[CS] OSI 7계층 파헤치기 / OSI 7계층이란 / 계층별 역할, 기능

OSI 7계층이란?

OSI(Open Systems Interconnection) 7계층은 국제 표준화 기구(ISO)에서 개발한 컴퓨터 네트워크 프로토콜 모델입니다. 이 모델은 네트워크 통신 과정을 7개의 계층으로 분리하여 각 계층이 특정 기능을 수행하도록 하는 것을 목적으로 합니다.

 

OSI 7계층의 등장배경

OSI 계층이 왜 등장하게 되었는지 배경부터 살펴보겠습니다.

OSI 7계층(Open System Interconnection 7 Layer)은 ISO(국제 표준화 기구)에서 1977년에 발표한 네트워크 통신 프로토콜을 표준화하기 위해 등장하였습니다. 

당시에는 서로 다른 통신 시스템이 존재했고, 네트워크 장비를 업체마다 제각각 만들면서 결국 통신 과정에서 여러 가지 충돌이 생길 수 있는 상황이었습니다. 

 

따라서, 네트워크의 구조에 대한 호환성을 향상시키고,네트워크간 통신 시스템을 통합하기 위해 등장한 표준화된 모델 중 하나가 OSI 7계층입니다.

 

그렇다면, 왜 네트워크 통신 과정을 이렇게까지 많이..(7계층) 나눈 것일까요?

 

네트워크 통신 과정을 분리하는 이유

네트워크의 안정성, 신뢰성, 유지보수성을 위해서

 

무엇보다, 각 계층을 분리함으로써 개발 및 유지보수가 용이해집니다. 문제 발생시 문제가 발생한 계층에서 해결이 가능해지기 때문입니다.

각 계층은 자신의 책임 범위 내에서 독립적으로 동작하기 때문에, 문제가 발생했을 때 문제가 발생한 계층에서 해결이 가능합니다.

이는 문제를 진단하고 해결하는 데 시간을 단축시키고, 전체 시스템의 안정성과 신뢰성을 높일 수 있습니다.

또한, 계층적인 구조를 가짐으로써 각 계층이 추상화되고 인터페이스를 정의할 수 있습니다. 계층 간 인터페이스를 통해 각 계층은 자신의 책임 범위 내에서만 통신하게 되어, 다른 계층에 영향을 미치지 않으면서 새로운 기술이나 장비를 도입하기 쉬워집니다.

"계층"은 상하구조를 가진다

7계층은 상하구조를 가집니다. 예를 들어 5계층이 잘 작동하기 위해서는 1 ~ 4계층이 모두 완벽하게 작동되어야 합니다.

OSI 7계층의 장점

OSI 7계층은 다음과 같은 이점을 가지고 있습니다.

 

1.모듈화:
각 계층은 독립적으로 설계되어 있으므로 하나의 계층을 수정하더라도 다른 계층에는 영향을 주지 않습니다.
2. 표준화:
OSI 모델은 국제 표준화 기구에서 정의하고 있으므로 다양한 시스템과 기기 간의 호환성을 보장합니다.
3. 간소화:
각 계층은 자신의 역할에만 집중하므로 복잡한 네트워크 통신을 단순화할 수 있습니다.

각 계층의 역할

OSI 7계층의 각 계층은 다음과 같은 기능을 수행합니다.

https://www.geeksforgeeks.org/layers-of-osi-model/

 

 

계층	계층명	기능	프로토콜
7	응용 계층 (Application Layer)	사용자와 직접 상호작용하는 소프트웨어를 지원 사용자(응용프로그램)을 OSI 환경에 접속시킴	HTTP, FTP, SMTP, DNS, Telnet, SSH
6	표현 계층 (Presentation Layer)	데이터 표현과 변환을 담당하여 데이터를 응용 계층으로 전달 응용계층으로부터 받은 Data를 수신측에 맞는 코드/형식으로 변환 혹은 반대의 과정 수행 필요시 암호화 (반대의 경우 복호화)진행	JPEG, MPEG, SSL, TLS
5	세션 계층 (Session Layer)	통신을 위한 세션 관리, 연결 설정 및 해제, 동기화 송신시: 데이터복구를 위한 동기점(대동기점, 소동기점) 생성 수신시: 동기점 확인	NetBIOS, RPC, NFS
4	전송 계층 (Transport Layer)	포트번호를 관리하여 수신된 데이터가 어느 응용프로그램에 전송될지 판독, 데이터 전송 전송사용 프로토콜 결정(TCP or UDP) 신뢰성 있는 통신 서비스를 제공하며, 패킷 분할 및 재조립, 오류 검출 및 복구	TCP, UDP
3	네트워크 계층 (Network Layer)	패킷을 목적지까지 전달하고, 경로 선택 및 데이터 전송을 위한 논리적 주소 지정 네트워크에서 목적지로 데이터 전송을 위해 IP주소를 이용해 최적의 경로를 찾고(routing), 다음 라우터에 데이터를 넘겨줌 (forwarding)	IP, ICMP, ARP, RARP
2	데이터 링크 계층 (Data Link Layer)	LAN 내부 같은 내트워크에 있는 여러대 컴퓨터 데이터 교환 프레이밍이 일어남 전송단위: 프레임 물리 계층으로부터 전송된 데이터의 오류를 검출하고 수정하며, 데이터 전송을 위한 물리적 주소(MAC) 지정	Ethernet, Token Ring, FDDI, HDLC
1	물리 계층 (Physical Layer)	실제 장비, 회선과 관련된 특성 규정 (물리적 연결) 물리적인 데이터 전송 경로를 제공하며, 전기 신호, 빛 등으로 데이터를 전송	RS-232C, V.35, Ethernet, FDDI

각 계층의 역할에 대해서 하나하나 알아보도록 하겠습니다.

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1) 물리 계층(Physical Layer) :

실제 장비, 회선과 관련된 특성 규정 (물리적 연결)

네트워크 전송 매체를 통해 데이터를 전송하기 위한 기초적인 기능을 수행합니다. 전기적, 물리적, 기계적인 특성을 결정하고 데이터를 전기 신호, 광 신호, 전파 등으로 변환합니다.

 

컴퓨터는 전기가 흐른다(1), 흐르지않는다(0)는 신호로 데이터를 정의합니다. (10101010....)
하지만 전자기파는 0~무한대의 주파수 범위를 갖기 때문에 0과 1로 이루어진 전기적 신호를 통과시킬 수있는 전선은 없습니다.
따라서 이러한 컴퓨터의 전기적인 신호를 곡선 형태의 아날로그 신호로 변경하는 과정이 필요합니다.

이 과정을 인코딩, 디코딩이라고 합니다.

https://velog.io/@jeongs/%EB%84%A4%ED%8A%B8%EC%9B%8C%ED%81%AC-OSI-7-%EA%B3%84%EC%B8%B5-%EA%B7%B8%EB%A6%BC%EA%B3%BC-%ED%95%A8%EA%BB%98-%EC%9D%B4%ED%95%B4%ED%95%98%EA%B8%B0

 

 

즉 최소 두대의 컴퓨터가 통신하기 위해,
0, 1의 나열을 아날로그 신호로 바꾸어 전선으로 흘려 보내고,
아날로그 신호를 0, 1의 나열로 해석하는 역할,

또는 그 반대의 역할을 하는 것이 Physical Layer가 하는 역할입니다.

인코딩 -> 디코딩

디코딩-> 인코딩!

 

[정리]

• 물리적 매체를 통해 데이터를 전송하기 위해 요구되는 기능들을 정의
• USB 케이블, 동축 케이블 등 두 디바이스 간의 실제 접속을 위한 기계적, 전기적 특성에 대한 규칙을 정의
• 데이터 전송 단위 - Bit
• 프로토콜 - RS-232, RS-449 등 케이블
• 장비 - 허브, 리피터 

2)데이터 링크 계층(Data Link Layer) 

LAN 내부 같은 내트워크에 있는 여러대 컴퓨터 데이터 교환. 프레이밍

네트워크 계층 패킷 데이터를 물리적 매체에 실어 보내기 위한 계층입니다. 물리 계층에서 발생한 오류를 검출하고 수정하는 기능을 수행합니다.

다시 말해, 물리적인 장비를 식별하는데 사용되는 주소 지정 체계와 데이터가 변조되지 않았음을 확증하기 위한 오류 확인하는 기능을 수행합니다.

그리고 이러한 오류 감지 및 수정, 제어를 위해 "프레임"을 생성합니다.

 

 

* > 그렇다면, 프레임과 프레이밍이란?

우선, 프레임과 프레이밍은 물리적인 매체의 한계를 극복하기 위해 필요합니다.
물리적인 매체에서는 데이터를 전송할 때 데이터의 시작과 끝을 알리기가 어렵기 때문에, 프레임의 시작과 끝에 특수 비트 패턴을 첨부하여 수행할 수 있습니다.
이는, 데이터를 일정한 크기로 나누고 각각의 프레임에 프레임 마커를 추가하는 것으로 구현됩니다. 

프레임은 데이터 링크 계층(Data Link Layer)에서 사용하는 단위로, 물리적인 매체를 통해 전송되는 데이터의 논리적인 그룹을 의미합니다. 프레임은 일반적으로 시작 프레임 마커, 목적지 주소, 출발지 주소, 프로토콜 식별자, 데이터, 오류 검출 및 제어를 위한 프레임 마커 등의 필드로 구성됩니다.프레임의 전송을 위해서는 데이터를 일정한 크기로 분할해야 하는데, 이를 프레이밍(Framing)이라고 합니다.

프레이밍은 데이터 링크 계층에서 수행되며, 프레임에 대한 시작과 끝을 알리는 프레임 마커를 추가하여 프레임을 구분하는 작업을 의미합니다.
프레임 마커는 시작 프레임 마커와 종료 프레임 마커로 구성되며, 이를 통해 수신자는 프레임의 시작과 끝을 식별할 수 있습니다.

 

 

프레임을 생성한 후 데이터 링크 계층은 각 프레임의 헤더에 발신자 및/또는 수신자의 물리적 주소(MAC 주소)를 추가합니다. 그리고  손상되거나 손실된 프레임을 감지하고 재전송하는 오류 제어 메커니즘을 제공합니다.

또한, 양쪽의 데이터 속도가 일정하지 않으면 데이터가 손상될 수 있으므로 데이터의 양을 조정하는 "흐름제어" 기능을 합니다.

[정리]

• 데이터 전송 단위 - 프레임
• 물리적 주소 지정:
• 오류 제어.
• 흐름 제어
• 프로토콜 - Ethernet, PPP, ALOHA
• 장비 - 브릿지, 스위치

https://www.slideshare.net/HansolJang5/week1-119286925

3)네트워크 계층(Network Layer)

IP를 사용하여 도착지를 찾고, 라우팅을 통해 도착지까지 최적의 경로 탐색하는 계층

 

물리적인 네트워크 사이의 라우팅과 네트워크 호스트의 논리적인 주소(IP)를 관리하고 패킷을 분할해 프로토콜을 식별하는 기능, 오류 탐지 등을 담당하는 계층입니다.

네트워크 계층은 패킷을 목적지까지 전달하는 기능을 수행하며, 이 과정에서 라우팅 알고리즘이 사용됩니다. 라우팅 알고리즘은 데이터를 전송할 최적의 경로를 찾고, 패킷을 목적지까지 전달합니다.

네트워크 계층에서는 IP 주소와 같은 논리 주소를 이용해 패킷을 라우팅합니다.

패킷 라우팅, 즉 사용 가능한 경로 수에서 패킷을 전송할 최단 경로 선택을 처리합니다. 발신자와 수신자의 IP 주소는 네트워크 계층에 의해 헤더에 배치됩니다. 

 

* > 그렇다면,라우팅과 IP란?!

 

라우팅(Routing)은 여러 개의 네트워크가 연결되어 있을 때, 데이터 패킷을 목적지까지 가장 효율적으로 전달하기 위해 어떤 경로를 거쳐야 하는지, 최적의 경로를 결정하는 과정을 의미합니다.
라우팅은 인터넷과 같은 대규모 네트워크에서 특히 중요한 역할을 합니다. 

IP(Internet Protocol)는 인터넷에서 데이터 패킷을 전송하기 위한 프로토콜 중 하나로,
IP는 패킷을 보내는 송신자와 받는 수신자를 식별하기 위한 주소인 IP 주소를 사용하며, 라우팅 프로토콜을 이용하여 패킷을 목적지까지 전달합니다.

IP 주소는 각각의 컴퓨터가 인터넷에 접속하기 위해 부여받은 고유한 주소입니다.
IP 주소는 라우팅(Routing) 과정에서 중요한 역할을 합니다.
목적지까지의 최적의 경로를 결정할 때, 라우터는 목적지 IP 주소를 참조하여 어느 경로를 통해 데이터를 전송할지 결정하게 됩니다. 따라서 IP 주소는 인터넷 상에서 컴퓨터 간에 통신하는 과정에서 중요한 역할을 담당합니다

* IP는 비연결형 프로토콜로, 패킷을 전송하기 전에 미리 연결을 설정하지 않고 전송합니다. 이러한 특성 때문에 IP는 신뢰성과 안정성 측면에서 한계가 있으며, 이를 보완하기 위해 상위 계층에서는 TCP(Transmission Control Protocol)와 같은 신뢰성 있는 프로토콜을 함께 사용합니다.

 

[정리]

• 라우팅: 네트워크 계층 프로토콜은 소스에서 대상까지 최적의 경로를 결정합니다. 
• 논리적 주소 지정: 각 장치를 고유하게 식별하기 위해 네트워크 계층에서 주소 지정 체계를 정의합니다. 발신자와 수신자의 IP 주소는 네트워크 계층에 의해 헤더에 배치됩니다. 이러한 주소는 각 장치를 고유하고 보편적으로 구별합니다.

• 데이터 전송 단위 - 패킷
• 프로토콜 - IP, RIP, ARP, ICMP
• 장비 - 라우터

 

4)전송 계층(Transport Layer)

포트번호를 관리하여 수신된 데이터가 어느 응용프로그램에 전송될지 판독,

데이터 전송
전송사용 프로토콜 결정(TCP or UDP)

 

전송 계층은  데이터를 안정적으로 전송하는 기능을 수행합니다.

두 시스템 간의 연결을 설정하고 데이터를 신뢰성 있게 전달합니다. 

이 계층에서는 송신 측과 수신 측 사이의 연결을 관리하며, 데이터를 분할하거나 재조합하며, 오류 검출 및 재전송 등의 기능을 담당합니다.

예를 들어, 송신 측이 전송하고자 하는 데이터가 크다면 전송 계층에서 이 데이터를 여러 개의 작은 조각으로 나누어 전송할 수 있습니다. 이때, 각각의 조각은 일련번호를 부여받아 전송되며, 수신 측에서는 일련번호를 이용하여 조각들을 순서대로 재조합합니다.

또한, 전송 중에 발생하는 데이터 손실이나 오류를 검출하고 복구하기 위해 체크섬과 같은 오류 검출 코드가 추가됩니다. 만약 데이터 전송 중에 오류가 발생하면, 송신 측에서 해당 오류를 감지하고 해당 조각을 다시 전송하는 등의 복구 작업이 이루어집니다.

 

전송 계층은 애플리케이션 계층에 서비스를 제공하고 네트워크 계층에서 서비스를 받습니다. 전송 계층의 데이터는 세그먼트 라고 합니다.

 

송신측:  전송 계층은 상위 계층에서 형식화된 데이터를 수신하고 세그멘테이션을 수행하며 흐름 및 오류 제어를 구현하여 적절한 데이터 전송을 보장합니다. 또한 헤더에 소스 및 대상 포트 번호를 추가하고 세그먼트화된 데이터를 네트워크 계층으로 전달합니다. 

수신측:  전송 계층은 헤더에서 포트 번호를 읽고 수신한 데이터를 해당 응용 프로그램으로 전달합니다. 또한 분할된 데이터의 시퀀싱 및 재조립을 수행합니다. 

 

이 때 송신측은 수신측의 어플리케이션과 연결된 포트번호를 알아야합니다. 

 

• 전체 메시지를 발신지 대 목적지(End to end)간 제어와 에러를 관리
• 데이터: 세그먼트
• 사용되는 장비 : Gateway
• 프로토콜 : TCP, UDP, ARP
•  -> TCP / UDP 프로토콜

TCP와 UDP는 각각 데이터 전송에 대한 다른 요구사항을 충족시키기 위한 프로토콜입니다. TCP는 신뢰성 있는 데이터 전송을 위해 사용되며, UDP는 빠른 데이터 전송을 위해 사용됩니다.

TCP (Transmission Control Protocol)는 신뢰성 있는 데이터 전송을 보장합니다.
데이터 전송 시, 패킷이 손실되지 않도록 보장하고, 순서대로 전달됩니다. 이를 위해 TCP는 3-way handshake와 같은 절차를 사용하여 연결을 설정하고, 패킷 전송 후 확인 응답을 받고, 연결 종료 시 4-way handshake를 수행합니다. 이러한 절차는 데이터 전송에 대한 신뢰성을 보장하며, 대용량 파일 전송과 같은 안정적인 데이터 전송에 적합합니다.
UDP (User Datagram Protocol)는 데이터 전송 속도를 중시하는 프로토콜입니다. 데이터 전송 시, 패킷이 순서와 신뢰성 없이 전송됩니다. 이는 패킷 전송 시간이 짧아져, 빠른 데이터 전송이 가능하다는 장점이 있습니다. UDP는 데이터 전송 속도가 중요한 실시간 응용 프로그램에서 사용됩니다. 예를 들어, 비디오 및 오디오 스트리밍, 게임, DNS 등에서 사용됩니다.

 

5) 세션 계층(Session Layer)

통신을 위한 세션 관리, 연결 설정 및 해제, 동기화
 -> 송신시: 데이터복구를 위한 동기점(대동기점, 소동기점) 생성
 -> 수신시: 동기점 확인 

 

논리적인 연결을 설정하고 유지하는 기능을 수행합니다. 데이터 교환의 시작과 끝을 구분하기 위한 동기점을 생성합니다. 

• 분할 및 재조립: 계층에서 메시지를 수신하고, 메시지를 더 작은 단위로 나눕니다. 

[정리]

• 어플리케이션간 통신을 위한 세션관리
• 동기화
• 프로토콜 : SSH, TLS
  • 세션(Session)이란?
    • 네트워크 환경에서 사용자 간 또는 컴퓨터 간의 대화를 위한 논리적 연결.
    • 프로세스들 사이에 통신을 수행하기 위해서 메시지 교환을 통해 서로를 인식 한 이후부터 통신을 마칠 때까지의 기간.

참고: 1. 아래 3개 계층(Session Layer 포함)은 모두 TCP/IP 모델에서 단일 계층으로 "응용 계층"으로 통합됩니다.

           2. 이 3개 계층의 구현은 네트워크 애플리케이션 자체에서 수행됩니다. 상위 계층 또는 소프트웨어 계층 이라고도 합니다 . 

 

 

6) 표현 계층(Presentation Layer)

응용계층으로부터 받은 데이터를 수신측에 알맞는 코드 및 형식으로 변환하거나, 그 반대의 과정을 수행

(예: ASCII 코드 <-> EBCDIC코드 변환)

필요시 암호화, 복호화 작업 진행

 

코드간의 번역을 담당하며, 송신측과 수신측의 데이터 형식상의 차이를 맞추는 작업이 진행됩니다. 즉, 입력 또는 출력되는 데이터를 상호간 이해할 수 있는 포멧으로 변환합니다.

-> 송신시: 압축, 암호화 실행

-> 수신시: 압축, 암호화를 해제

• 운영체계의 한 부분으로 입력 또는 출력되는 데이터를 하나의 표현 형태로 변환한다.
• 이해할 수 있는 포멧 변환
• 프로토콜 : JPEG, MPEG, SMB, AFP

• 번역: 예시 -- ASCII<-> EBCDIC 교환
• 암호화/복호화
• 압축: 네트워크에서 전송해야 하는 비트 수를 줄이는 것

 

7)응용 계층(Application Layer)

사용자와 직접 상호작용하는 소프트웨어를 지원
사용자(응용프로그램)을 OSI 환경에 접속시킴

응용 계층(Application layer)은 응용 프로세스와 직접 상호작용하는 소프트웨어를 지원하는 기능을 담당합니다.

예를 들어, 사용자가 웹브라우저를 조작시 사용자가 실행한 웹브라우저 프로그램을 OSI환경에 접속시키는 역할을 합니다.

만약, 사용자가 "가나다"라는 요청을 보낼 시, 

"가나다"라는 메세지를 포함한 데이터, 이미지, 동영상 등 모든 정보를 검색하라라는 부가정보를 메세지에 붙여서 

표현계층으로 전달합니다. 요청이 왔

• 사용자가 네트워크에 접근할 수 있도록 해주는 계층이다.
• 서비스 제공
• 프로토콜 : DHCP, DNS, FTP, HTTP

OSI 참조 모델 계층 스택 맨 위에는 네트워크 응용 프로그램에 의해 구현되는 응용 프로그램 계층이 있습니다. 이러한 응용 프로그램은 네트워크를 통해 전송되어야 하는 데이터를 생성합니다. 이 계층은 또한 애플리케이션 서비스가 네트워크에 액세스하고 수신된 정보를 사용자에게 표시하는 창 역할을 합니다. 

예: 애플리케이션 – 브라우저, Skype Messenger 등 

• 네트워크 가상 터미널
• FTAM - 파일 전송 액세스 및 관리
• 메일 서비스
• 디렉토리 서비스

 

정리

결론적으로, OSI 7계층 모델은 서로 다른 네트워크간의 효율적인 통신을 위해, 통신 과정을 표준화하기위해 등장했습니다.  1980년대 초반, OSI 7계층 모델은 표준화된 네트워크 프로토콜의 기본 구조로 채택되었습니다. 그러나 이 시기에는 인터넷이 아직 상용화되지 않은 상황이었으며, OSI 7계층 모델을 지원하는 네트워크 제품은 제한적이었습니다.

반면에, 1980년대 후반 인터넷이 성장하면서 TCP/IP 프로토콜이 발전하였습니다. TCP/IP는 OSI 7계층 모델보다 단순하고 간단한 구조를 가지고 있으며, 네트워크에서 데이터를 전송하기 위해 최적화되어 있었습니다.

 

이러한 특성은 TCP/IP를 표준화하고, 대량 생산하는 데 있어 효율적이었습니다.

또한, 인터넷에서 TCP/IP 프로토콜이 표준으로 채택되면서, 이를 지원하는 네트워크 제품들이 많이 개발되었습니다. 이로 인해 TCP/IP 프로토콜은 OSI 7계층 모델보다 널리 사용되게 되었고,

OSI7계층 프로토콜과 TCP/IP 프로토콜의 상호 운용성이 개선됨에 따라  OSI 7계층은 점차 TCP/IP 모델로 대체되었습니다. 

 

이후 포스팅에선 TCP/IP 프로토콜에 대해 다뤄보도록 하겠습니다. 

 

 

 

 

 

 

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Reference

• 우아한테크: [10분 테코톡] 🔮 히히의 OSI 7 Layer

https://www.youtube.com/watch?v=1pfTxp25MA8

• 길벗시나공 IT : 050160 OSI7계층의기능

https://www.youtube.com/watch?v=wL65WRvqkh0

 

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https://www.slideshare.net/HansolJang5/week1-119286925

Week1. 물리계층과 데이터링크 계층

https://velog.io/@jeongs/%EB%84%A4%ED%8A%B8%EC%9B%8C%ED%81%AC-OSI-7-%EA%B3%84%EC%B8%B5-%EA%B7%B8%EB%A6%BC%EA%B3%BC-%ED%95%A8%EA%BB%98-%EC%9D%B4%ED%95%B4%ED%95%98%EA%B8%B0

네트워크 | OSI 7 계층 그림과 함께 이해하기

https://real-0ne.tistory.com/80

OSI 7 계층(Layer)

https://www.geeksforgeeks.org/layers-of-osi-model/

Layers of OSI Model - GeeksforGeeks

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