
  • TCP/IP 모델이 업데이트 되면서 조금 바뀌었다 !

 

• TCP/IP 모델이 업데이트 되면서 Application 아래 계층은 OSI 모델과 완전히 동일해짐 !
• 오늘날, TCP/IP Updated 모델이 더 많이 사용되고 있다.

 

🎞️ OSI 7계층 종류

7️⃣ 응용 계층 (Application Layer)

• 사용자와 가장 밀접한 계층으로, 인터페이스 역할 수행
• 응용 프로세스 간의 정보 교환 담당
• Ex) 전자메일, 인터넷, 동영상 프로그램
  • 우리가 사용하는 프로그램 = 응용프로그램
  • 우리가 사용하는 웹 브라우저, 어플 등에서의 활동

TCP/IP 소켓 프로그래밍

• 운영체제의 Transport Layer 에서 제공하는 API 를 활용해서 통신 가능한 프로그램을 만드는 것
• 네트워크 프로그래밍이라고도 함
• 소켓 프로그래밍 만으로도 클라이언트, 서버 프로그램을 따로 만들어서 동작시킬 수 있다.
• 또한, TCP/IP 소켓 프로그래밍을 통해 누구나 자신만의 Application Layer 인코더와 디코더를 만들 수 있다.
  • 누구든, 자신만의 Application Layer 프로토콜을 만들어서 사용할 수 있다는 것
• Application Layer 도 다른 Layer 들과 마찬가지로 인코더와 디코더가 있을 것
• 대표적인 Application Layer 프로토콜인, HTTP 로 인코딩, 디코딩을 살펴보면 !

HTTP

• HTTP를 이해하기 위해서는, 먼저 **클라이언트 - 서버 패러다임**을 알아야 함
  • 서버
    • 항상 켜져 있음
    • IP 주소가 영구적임
  • 클라이언트
    • 일반적으로 서버와 연결하고, 소통함
    • 간헐적으로 연결이 됨(가끔 켜져 있는 호스트로, 서버와 통신을 함)
    • dynamic IP 주소(유동적인 IP 주소)를 가지고 있다.
    • 서버와 바로 Communicatie X

 

• 하나의 컴퓨터는 데이터를 수신하기도 하고, 송신하기도 함
• → 하나의 컴퓨터에 encoder 와 decoder 모두 존재
• MVC 패턴 : 소프트웨어 아키텍처 중 하나
• Layered Architecture : 소프트웨어 아키텍처 중 하나
  • Ex) 네트워크 시스템
  • 네트워크 시스템은 하나의 커다란 소프트웨어라고 할 수 있다.
  • OSI Layer 모델은 거대한 네트워크 소프트웨어의 구조를 설명하는 것

 

6️⃣ 표현 계층 (Presentation Layer)

• 응용 계층에서 내린 명령이나 발송한 데이터 등을 어떻게 표현할지를 정해주는 계층
  • 암호화 : 암호가 설정되어 있으면, 이 자료는 암호를 해석해야 한다고 알려줌
  • 인코딩 : 언어가 중국어로 작성되었으면, 영어가 아닌 중국어로 읽어야 함을 알려줌
  • 압축 : 해당 자료가 압축되어 있으면, 합축해제가 필요함을 알려줌
  에 대한 표현을 정하도록 함
• 표현 계층은, 데이터를 받는 상대방도, 보내는 사람의 의도대로 데이터를 확인하기 위해 공통된 양식으로 표현하는 계층이다.

 

 

5️⃣ 세션 계층 (Session Layer)

• ‘연결’을 담당하는 계층
• 연결의 생성(Created), 유지(Establish), 종료(Close) 를 관리하는 층
• 연결 방식
  • 단방향 : 한쪽만 전달이 가능
  • 반이중 : 무전기와 같이 한 쪽이 연락을 할 때에는 상대방이 연락을 할 수 없는 방식
  • 전이중 : 전화와 같이 동시 전달 가능
• 통신 장치 간 상호작용 및 동기화 제공
• 연결 세션에서 데이터 교환과 에러 발생 시 복구 관리

 

 

4️⃣ 전송 계층 (Transport Layer)

 

 

• 네트워크 계층까지를 통해, 인터넷 상의 모든 컴퓨터가 서로 통신할 수 있게 되었다.
• 데이터를 받는 수신자는, 전 세계의 컴퓨터로부터 데이터를 받을 것
• 그런데, 컴퓨터에는 여러 개의 프로그램들이 실행되어 있었을 것
• 컴퓨터는 자신이 받은 세 개의 데이터를 프로세스들에게 나누어 주려고 함
• → **어떤 데이터를** → 무슨 프로세스 에게 줘야할지 컴퓨터가 어떻게 알 수 있을까?
• 데이터를 받고자 하는 프로세스들은, 포트 번호(Port Number) 라는 것을 가져야 한다.
  • 포트 번호 : 하나의 컴퓨터에서 동시에 실행되고 있는 프로세스들이 서로 겹치지 않게 가져야 하는 정수 값
• 송신자는, 데이터를 보낼 때, 데이터를 받을 수신자 컴퓨터에 있는 프로세스의 포트 번호를 붙여서 보내야 한다.

 

 

• 데이터 전송자는, 9000이라는포트 번호까지 미리 알고 있어야 하는 것인가?
  • 그렇다!
  • www.naver.com 을 검색하는 것은 사실 뒤에 :80이 생략된 것

전송 계층이란,

• 전송을 위해 포트 번호를 정하는 계층
• 즉, **Port 번호**를 사용하여
• **도착지 컴퓨터의 최종 도착지인 프로세스**까지
• 데이터가 도달하게 하는 모듈

 

 

Transport Layer 기술은 어디에 구현되어 있을까?

• Transport Layer 기술은 **운영체제 커널**에, **소프트웨어적**으로 구현되어 있다.

 

3️⃣ 네트워크 계층 (Network Layer)

💡 더 많은 컴퓨터들 사이에서 통신하려면 ?

 

 

• www.naver.com 이라는 주소를 입력하면 → 이 영어주소가 IP 주소로 변환되어 사용됨
  • www.naver.com 이라는 주소를 입력한다는 것 = naver의 IP 주소를 알고있다는 것
  • 즉, 상대방의 IP 주소를 알고 있으야 메시지를 보낼 수 있다 !
• A 의 B 로 데이터 전송 과정
  • A가 라우터 ‘가’ 에게 패킷을 전달
    • ‘가’ : 나랑 연결된 컴퓨터 중에는 IP 주소가 55.10.54.75 인 컴퓨터가 없군 !
    → ‘가’ 는 데이터를 다시 포장한 다음,→ 패킷을 받은 ‘마’ 는 ‘가’ 의 이전 과정같이 패킷을 까서 → 목적지 주소를 읽는다.
    • 하지만, 사람이 아닌 라우터 ‘마’ 는 심각한 고민에 빠진다.
    • ‘가’ 에게 줘야할까? ‘나’ 에게 줘야할까? ‘바’ 에게 줘야할까?
    • ‘마’ 는 어떻게 데이터를 ‘바’ 에게 전달해야 한다는 것을 알 수 있을까?
      • 라우팅을 공부하자 ! - !
    → 우리는 우선, B 에게 데이터를 보내려면 라우터 ‘바’ 에게 데이터를 줘야 한다는 것을 ‘마’ 가 알고 있다고 가정하자.→ ‘바’에게 넘겨준다.→ ‘라’는 자신과 연결된 컴퓨터들 중에 IP 주소가 55.10.54.75 인 컴퓨터가 있다는 것을 알고 있어서,
  • → 패킷을 B 에게 전달
  • → ‘바’ 는 ‘마’가 했던 것과 같은 방법으로 라우터 ‘라’에게 패킷을 전달
  • → ‘마’ 는 데이터를 패킷으로 다시 포장해서,
  • → 목적지가 ‘B’ 라는 것을 알게 된 라우터 ‘마’ 는, 이제 패킷이 B에 도착하려면 어느 전선으로 패킷을 내보내야 하는지 알아내야 함 !
  • → 자신과 연결되어 있는 유일한 라우터인 ‘마’에게 전달한다.
  • → 패킷을 전달받은 라우터 ‘가’ 는 패킷을 열어 목적지 IP 주소 확인

네트워크 계층이란,

• 수많은 네트워크들의 연결로 이루어지는 inter-network 속에서
• → 어딘가에 있는 목적지 컴퓨터로 데이터를 전송하기 위해,
• → IP 주소를 이용해서 길을 찾고(routing, 라우팅)
• → 자신 다음의 라우터에게 데이터를 넘겨주는 것(forwarding, 포워딩)

 

 

• 구조체나 객체 둘 다 안에 변수(필드)가 있고
• → 그 변수 중 하나에 data 를 담고
•     또 다른 변수를 만들어 목적지 주소를 담는 방식

 

Network Layer 기술은 어디에 구현되어 있을까?

• Network Layer 기술은 **운영체제의 커널**에 **소프트웨어적**으로 구현되어 있다.

 

2️⃣ 데이터링크 계층 (Data-link Layer)

💡 여러 대의 컴퓨터가 통신하려면 ?

 

• 여러 대의 컴퓨터가 통신하려면?
  • 통신하고 싶은 컴퓨터가 생길 때마다, 한 컴퓨터에 전선을 몇 개나 연결해야 하는가..?
    • 그러나 이러한 방식은, 전선을 꽂을 구멍도, 전선도 많이 필요하고
    • 통신하고자 하는 컴퓨터가 많아질수록 비용 측면에서도 비효율적
  • 따라서, ‘비용 효율’을 위해 전선 하나를 가지고 여러 대의 컴퓨터와 통신할 방법을 모색해야 한다!!
  • 전기가 통하는 구리선으로 전자기파를 흘려보내면,→ 모든 컴퓨터로 전달됨
  • → 구리선의 모든 곳으로 신호가 전달되어
  • 전기가 통하는 구리선의 가운데를 관통하는 전선을 구겨 빈 상자 안에 넣으면,
    • 이때, 상자 부분을 **더미** 허브 라고 함
    • 1 → 2로 데이터를 보내려고 할 때 모든 컴퓨터가 통신할 수 있지만,
    → 다른 컴퓨터들도 그 메시지를 읽게 될 것→ 이러한 기능을 수행하는 상자 = **스위치** !
  • → 그런데 만약, 이 상자가 ‘메시지의 목적지’ 를 확인해서 2에게만 전달할 수 있다면?
  • 두 개의 네트워크(인트라넷)으로 구성된 컴퓨터들에서,
    • 두 컴퓨터는 전선으로 연결되어 있지 않아 통신 불가 !
    → 각 네트워크의 스위치와 스위치를 연결할 수 있다면 ?
    • L3 스위치 = 스위치 + 라우터 → 라우터라고 뭉뚱그려 생각하기 → 공유기 !
    → 두 컴퓨터는 전선으로 연결되어 통신이 가능할 것 !
    • 해저 케이블로 연결
  • → 이러한 방식으로 전 세계의 컴퓨터들을 연결한 것이 인터넷
  • → 서로 다른 두 네트워크에 속한 컴퓨터끼리 통신이 가능하게 해주는 장비 = **라우터**
  • 한 쪽 네트워크의 컴퓨터가 → 다른 쪽 네트워크의 컴퓨터로 데이터를 보내고자 할 때 ?

 

• 전 세계의 컴퓨터들이 계층구조로 연결되어 있는 것 = 인터넷
• 4대의 컴퓨터가 스위치로 연결되어 있고, 다른 세 개의 컴퓨터에서 나머지 하나로 데이터를 보내면,
  • 어떻게 끊어 읽는지가 중요함!
  → 어떻게 해야 제대로 끊어 읽을 수 있을까?
  • 예를 들어, 앞에는 1111 / 뒤에는 0000 을 붙인다고 함
  → 어떤 컴퓨터로 데이터가 들어오면, 0000 1111 이 나오는 부분을 찾으면 된다!
• → 여러 발송지로부터 전달받은 데이터를 잘 끊어 읽을 수 있다.
• → 이를 위해, 송신자는 데이터 앞 뒤에 특정한 비트열을 붙여서 보낸다.

 

데이터링크 계층이란,

• 같은 네트워크(스위치 하나로 연결된 컴퓨터 집합)에 있는 여러 대의 컴퓨터들이 데이터를 주고받기 위해 필요한 모듈
• Framing = Datat-link Layer 에 속하는 작업들 중 하나
  • 원본 데이터 앞에 1111 / 뒤에 000 으로 데이터를 감싸놓은 방법 !

 

 

• Data-link Layer 는 **랜카드**에 구현되어 있음
  • 2계층 모듈도 1계층 모듈처럼 **하드웨어적**으로 구현되어 있음 !

 

1️⃣ 물리 계층 (Physical Layer)

💡 두 대의 컴퓨터가 통신하려면 ?

 

• 두 대의 컴퓨터가 통신하려면?
  • 모든 파일과 프로그램은 0과 1의 나열이다.
  • 결국, 0과 1만 주고받을 수 있으면 된다.
  • 두 대의 컴퓨터가 전선 하나로 연결되어 있을 때,
    • 1을 보낼 때는 +5V, 0을 보낼 때는 -5V 의 전기를 전선으로 흘려보내면 0과 1의 전송이 가능
    • 0과 1을 주고받을 수 있으면, 모든 데이터를 주고받을 수 있으므로 → 두 컴퓨터는 모든 데이터를 주고받을 수 있게 된다!
  • 그러나, 전자기파의 주파수의 값이 숫자 하나로 고정되지 않았다면, 즉 값이 계속해서 변한다면 전선이 모든 주파수를 통과시키지 못할 것
    • 어떤 전선이 5 ~ 8 Hz 의 주파수만 통과시킬 수 있는데,
    • 주파수가 1 ~ 10 Hz 인 전자기파가 통과하게 되면
    • 주파수가 5 ~ 8 Hz 인 부분만 통과하여 일부가 손상됨
    • 처음에 보낸 신호와 나중에 보낸 신호가 달라짐
  • 두 개의 컴퓨터가 통신하려면 0과 1을 주고받을 수 있으면 된다.
    • 수직선 & 수평선이 있는 전자기파의 주파수 범위 = 0 ~ 무한대 Hz
    • 따라서, 이러한 전기 신호를 통과시킬 수 있는 전선은 없다.
    • 그렇기 때문에, 아날로그 신호로 바꾸어서 전송해야 함!
  • 즉, 0과 1로 이루어진, 수직선과 수평선으로 이루어진 전자기파를 주고받을 수 있으면 된다.
• 0과 1의 나열을 아날로그 신호로 바꾸어 전선으로 흘려 보내고(Encoding)→ 물리적으로 연결된 두 대의 컴퓨터가 0과 1의 나열을 주고받을 수 있게 해주는 모듈(Module)
• → 아날로그 신호가 들어오면 0과 1의 나열을 해석하여(Decoding)
• 0과 1로 구성된 데이터의 단위는 bit
• 데이터를 보내는 컴퓨터 - 인코딩
  • 0101 0101 —— 1계층 Encoder ——> 아날로그 신호 (변조)
  • Signal encode(data) { … }
• 데이터를 받는 컴퓨터 - 디코딩
  • 아날로그 신호 —— 1계층 Decoder ——> 0101 0101 (원본)
  • Data decoder(signal) { … }

 

Physical Layer 기술은 어디에 구현되어 있을까?

• 물리 계층 기술은 **PHY 칩**에, **하드웨어적**으로 구현되어 있음

 

💊 캡슐화(Encapsulation) 와 역캡슐화

• 전송 측 - 캡슐화
  • 데이터를 전달하는 과정에서는, 데이터가 응용 계층부터 시작해 → 물리 단계를 거침
  • 7계층에서 → 1계층으로 각각의 층을 거칠 때마다 해당 계층의 기능을 정의하기 위해 헤더에 추가
  • 이 과정이 데이터를 캡슐로 감싸는 것과 같아 캡슐화라고 함
• 수신 측 - 디캡슐화(역캡슐화)
  • 받은 정보를 다시 확인할 수 있는 응용프로그램에서 열려면, 각각의 헤더를 떼어내는 과정이 필요하고, 이를 역캡슐화라고 함
  • 1계층에서 → 7계층으로 각 계층의 헤더를 떼어냄

 

참고자료

• 참고1
• 참고2
• 참고3