[ Network ] 10. OSI 7계층

OSI 7계층

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네트워크에서 통신이 일어나는 과정을 7단계로 나눈 것.

계층을 나눈 이유는 통신이 일어나는 과정을 단계별로 파악할 수 있기 때문이다.

흐름을 한눈에 알아보기 쉽고, 사람들이 이해하기 쉽고, 7단계 중 특정한 곳에 이상이 생기면 다른 단계의 장비 및 소프트웨어를 건들이지 않고도 이상이 생긴 단계만 고칠 수 있기 때문이다!

그럼 예를 들어서,

PC방에서 오버워치를 하는데 연결이 끊겼다. 어디에 문제가 있는지 확인해보자

1. 모든 PC에 문제가 있다면
라우터의 문제(3계층 네트워크 계층)이거나 광랜을 제공하는 회사의 회선문제(1계층 물리 계층)

2. 한 PC만 문제가 있고 오버워치 소프트웨어에 문제가 있다면(7계층 어플리케이션 계층), 오버워치 소프트웨어에 문제가 없고 스위치게 문제가 있으면(2계층 데이터링크 계층)

이런 식으로 판단하여 다른 계층에 있는 장비나 소프트웨어를 건들이지 않는 것이다.

1계층 - 물리계층

Pysical Layer

이 계층에서는 주로 전기적, 기계적, 기능적인 특성을 이용해서 통신 케이블로 데이터를 전송하게 된다.

이 계층에서 사용되는 통신 단위는 비트이며 이것은 1과 0으로 나타내어지는, 즉 전기적으로 ON, OFF 상태라고 생각하면 된다.

이 계층에서는 단지 데이터를 전달만 할 뿐 전송하려는(또는 받으려는) 데이터가 무엇인지, 어떤 에러가 있는지 등에는 전혀 신경 쓰지 않는다.

단지 데이터 전기적인 신호로 변환해서 주고받는 기능만 할 뿐이다. 이 계층에 속하는 대표적인 장비는 통신케이블, 리피터, 허브 등이 있다.

=> 케이블, 리피터, 허브를 통해 데이터를 전송한다.

2계층 - 데이터 링크계층

DataLink Layer

물리 계층을 통해 송수신 되는 정보의 오류와 흐름을 관리하여 안전한 정보의 전달을 수행할 수 있도록 도와주는 역하을 한다.

따라서 통신에서의 오류도 찾아주고 재전송도 하는 기능을 가지고 있는 것이다.

이 계층에서는 맥 주소를 가지고 통신하게 된다.

이 계층에서 전송되는 단위를 프레임이라고 하고, 대표적인 장비로는 브릿지, 스위치 등이 있다.(여기서 MAC주소를 사용한다)

=> 브릿지나 스위치를 통해 맥주소를 가지고 물리계층에서 받은 정보를 전달함.

데이터 링크 계층(Data link layer)은 포인트 투 포인트(Point to Point) 간 신뢰성 있는 전송을 보장하기 위한 계층으로 CRC기반의 오류 제어와 흐름제어가 필요하다. 네트워크 위의 개체들 간 데이터를 전달하고, 물리 계층에서 발생할 수 있는 오류를 찾아 내고, 수정하는 데 필요한 기능적, 절차적 수단을 제공한다.

주소 값은 물리적으로 할당 받는데 ,이는 네트워크 카드가 만들어질 때부터 맥 주소(MAC address)가 정해져 있다는 뜻이다.

주소 체계는 계층이 없는 단일 구조이다. 데이터 링크 계층의 가장 잘 알려진 예는 이더넷이다.

이 이외에도 HDLC나 ADCCP 같은 포인트 투 포인트(point-to-point) 프로토콜이나 패킷 스위칭 네트워크나 LLC, ALOHA 같은 근거리 네트워크용 프로토콜이 있다.

네트워크 브릿지나 스위치 등이 이 계층에서 동작하며, 직접 이어진 곳에만 연결할 수 있다.

=> 프레임에 주소 부여(MAC - 물리적 주소), 에러검출/재전송/흐름제어

3계층 - 네트워크계층

Network Layer

이 계층에서 가장 중요한 기능은 데이터를 목적지까지 가장 안전하고 빠르게 전다랗는 기능(라우팅)이다.

여기에 사용되는 프로토콜의 종류도 다양하고, 라우팅하는 기술도 다양하다

이 계층은 경로를 선택하고 주소를 정하고 경로에 따라 패킷을 전달해주는 것이 이 계층의 역할이다.

이 계층의 대표적인 장비는 라우터이며, 요즘은 2계층의 장비 중 스위치라는 장비에 라우팅 기능을 장착한 Layer 3 스위치도 있다.(여기서 IP주소를 사용한다.)

네트워크 계층(Network Layer)은 여러개의 노드를 거칠 때마다 경로를 찾아주는 역할을 하는 계층으로 다양한 길이의 데이터를 네트워크들을 통해 전달하고, 그 과정에서 전송 계층이 요구하는 서비스 품질(QoS)을 제공하기 위한 기능적, 절차적 수단을 제공한다.

네트워크 계층은 라우팅, 흐름제어, 세그멘테이션(segmentation/desegmentation), 오류 제어, 인터네트워킹(Internetworking) 등을 수행한다.

라우터가 이 계층에서 동작하고 이 계층에서 동작하는 스위치도 있다.

데이터를 연결하는 다른 네트워크를 통해 전달함으로써 인터넷이 가능하게 만드는 계층이다.

논리적인 주소 구조(IP), 곧 네트워크 관리자가 직접 주소를 할당하는 구조를 가지며 계층적(Hierarchical)이다.

서브네트의 최상위 계층으로 경로를 설정하고, 청구 정보를 관리한다. 개방형 시스템들의 사이에서 네트워크 연결을 설정, 유지, 해제하는 기능을 부여하고, 전송 계층 사이에 네트워크 서비스 데이터 유닛(NSDU : Network Service Data Unit)을 교환하는 기능을 제공한다.

=> 주소부여(IP), 경로설정(Route)

- IP 계층

TCP/IP 상에서 IP 계층이란 네트워크의 주소(IP 주소)를 정의하고 IP패킷의 전달 및 라우팅을 담당하는 계층

OSI 7계층 모델의 관점에서 보면 IP계층은 네트워크 계층에 해당. 즉, 패킷을 목적지까지 전달하는 역할 및 그에 수반되는 기타 역할을 함

• IP 계층의 주요 역할
  • IP 계층에서는 그 하위 계층인 데이터 링크 계층의 하드웨어적인 특성에(즉, ATM 이든 Frame Relay든 상관없이) 관계없이 독립적인 역할을 수행
• IP 계층 상에 있는 주요 프로토콜
  • 패킷의 전달을 책임지는 IP
  • 패킷 전달 에러의 보고 및 진단을 위한 ICMP
  • 복잡한 네트워크에서 인터네트워킹을 위한 경로를 찾게해주는 라우팅 프로토콜

- IP 프로토콜

TCP/IP 기반의 인터넷 망을 통하여 데이터그럼의 전달을 담당하는 프로토콜

• 주요 기능

  • IP 계층에서 IP 패킷의 라우팅 대상이 됨(Routing)
  • IP 주소 지정(Addressing)

• 주요 특징

  • '신뢰성(에러제어)' 및 '흐름 제어' 기능이 전혀 없음 -> Best-Effort Service

    신뢰성을 확보하려면 IP 계층 위의 TCP와 같은 상위 트랜스포트 계층에 의존

  • 비연결성 데이터그램 방식으로 전달되는 프로토콜 -> Connectionless

  • 패킷의 완전한 전달(소실, 중복, 지연, 순서바뀜 등이 없게함)을 보장 않음 -> Unreliable

  • IP 패킷 헤더 내 수신 및 발신 주소를 포함 -> IPv4 헤더, IPv6 헤더, IP주소

  • IP 헤더 내 바이트 전달 순서 : 최상위 바이트 (MSB)를 먼저 보냄 -> Big-endian

  • 경우에 따라 단편화가 필요하다

  • TCP, UDP, ICMP, IGMP 등이 IP 데이타그램에 실려서 전송

4계층 - 전송계층

Transport Layer

통신을 활성화하기 위한 계층이다. 보통 TCP프로토콜을 이용하며, 포트를 열어서 응용프로그램들이 전송을 할 수 있게 한다.

만약 데이터가 왔다면 4계층에서 해당 데이터를 하나로 합쳐서 5계층에 던져준다.

단대단 오류제어 및 흐름제어 이 계층 까지는 물리적인 계층에 속한다.(TCP/UDP 프로토콜을 사용한다)

전송계층(Transport layer)은 양 끝단(End to End)의 사용자들이 신뢰성있는 데이터를 주고 받을 수 있도록 해 주어, 상위 계층들이 데이터 전달의 유효성이나 효율성을 생각하지 않도록 해준다.

시퀀스 넘버 기반의 오류 제어 방식을 사용한다.

전송계층은 특정 연결의 유효성을 제어하고, 일부 프로토콜은 상태 개념이 있고(stateful), 연결 기반(connection oriented)이다.

이는 전송 계층이 패킷들의 전송이 유효한지 확인하고 전송 실패한 패큿들을 다시 전송한다는 것을 뜻한다.

가장 잘 알려진 전송 계층의 예는 TCP이다.

종단간(end-to-end) 통신을 다루는 최하위 계층으로 종단간 신뢰성 있고 효율적인 데이터를 전송하며, 기능은 오류검출 및 복구와 흐름제어, 중복검사 등을 수행한다.

=> 패킷 생성(Assembly/Sequencing/Deassembly/Error detection/Request repeat/Flow control) 및 전송

- TCP 프로토콜

Transmission Control Protocl

OSI 계층 모델의 관점에서 전송 계층(4계층)에 해당

• 양종당 호스트 내 프로세스 상호 간에 신뢰적인 연결지향성 서비스를 제공

  • IP의 비신뢰적인 최선형 서비스에다가 신뢰적인 연결지향성 서비스를 제공하게 됨

    신뢰적인 전송을 보장함으로써, 어플리케이션 구현이 한층 쉬워지게 됨

1. 신뢰성 있음(Reliable)

   패킷 손실, 중복, 순서바뀜 등이 없도록 보장

   TCP 하위 계층인 IP 계층의 신뢰성 없는 서비스에 대해 다방면으로 신뢰성을 제공

2. 연결지향적(Connection-oriented) -> TCP 연결

   • 같은 전송계층의 UDP가 비연결성(connectionless)인 것과는 달리, TCP는 연결지향적 임
   • 이 경우, 느슨한 연결(Loosly Connected)을 갖으므로 강한 연결을 의미하는 가상회선이라는 표현보다는 오히려 연결지향적이라고 말한다.
   • 연결 관리를 위한 연결설정 및 연결해제가 필요 -> TCP연결설정, TCP연결종료
   • 양단간 어플리케이션/프로세스는 TCP가 제공하는 연결성 회선을 통하여 서로 통신

- UDP 프로토콜

User Datagram Protocol

전송 계층의 통신 프로토콜의 하나(TCP에 대비됨)

• 신뢰성이 낮은 프로토콜로써 완전성을 보증하지 않으나,
• 가상회선을 굳이 확립할 필요가 없고 유연하며 효율적 응용의 데이터 전송에 사용

1. 비연결성이고, 신뢰성이 없으며, 순서화되지 않은 Datagram 서비스 제공

   • 메시지가 제대로 도착했는지 확인하지 않음 (확인응답 없음)

   • 수신된 메세지의 순서를 맞추지 않음 (순서제어 없음)

   • 흐름제어를 위한 피드백을 제공하지 않음 (흐름제어 없음)

   • 검사합을 제외한 특별한 오류 검출 및 제어 없음 (오류제어 거의 없음).

     UDP를 사용하는 프로그램 쪽에서 오류제어 기능을 스스로 갖춰야함

   • 데이터그램 지향의 전송계층용 프로토콜(논리적인 가상회선 연결이 필요없음)

     비연결접속상태 하에서 통신

2. 실시간 응용 및 멀티태스킹 가능

   • 빠른 요청과 응답이 필요한 실시간 응용에 적합
   • 여러 다수 지점에 전송 가능 (1:多)

3. 헤더가 단순함

   • UDP는 TCP처럼 16비트의 포트 번호를 사용하나,

   • 헤더는 고정크기의 8비트 (TCP는 20바이트) 만 사용

     즉, 헤더 처리에 많은 시간과 노력을 요하지 않음

5계층 - 세션계층

Session Layer

데이터가 통신하기 위한 논리적인 연결을 말한다. 통신을 하기 위한 대문이라고 보면 된다.

하지만 4계층에서도 연결을 맺고 종료할 수 있기 때문에 우리가 어느 계층에서 통신이 끊어졌나 판단하기에는 한계가 있다.

그러므로 세션 계층은 4 계층과 무관하게 응용 프로그램 관점에서봐야 한다.

세션 설정, 유지, 종료, 전송 중단시 복구 등의 기능이 있다.

세션 계층(Session layer)은 양 끝단의 응용 프로세스가 통신을 관리하기 위한 방법을 제공한다.

동시 송수신 방식(duplex), 반이중 방식(half-duplex), 전이중 방식(Full Duplex)의 통신과 함께, 체크 포인팅과 유휴, 종료, 다시 시작 과정 등을 수행한다.

이 계층은 TCP/IP 세션을 만들고 없애는 책임을 진다.

=> 통신하는 사용자들을 동기화하고 오류 복구 명령들을 일괄적으로 다룬다.

=> 통신을 하기 위한 세션을 확립/유지/중단 (운영체제가 해줌)

6계층 - 표현계층

Presentation Layer

데이터 표현이 상이한 응용 프로세스의 독립성을 제공하고, 암호화 한다

표현 계층은(Presentation Layer)은 코드 간의 번역을 담당하여 사용자 시스템에서 데이터의 형식상 차이를 다루는 부담을 응용 계층으로부터 덜어준다.

MIME 인코딩이나 암호화 등의 동작이 이 계층에서 이루어진다.

예를 들면, EBCDIC로 인코딩된 문서 파일을 ASCII로 인코딩된 파일로 바꿔 주는 것, 해당 데이터가 TEXT인지, 그림인지, GIF인지, JPG인지의 구분 등이 표현계층의 몫이다.

=> 사용자의 명령어를 완성 및 결과 표현. 포장/압축/암호화

7계층 - 응용계층

Application Layer

최종 목적지로서 HTTP, FTP, SMTP, POP3, IMAP, Telnet 등과 같은 프로토콜이 있다.

해당 통신 패큿들은 방금 나열한 프로토콜에 의해 모두 처리되며 우리가 사용하는 브라우저나, 메일 프로그램은 프로토콜을 보다 쉽게 사용하게 해주는 응용프로그램이다.

한마디로 모든 통신의 양 끝단은 HTTP와 같은 프로토콜이지 응용프로그램이 아니다.

응용계층(Application Layer)은 응용 프로세스와 직접 관계하여 일반적인 응용 서비스를 수행한다.

일반적인 응용서비스는 관련된 응용 프로세스들 사이의 전환을 제공한다.

응용 서비스의 예로, 가상 터미널(예를 들어, 텔넷), "Job transfer and Manipulation protocol"(JTM, 표준 ISO/IEC 8832) 등이 있다.

=> 네트워크 소프트웨어 UI부분, 사용자의 입출력(I/O) 부분

- HTTP 프로토콜

HypterText Transfer Protocol

웹 상에서 웹 서버 및 웹브라우저 상호 간의 데이터 전송을 위한 응용계층 프로토콜

처음에는, WWW 상의 하이퍼텍스트형태의 문서를 전달하는 데 주로 이용

현재는, 이미지, 비디오, 음성 등 거의 모든 형식의 데이터 전송 가능

1. 요청 및 응답의 구조
   • 동작 형태가 클라이언트/서버 모델로 동작
2. 메세지 교환 형태의 프로토콜
   • 클라이언트와 서버간에 'HTTP 메세지'를 주고받으며 통신(SMTP 전자메일 프로토콜과 유사)
   • HTTP의 응답 및 요청 메세지 구성
   • HTTP 메세지 내 헤더 항목들
3. 트랜잭션 중심의 비연결성 프로토콜
   • 종단간 연결이 없음 (Connectionless)
   • 이전의 상태를 유지하지 않음 (Stateless)
4. 전송계층 프로토콜 및 사용 포트 번호
   • 전송계층 프로토콜 : TCP
   • 사용 포트 번호 : 80번
5. http 표준
   • HTTP 1.0 : RFC 1945 (~1997년)
     • 유용한 초기 개념들 도입
     • HTTP 헤더, HTTP 메서드, HTTP 응답 코드, 리다이렉트, 비지속 연결 등
   • HTTP 1.1 : RFC 2068 -> RFC 2616 -> RFC7230~7235 (1998년)
     • HTTP 1.0으로부터 기능 향상
     • HTTP 헤더 내 Host 필드를 필수 항목으로 함 (1개 IP 주소에 다수의 가상 호스팅 가능)
     • HTTP 헤더 내 Accept 필드에 의한 컨텐츠 협상
     • 잘 정의된 캐시 컨트롤
     • 블록 단위 인코딩 전송
     • 지속 연결 회선(킵얼라이브 커넥션)을 통한 재사용 가능
     • 요청 파이프라인을 이용한 병렬 커넥션 처리(실제 사용 거의 없음) 등