OSI 7 Layer

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OSI 7 Layer란?

• 국제 표준화 기구에서 개방형 시스템 상호 연결을 위한 기초 참조 모델(Open Systems Interconnection Reference Model)로서 만들어진 계층형 모델이다.¹⁾
• 현재 네트워크 시스템의 기반이 된 모델이며 다양한 시스템의 연결은 이 계층 모델을 기반으로 통신한다.
• 물론, 현재의 인터넷은 각 계층의 역할들이 합쳐지면서 TCP/IP 4 layer 라고도 불리는 계층 모델을 기반으로 한다.
• 또한, 계층모델에 의해 프로토콜도 계층별로 구성된다.

왜 계층구조일까?

• 인터넷 뿐만이 아니라 한 시스템과 다른 한 시스템이 통신 하기에는 다양한 규칙들과 장비들을 필요로 하고 이를 위한 복잡한 시스템이 필요하다.
• 이런 크고 복잡한 시스템을 계층구조로 표현하면 잘 정의된 특정 부분을 논의 할 수 있게 된다.
• 이렇게 복잡한 시스템을 계층별로 단순화 하게 됨으로서 계층별로 제공하는 서비스의 구현을 변경하는것도 쉬워진다.
• 계속해서 갱신되는 복잡하고 커다란 시스템에 대해, 시스템의 다른 요소에 영향을 주지 않고 서비스 구현을 변화시키는 능력이 계층구조의 장점이다.
• 따라서 통신영역 외에도 다양한 영역에서 계층 구조를 활용한다.

프로토콜이란?

• 둘 이상의 통신 개체 간에 교환되는 메시지 포맷과 순서뿐 아니라, 메시지의 송수신과 다른 이벤트에 따른 행동들을 정의한다.
• 쉽게말하면 메시지를 주고받는 양식, 규칙 또는 통신 규약이라고 볼 수 있다.
• 연결된 통로를 통해 시스템간에 메시지를 주고받으려면, 한쪽에서 보낸 메시지를 반대쪽에서 받았을 때 이해 할 수 있어야한다.
• 마치 사람끼리 대화를 할 때 '안녕' 이란 말을 하면 반대쪽에서 '안녕'이란 메시지를 받았고 이는 인사에 해당되어 '안녕' 등의 메시지를 상대방도 보내기 시작한다.
• 이런 메시지를 주고 받을 때 언어와 대화 방법에 대해 암묵적인 규칙이 있기에 의사소통을 할 수 있게 된다.
• 이와같이 통신 모델에서도 상호간의 메시지 규칙들을 정의하게 되고, 계층 모델 형태이다보니 프로토콜도 계층별로 존재하게 된다.

OSI 7 계층의 구조

계층	데이터 단위	프로토콜 예제
7. 응용 계층(Application Layer)	message	HTTP, SMTP, FTP, SIP
6. 표현 계층(Presentation Layer)	message	ASCII, MPEG
5. 세션 계층(Session Layer)	message	NetBIOS, TLS
4. 전송 계층(Transport Layer)	segment	TCP, UDP, SCTP
3. 네트워크 계층(Network Layer)	datagram, packet	IP, ICMP, ARP, RIP, BGP
2. 데이터 링크 계층(Data Link Layer)	frame	PPP, Ethernet, Token ring, IEE 802.11(Wifi)
1. 물리 계층(Physical Layer)	bit	DSL, ISDN

7계층 응용 계층(Application Layer)

• 많은 프로토콜이 존재하는 계층으로서 통신의 최종 목적지이다.
• 응용 프로그램들이 통신으로 활용하는 계층이며 새로운 응용 계층 프로토콜 추가는 굉장히 쉽다.
• 응용 프로그램과 밀접한 관계를 가지는 프로토콜들이 많다.
• 대부분 네트워크를 공부하면서 소켓 프로그래밍을 배우게 되는데 간단한 채팅 프로그램을 만들어봤던 사람들은 서버와 클라이언트간에 주고 받는 규칙들을 정의 해보았을 것이다.
• 그때 정의했던 규칙들 또한 응용 계층의 프로토콜이라고 볼 수 있다.
• 마찬가지로 소켓 프로그래밍으로 HTTP의 규격에 맞는 형태로 메시지를 만들어 보내게 되면 HTTP 통신도 할 수 있다.

6계층 표현 계층(Presentation Layer)

• 애플리케이션들이 교환되는 데이터의 의미를 해석하도록 하는 서비스를 제공하는 계층이다.
• 이들 서비스는 데이터가 표현되고 저장되는 내부적인 포멧 뿐만 아니라 데이터 압축과 데이터 암호화를 포함한다.
• 인터넷의 계층구조에는 포함되어 있지 않으며 필요에 따라 응용 계층에서 지원하거나 어플리케이션 개발자가 직접 개발해야한다.
• 소켓프로그래밍을 해봤다면 좀 더 잘 이해할 수 있다. 이 계층의 프로토콜이 정해지지 않았기 때문에 통신 프로그램을 개발 할 때 인코딩 방법을 결정하고 직접 형태를 변경해서 보내거나 알려줘야한다.
• 따로 처리하지않으면 시스템의 기본 형태로 인코딩해서 바이트스트림 형태로 보내게 된다.
• 만약 받는쪽과 인코딩 형태가 맞지 않으면 받은 데이터를 잘못 해석할 수 있다.

5계층 세션 계층(Session Layer)

• 데이터 교환의 경계와 동기화를 제공하는 계층이다.
• 체킹포인트와 회복방법을 세우는 수단을 포함한다.
• 표현 계층과 마찬가지로 인터넷의 계층구조에는 포함되어 있지 않으며 필요에 따라 응용 계층에서 지원하거나 어플리케이션 개발자가 직접 개발해야한다.
• 소켓프로그램의 서버를 예로 들면 한 서버는 여러 클라이언트와 동시에 통신 할 수 있다.
• 그러나 여러 클라이언트를 따로 Map등을 통해 저장해야만 각각의 통신 상태에 따라 데이터를 주거나 받는 선택을 할 수 있다.
• 또한 데이터를 상대방이 보내고 있을때 동시에 보낼지에 대한 반이중, 전이중 통신을 결정할 수 있다.
• 다만 전이중 통신을 할 경우 전송 계층의 프로토콜도 해당하는 서비스를 지원하는 프로토콜로 결정해야한다.

4계층 전송 계층(Transport Layer)

• 상위 계층의 메시지를 전송하는 서비스를 제공하는 계층으로 인터넷 같은경우 TCP, UDP 프로토콜이 대표적이다.
• 전송 계층의 목적은 메시지의 오류를 제어하며 End-to-End로 종단간에 해당하는 지점까지 메시지를 주고 받는다.
• 또한, 메시지가 클 경우 이를 나눠서 네트워크 계층으로 전달하고, 받은 패킷을 재조립해서 상위 계층으로 전달한다.
• 이를 Segmentation한다고 하며 따라서 전송 계층의 단위는 Segment가 된다.
• 이 때, 나눠지는 크기는 보통 MTU(Maximum Transmission Unit)에 따라 결정된다.
• MTU는 Ethernet MTU, IP MTU, Path MTU등이 대표적이며 이더넷 같은경우 1500바이트로 설정되어 있어서 이더넷 헤더를 제외한 네트워크 계층 헤더와 데이터가 해당크기를 넘지않도록 잘라서 보내고 받을 때 이를 결합해서 상위 계층으로 전달해야한다.
• 이 외에도 프로토콜의 종류에 따라 다양한 서비스를 제공한다.
• TCP를 예로 들면 연결 지항형 통신을 제공하고, 패킷의 시퀸스 번호 등을 이용해서 손실, 중복, 순서에 대해 신뢰성을 보장하며 흐름제어, 혼잡제어 등의 서비스를 제공한다.
• 그와 반대로 UDP는 비연결형 통신을 제공하며, 신뢰성, 흐름제어, 혼잡제어를 제공하지않는다.

3계층 네트워크 계층(Network Layer)

• 패킷을 한 호스트에서 다른 호스트로 라우팅하는 책임을 지는 계층으로 인터넷 같은경우 IP 프로토콜이 대표적이다.
• 전송 계층에게 전달 받은 목적지 주소를 이용해서 패킷을 만들고 패킷을 전송해서 최종 목적지의 호스트의 전송 계층으로 Segment를 전달한다.
• IP 프로토콜의 경우 이 주소는 고유값 이지만, 변할 수 있는 논리적 주소이다.
• IP 프로토콜의 경우 종단 시스템과 라우터가 패킷이 가지고있는 데이터 필드에 대해 어떻게 동작해야하는지를 정의한 프로토콜과 이 패킷이 전송과정에서 이동 경로를 결정하는 라우팅 프로토콜로 이루어져있다.
• 따라서 IP 프로토콜의 핵심은 어디로 동작하도록 정의한 Forwarding과 어떤 경로로 전송할지 결정하는 Routing이다.
• 또한, 전송 계층의 프로토콜이 UDP이면 여기서 MTU 단위로 Fragmentation이 이루어진다.
• 그 외에도 데이터 전송에서 우선 순위 등을 통해서 특정 수준의 성능을 보장하는 QoS(Quality of Service)를 제공한다.
• 이 계층의 장비로 대표적인 것은 라우터 이다.

2계층 데이터 링크 계층(Data Link Layer)

• 전체 프레임을 한 네트워크 요소에서 이웃 네트워크 요소로 이동하는 계층으로 인터넷 같은경우 Ethernet 프로토콜이 대표적이다.
• Ethernet의 경우 MAC 주소를 이용해 Node-to-Node, Point-to-Point로 프레임을 전송하게 된다.
• 이 MAC 주소는 장치가 만들어질 때 물리적으로 할당 받아서 변할 수 없는 고유 값이다.
• 또한 프로토콜에 따라 CRC처럼 데이터의 무결성을 검증할 수 있다.
• 이 계층의 장비로 대표적인 것은 스위치, 브릿지 이다.

1계층 물리 계층(Physical Layer)

• 프레임 내부의 각 비트를 한 노드에서 다음 노드로 실제로 이동하는 계층이다.
• 이 계층의 프로토콜들은 데이터 링크 계층에 의존하고 더 나아가 실제 전송 매체(ex. 꼬임쌍선, 단일 모드 광케이블, 무선의 경우 주파수 등)에 의존한다.
• 인터넷의 Ethernet 또한 여러 가지 물리 계층 프로토콜을 갖고 있다.
• 각 프로토콜에 따라 비트는 다른 방식으로 링크 반대편으로 이동된다.
• 이 계층의 장비로 대표적인 것은 허브, 리피터 이다.

데이터 전송의 흐름

• 통신하는 프로그램에서는 최초 전송하고자 하는 데이터에 응용 계층의 프로토콜에 맞는 헤더를 붙이면서 패킷을 만들게 된다.
• 만들어진 메시지들은 하위 계층으로 전송되면서 헤더가 붙게되고, 데이터 링크 계층의 Ethernet 같은 경우 테일을 뒤에 붙이기도 한다.
• 완성된 비트들은 물리 계층을 통해 전송된다.
• 인터넷 같은경우 전송을 돕는 중간 장비인 스위치, 라우터 등을 거치게 되는데 이 때, 해당 장비에 맞는 만큼만 헤더를 읽으며 내부 내용을 상위 계층으로 전달하며 해석하고, 다시 그에 맞는 하위 계층 헤더를 붙여서 전송하게 된다.
• 최종 목적지에 도착한 경우 헤더를 인식하며 그에 맞는 처리를 하며 상위 계층에 전송하고 최종적으로 데이터가 프로그램에게 전달된다.

참조

• Computer Networking : A Top-Down Approach 6th, James F. Kurose*Keith W. Ross 지음

각주

1) OSI 모형 wiki