[Network] OSI 7 Layer와 TCP/IP 비교

개인적으로 네트워크 공부를 위해 정리한 내용들입니다.

함께 공부하자는 취지로 내용을 공유합니다.

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1. OSI 7 Layer

• OSI 7 계층은 네트워크에서 통신이 일어나는 과정
• 계층을 나눈 이유는 통신이 일어나는 과정이 단계별로 파악할 수 있기 때문
• 흐름을 한눈에 알아보기 쉽고, 사람들이 이해하기 쉽고, 7단계 중 특정한 곳에 이상이 생기면 다른 단계의 장비 및 소프트웨어를 건들이지 않고도 이상이 생긴 단계만 고칠 수 있기 때문

(1) OSI 7 계층별 이해 

<OSI 7 Layer(출처 : https://shlee0882.tistory.com/110)>

네트워크 통신 시 송신자와 수신자가 지켜야 할 각 단계의 규칙을 뜻하며, 위로 갈수록 Application에 가까워지며(실제 프로그램) 아래로 내려갈수록 Cable(물리적 연결구간)에 가까워집니다.

또한 아래로 내려 갈수록 Protocol Header가 추가되어 계층 정보(TCP, IP, MAC 등)를 덧붙입니다.

계층을 나눈 이유는 장애 발생 시 어느 구간이 발생하였는지 보다 명확하게 알기 위함입니다.

 

① 1계층 - 물리 계층(Physical Layer)

• 전기적, 기계적, 기능적인 특성을 이용해서 통신 케이블로 데이터를 전송
• 이 계층에서 사용되는 통신 단위는 비트이며 이것은 1과 0(전기적으로 On, Off 상태)으로 나타냄
• 이 계층에서는 단지 데이터를 전달만 할뿐 전송하려는(또는 받으려는)데이터가 무엇인지, 어떤 에러가 있는지 등에는 전혀 신경 쓰지 않음
• 단지 데이터 전기적인 신호로 변환해서 주고받는 기능만 함
• 대표적인 장비 : 통신 케이블, 리피터, 허브 등

⇒ 케이블, 리피터, 허브를 통해 데이터 전송

 

리피터, 허브

 

② 2계층 - 데이터링크 계층(DataLink Layer)

• 물리계층을 통해 송수신되는 정보의 오류와 흐름을 관리하여 안전한 정보의 전달을 수행할 수 있도록 도와주는 역할
• 통신에서의 오류도 찾아주고, 재전송, 흐름제어 하는 기능을 가지고 있음
• 이 계층에서는 MAC 주소를 가지고 통신
• 전송 단위 : 프레임
• 대표적인 장비 : 브리지, 스위치(MAC주소 사용)
• 포인트 투 포인트(Point to Point) 간 신뢰성있는 전송을 보장하기 위한 계층
• CRC 기반의 오류 제어와 흐름 제어가 필요
• 네트워크 위의 개체들 간 데이터를 전달하고, 물리 계층에서 발생할 수 있는 오류를 찾아 내고, 수정하는데 필요한 기능적, 절차적 수단을 제공 
• 주소 값은 물리적으로 할당 받는데, 이는 네트워크 카드가 만들어질 때부터 맥 주소(MAC address)가 정해져 있다는 뜻
• 주소 체계는 계층이 없는 단일 구조
• 데이터 링크 계층의 가장 잘 알려진 예는 이더넷
• 이 외에도 HDLC나 ADCCP 같은 포인트 투 포인트(point-to-point) 프로토콜이나 패킷 스위칭 네트워크나 LLC, ALOHA 같은 근거리 네트워크용 프로토콜이 있음
• 네트워크 브릿지나 스위치 등이 이 계층에서 동작하며, 직접 이어진 곳에만 연결할 수 있음

⇒ 프레임에 주소부여(MAC - 물리적주소)

⇒ 에러검출/재전송/흐름제어

스위치

 

③ 3계층 - 네트워크 계층(Network Layer)

• 데이터를 목적지까지 가장 안전하고 빠르게 전달하는 기능(라우팅)
• 여기에 사용되는 프로토콜의 종류도 다양하고, 라우팅하는 기술도 다양
• 이 계층은 경로를 선택하고 주소를 정하여 경로에 따라 패킷을 전달
• 대표적인 장비는 라우터, Layer 3 스위치(스위치 장비에 라우팅 기능을 장착)
• IP주소를 사용
• 네트워크 계층(Network layer)은 여러개의 노드를 거칠때마다 경로를 찾아주는 역할
• 다양한 길이의 데이터를 네트워크들을 통해 전달하고, 그 과정에서 전송 계층이 요구하는 서비스 품질(QoS)을 제공하기 위한 기능적, 절차적 수단을 제공
• 네트워크 계층은 라우팅, 흐름 제어, 세그멘테이션(segmentation/desegmentation), 오류 제어, 인터네트워킹Internetworking) 등을 수행
• 데이터를 연결하는 다른 네트워크를 통해 전달함으로써 인터넷이 가능하게 만드는 계층
• 논리적인 주소 구조(IP), 곧 네트워크 관리자가 직접 주소를 할당하는 구조를 가지며, 계층적(hierarchical) 임
• 서브네트의 최상위 계층으로 경로를 설정하고, 청구 정보를 관리
• 개방형 시스템들의 사이에서 네트워크 연결을 설정, 유지, 해제하는 기능을 부여
• 전송 계층 사이에 네트워크 서비스 데이터 유닛(NSDU : Network Service Data Unit)을 교환하는 기능을 제공

⇒주소부여(IP), 경로설정(Route)

 

<IP 계층>

• 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
  • 즉, 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

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

 

④ 4계층 - 전송 계층(Transport Layer)

• 통신을 활성화하기 위한 계층
• 보통 TCP프로토콜을 이용하며, 포트를 열어서 응용프로그램들이 전송을 할 수 있게함
• 만약 데이터가 왔다면 4계층에서 해당 데이터를 하나로 합쳐서 5계층에 던져 줌 
• 단대단 오류제어 및 흐름제어 이 계층 까지는 물리적인 계층에 속함(TCP/UDP프로토콜을 사용)
• 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 함 
• 시퀀스 넘버 기반의 오류 제어 방식을 사용 
• 전송 계층은 특정 연결의 유효성을 제어하고, 일부 프로토콜은 상태 개념이 있고(stateful), 연결 기반(connection oriented)임
• 전송 계층이 패킷들의 전송이 유효한지 확인하고, 전송 실패한 패킷들을 다시 전송한다는 것을 뜻함
• 종단간(end-to-end) 통신을 다루는 최하위 계층으로 종단간 신뢰성 있고 효율적인 데이터를 전송
• 오류검출 및 복구와 흐름제어, 중복검사 등을 수행

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

 

<TCP 프로토콜>

• 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)                                        ☞ TCP 연결

• 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          ☞ TCP 연결설정, TCP 연결종료
• 양단간 어플리케이션/프로세스는 TCP가 제공하는 연결성 회선을 통하여 서로 통신

<UDP 프로토콜>

• 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 사용
• 헤더는 고정크기의 8 바이트(TCP는 20 바이트) 만 사용
• 헤더 처리에 많은 시간과 노력을 요하지 않음

 

⑤ 5계층 - 세션 계층(Session Layer)

• 데이터가 통신하기 위한 논리적인 연결(통신을 하기위한 대문)
• 하지만 4계층에서도 연결을 맺고 종료할 수 있기 때문에 우리가 어느 계층에서 통신이 끊어 졌나 판단하기는 한계가 있음
• 그러므로 세션 계층은 4계층과 무관하게 응용 프로그램 관점에서 봐야함 
• 세션 설정, 유지, 종료, 전송 중단시 복구 등의 기능이 있음
• 세션 계층(Session layer)은 양 끝단의 응용 프로세스가 통신을 관리하기 위한 방법을 제공 
• 동시 송수신 방식(duplex), 반이중 방식(half-duplex), 전이중 방식(Full Duplex)의 통신과 함께, 체크 포인팅과 유휴, 종료, 다시 시작 과정 등을 수행 
• 이 계층은 TCP/IP 세션을 만들고 없애는 책임을 짐

⇒ 통신하는 사용자들을 동기화 하고, 오류복구 명령들을 일괄적으로 다룸

⇒ 통신을 하기 위한 세션을 확립/유지/중단(운영체제가 해줌)

 

⑥ 6계층 - 표현 계층(Presentation Layer)

• 데이터 표현이 상이한 응용 프로세스의 독립성을 제공하고, 암호화
• 표현 계층(Presentation layer)은 코드 간의 번역을 담당하여 사용자 시스템에서 데이터의 형식상 차이를 다루는 부담을 응용 계층으로부터 덜어 줌
• MIME 인코딩이나 암호화 등의 동작이 이 계층에서 이루어짐
  • ex) EBCDIC로 인코딩된 문서 파일을 ASCII로 인코딩된 파일로 바꿔 주는 것,  
  • ex) 해당 데이터가 TEXT인지, 그림인지, GIF인지 JPG인지의 구분

⇒ 사용자의 명령어를 완성및 결과 표현. 포장/압축/암호화

 

 

⑦ 7계층 - 응용 계층(Application Layer)

• 최종 목적지로서 HTTP, FTP, SMTP, POP3, IMAP, Telnet 등과 같은 프로토콜이 있음
• 해당 통신 패킷들은 방금 나열한 프로토콜에 의해 모두 처리되며 우리가 사용하는 브라우저나, 메일 프로그램은 프로토콜을 보다 쉽게 사용하게 해주는 응용프로그램
• 한마디로 모든 통신의 양 끝단은 HTTP와 같은 프로토콜이지 응용프로그램이 아님
• 응용 계층(Application layer)은 응용 프로세스와 직접 관계하여 일반적인 응용 서비스를 수행 
• 일반적인 응용 서비스는 관련된 응용 프로세스들 사이의 전환을 제공 
• ex) 가상 터미널(텔넷), "Job transfer and Manipulation protocol" (JTM, 표준 ISO/IEC 8832) 등이 있음

⇒ 네트워크 소프트웨어 UI 부분, 사용자의 입출력(I/O)부분

 

 

 

<HTTP 프로토콜(HyperText Transfer Protocol)>

• 웹 상에서 웹 서버 및 웹브라우저 상호 간의 데이터 전송을 위한 응용계층 프로토콜
• WWW 상의 하이퍼텍스트 형태의 문서를 전달하는데 주로 이용
• 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

 

(2) 예시로 배우는 OSI 7 계층

택배 전달 과정

 

<너네집까지 택배가 닿는 과정>

야탑동 우리집에서 정자동 너네집으로 회사 업무 관련 문서가 담긴 택배를 보내려고 합니다.

(IP Address는 '야탑동 우리집','정자동 너네집', '택배센터'로, MAC Address는 '번지'로 정합니다.)

 

야탑동 우리집, 100번지에서 회사 공식 업무 문서를 회사 문서 내규에 의거하여 문서 1,2,3,4,5를 작성하였습니다.

그리고 정자동 수신자(정자동 너네집, 400번지)에게 택배를 받게 되면 꼭 연락해서 수신 확인을 받고 연달아 나머지 문서도 받고 수신 확인도 받으라고 '쪽지'도 적어 문서와 함께 택배 상자에 동봉합니다.

 

택배 상자에 담은 뒤 출발지를 '야탑동 우리 집, 야탑동 100번지'로 적고, 목적지를 '정자동 너네 집, 야탑동 200번지'로 설정합니다.(제1택배센터의 주소는 야탑동 200번지) 그리고 두 발로 제1 택배센터까지 걸어가 전달을 요청했습니다. 

 

제1택배센터(야탑동 200번지)는 택배 상자를 받고 주소를 확인합니다. '정자동 너네 집'으로 가기 위해서는 제2택배센터로 가야 함을 알게 됩니다. 그리고 택배 상자에 적힌 출발지, 목적지 중 '야탑동 100번지, 야탑동 200번지'를 지웁니다. 그리고 '서현동 100번지', ' 서현동 200번지'로 변경합니다. 번지만 바꾸는 이유는 실제 목적지는 그대로 남겨두고 그곳으로 향하되, 중간 경로(제2택배센터)로 이동하기 위함입니다. 똑같은 과정을 반복하여 '정자동 너네 집, 정자동 400번지'에 도달합니다.

 

수신자는 '정자동 400번지'를 확인한 후, 목적지 주소인 '정자동 너네집'을 확인하게 되며 택배 상자를 뜯고 '쪽지'를 확인한 후 송신자에게 전화를 걸어 택배를 받았음을 알리고 회사 공식 문서 내용를 확인합니다. 그리고 동일한 방법으로 문서 2,3,4,5도 받고 놓친 문서가 없는지 확인한 후 문서 내용을 확인합니다. 

 

데이터 전달 과정(OSI 7 Layer)

위의 택배 전달 과장을 OSI 7 Layer로 변형하여 설명해보겠습니다.

호칭만 바뀌었지 구조는 완전 동일합니다.

 

<너의 컴퓨터까지 데이터가 닿는 과정>

IP주소가 10.10.1.1/24인 저는 다른 네트워크(10.10.4.2/24)에 있는 제 지인의 컴퓨터에 HTTP로 이루어진 웹페이지를 전달하려고 합니다.

 

HTTP에 의거하여 규칙에 맞게 웹페이지 1,2,3,4,5를 작성하고 관련 정보를 HTTP Header에 담습니다.

(Data + HTTP Header, Application Layer)

 

그리고 Your Computer(10.10.4.2)에게 TCP에 의거하여 '3-Way Handshake'를 통해 신뢰할 수 있는 Session을 생성한 후, 웹페이지 수신마다 확인을 해줄 것을 요청하였습니다. 또한 TCP 관련 정보를 TCP Header에 담습니다.

(Data + HTTP Header + TCP Header, TCP Layer)

 

IP 정보를 담은 IP Header를 추가로 설정한 뒤, Source IP(10.10.1.1)와 Destination IP(10.10.4.2)를 지정합니다. Address Translation이 적용되지 않는 한, 이 정보는 변하지 않습니다. 

(Data + HTTP Header + TCP Header  + IP Header, Network Layer)

 

같은 네트워크 대역에서는 IP Address가 아닌 MAC Address를 이용하여 통신 및 패킷을 이동시킵니다. Ethernet Frame Header를 추가하여 MAC Address, 오류 검출 등의 관련 정보를 담습니다. 또한 MAC Address는 Source, Destination에 따라 수시로 변경됩니다.

(Data + HTTP Header + TCP Header + IP Header + Ethernet Frame Header)

 

데이터가 전기적 신호로 변하여 UTP Cable을 타고 Router 1, Router 2, Router 3 등을 지나갑니다.

 

(데이터가 수신자에게 이동 중....)

 

수신자는 Router 3으로부터 이 데이터를 받은 후 Ethernet Frame Header를 보고 Destination MAC이 자신이 맞는 것을 확인합니다.

그리고 IP Header를 확인하여 Destination IP가 자신이 맞음을 확인합니다.

그리고 TCP Header를 확인하고 신뢰성 있는 연결이 필요하다는 것을 알게되고 '3-way Handshake'를 실시하여 10.10.1.1과 패킷을 주고 받으며 Session을 생성합니다.

마지막으로 HTTP Header를 확인하고 HTTP로 작성되었음을 알고 Data를 확인합니다.

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2. OSI 7 Layer와 TCP/IP 개념 비교

구분	OSI 7 Layer	TCP/IP
개념도
개념	네트워크 통신 시 발생 문제 해결 위한  ISO표준 네트워크 계층 모델	상호연결 기반 정보전송 기능보유 프로토콜 집합 De facto 표준모델

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3. OSI 7 Layer와 TCP/IP 공통점

구분	공통점	설명
계층 역할	캡슐화, 프로토콜 사용	계층 간 역할 정의
	서비스 프리미티브	요구, 지시, 응답, 확인
통신 역할	페이로드 전송기능	APP 간 메시지 교환
	다중화, 역다중화	포트 기반 세그먼트화

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4. OSI 7 Layer와 TCP/IP 차이점

항목	OSI 7 Layer	TCP/IP
계층	7계층 모델	4계층 모델
구성	역할 기반 계층 구성	프로토콜의 집합 기반
기술	통신전반 기술 표준화	데이터 전송기술 특화
활용	통신 모델 표준 제시	실무적 통신기술 구현

• OSI 7 Layer는 ISO 표준(de jure)이고, TCP/IP는 사실상 표준(De facto)이므로, 두 표준 연계 활용 필요

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5. OSI 7 Layer와 TCP/IP를 연계한 활용 기술/특장점

구분	활용 기술	특장점
기반 기술	– Ethernet, HDLC, PPP – OSPF, EIGRP, BGP, PBR	– 프로토콜 개발 불필요 – 기기 개발 집중 가능
리스크 감소	– STP, VRRP, LACP, GLBP – Troubleshooting 활용	– 벤더 간 HA 호환성 – 빠른 장애 처리 가능

• OSI 7 Layer는 교육의 목적과 호환성의 기준이 되며, TCP/IP는 실무적으로 널리 활용

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6. 자료 출처

http://blog.skby.net/osi-7-layer%ec%99%80-tcp-ip-%eb%b9%84%ea%b5%90/#comment-575

OSI 7 Layer와 TCP/IP 비교 > 도리의 디지털라이프

https://aws-hyoh.tistory.com/50

OSI 7 Layer 쉽게 이해하기

https://shlee0882.tistory.com/110

OSI 7 계층이란?, OSI 7 계층을 나눈 이유