OSI 7 Layer

7계층은 왜 나눴을까??

• 서로 다른 컴퓨터간에서 원활한 통신을 위해서 나눠졌다.
• 통신이 일어나는 과정을 단계별로 알 수 있고, 특정한 곳에 이상이 생기면 그 단계만 수정할 수 있기 때문이다.
• 이를 위해 국제 표준 기구 iso가 발표한 네트워크 모델인 OSI 7 Layer를 살펴보도록 하자

 

 

Physical Layer - 1 계층

: 물리적으로 연결된 두 대의 컴퓨터가 0과 1의 나열(원본 데이터)을 주고받을 수 있게 해주는 모듈(module)

encoder: 0과 1의 나열(원본 데이터)을 아날로그 신호로 변조(바꾸는)하는 회로(기술)
decoder: 아날로그 신호(변조된 데이터)를 0과 1의 나열(원본 데이터)로 변조(해석)하는 회로(기술)

이 때의 module이란 ? 프로그래밍 할 때 만드는 함수

  encoder, decoder와 같은 Physical Layer의 기술은 하드웨어인, PHY칩에 구현되어 있다.

이전 게시물을 통해 디지털 데이터를 아날로그 신호로 변환해 패킷을 전송해야하는 것을 파악했다면, 이 변환&해석 과정을 어디에서 진행하는지 궁금했을 것이다!

 

  바로 그 과정이 OSI 7 Layer 중 1 계층인 Physical Layer(물리 계층)에서 이루어 지는 것이다!!

물리 계층은 이진 데이터를 전기적인 신호(아날로그 신호)로 변환하는 기능을 진행하는 공간이다.

 

  즉, 데이터를 전송하는 역할만 진행한다.

→ 하지만, 1계층에 속하는 기술만으로는 여러대의 컴퓨터가 통신하도록 만들 수는 없다.

왜냐하면, 단순 변환만으로는, 여러대의 컴퓨터에서 스위치를 통해 하나의 컴퓨터를 향해 거의 동시에 데이터를 보냈을 때, 수신자 입장에서는 각 데이터가 여러대의 컴퓨터로 중 어떤 컴퓨터로부터 송신된 데이터인지 모르기 때문이다.

 

 

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Data-Link Layer - 2 계층

: 같은 네트워크에 있는 여러대의 컴퓨터들이 데이터를 데이터를 주고받기 위해 필요한 모듈

How ?

별도의 구분자를 통해서 각 컴퓨터에서 보내는 데이터들의 앞,뒤에 붙여줌(Framing)으로써, 수신자가 송신자의 데이터를 구분지을 수 있도록 한다.

정확히 말해서, 이 때의 앞 뒤 구분자는 MAC주소를 넣는다.

• 출발지의 MAC 주소
• 가장 가까운 Router의 MAC 주소
• 도착지의 MAC 주소 이유: 송신자는 최초의 B에 대한 맥주소는 알지 못하기 때문이다.
  • 3계층의 IP주소를 통해 이동한 도착지 Router에서, 도착지 Router의 IP를 DHCP, ARP를 통해MAC주소로 변환한 후에야, 도착지 MAC 주소를 헤더에 추가하는 것이다.
  • 즉, 도착지 MAC주소는 송신자측에서 헤더에 추가되지 않는다. 도착지 Router에 도착한 뒤, 목적지 컴퓨터로 들어가기 위해 도착지 Router상에서 도착지 MAC주소가 기존 data의 헤더에 추가되는 것이다.

같은 네트워크 ? : 스위치 하나로 연결된 컴퓨터들을 칭한다.
Frame ? : 구분자가 붙은 data 단위를 프레임(Frame)이라고 한다.
Framing ? 상위 Layer의 데이터를 잘게 짤라, data에 구분자를 붙이는 방식

특징

• 해당 기술은 하드웨어적으로(LAN 카드에) 구현되어 있다.
• 흐름 제어(검출, 회복), 오류 제어(트레일러 데이터도 추가 삽입)
• 프레임 동기(BASIC 동기, HDLC 동기, SDLC 동기)
• 링크의 효율성 향상(CSMA/CD, Token-Bus, Token-Ring)
• 매체 엑세스 제어(MAC)

오류 제어
 - 송신자 측에서 보낸 데이터가 데이터 손실되어 수신자측에 도착했다면(즉, 7개 중 2개의 프레임이 오류가 났다면), 해당 오류 발생한 프레임을 모두 버려버리는 방식

 

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1 계층과 2계층 간 data 송-수신 과정

송신자

1. 컴퓨터 내부에서 data를 2계층 encoder로 전달한다.
   1. 2계층 encoder에서는 해당 data의 앞 뒤로 구분자를 붙이고 output한다.
2. 2계층 encoder로부터 output된 프레임을 1계층 encoder로 전달한다.
   1. 1계층 encoder에서는 data를 ‘아날로그 신호’로 변환한다.
   2. data를 전선을 통해 수신자쪽으로 보낼 준비가 완료되었다!

전선을 통해 아날로그 신호로 변환된 (구분자가 붙은)data가 이동한다.

 

수신자

1. 1계층 decoder에서 수신한 ‘아날로그 신호’를 해석한다.
   1. 해당 아날로그 신호를 해석하여, (구분자가 붙은)data를 output한다.
2. 1계층 decoder로부터 output된 data를 2계층 encoder로 전달한다.
   1. 2계층 decoder는 해당 프레임을 해석한다.
   2. 프레임으로부터 구분자를 떼서, 해당 data를 수신자쪽에서 확인할 수 있다!

 

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Network Layer - 3 계층

inter-network에서 목적지 컴퓨터로 데이터를 전송하기 위한 모듈 (ip주소 활용)

⇒ 인터넷 상의 모든 컴퓨터가 통신할 수 있도록 할 수 있다! 수신자가 전 세계 컴퓨터로부터 데이터를 받을 수 있다!!

IP ? : 각 컴퓨터들이 갖는 고유한 주소
패킷 ? : IP주소 + Frame 인 data
inter-network ? : 수많은 네트워크들의 연결로 이루어진 네트워크
Routing ? : IP 주소를 이용해서 목적지를 찾는 과정
forwarding ? : 자신 다음의 라우터에게 데이터를 넘겨주는 것

참고) Router에도 패킷을 까보기 위해 1계층, 2계층, 3계층 decoder, encoder가 존재한다.

 

특징

• 운영체제 Kernel에 소프트웨어적으로 구현되어 있다.
• 패킷 정보 전송
• 정보 교환 및 중계 기능
• 경로선택 기능
• 트래픽 제어 기능
• 네트워크 연결 관리
• 체증 제어

 

다중 네트워크 상 - IP주소의 필요성

신호를 송신할 때를 생각해보자. 예를 들어, 구글서버에 (페이지를 요청하는 data에 해당하는)아날로그 신호를 송신하기 위해 www.google.com 을 입력하면, (미국 네트워크에 속한) 구글 서버에만 저장된 페이지가 내 화면에 보이는 것인데 이 때의 통신(송신-수신)이 어떻게 이루어지는지를 생각해보자

해당 게시물에서 확인했듯이, 우리가 www.google.com을 입력하면, DNS 서버를 통해 구글 서버의 IP주소를 획득할 수 있다. 결론적으로, data를 송신하기 위해서는 IP주소를 알고 있어야한다.

즉, 하나의 스위치 내에 등록 되어있는(:= 알고있는) 주소

 

 

3계층에서의 data 송-수신 과정

송신자 컴퓨터에서 다른 네트워크에 있는 컴퓨터로 패킷(IP주소 + Frame 인 data)을 보낸다고 가정하자.

1. 송신자 컴퓨터에서 하나의 네트워크 내 송신자 측 가장 가까운 Router로 패킷(frame에 IP주소를 추가한 data)을 보낸다.
2. 해당 Router에서 패킷을 까서, Router 내 등록된 IP주소를 확인한다. - Routing
   1. 없으면, 다시 패킷으로 변환해 가장 가까운 다른 Router로 해당 패킷을 보낸다. - forwarding
   2. 있으면, 다시 패킷으로 변환해 내부 컴퓨터(Host)로 해당 패킷을 보낸다.
3. 2번 과정을 다시 반복해서, 목적지 IP주소가 있는 Router를 탐색한다. - Routing
4. 3번 과정을 통해 찾은 Router에서, 해당 패킷을 특정 IP주소의 컴퓨터로 보낸다.

 

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Transport Layer - 4 계층

: 송신자(컴퓨터)의 데이터가 수신자(컴퓨터) 내 최종 도착지인 프로세스까지 도달하게 하는 모듈 (port 번호 활용)

프로세스 ? : 간단히 말하면, 실행중인 프로그램
port 번호 ? : 하나의 컴퓨터에서 동시에 실행되고 있는 프로세스들이 서로 겹치지 않게 가져야하는 정수 값
세그먼트(segment): port번호 + 패킷(IP주소 + 구분자 + data)로 이루어진 data로써, OSI 4 Transport Layer 기본 단위

 

컴퓨터는 데이터를 프로세스에게 나누어줘야 할 필요가 있다. ex) 카카오톡 채팅 데이터를 받았다

그런데, 어떤 데이터를 무슨 프로세스에게 줘야할 지 컴퓨터는 어떻게 알 수 있을까??

데이터를 받고자 하는 프로세스들은 포트 번호를 가져야 한다.

이는 곧 지금까지 위에서 소개한 내용들에서 수신자는 애초에 데이터를 보낼 때, 데이터를 받을 수신자 컴퓨터에 있는 프로세스의 포트 번호

를 데이터에 붙여서 보내야 한다. 는 것을 의미한다!!

 

당연하게도, www.google.com는 www.google.com:80을 의미하는데, 구글 서버 내에서 여러 프로세스를 돌리고 있을 텐데, 구글 서버 내의 특정 프로세스에게만 나의 데이터를 보내기 위해서 포트번호를 사용한다. 즉, 우리는 구글 서버의 포트번호도 알고 있는 셈이다.

특징

• 운영체제 Kernel에 소프트웨어적으로 구현되어 있다.
• 세그멘테이션, 흐름제어, 오류제어 등을 제공한다.

세그멘테이션
 - 상위 계층 데이터를 받으면, 세그먼트 단위로 나눈다.
 - 연결 간 데이터 전송 ex) 유튜브 영상을 모두 로드한뒤 보여주는 게 아닌, 일부만을 먼저 유저에게 보여줄 수 있도록 해준다.
 - 세그멘테이션을 통해 데이터 손실율 감소 ex) 큰 데이터를 보낼 때 연결이 중간에 끊겼을 때 가정

흐름 제어
 - 데이터 전송량이 서로 다른 컴퓨터에서 흐름 제어를 지원한다.ex) 초당 10Mbps만의 데이터만 처리할 수 있는 컴퓨터에서 한 번에 50Mbps를 수신한다고 가정했을 때, 수신자측에서 송신자측에 전송량을 낮춰달라고 요구하는 것처럼 전송량을 제어하는 방식
   ex) Stop & Wait 나 슬라이딩 윈도우 방식을 사용한다.

오류 제어
 - 송신자 측에서 보낸 데이터가 데이터 손실되어 수신자측에 도착했다면, 송신자측에서 다시 해당 데이터를 전송해주는 방식
   ex) FEC, BEC, ARQ

 

하나의 컴퓨터 내 여러 프로세스 - port번호의 필요성

만약 하나의 컴퓨터 내에 여러 데이터(여러 port번호가 추가된 패킷)가 들어왔다고 가정하자.

하나의 컴퓨터 내 여러 프로세스가 돌고 있을 텐데, 특정 프로세스로만 해당 데이터를 보내기 위해 port번호를 확인해서 데이터를 프로세스에게 전달하는 것이다!

 

 

Application Layer - 7 계층

ex) TCP/IP 소켓 프로그래밍

• 소켓 프로그래밍을 사용해 세션계층부터 응용계층까지의 기능은 사용자 프로그램이 구현한다.
• 운영체제의 Transport Layer에서 제공하는 API를 활용해서 통신 가능한프로그램을 만드는 것을 TCP/IP 소켓 프로그래밍, 또는 네트워크 프로그래밍 이라고 한다.
• 소켓프로그래밍 만으로도 클라이언트, 서버 프로그램을 따로따로 만들어서 동작 시킬 수 있고 누구나 자신만의 application layer 인코더 디코더를 만들 수 있다.
• ex) 암호화, 압축, HTTP 인코딩, HTTP 디코딩, 통신회선 구축
• 즉, 누구나 Application Layer 프로토콜을 만들어 사용할 수 있다.

 

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OSI 7 Layer와 TCP/IP Layer

사실 현대의 인터넷은 OSI 모델이 아니라, TCP/IP 모델을 따르고 있다.

또한 5,6계층은 7계층과 같은 TCP/IP 모델을 따르고 있으므로, 5,6계층은 간략히 설명하겠다

 

Presentation Layer

: 데이터의 변환, 압축, 암호화가 이루어지는 모듈

→ 서로 다른 통신 기기 간에, 서로 다른 인코딩을 사용할 수 있기 때문에 해당 계층에서 데이터 변환이 이루어진다.

 

Session Layer

: 세션을 열고 닫는 것을 제공하는 모듈

→ 체크포인트를 통한 ‘세션 복구’(동기화) 지원

 

 

 

참고

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

https://ko.wikipedia.org/wiki/OSI_%EB%AA%A8%ED%98%95

http://wiki.hash.kr/index.php/OSI_7_%EA%B3%84%EC%B8%B5