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[네트워크] 프로토콜, OSI 7계층

JooRi 2025. 3. 18. 15:27
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* 프로토콜

1. 3계층 프로토콜

 

3계층

복잡한 통신일수록 계층을 나누어 기능을 분담한다. 3계층 구조는 아래와 같다.

  • Layer 3: 사용자 인터페이스 (말하기/읽기)
  • Layer 2: 암호화/복호화 계층
  • Layer 1: 실제 물리적 전달 (우편)

 

2. 계층화

1) 계층화 장단점

  • 장점
    • 모듈화: 각 계층이 독립적으로 설계 가능
    • Blackbox화: 내부를 몰라도 입력→출력 구조만 맞으면 됨
    • 호환성 제공
  • 단점
    • 단순한 작업도 오히려 계층 나누면서 복잡해질 수 있음

 

2) 프로토콜 계층화의 원칙과 논리적 연결

프로토콜 계층화의 원칙

  • 원칙 1: 양방향 통신이라면, 각 계층이 각 방향으로 상반되는 두 가지 기능을 수행해야 함
  • 원칙 2: 양쪽의 같은 계층은 같은 종류의 데이터 처리 (ex. 암호문은 암호문끼리)
  • 논리적 연결: 실제로는 물리적으로 이어지지 않아도, 각 계층 간에 논리적으로 연결된 것처럼 작동

 

3. LAN에서의 계층 흐름

LAN

브릿지, 스위치, 라우터 등을 거쳐 데이터가 전송된다.

 

 

LAN

  • End-to-End: Application, Transport, Network 계층 간의 논리적 연결
  • Hop-to-Hop: Data link, Physical 계층은 물리적 연결

 

* OSI 7계층

1. Layer 1 - Physical

장치 간의 물리적인 접속을 제어하기 위한 기능을 제공하는 최하위 계층이다.

  • 데이터 부호화 방식, 신호형식, 데이터 충돌 감지 등을 정의
  • 기계적, 전기적, 기능적 및 절차적 특성을 고려
  • 전송매체를 통한 실제의 비트(bit) 전송
  • 대표적인 프로토콜: RS-232C, RS-449, CDMA PHY, Coax, Fiber, Microwave, Satellite

 

modem을 통한 데이터 전송

  1. 데이터 링크 계층에서 온 이진 데이터가 물리 계층으로 전달됨.
  2. 물리 계층에서 데이터를 모뎀을 사용하여 변조(Modulation)하여 전송 매체(Transmission Medium)를 통해 보냄.
  3. 수신 측의 물리 계층에서 모뎀을 통해 데이터를 복조(Demodulation)하여 다시 이진 데이터로 변환.
  4. 데이터 링크 계층으로 전달됨.

 

2. Layer 2 - Data Link

물리계층에서 사용되는 통신 매체를 통해 데이터 frame의 전송 에러 검출 및 에러 제어를 관리하고 규정하는 계층이다.

  • Media Access Control(MAC)과 Logical Link Control(LLC)의 2개 부계층으로 구분
  • Link-by-link control 또는 Node-to-node control
  • 대표 프로토콜: HDLC, SDLC, LAPB, ATM, PPP, 802.2
  • 기능
    • Framing and frame synchronization
    • Physical addressing
    • Flow Control
    • Error Control
    • Access Control
    • Link Management

 

프레임의 캡슐화 및 역캡슐화

데이터가 네트워크 계층에서 내려와 데이터 링크 계층에서 프레임(Frame)으로 변환되는 과정과, 수신 측에서 다시 데이터 링크 계층에서 네트워크 계층으로 전달되는 과정은 아래와 같다.

  1. 네트워크 계층에서 받은 데이터를 프레임으로 만들기 위해 앞에 헤더(H2)와 뒤에 트레일러(T2)를 붙임.
  2. 프레임이 물리 계층을 통해 전송됨.
  3. 수신 측은 물리 계층에서 다시 데이터를 받은 후, 데이터 링크 계층에서 헤더(H2)와 트레일러(T2)를 제거하고 네트워크 계층으로 전달.

 

데이터 링크 계층에서의 Hop-to-Hop 전달

  1. A에서 데이터를 보내면, 물리 계층과 데이터 링크 계층을 통해 B로 이동.
  2. B에서 다시 데이터 링크 계층과 물리 계층을 거쳐 E로 이동.
  3. E에서 마지막 목적지 F까지 전달.

 

3. Layer 3 - Network Link

통신망을 사용하여 이동하는 사용자 데이터에 대한 경로 선택, 데이터 교환 및 중계 기능을 한다.

  • 기능
    • Internetworking
    • Fragmentation
    • Multicasting
    • 대표 프로토콜: IPv4, IPv6

 

패킷 캡슐화/역캡슐화

  • 왼쪽 그림: 패킷 캡슐화(Encapsulation) 과정
    1. 상위 계층인 전송 계층(Transport Layer)에서 받은 데이터를 네트워크 계층에서 처리함.
    2. 네트워크 계층은 데이터 앞에 H3(Header 3, 네트워크 계층 헤더)를 추가하여 패킷(Packet)을 생성.
    3. 생성된 패킷은 데이터 링크 계층(Data Link Layer)으로 전달됨.
  • 오른쪽 그림: 패킷 역캡슐화(Decapsulation) 과정
    1. 네트워크 계층이 데이터 링크 계층으로부터 받은 패킷을 처리함.
    2. 패킷에서 H3(Header 3, 네트워크 계층 헤더)를 제거하여 원래의 데이터만 전송 계층으로 전달.
    3. 전송 계층은 받은 데이터를 상위 계층(예: 애플리케이션 계층)으로 넘김.

 

네트워크 계층을 포함한 Source-to-Destination 전달

  1. A에서 데이터를 네트워크 계층이 처리한 후, 데이터 링크 계층과 물리 계층을 거쳐 B로 전달.
  2. B에서 다시 네트워크 계층이 동작하면서 E로 전달.
  3. 최종적으로 목적지 F에 도착하여 네트워크 계층이 데이터를 처리.

 

4. Layer 4 - Transport

링크 종단 간에 정확한 데이터 전송을 제공하는 계층이다.

  • 하위 계층과 상위계층의 인터페이스 역할
  • 데이터 전송에 대한 오류검출, 오류복구, 흐름제어를 수행
  • 대표 프로토콜: TCP, UDP, SCTP

 

데이터 분할 및 재조합

  1. 애플리케이션 계층에서 보낸 데이터를 전송 계층에서 여러 개의 세그먼트로 나누고, 각 세그먼트에 헤더(H4)를 추가.
  2. 세그먼트들이 네트워크 계층으로 전달됨.
  3. 수신 측에서는 네트워크 계층에서 전달받은 세그먼트들을 전송 계층이 조립하여 원래의 데이터로 복원.

 

5. Layer 5 - Session

  • 네트워크 대화 조정자
  • 통신 시스템의 2개의 프로세스 간에 세션 접속 설정, 데이터 전송, 세션 접속 해제, 동기화, 대화관리 등의 기능
    • 데이터 전송 중 에러가 발생하면 통신을 중단하고 재전송 기능을 수행
    • 이상 상태의 복구 및 복구 후 재전송

 

클라이언트-서버 모델

  • 설명
    • 클라이언트-서버 모델에서 네트워크 통신 과정.
    • 클라이언트가 허브(Hub)를 통해 서버로 요청을 보내고 응답을 받음.
    • 세션 계층(Session Layer)이 데이터 흐름을 관리하며, H5(Header 5)를 사용해 동기화(SYN) 패킷을 처리.
  • 세션 계층(Session Layer)의 역할
    • 통신 세션 설정, 유지, 종료.
    • 동기화(Synchronization) 및 체크포인트 제공.

 

6. Layer 6 - presentation 

응용 프로그램 사이에 서로 다른 정보의 형식과 설정과 암호화 등을 해독하여 서로 연결이 가능하도록 하는 계층이다.

 

표현(Presentation) 계층에서의 캡슐화/역캡슐화

 

1) 캡슐화 과정

  1. 응용 계층(Application Layer)에서 생성된 데이터를 표현 계층으로 전달.
  2. 표현 계층(Presentation Layer)에서 데이터 변환을 수행한 후, H6 (헤더)를 추가.
  3. 변환된 데이터는 세션 계층(Session Layer)으로 전달됨.
  • 핵심 개념
    • 데이터 변환(Data Translation): 텍스트, 이미지, 비디오 등의 데이터를 공통 형식으로 변환.
    • 압축(Compression): 전송 효율성을 높이기 위해 데이터 크기를 줄임.
    • 암호화(Encryption): 보안을 위해 데이터를 암호화.

2) 역캡슐화 과정

  1. 세션 계층(Session Layer)에서 전달된 데이터를 표현 계층이 수신.
  2. 표현 계층(Presentation Layer) 이 H6 헤더를 제거하고 데이터 변환 수행.
  3. 변환된 데이터가 응용 계층(Application Layer)으로 전달됨.
  • 핵심 개념
    • 데이터 변환 복원(Data Translation Reversal): 데이터를 원래의 형식으로 변환.
    • 압축 해제(Decompression): 압축된 데이터를 원래 크기로 복원.
    • 복호화(Decryption): 암호화된 데이터를 해독하여 원본 데이터로 변환.

 

7. Layer 7 - Application

최상위 계층으로 통신망으로 연결된 응용 프로세스들의 정보교환이 되는 계층이다.

  • 대표 프로토콜: SMTP, FTP, Telnet, HTTP

 

Application Layer

  • 사용자가 직접 접근하는 계층이며, 이메일(X.400), 파일 전송(X.500, FTAM) 등을 다룸.
  • 응용 계층에서 메시지를 생성한 후 헤더(H7)를 추가하여 전송.
  • 메시지는 프레젠테이션 계층(Presentation Layer)으로 전달됨.
  • 수신 측에서는 프레젠테이션 계층에서 응용 계층으로 데이터를 올려 보내면서 H7 헤더를 제거.
  • 핵심 개념
    • 응용 계층의 역할: 사용자와 네트워크 간 인터페이스 제공.
    • H7 헤더 추가 및 제거: 데이터의 출처 및 목적지와 관련된 정보 포함.

 

* 주소 체계

 

주소 체계

  • Physical Address (물리 주소): 네트워크 인터페이스 식별 (예: MAC 주소).
  • Logical Address (논리 주소): 네트워크에서 특정 장치를 식별하는 주소 (예: IP 주소).
  • Port Address (포트 주소): 프로세스 간 통신을 위한 주소 (예: TCP/UDP 포트).
  • Specific Address (특정 주소): 애플리케이션 계층에서 사용되는 DNS 등.

물리 주소 (MAC) → 네트워크 주소 (IP) → 포트 주소 (TCP/UDP) → 특정 주소 (DNS) 순으로 데이터가 전달됨.

 

* OSI vs TCP/IP

OSI 모델 vs TCP/IP 모델 비교

  • OSI 7계층 모델
    • 응용 (Application)
    • 표현 (Presentation)
    • 세션 (Session)
    • 전송 (Transport)
    • 네트워크 (Network)
    • 데이터 링크 (Data Link)
    • 물리 (Physical)
  • TCP/IP 프로토콜 스택
    • 응용 계층 (Application Layer) → OSI의 응용, 표현, 세션 계층을 포함.
    • 전송 계층 (Transport Layer) → OSI의 전송 계층과 동일.
    • 네트워크 계층 (Network Layer) → OSI의 네트워크 계층과 동일.
    • 데이터 링크 및 물리 계층 (Data Link & Physical Layer) → OSI의 데이터 링크 계층과 물리 계층을 포함.
  • 핵심 개념
    • OSI 모델은 이론적인 개념으로 자세한 계층 구조 제공.
    • TCP/IP 모델은 실제 구현에 더 적합한 모델이며, 일부 계층이 통합됨.
    • TCP/IP에서는 응용 계층이 OSI 모델의 세 가지 계층(응용, 표현, 세션 계층)을 포함.

 

 

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