#2 OSI 7계층 이란 무엇인가 ?

 

안녕하세요! 콱!꼬챙 입니다.

 

오늘은 OSI 7 Layer에 대해 공부해 보아요 ~

 

 

1. OSI 7계층의 탄생과 목적: 네트워크 표준화의 시작

OSI(Open Systems Interconnection) 모델은 1984년 국제 표준화 기구(ISO)에 의해 제정된 네트워크 표준 프레임워크입니다. 네트워크 통신의 복잡성을 단순화하고 상호 운용성을 보장하기 위해 설계된 이 모델은 통신 프로세스를 7개의 계층으로 나눕니다. OSI 모델이 도입되기 이전에는 각 제조사가 자체적으로 설계한 네트워크 프로토콜을 사용해 상호 호환이 불가능한 상황이 빈번했습니다. OSI 모델은 이러한 문제를 해결하고, 하드웨어와 소프트웨어 간 통신을 구조화된 방식으로 정의하여 네트워크의 표준화와 글로벌화를 촉진했습니다. 이 모델의 궁극적인 목표는 네트워크 기술의 발전을 가속화하고, 다양한 시스템 간 데이터 교환을 원활하게 만드는 것이었습니다.

 

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2. 물리 계층과 데이터 링크 계층: 데이터 흐름의 물리적 기초

OSI 7계층의 첫 번째 계층인 물리 계층(Physical Layer)은 데이터를 전기적, 광학적 신호로 변환하여 전송하는 역할을 합니다. 여기에는 케이블, 스위치, 라우터와 같은 물리적 장치가 포함됩니다. 데이터가 네트워크를 통해 전달되려면 0과 1의 이진 데이터를 전압 차이나 광 신호로 변환해야 하는데, 물리 계층이 이를 담당합니다.

두 번째 계층인 데이터 링크 계층(Data Link Layer)은 물리 계층에서 받은 데이터를 오류 없이 전송할 수 있도록 보장합니다. 이 계층은 데이터를 프레임 단위로 나누고, 오류 검출 및 복구 기능을 수행합니다. 또한, 네트워크 카드(MAC 주소)를 기반으로 한 장치 간 통신을 관리합니다. 데이터 링크 계층은 네트워크 환경에서 충돌이 발생하지 않도록 CSMA/CD와 같은 프로토콜을 사용하는 등 안정적인 데이터 전송의 핵심 역할을 합니다.

 

물리 계층(Physical Layer) 주요 기능:

• 신호 생성과 변조: 데이터를 아날로그 또는 디지털 신호로 변환. 변조 기술(AM, FM, PSK 등)을 사용하여 데이터를 전달.
• 전송 매체 제어: 유선(UTP, STP, 광섬유 등)과 무선(Wi-Fi, Bluetooth 등) 매체를 통해 데이터를 송수신.
• 비트 동기화: 송신자와 수신자가 동일한 속도로 데이터를 전송하고 처리할 수 있도록 클럭 신호를 관리.
• 네트워크 장치: 리피터, 허브, 네트워크 어댑터 등이 이 계층에서 동작.

데이터 링크 계층(Data Link Layer) 주요 기능:

• 프레이밍: 데이터 패킷을 프레임으로 나누어 관리. 헤더와 트레일러를 추가하여 오류 검출과 흐름 제어를 지원.
• 오류 검출 및 복구: CRC(Cyclic Redundancy Check)와 같은 메커니즘을 사용해 데이터 오류를 감지하고 복구.
• 매체 접근 제어(MAC): 동일 네트워크에 여러 장치가 존재할 경우, CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) 또는 CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) 기술로 충돌을 방지.
• 네트워크 장치: 스위치와 브리지 등이 데이터 링크 계층에서 작동하며, 데이터를 MAC 주소 기반으로 전달.

 

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3. 네트워크 계층과 전송 계층: 데이터 라우팅과 신뢰성 보장

네트워크 계층(Network Layer)은 데이터 패킷을 최적의 경로를 통해 목적지로 전달하는 역할을 합니다. 이 계층에서는 IP(Internet Protocol) 주소를 사용하여 데이터를 전 세계 어디로든 라우팅합니다. 중요한 점은 이 계층이 경로를 선택할 때 라우팅 알고리즘을 사용하여 지연, 대역폭, 장애 등을 고려한다는 것입니다. 이를 통해 효율적이고 신뢰할 수 있는 데이터 전달이 가능해집니다.

전송 계층(Transport Layer)은 데이터의 신뢰성을 보장하는 데 초점을 맞춥니다. TCP(Transmission Control Protocol)와 UDP(User Datagram Protocol)는 이 계층에서 작동하는 주요 프로토콜입니다. TCP는 연결 지향적 방식으로 데이터를 전송하며, 오류 검출 및 복구, 데이터 재조립 등을 담당합니다. 반면, UDP는 연결 없는 방식으로 빠른 데이터 전송을 지원합니다. 전송 계층은 애플리케이션 계층에서 전달된 데이터를 세그먼트로 나누고, 이를 다시 조립하여 사용자 애플리케이션에 제공합니다.

 

네트워크 계층(Network Layer) 주요 기능:

• 주소 지정: IP(IPv4/IPv6)를 통해 각 장치를 유일하게 식별.
• 라우팅: 데이터를 전송하기 위해 최적의 경로를 선택. 주요 라우팅 프로토콜에는 OSPF(Open Shortest Path First), BGP(Border Gateway Protocol), RIP(Routing Information Protocol) 등이 포함.
• 패킷 분할과 재조립: 큰 데이터를 작은 패킷으로 나눠 전송하고, 수신 측에서 이를 다시 조립.
• 네트워크 장치: 라우터, 레이어 3 스위치 등이 네트워크 계층에서 동작.

전송 계층(Transport Layer) 주요 기능:

• 연결 지향 및 연결 없는 전송:
  • TCP: 연결 지향적 전송으로 데이터의 정확성과 신뢰성을 보장. 3-way handshake 과정을 통해 연결을 설정.
  • UDP: 비연결 지향적 전송으로 빠른 데이터 전송을 지원하지만 신뢰성은 낮음.
• 데이터 재조립: 데이터 세그먼트를 올바른 순서로 재조립하여 애플리케이션 계층으로 전달.
• 흐름 제어: 송신자가 너무 많은 데이터를 보내는 것을 방지.
• 포트 번호 사용: 애플리케이션을 구분하기 위해 포트 번호(TCP/UDP 포트)를 사용. 예: HTTP(80), FTP(21).

 

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4. 세션 계층과 표현 계층: 데이터 관리와 형식 통일

세션 계층(Session Layer)은 두 장치 간의 대화를 설정하고 유지, 종료하는 역할을 합니다. 이를 통해 네트워크 통신이 중단 없이 안정적으로 유지됩니다. 세션 계층은 또한 다중 작업을 관리하며, 예를 들어 한 컴퓨터에서 여러 브라우저 창이 열린 경우, 각 창에서 독립적으로 세션을 유지할 수 있도록 지원합니다.

표현 계층(Presentation Layer)은 데이터를 사용자 애플리케이션이 이해할 수 있는 형식으로 변환합니다. 여기에는 데이터 인코딩, 암호화, 압축 등이 포함됩니다. 예를 들어, 비디오 스트리밍 서비스는 표현 계층에서 데이터를 압축한 후 전송하여 대역폭을 절약합니다. 이 계층은 데이터 형식의 호환성을 보장하며, 서로 다른 시스템이 동일한 데이터를 이해할 수 있도록 돕습니다.

 

세션 계층(Session Layer) 주요 기능:

• 세션 설정 및 유지: 동기화와 세션 복구를 통해 안정적인 통신 보장. 예를 들어, 파일 전송 중 중단이 발생하면 마지막 데이터부터 복구 가능.
• 다중화: 여러 세션을 동시에 관리하여 충돌을 방지.
• 데이터 동기화: 체크포인트를 생성하여 데이터가 손실되었을 때 재전송 가능.
• 예시: 원격 데스크톱 서비스(RDP)와 같은 애플리케이션은 세션 계층의 기능을 활용.

 

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5. 응용 계층: 사용자와 네트워크 간의 인터페이스

OSI 7계층의 최상위 계층인 응용 계층(Application Layer)은 사용자와 네트워크 간의 직접적인 인터페이스를 제공합니다. 이 계층에서 작동하는 프로토콜로는 HTTP, FTP, SMTP 등이 있으며, 사용자는 웹 브라우저나 이메일 클라이언트와 같은 애플리케이션을 통해 이 계층과 상호작용합니다. 응용 계층은 사용자 요청을 네트워크 요청으로 변환하고, 네트워크에서 받은 데이터를 사용자 친화적인 형태로 표시합니다.

응용 계층의 중요한 기능 중 하나는 네트워크 서비스의 접근을 관리하는 것입니다. 사용자는 이 계층을 통해 파일 다운로드, 데이터베이스 접근, 실시간 화상 통화 등 다양한 네트워크 서비스를 이용할 수 있습니다.

 

응용 계층(Application Layer) 주요 기능:

• 네트워크 서비스 제공: 웹 브라우징(HTTP), 이메일(SMTP, IMAP), 파일 전송(FTP), 도메인 이름 서비스(DNS) 등.
• 데이터 요청 및 응답: 사용자가 요청한 데이터를 네트워크를 통해 가져와 표시.
• 프로토콜의 다양성:
  • HTTP/HTTPS: 웹 통신.
  • FTP/SFTP: 파일 전송.
  • SMTP/IMAP/POP3: 이메일 전송 및 수신.
• 예시: 사용자가 입력한 URL을 해석하고 서버로 요청을 보내는 과정.

 

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6. OSI 7계층의 현대적 해석: 네트워크의 미래를 보다

오늘날 OSI 모델은 네트워크 설계의 기본 틀이자 교육의 주요 도구로 사용되고 있습니다. 그러나 실제 네트워크 환경에서는 TCP/IP 모델이 더 널리 활용되고 있습니다. 그럼에도 불구하고, OSI 7계층은 각 계층이 담당하는 역할을 명확히 구분하여 네트워크 문제를 진단하고 새로운 기술을 개발하는 데 중요한 참고 자료로 여겨집니다.

특히 5G, IoT, 클라우드 네트워킹 등 새로운 기술이 등장하면서 OSI 모델의 계층 간 경계는 더욱 유연해지고 있습니다. 예를 들어, 클라우드 네트워크에서 가상화된 네트워크 기능(NFV)은 기존의 물리적 계층과 데이터 링크 계층을 통합하는 역할을 합니다. 이는 OSI 모델이 현대 기술의 발전과 함께 계속 진화하고 있음을 보여줍니다.