컴퓨터 네트워크 - OSI 7 Layer - TCP/IP

출처 : https://dev-jaeho.tistory.com/17

컴퓨터 네트워크란?

네트워크는 '그물(network)'이라는 의미의 영단어에서 유래하며, 이는 서로 연결된 것들 사이의 복잡한 패턴을 묘사합니다. 컴퓨터 네트워크는 이러한 패턴을 디지털 세계로 확장하여, 컴퓨터, 스마트폰, 태블릿, 서버와 같은 다양한 전자 장치들이 서로 정보를 공유하고 통신할 수 있게 연결된 시스템을 지칭합니다.

이 네트워크는 우리가 일상에서 사용하는 인터넷과 같은 글로벌 네트워크는 물론, 기업이나 학교 내의 사설 네트워크, 소규모 오피스나 가정에서의 네트워크까지 다양한 스케일로 존재합니다. 컴퓨터 네트워크를 통해 파일 공유, 데이터 베이스 접근, 이메일 교환, 온라인 게임 플레이, 그리고 인터넷 서핑 등의 활동이 가능해집니다.

 

현대 컴퓨터 네트워크에서 데이터를 어떻게 전달할까?

현대 네트워크는 TCP/IP와 같은 표준화된 통신 규약을 바탕으로 작동하며, 이는 전 세계의 다양한 네트워크와 장치들이 서로 문제없이 '대화'할 수 있게 해줍니다. 예를 들어, 카카오톡은 메시지를 실시간으로 전송하고, 유튜브는 전 세계 어디서나 비디오 스트리밍을 가능하게 하며, 넷플릭스는 사용자가 다양한 디바이스에서 영화나 TV 프로그램을 시청할 수 있게 합니다. 이 모든 서비스는 컴퓨터 네트워크가 없다면 불가능할 것입니다.

물리적인 측면(예: 케이블, 라우터, 스위치)과 비물리적인 측면(예: 프로토콜, 메시지 포맷, 전송 방식)은 네트워크를 형성하는 데 중요한 역할을 합니다. 따라서 네트워크는 단순히 기기들의 연결을 넘어서, 이들 기기가 정보를 효율적으로, 신속하게, 그리고 안전하게 교환할 수 있는 복잡한 시스템의 집합입니다. 네트워크의 설계와 관리는 정보 기술의 한 분야로서, 기술의 발전과 함께 지속적으로 진화하고 있습니다.

 

네트워크의 분류

네트워크는 그 범위, 목적, 그리고 사용되는 기술에 따라 여러 가지로 분류될 수 있습니다. 일반적으로 네트워크는 크게 다음과 같은 분류로 나뉩니다.

 

1. 개인 영역 네트워크(PAN - Personal Area Network):

PAN은 개인 사용자의 소규모 네트워크로서, 개인 장치들을 연결합니다.

ex) 블루투스

2. 근거리 통신망(LAN - Local Area Network):
LAN은 한 건물이나 캠퍼스와 같이 상대적으로 제한된 지역에 분포된 컴퓨터와 장치들을 연결합니다. 이 네트워크는 고속 데이터 전송을 지원하며, 집, 학교, 사무실 빌딩, 혹은 제한된 지역 내의 여러 건물들을 연결하는데 적합합니다.

ex) Wi-Fi

 

3. 도시 근거리 통신망(MAN - Metropolitan Area Network):
MAN은 도시나 대도시 지역에 걸쳐 있는 네트워크로, 여러 LAN과 WAN 사이의 중간규모입니다. 일반적으로 도시나 대규모 기업에 의해 사용되며, 여러 건물이나 캠퍼스를 걸쳐 넓은 범위를 커버합니다.

 

4. 광역 통신망(WAN - Wide Area Network):
WAN은 국가나 대륙처럼 넓은 지역에 걸쳐 있는 네트워크로, 여러 LAN을 연결하여 인터넷의 형태를 이룹니다.

ex) 인터넷

 

5. 캠퍼스 네트워크 또는 기업 네트워크:
이들은 하나의 조직에 의해 사용되고 관리되는 사설 네트워크입니다. 보통 여러 LAN과 MAN이 포함되어 있을 수 있으며, 조직의 요구에 맞게 설계됩니다.

 

6. 가상 사설 네트워크(VPN - Virtual Private Network):
VPN은 인터넷을 통해 안전한 연결을 확립하여 공용 네트워크 위에서 사설 네트워크의 기능을 구현합니다. VPN은 데이터를 암호화하여 전송함으로써 원격 사용자가 기업 네트워크에 안전하게 접근할 수 있도록 합니다.

 

7. 스토리지 에어리어 네트워크(SAN - Storage Area Network):
SAN은 대량의 스토리지 장치들을 서버와 연결하는데 사용되는 전용 네트워크입니다. 이는 고성능 스토리지 시스템과 서버를 연결하여 데이터 센터의 스토리지 관리를 효율화합니다.

8. 콘텐츠 전송 네트워크(CDN - Content Delivery Network):
CDN은 성능을 최적화하고 지연 시간을 줄이기 위해 전 세계에 분산된 서버 네트워크입니다. 이는 웹 콘텐츠와 비디오 스트리밍 서비스를 빠르고 신뢰성 있게 전달하는 데 사용됩니다.

 

OSI 7 Layer

OSI(Open Systems Interconnection) 모델은 국제 표준화 기구(ISO)에 의해 개발된 컴퓨터 네트워크 프로토콜 디자인과 통신을 이해하기 위한 추상적인 모델입니다. 네트워크 기능을 7개의 계층으로 나누어 각 게층이 특정한 역할을 수행함으로써 전체 통신 과정을 이해하기 쉽게 만든 모델입니다. 즉 서로 다른 기기들이 네트워크 상에서 통신을 할 수 있도록 하는 통신 규약의 표준입니다.

 

출처 : https://www.flickr.com

OSI 7 계층을 왜 나눈걸까?

OSI 7계층 모델을 나눈 주요 이유는 복잡한 네트워크 통신 프로세스를 더 작고 관리하기 쉬운 부분으로 분해하여 이해, 개발, 트러블슈팅을 용이하게 하기 위함입니다. 각 계층은 독립되어 있기 때문에 OSI 7계층 중 특정한 곳에 이상이 생기면 다른 계층의 장비 및 소프트웨어를 건들이지 않고도 이상이 생긴 계층만 고칠 수 있습니다. 또한 각 계층은 독립적이고 표준화가 되어 있기 때문에 개발 과정을 단순화하고 여러 제조사의 하드웨어와 소프트웨어가 서로 호환될 수 있도록 합니다.

 

OSI 7 Layer의 각 계층별 특징

출처 : https://shlee0882.tistory.com/110

1. 물리 계층(Physical Layer)

• 7계층 중 최하위 계층으로, 주로 전기적, 기계적 특성을 이용해 데이터를 전송합니다.
• 데이터는 0과 1의 비트열로, On,Off의 전기적 신호 상태로 이루어져 데이터를 전달합니다.
• 이 계층에서는 단지 데이터를 전달만 할 뿐, 전송하거나 수신하는 데이터가 무엇인지, 어떤 에러가 있는지 등에는 전혀 신경쓰지 않습니다.
• ex) 케이블, 광섬유, Wi-Fi 신호, 스위치, 허브 등의 하드웨어 장비

 

2. 데이터링크 계층(DataLink Layer)

• 데이터를 전송하면 수신하는 기기로 안전하게 보내기 위한 규칙을 정하는 계층입니다. 예를 들면, 한 컴퓨터에서 다른 컴퓨터로 이메일을 보낼 때 잘못 전송되지 않도록 확인하는 것과 같습니다.
• 데이터 링크 계층은 물리 계층으로부터 전송된 원시 데이터를 프레임(Frame)으로 구성하고, MAC 주소를 이용한 장치 간의 물리적 주소 지정, 오류 검출 및 재전송을 담당합니다. 이 계층은 신뢰성 있는 데이터 전송을 보장하고 네트워크 내에서 충돌 감지 및 충돌 방지를 책임집니다.
• ex) 이더넷, PPP (Point-to-Point Protocol), MAC 주소

 

3. 네트워크 계층(Network Layer)

• 네트워크 계층은 데이터 패킷을 네트워크를 통해 전송하는 기능을 관리합니다. 이 계층은 다양한 라우팅 알고리즘을 통해 최적의 경로를 결정하고, IP 주소를 기반으로 리소스와 목적지 간의 주소를 설정합니다.
• 네트워크 계층은 데이터를 연결하는 다른 네트워크를 통해 전달함으로써 인터넷이 가능하게 만듭니다. IP주소를 가지고 있기 때문에 컴퓨터에게 데이터를 전송할 수 있게 됩니다.
• 네트워크 계층에서의 데이터 단위는 '패킷(Packet)'입니다.
• ex) IP 주소, 라우터, IP, ICMP, OSPF 프로토콜

 

4. 전송 계층(Transport Layer)

• 전송 계층은 누가 누구에게 보냈는지에 대한 정보를 명시하는 계층입니다.
• 최종 도착지에 위치한 어떤 프로세스에게 데이터를 전달할 것인가, 즉 포트 번호를 명시하는 계층입니다.
• 전송 계층은 통신 세션을 통해 데이터가 신뢰성 있게 전송되도록 관리합니다.
• 전송 계층은 데이터가 정확하게 전달되었는지, 빠진 부분 없이 잘 도착했는지 확인하고, 만약 데이터가 제대로 도착하지 않으면 다시 보내달라고 요청합니다.
• 전송 계층은 데이터의 분할, 조립, 오류 복구, 흐름 제어 및 재전송 과정을 담당합니다.
• 전송 계층은 전송 프로토콜을 통해 서로 다른 시스템 간의 포트(Port)를 연결하여 통신합니다.
• ex) TCP, UDP, 포트 번호

 

5. 세션 계층(Session Layer)

• 세견 계층은 통신하는 두 기기 사이의 연결 상태를 관장하는 계층으로, 어떠한 방식으로 두 기기가 상호작용할 것인지를 결정합니다.
• 세션 계층은 네트워크 상에서의 대화 제어 및 동기화를 담당합니다.
• 세션 계층은 세션의 설정, 유지, 종료 및 데이터 교환 관리를 담당합니다.
• 이 계층은 TCP/IP 세션을 만들고 없애는 책임을 가집니다.
• ex) 세션 초기화와 종료

 

6. 표현 계층(Presentation Layer)

• 표현 계층은 수신자(컴퓨터나 애플리케이션)가 이해할 수 있는 형태로 데이터를 변환하고(인코딩), 더불어 데이터 전송의 효율성과 안전성을 보장하기 위해 데이터를 압축하고 암호화하는 계층입니다. 데이터의 형태를 변환하는 이유는 통신하는 두 기기가 특성이 같다는 보장이 없기 때문입니다.
• 따라서 누구나 이해할 수 있는 공통의 표준 형식으로 데이터를 변환하여 수신자에게 보내고, 이를 받은 수신자는 자신에게 맞는 형태로 해당 데이터를 다시 변환합니다.
• ex) JPEG, GIF 이미지 포맷, SSL/TLS 암호화

 

7. 응용 계층(Application Layer)

• 응용 계층은 이메일 클라이언트나 웹 브라우저 같은 프로그램을 통해 사용자가 실제로 보고, 사용하고, 경험하는 부분입니다.
• 응용 계층은 최종 사용자에 가장 가까운 계층으로, 파일 전송, 이메일, 웹 서비스와 같은 네트워크 서비스를 제공합니다.
• 이 계층은 사용자의 응용 프로그램이 네트워크에 접근할 수 있도록 하며, 사용자 인터페이스 및 프로토콜을 제공합니다.
• 이 계층이 실제로 우리가 사용하는 프로그램(웹 브라우저)과 앱(카카오톡)에 관련된 부분입니다. 
• ex) HTTP, FTP, SMTP, 웹 브라우저, 어플리케이션 등

TCP/IP 모델에 대해서

TCP/IP는 인터넷에서 데이터를 교환하는 데 사용되는 통신 프로토콜의 집합입니다. 이 두 프로토콜은 인터넷에서 데이터를 안전하게, 정확하게, 효율적으로 전송하는 데 핵심적인 역할을 합니다.

 

TCP(Transmission Control Protocol)

• TCP의 역할: TCP는 데이터가 목적지에 도달했을 때, 데이터가 올바르게 전달되었는지를 확인하고, 잘못된 부분이 있으면 그 부분을 다시 보내달라고 요청합니다. 즉, 데이터 전송의 신뢰성을 담당합니다.
• 데이터 재조립: 데이터는 인터넷을 통해 작은 '패킷'으로 나누어져서 전송됩니다. 받는 쪽에서는 TCP가 이 여러 패킷을 올바른 순서대로 다시 조립합니다.
• 흐름 제어 및 혼잡 제어: TCP는 네트워크의 혼잡 상황을 고려하여 데이터 전송 속도를 조절하며, 전송중인 양을 조절해 네트워크 혼잡을 방지합니다.

IP(Internet Protocol)

• IP의 역할: IP는 데이터 패킷을 적절한 목적지까지 배달하는 일을 담당합니다. 우편 시스템에서 우편물에 주소를 적는 것처럼, IP는 각 데이터 패킷에 '주소'를 붙여서 그 패킷이 어디로 가야 할지 알려줍니다.
• 주소 및 라우팅: IP 주소는 인터넷상의 각 장치가 고유하게 가지고 있는 식별번호입니다. 이 주소를 통해 인터넷 전체에서 데이터가 최종 목적지까지 가는 경로인 '라우팅'이 결정됩니다.

TCP/IP 모델은 OSI 7계층 모델보다 더 단순화된 4계층 모델을 사용합니다.

출처 : https://www.whatap.io/ko/blog/160/

링크 계층 (Link Layer): 

물리적인 네트워크 하드웨어를 다루는 계층입니다. OSI 모델의 물리 계층과 데이터 링크 계층에 해당합니다.

 

인터넷 계층 (Internet Layer): 

IP가 주로 작동하는 계층으로, 패킷이 인터넷을 통해 올바른 목적지로 라우팅되는 것을 담당합니다.

 

전송 계층 (Transport Layer): 

주로 TCP와 함께 작동하며, 데이터의 전송을 신뢰할 수 있게 만듭니다.

 

응용 계층 (Application Layer): 

사용자가 직접 접하는 응용 프로그램과 관련된 통신을 담당합니다. 이 계층에는 HTTP, FTP, SMTP 등과 같은 프로토콜이 있습니다.

 

 

라우터와 스위치

라우터와 스위치는 데이터 패킷의 전달과 네트워크 세그먼트 간의 통신을 관리하는 역할을 합니다. 각각의 기기는 다른 방식으로 작동하며, 네트워크의 다른 레이어에서 작동합니다.

출처: https://velog.io/@metamong/%ED%97%88%EB%B8%8C-%EC%8A%A4%EC%9C%84%EC%B9%98-%EB%9D%BC%EC%9A%B0%ED%84%B0%EC%9D%98-%EC%B0%A8%EC%9D%B4

라우터(Router)

라우터는 네트워크의 "우체국"과 같은 역할을 합니다. 여러 네트워크 또는 네트워크 세그먼트를 연결하고, 데이터 패킷이 출발지에서 목적지까지 최적의 경로를 통해 이동할 수 있도록 경로를 결정합니다. 라우터는 일반적으로 OSI 모델의 네트워크 계층(3계층)에서 작동하며, IP 주소를 사용하여 패킷을 전달합니다.

• 경로 결정: 라우터는 내부적으로 경로 테이블을 유지하며, 다양한 라우팅 프로토콜을 사용해 패킷의 최적의 경로를 결정합니다.
• 내부 및 외부 네트워크 간 통신: 라우터는 로컬 네트워크(LAN)와 외부 네트워크(WAN) 사이, 또는 인터넷과의 통신을 가능하게 합니다.
• NAT (Network Address Translation): 많은 라우터는 NAT 기능을 제공하여, 여러 개의 개인 IP 주소가 하나의 공인 IP 주소를 사용해 인터넷에 접속할 수 있도록 합니다.
• 보안 기능: 라우터는 방화벽 기능을 포함하여 네트워크를 보호하는 역할도 수행합니다.

스위치(Switch)

스위치는 네트워크의 "우체통"이라고 할 수 있습니다. 이 기기는 특정 네트워크 내에서 컴퓨터, 프린터, 서버 등의 장치들이 서로 통신할 수 있게 만듭니다. 스위치는 데이터 링크 계층(2계층)에서 작동하며, MAC (Media Access Control) 주소를 사용하여 네트워크 내의 장치들 간에 패킷을 전달합니다.

• 프레임 전달: 스위치는 네트워크 장비의 MAC 주소를 참조하여 프레임을 해당 장치에게 직접 전달합니다.
• 네트워크 세분화: 스위치를 사용하면 충돌 도메인을 분리하여 네트워크의 효율성을 높일 수 있습니다.
• 자가 학습 기능: 스위치는 네트워크 상의 장치들의 MAC 주소를 학습하여 효율적으로 패킷을 전달합니다.
• 프레임 스위칭: 스위치는 내부적으로 충돌이 없는 환경을 제공하여 네트워크 대역폭을 높이고, 전체적인 네트워크 성능을 개선합니다.

 

스위치와 라우터의 주된 차이는 라우터가 더 높은 계층에서 더 복잡한 네트워크 기능을 수행한다는 점입니다. 라우터는 네트워크 간의 통신을 관리하는 반면, 스위치는 단일 네트워크 내의 통신을 효율적으로 만듭니다. 현대 네트워크에서 이 두 장치는 서로 보완적으로 작용하여 데이터를 원활하게 전달하고 네트워크의 성능을 최적화하는 데 중요한 역할을 합니다.

 

 

 

 

참고 자료

네트워크(Network)와 인터넷(Internet)

네트워크 개념 잡기

[네트워크] OSI 7 계층 참조 모델 (OSI 7 Layer Reference Model)

OSI 7 계층이란?, OSI 7 계층을 나눈 이유

[네트워크] OSI 7 계층 (OSI 7 LAYER) 기본 개념, 각 계층 설명

네트워크 통신에 필수적인 프로토콜 이해하기

허브, 스위치, 라우터의 차이