[네트워크 기초] 9. OSI 참조 모델로 보는 네트워크 통신 과정 (OSI 7계층 정리)

 

1️⃣ OSI 참조 모델(OSI 7계층) 이란? 

다양한 네트워크 통신 규격이 여기저기 양산되면서 서로 다른 장치간의 통신을 위한 표준화된 규격이 필요해졌다. 

이때 국제 표준화 기구(ISO, International Organization for Standardization)를 통해 등장한 통신 규격이 바로 OSI 참조 모델(Open System Interconnection Reference Model) 이다.

 

OSI(Open System Interconnection) 개방향 시스템 상호 연결의 약어로 네트워크 통신이 일어나는 상호 연결 과정을 하나의 개방형 시스템 구조로 정의한 모델이다. 

이 모델에서는 네트워크 통신이 일어나는 과정을 크게 일곱 단계로 구분하고 있다. 그래서 OSI 7계층 (OSI 7 Layers)라고 부른다. 

 

각 단계는 물리 계층(physical layer), 데이터 링크 계층(data link layer), 네트워크 계층(network layer), 전송 계층(transport layer), 세션 계층(session layer), 응용 계층(application layer)로 구분된다. 

 

컴퓨터와 같은 통신 장치가 데이터를 송신할 때는 7계층인 응용 계층부터 1계층인 물리 계층 방향으로 절차가 진행된다. 

반대로 데이터를 수신할 때는 1계층인 물리 계층부터 7계층인 응용 계층 방향으로 절차가 진행된다. 

 

 

 

2️⃣ OSI 7계층으로 보는 데이터 송신 과정 

 

제7계층 - 응용 계층 

일곱번째 계층인 응용 계층은 사용자 인터페이스를 제공하여 사용자와 응용 프로그램 간 상호작용을 지원하는 계층이다. 

사용자의 눈에 보이는 인터페이스를 통하여 사용자가 직접 응용 프로그램을 실행해 동작하는 상호작용을 할 수 있는 계층이 바로 '응용 계층'이다. 

 

제6계층 - 표현 계층

여섯번째 계층인 표현 계층은 통신을 위한 데이터를 암호화 및 압축하여 표현하는 계층이다. 

메세지를 목적지까지 전송하기 전에 암호화 및 압축을 통하여 통신을 위한 데이터로 표현하는 계층이 표현 계층이다. 

 

암호화는 보안을 위해 원래의 데이터를 암호화하여 표현하는 것이고, 압축은 기존 데이터의 크기를 전송에 유용하게 더 작은 사이즈로 데이터의 포맷을 변환하는 것이다. 

 

이렇게 압축되고 암호화된 데이터의 유형과 데이터 전송 길이 등이 포함된 '헤더'가 붙은 다음 세션 계층으로 전달된다. 

 

제5계층 - 세션 계층 

다섯번째 계층인 세션 계층은 데이터를 보낼 논리적인 연결 통로를 확보하기  위한 세션을 만드는 계층이다.

 

표현계층에서 압축 및 암호화된 데이터를 생성해도 데이터를 보낼 통로가 없으면 아무 의미도 없다. 

통신을 하려면 데이터를 보낼 송, 수신 장치간의 통로를 만들어 이를 유지하고 동기화하는 과정이 필요한데 네트워크에서는 이 과정을 "세션을 맺는다" 라고 말한다. 

 

송,수신 장치 간 세션을 맺음으로써 데이터를 주고 받기 위한 논리적인 통로를 확보하는 계층이 바로 세션계층이다. 

 

제4계층 - 전송 계층

메시지를 보낼 데이터도 생성했고, 데이터를 보낼 논리적인 연결 통롱닝 세션도 확보했고, 이제 남은 것은 이 연결통로로 데이터를 보내는 일이다. 

네번째 계층인 전송 계층은 데이터가 여러 개로 분할되어 실제 전송이 이루어지는 계층이다. 

 

그러나 데이터를 한 번에 보내기에는 크기가 커서 전송 지연이 발생할 수 있다. 따라서 우선 데이터를 분할한 다음에 전송하는데, 여기서 데이터를 일정한 크기 단위로 분할하는 과정을 세그먼테이션(Segmentation)이라고 하며, 세그먼테이션을 통해 분할된 후 앞에 해더 정보가 붙어 생성된 데이터를 세그먼트(Segment) 라고 한다. 

그리고 세그먼트들을 가지고 데이터를 전송하는 계층이 바로 전송 계층이다. 

 

전송 계층에서 생성된 세그먼트들은 목적지에서 다시 정확히 재조립될 수 있도록 순서 번호 Sequence Number를 가지며, 이는 각 세그먼트의 헤더 정보에 포함된다. 

이외에도 세그먼트 헤더에는 데이터를 보내는 송,수신지의 포트번호도 포함되어 있다. 

(여기서 말하는 포트번호는 데이터가 지나가는 통신 세션을 구분하기 위한 번호이다.)

 

서버와 클라이언트가 데이터를 서로 주고받는 연결 통로를 하나의 세션이라고 보면 된다. 

세션은 여러 개 구축할 수 있으며 각각 포트번호로 구분된다. 

클라이언트가 웹 브라우저를 통해 웹 서버에 접속할 때는 보통 포트 번호 80번을 기본 값으로 사용하고, 파일 전송을 지원하는 FTP프로그램을 이용하여 FTP 서버로 접속할 때는 보통 21번 포트를 기본값으로 사용된다. 

 

클라이언트와 서버가 포트 80번과 21번으로 구분되는 2개의 세션을 맺은 것을 볼 수 있는데, 여기서 우리는 각 세션을 포트번호로 구분하여 데이터 통신이 이루어짐을 알 수 있다. 

특히 전송 계층의 네트워크 장비는 포트 번호를 확인하고 데이터를 전송하는데, 이때의 장비를 OSI 참조 모델의 4계층에 해당하는 네트워크 장비라는 의미로 L4 스위치라고 부른다. 

그리고 여기서 포트 번호 기반의 세션을 활용하는 전송 계층의 대표적인 프로토콜이 바로 TCP와 UDP이다. 

 

 

제3계층 - 네트워크 계층

세번째 계층인 네트워크 계층은 논리적인 주소를 토대로 데이터를 목적지까지 전달하는 계층이다. 

전송 계층에서 분할된 데이터를 목적지까지 전송하기 위해서는 목적지 주소를 정해야 한다. 

IP주소는 네트워크를 가리키는 논리적인 주소이고, MAC 주소는 목적지 단말장치를 가리키는 물리적인 주소이다. 

이중에서 논리적인 주소인 IP주소를 통해 데이터를 목적지까지 전달하는 계층이 바로 네트워크 계층이다. 

 

네트워크 계층에서의 데이터는 앞의 전송 계층에서 전달된 세그먼트 앞에 헤더 정보가 붙어 패킷Packet 으로 정의된 데이터를 말한다.

이러한 패킷의 헤더 정보에는 데이터의 출발지와 목적지 IP 주소가 포함된다. 

라우터와 같은 네트워크 장비를 통해 이루어지는 라우팅 경로 설정 과정들은 모두 네트워크 계층에서 이루어진다. 

 

이때 라우터와 같은 네트워크 장비를 OSI 참조 모델의 3계층에 해당하는 네트워크 장비라는 의미로 L3(Layer 3) 스위치라고 부른다.

 

 

제2계층 - 데이터링크 계층

두번째 계층인 데이터링크 계층은 물리적인 주소를 토대로 데이터를 목적지까지 전달하는 계층이다. 

바로 앞의 네트워크 계층에서는 IP주소를 통해 논리적인 주소를 지정하여 데이터를 전달했다면 제2계층에서는 물리적인 주소인 MAC 주소를 목적지 주소로 지정하여 데이터를 전달한다. 

 

데이터링크 계층에서의 데이터는 앞의 네트워크 계층에서 전달된 패킷 앞에 헤더와 트레일러 정보가 붙어 프레임Frame 으로 정의된 데이터를 말한다. 

그리고 프레임의 헤더 정보에는 데이터의 출발지와 목적지 MAC 주소가 포함되어 있어서 스위치와 같은 네트워크 장비들이 MAC 테이블을 통해 데이터가 목적지까지 전달될 수 있도록 한다. 

-> 이 과정을 스위칭이라고 하며 스위칭을 수행하는 네트워크 장비인 스위치를 OSI 참조 모델의 2계층에 해당하는 네트워크 장비라는 의미로 L2(Layer 2) 스위치라고 부르기도 한다. 

 

데이터링크 계층에서는 다른 계층과는 달리 데이터 앞에 붙는 헤더 외에도 트레일러 정보가 붙어 프레임을 구성한다. 

트레일러는 데이터 프레임의 오류 검출에 필요한 4바이트 크기의 '프레임 검사 시퀀스(FCS, Frame Check Sequnece)' 라는 필드를 포함한다. 

그래서 데이터 수신측이 가지고 있는 FCS 값과 전달된 데이터 프레임 FCS 필드 값을 비교하여, 두 값이 같으면 프레임이 오류 없이 성공적으로 전송되었다고 판단하고 값이 다르면 오류가 있는 것이므로 프레임을 폐기한뒤 송신측에 프레임의 재전송을 요청한다. 

 

 

제1계층 - 물리 계층

첫번째 계층인 물리 계층은 전송 채널을 통해 전기적인 신호로 데이터를 실제로 주고받는 계층이다. 

 

데이터라고 부르는 대상은 물리적인 전송채널을 통해서 0과 1로 구성된 전기적인 신호의 형태로 전달된다. 

그리고 수신측에 전달된 이런 전기적인 신호는 0과 1의 조합인 비트열로 모여 하나의 데이터로 복원된다. 

이처럼 OSI 계층의 제일 밑바닥에서 전송채널을 통해 데이터를 전기적인 신호로 전달하는 계층을 바로 물리계층이라고 한다. 

 

물리 계층에서는 더이상 데이터를 전달해줄 하위 계층이 없기 때문에 헤더 정보 추가 없이 바로 데이터 프레임을 전기적 신호로 변환하여 데이터 수신측의 물리 계층으로 전달한다. 

여기서 말하는 전기적 신호는 0과 1로 구성된 비트 단위의 디지털 신호를 뜻하며 비트들이 모여 비트열의 데이터로 복원됨으로써 메시지가 최종적으로 수신측에 전달 될 수 있는 것이다. 

 

데이터 링크 계층에서 물리계츠으로 전달된 데이터 프레임은 0과 1로 구성된 전기적인 신호로 변환되어 전송  채널을 통해 수신측으로 전달되고 수신측의 물리계층에서는 0과 1로 된 비트 정보를 조합하여 다시 데이터 프레임을 복원할 수 있다. 

 

물리 계층은 단순히 데이터를 전기적인 신호로 변환하여 송, 수신하는 역할만 수행하기 때문에 전기적인 신호를 증폭하는 리피터, 그리고 전기적인 신호를 복사하여 연결된 네트워크로 채널로 단순 전달하는 허브 장비가 물리 계층의 대표적인 네트워크 장비에 해당된다. 

그 외에도 랜케이블과 같은 전송채널과 전송 케이블이 연결되는 송,수신 컴퓨터의 랜카드 NIC 장치도 여기에 포함된다. 

 

 

 

3️⃣ OSI 7계층으로 보는 데이터 수신 과정 

데이터 수신 과정은 OSI 7계층에서 데이터 송신 과정과 반대로 진행된다. 

 

먼저 송신측에서 보낸 데이터는 전송 채널을 통해 전기적인 신호 형태로 수신측 컴퓨터의 물리계층에 전달된다. 

물리 계층에서는 전달받은 전기적인 신호를 0과 1로 표현된 비트열의 데이터, 즉 프레임으로 복원한다. 

 

그리고 복원된 데이터는 프레임 단위로 상위 계층인 데이터링크 계층으로 전달되고, 데이터링크 계층으로 전달된 데이터 프레임은 헤더 정보와 트레일러 정보가 제거된 후 패킷 단위로 상위 계층인 네트워크 계층에 전달된다. 

 

네트워크 계층으로 데이터 패킷이 전달되면 헤더에 포함된 데이터의 목적지 IP 주소를 먼저 확인한다. 

목적지 IP 주소와 데이터를 수신한 자신의 IP 주소와 같으면 데이터가 정상적으로 전달되었다고 판단한다. 

그런 다음 패킷의 헤더 정보가 제거되고, 데이터는 세그먼트 단위로 상위 계층인 전송 계층에 전달된다. 

만약 이때 전송 계층으로 전달된 세그먼트에 오류가 있거나 문제가 잇으면 에러 복구를 시도하거나 재전송을 요청한다. 

 

전송 계층에 성공적으로 전달된 세그먼트는 헤더 정보에 포함된 순서 번호에 따라 헤더 정보가 제거된 후 재조립된다. 

바로 이때의 데이터 재조립 과정을 리어셈블리 Reassembly 라고 하며, 이렇게 재조립된 데이터는 상위 계층인 세션 계층으로 전달된다. 

 

세션계층으로 전달된 데이터에도 특별한 문제가 없으면 헤더 정보가 제거된 다음 상위 계층인 표현 계층으로 전달된다.

마찬가지로 표현 계층으로 전달된 데이터도 헤더 정보가 제거된 후 상위 계층인 응용 계층으로 전달된다. 

 

단, 이때는 데이터가 암호화되어 있기 때문에 복호화한 다음 응용 계층으로 전달한다. 

제일 위에 있는 응용 계층으로 전달된 데이터는 송신측에서 보낸 메시지로 복호화된다. 

최종적으로 수신 측은 자신의 컴퓨터에서 메신저 응용 프로그램을 실행해 수신된 메시지를 확인할 수 있다. 

 

 

4️⃣ OSI 7계층 정리 

데이터를 송신하는 과정에서 데이터는 각 계층을 지날때 마다 필요한 제어 정보를 담은 헤더가 앞에 붙어 하위 계층으로 전달되고, 하위 계층에서는 이를 다시 하나의 데이터로써 재정의한다는 것이다. 

OSI 참조 모델에서는 데이터가 각 계층을 지날때 마다 이처럼 계속해서 새로운 데이터 형식으로 캡슐처럼 둘러싸인다는 의미로 캡슐화 encapsulation 라고 부른다. 

 

데이터 수신하는 과정에서는 데이터가 각 계층을 지나면서 헤더 정보가 순차적으로 제거되어 상위 계층으로 전달된다. 

OSI 참조 모델에서는 데이터 송신 과정을 싸인 캡슐을 풀면서 전달한다는 의미에서 역캡슐화 decapsulatioin이라고 한다. 

 

 

5️⃣ TCP/IP 와 OSI 참조 모델 

TCP/IP 는 인터넷에 연결하기 위한 기본 통신 프로토콜이다. 

여기서 IP는 Internet Protocol 의 약자로 OSI 7계층 중 네트워크 계층(3계층)에서 활용되는 프로토콜이다. 

이 프로토콜에는 전송해야할 데이터를 패킷 단위로 나누고, 나뉜 패킷의 헤더에 목적지 주소를 지정하여 어떻게 데이터를 전달할지가 정의되어 있다. 

 

TCP는 전송제어 프로토콜 Transmission Control Protocol의 약자로 인터넷 프로토콜 기반의 데이터 패킷들이 목적지까지 전달되는 과정을 추적 관리하여 안정적으로 연결될 수 있게 지원하는 프로토콜이다. 

 

TCP/IP는 인터넷 프로토콜과 전송 제어 프로토콜을 함께 부르는 명칭이기는 하지만 실제로는 IP와 TCP 이외에도 두 종단 간에 데이터를 주고받기 위한 100여개의 관련 프로토콜들이 여기에 해당된다. 

우리가 많이 사용하는 E-mail, FTP, 홈페이지, SNS, 블로드 등 대부분의 인터넷 서비스들이 TCP/IP 기반으로 만들어졌다. 

 

TCP/IP 프로토콜의 구조를 OSI 참조 모델 관점에서 바라보면 7계층이 아니라 4계층 헝태로 표현된다. 

먼저 1계층은 네트워크 접근 계층으로 OSI 7계층의 물리계층(1계층) 과 데이터링크 계층 (2계층)이 여기에 해당된다.

주로 전송채널을 통한 IP 패킷의 물리적인 전송을 담당한다. 

 

2계층인 인터넷 계층은 OSI 7계층에서 네트워크 계층(3계층)에 해당하며 IP 패킷에 대한 라우팅 기능을 수행한다. 

 

3계층인 전송 계층은 OSI 7계층의 동일한 전송 계층에 해당하며 실제 데이터 전달이 이루어지는 계층이다. 

 

마지막 4계층은 응용 계층은 OSI 7 계층에서의 세션, 표현, 응용 계층을 모두 아우르는 계층으로 TCP/ IP 기반의 응용 프로그램의 동작을 지원한다.