OSI 7 Layer

OSI(Open System Interconnection) 7 Layer 

국제표준화기구(ISO, International Organization for Standardization)에서 개발한 모델로서, 네트워크 프로토콜 디자인과 통신을 계층으로 나눠 설명한 것

레벨	계층	기능
7계층, Application	응용 계층 프로토콜: DHCP, DNS, FTP, HTTP, Telnet, SMTP	사용자들이 사용할 수 있게 서비스를 제공
6계층, Presentation	표현 계층 프로토콜: SMB, AFP	두 응용 계층 사이의 데이터 표현방식을 관리하고, 정보 변환 서비스를 제공
5계층, Session	세션 계층 프로토콜: SSH, TLS 응용간의 질서 제어	두 응용간의 대화를 제어하는 역할을 담당하고, 통신에 대한 제어 구조를 제공
4계층, Transport	전송 계층 프로토콜: TCP, UDP, ARP 장비: 게이트웨이	상위 계층에 제공되는 서비스들을 네트워크 구조에 무관하고, 기본적으로 전송 계층 사용자와 네트워크 사이의 연결자로 적용
3계층, Network	네트워크 계층 프로토콜: IP, ICMP, IGMP 장비: 라우터	데이터 전송과 교환 기능을 제공
2계층, Data Link	데이터링크 계층 프로토콜: MAC, PPP 장비: 브리지, 스위치	신호를 받아서 인식할 수 있는 데이터로 변환
1계층, Physical	물리계층 프로토콜: Ethernet, RS-232c 장비: 허브, 리피터	통신매체에 대한 회선의 연결을 확립, 유지, 단절하기 위한 기계적, 전기적, 기능적인 물리적 사양에 관한 것을 다룸

 

물리 계층(Physical Layer)

케이블, 리피터, 허브를 통해 데이터 전송한다.

물리계층은 말 그대로 하드웨어 전송 기술로 이루어져 있다.
전기적인, 기계적인 신호를 주고받는 역할을하는 계층이다. 비트 0, 1의 통신단위로 통신한다.
우리가 당장 컴퓨터만 봐도 랜선을 통해 인터넷에 연결하는 모습을 확인할 수 있다.
이 계층에 속하는 대표적인 장비는 통신 케이블, 허브, 리피터 등이 있다.
또한 데이터의 종류나 오류를 제어하지 않는다. 이것은 다음 계층인 데이터 링크 계층에서 다룬다.

 

데이터 링크 계층(Data Link Layer)

프레임에 주소부여(MAC - 물리적주소), 에러검출/재전송/흐름제어

데이터링크 계층은 Point to Point 간의 신뢰성 있는 전송을 보장하기 위한 계층이다.
전송 데이터에 대한 CRC 오류제어가 필요하다.
장비는 대표적으로 스위치와 브릿지가 있다.
물리주소인 MAC주소가 이 계층에 해당한다.
전송 단위는 Frame이다.

 

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 외에도 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.

 

네트워크 계층(Network Layer)

주소부여(IP), 경로설정(Route)

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

네트워크 계층은 우리가 흔히 아는 IP주소를 제공하는 계층이다. 
네트워크 계층에서는 대표적으로 노드들을 거칠때마다 라우팅 해주는 역할을 담당한다.
실제 우리 실생활에서 가장 쉽게 볼 수 있는 라우팅 장비가 공유기이다. 공유기가 라우터라는 말은 아니지만 라우터의 NAT이라는 기능을 활성화 시킨 것이다. 공유기는 하나의 외부 통신선에서 들어오는 요청을 사설망에 연결되어있는 컴퓨터에게 전달해주는 역할을 한다.

이 계층의 대표적인 장비는 라우터, L3 스위치, IP 공유기 등이다.
전송 단위는 Packet이다.

 

네트워크 계층은 라우팅, 흐름 제어, 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.

 

IP계층

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

 

OSI 7계층모델의 관점에서 보면  IP 계층은 네트워크계층에 해당

• 패킷을 목적지까지 전달하는 역할 및 그에 수반되는 기타 역할을 함

IP 계층의 주요 역할

• IP 계층에서는 그 하위계층인 데이터링크 계층의 하드웨어적인 특성에(즉, ATM 이 든 Frame Relay 이든 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 데이타그램의 전달을 담당하는 프로토콜

1. 주요 기능

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

2. 주요 특징

• `신뢰성(에러제어)` 및 `흐름제어`  기능이 전혀 없음  ☞ Best-Effort Service
• 한편, 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, IP 주소
• IP 헤더 내 바이트 전달 순서 : 최상위 바이트(MSB)를 먼저 보냄  ☞ Big-endian 
• 경우에따라, 단편화가 필요함  ☞ IP 단편화 참조
• TCP, UDP, ICMP, IGMP 등이 IP 데이타그램에 실려서 전송

 

전송 계층(Transport Layer)

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

전송계층의 경우 양 끝단(End to End)의 사용자들이 데이터를 주고 받을 수 있게 하는 계층이다. 대표적으로 우리가 자주 사용하는 TCP, UDP 프로토콜이 있는 계층이다.

전송 계층(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. 

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

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

 

종단간(end-to-end) 통신을 다루는 최하위 계층으로 종단간 신뢰성 있고 효율적인 데이터를 전송하며, 

기능은 오류검출 및 복구와 흐름제어, 중복검사 등을 수행한다.

TCP 프로토콜은 우리가 자주 사용하는 프로토콜이기 때문에 알아둘 필요가 있다고 생각하여 조금 자세히 적어본다.
TCP의 경우 신뢰성있는 통신을 보장한다. 따라서 데이터가 전달되는 과정에서 여러 스위치 라우터 등등을 거치면서 데이터가 잘못 전달되는 현상이나 전달이 안되는 경우 오류제어, 흐름제어를 통해 신뢰성있는 데이터가 전달될 수 있도록 한다.
TCP는 연결시 3-way hanshaking 방식으로 목적지와 상호 패킷을 교환하여 연결한다. 연결을 종료할 때는 4-way hanshaking 방식을 사용한다.
신뢰성 연결과 전달을 보장하는 만큼 중간의 확인과정을 거치고 연결을 계속 유지해야되기 때문에 그만큼의 리소스가 더 들어간다.

UDP 프로토콜의 경우 비연결형 프로토콜로서 데이터를 빠르게 전달하는데에 초점을 두고 있다. 따라서 UDP는 목적지에 데이터가 제대로 전달 되었는지 조차 확인하지 않는다. 그냥 전송하면 끝인 것이다. 이렇게만 말하면 이걸 왜쓰냐라고 할 수 있는데 비연결을 지향하고 데이터를 전달할 때 TCP에 비해 오버헤드가 적다. 그래서 신뢰성 있는 데이터 전송이 필요할 때보다 스트리밍같이 연속적인 특성을 가지고 있는 서비스에 사용한다.

전송 단위는 Segment이다.

 

TCP 프로토콜(Transmission Control Protocol)

OSI 계층모델의 관점에서 전송 계층(4계층)에 해당

양종단 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 하위계층인 IP 계층의 신뢰성 없는 서비스에 대해 다방면으로 신뢰성을 제공

2. 연결지향적 (Connection-oriented)                                       

• 같은 전송계층의 UDP가 비연결성(connectionless)인 것과는 달리, TCP는 연결지향적 임
• 이 경우, 느슨한 연결(Loosly Connected)을 갖으므로 강한 연결을 의미하는 
• 가상회선이라는 표현 보다는 오히려 연결지향적이라고 말함
• 연결 관리를 위한 연결설정 및 연결해제 필요         
• 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 데이타 전송에 사용

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

• 메세지가 제대로 도착했는지 확인하지 않음 (확인응답 없음)
• 수신된 메세지의 순서를 맞추지 않음 (순서제어 없음) 
• 흐름 제어를 위한 피드백을 제공하지 않음 (흐름제어 없음)
• 검사합을 제외한 특별한 오류 검출 및 제어 없음 (오류제어 거의 없음)
• UDP를 사용하는 프로그램 쪽에서 오류제어 기능을 스스로 갖추어야 함
• 데이터그램 지향의 전송계층용 프로토콜 (논리적인 가상회선 연결이 필요없음)
• 비연결접속상태 하에서 통신 

2. 실시간 응용 및 멀티캐스팅 가능

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

3. 헤더가 단순함

• UDP는 TCP 처럼 16 비트의 포트 번호를 사용하나,
• 헤더는 고정크기의 8 바이트(TCP는 20 바이트) 만 사용
• 즉, 헤더 처리에 많은 시간과 노력을 요하지 않음

 

세션 계층(Session Layer)

통신하는 사용자들을 동기화하고 오류복구 명령들을 일괄적으로 다룬다. 

통신을 하기 위한 세션을 확립/유지/중단 (운영체제가 해줌)

세션 계층부터 데이터를 만들어내는 계층이다.
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 오류복구 명령들을 일괄적으로 다룬다.
대표적으로 RPC, Socket 등이 있다.

 

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

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

그러므로 세션 계층은 4 계층과 무관하게 응용 프로그램 관점에서 봐야 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.

 

표현 계층(Presentation Layer)

사용자의 명령어를 완성및 결과 표현. 포장/압축/암호화

표현 계층은 코드 간의 번역을 담당하여 사용자 시스템에서 데이터의 형식상 차이를 다루는 부담을 응용 계층으로부터 덜어 준다. MIME 인코딩이나 암호화 등의 동작이 이 계층에서 이루어진다. 우리가 자주 사용하는 데이터의 압축이나 인코딩 등을 여기에서 다룬다고 볼 수 있겠다.

 

데이터 표현이 상이한 응용 프로세스의 독립성을 제공하고, 암호화 한다.

표현 계층(Presentation layer)은 코드 간의 번역을 담당하여 사용자 시스템에서 데이터의 형식상 차이를 다루는 부담을 응용 계층으로부터 덜어 준다. 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 표현 계층의 몫이다.

 

응용 계층(Application Layer)

네트워크 소프트웨어 UI 부분, 사용자의 입출력(I/O)부분

응용 계층은 응용 프로세스와 직접 관계하여 일반적인 응용 서비스를 수행한다.
한마디로 우리가 사용하는 사용자 인터페이스를 제공하는 프로그램 등을 말하는 것이다.
대표적으로 우리가 잘 알고있는 HTTP, FTP 등의 프로토콜이 응용 계층에 속한다.

간단하게나마 정리를 해보았는데 위키내용을 많이 참고하였다. 알아보면서 각 계층의 역할정도만 보고 정말 각 계층을 세세하게 보지는 못하였다. 아마 필요할 때가 되면 필요한 계층에 대해 심도있게 보지 않을까 싶다. 사실 대부분은 운영체제와 프로그래밍 언어에서 개발자가 쉽게 쓸 수 있도록 제공해주기 때문에 정말 심도있게 보게 될지는 모르겠다.

 

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

해당 통신 패킷들은 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.

 

응용 계층(Application layer)은 응용 프로세스와 직접 관계하여 일반적인 응용 서비스를 수행한다. 

일반적인 응용 서비스는 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.

 

HTTP 프로토콜(HyperText Transfer Protocol)

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

처음에는, WWW 상의 하이퍼텍스트 형태의 문서를 전달하는데 주로 이용

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

 

1. 요청 및 응답의 구조

• 동작형태가 클라이언트/서버 모델로 동작

2. 메세지 교환 형태의 프로토콜 

• 클라이언트와 서버 간에 `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 => RFC 7230~7235  (1998년~) 

• HTTP 1.0 으로부터 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

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References

• http://www.ktword.co.kr/abbr_view.php?nav=2&m_temp1=648&id=1283
• https://shlee0882.tistory.com/110
• https://ko.wikipedia.org/wiki/OSI_%EB%AA%A8%ED%98%95