OSI 7 계층

디지털 시대에 접어들면서, 우리는 다양한 디지털 기기를 통해 끊임없이 정보를 주고받습니다. 이러한 정보의 교환은 복잡한 데이터 통신 과정을 거치게 되는데, 이 과정을 이해하는 것은 그 자체로 쉽지 않은 일입니다. 그럼에도 불구하고, 이 과정을 이해하는 것은 우리가 디지털 기기를 사용하고, 인터넷을 통해 정보를 주고받는 데 있어서 중요한 역할을 합니다.

이러한 복잡한 데이터 통신 과정을 이해하기 위해, 국제 표준화 기구(International Organization for Standardization, ISO)는 OSI 7 계층 모델이라는 체계적인 접근법을 제안하였습니다. 이 모델은 데이터 통신 과정을 7개의 계층으로 나누어, 각 계층에서 수행되는 작업을 명확하게 정의함으로써 데이터 통신의 전체적인 흐름을 이해할 수 있게 돕습니다.

OSI 7계층을 이해하면 네트워크 통신을 단계별로 이해할 수 있어서, 네트워크가 어떻게 동작하는지를 더 쉽게 파악할 수 있으며 이를 통해 네트워크 설계와 문제 해결이 더 효과적으로 이루어지며, 다양한 기기와 소프트웨어 간에 원활한 소통이 가능해집니다.

OSI 7 계층이란

OSI 7계층(Open Systems Interconnection Reference Model)은 국제 표준화 기구(ISO)에서 개발한 모델로, 네트워크에서 통신이 이루어지는 과정을 다음의 표와 같이 7개의 계층으로 구분합니다.

계층	이름	기능
1	물리 계층	전기적, 기계적, 절차적 특성을 정의하여 컴퓨터와 네트워크 장비 간의 물리적 연결을 제공한다.
2	데이터 링크 계층	프레임을 구성하여 물리 계층의 오류를 수정하고, 전송 경로를 설정한다.
3	네트워크 계층	목적지 호스트의 주소를 사용하여 데이터를 전송 경로에 따라 전달한다.
4	전송 계층	데이터를 전송할 때 신뢰성을 보장하고, 데이터의 순서를 유지한다.
5	세션 계층	통신 세션을 설정, 관리, 종료하여 통신을 유지한다.
6	표현 계층	데이터 형식의 변환을 제공하여 서로 다른 시스템 간의 데이터 호환성을 지원한다.
7	응용 계층	사용자의 요구 사항을 충족하기 위해 데이터를 처리하고, 응용 프로그램 간의 통신을 제공한다.

OSI 7계층 모델은 네트워크 통신의 복잡한 과정을 체계적으로 이해하고 분석하는 데 중요한 도구입니다. 이를 통해 네트워크 통신의 각 단계에서 어떤 일이 일어나는지, 각 계층이 어떤 역할을 하는지 이해할 수 있습니다. 이는 네트워크 문제를 해결하거나, 효율적인 네트워크 시스템을 설계하고 구현하는 데 큰 도움이 됩니다.

각 계층의 기능

OSI 7계층의 각 계층별 기능에 대해 좀 더 자세하게 알아보도록 하겠습니다.

물리 계층(Physical Layer)

물리 계층(Physical Layer)은 OSI 7 계층 중 첫 번째로, 데이터를 전기적인 신호로 변환하고 물리적인 매체를 통해 전송하는 역할을 수행합니다. 이 계층은 네트워크에서의 물리적인 연결과 전송 매체에 관련된 기능을 담당합니다.

데이터 전송과 신호 변환

신호 변환: 물리 계층은 디지털 데이터를 전송에 필요한 전기적인 신호로 변환합니다. 이 신호는 케이블이나 무선 매체를 통해 전송됩니다. 디지털 신호를 안정적이고 신뢰성 있는 아날로그 또는 디지털 신호로 변환하여 전송 매체에 적합한 형태로 만듭니다.
비트 전송: 비트는 물리 계층에서 전송되기 위해 신호로 변환됩니다. 비트를 신호로 변환하고, 이를 전송 매체를 통해 전송합니다. 전송률과 전송 방식은 물리 계층에서 정의되며, 주로 초당 비트 전송률로 표현됩니다. 전송 속도의 측면에서 데이터의 이동을 관리합니다.

물리적인 매체 관리

케이블 및 커넥터: 물리 계층은 케이블의 종류와 연결 방식, 커넥터의 특성을 정의하고 관리합니다. 케이블과 커넥터는 데이터의 안정적인 전송에 필수적인 물리적 요소를 제공합니다. 적절한 케이블과 커넥터를 선택하여 데이터의 안정성과 신호 품질을 유지합니다.
허브와 리피터: 허브는 데이터를 받아들이고 다시 전체 네트워크에 전파하는 역할을 합니다. 리피터는 신호를 증폭하여 전송 범위를 확장합니다. 네트워크의 확장과 신호의 강화를 통해 데이터의 효율적인 전송을 지원합니다.

비트의 전송률과 전기적 특성 정의

전송률: 물리 계층에서는 데이터의 전송 속도, 즉 초당 비트 전송률을 정의합니다. 이는 네트워크의 성능과 대역폭을 결정하는 중요한 요소 중 하나입니다.
고속 네트워크에서는 높은 전송률이 필요하며, 이는 적절한 전송 매체와 기술 선택을 통해 달성됩니다.
전기적 특성: 물리 계층은 전기적인 신호의 특성을 정의하고 관리합니다. 이는 전압, 신호 강도, 주파수 등을 포함합니다.
데이터의 안정적인 전송을 위해 전기적 특성을 유지하고 관리하여 노이즈나 간섭으로부터 보호합니다.

데이터 링크 계층(Data Link Layer)

물리 계층을 통해 전송된 데이터의 에러를 검출하고 수정합니다. 또한, 프레임 단위로 데이터를 관리하고, 노드 간의 신뢰성 있는 통신을 제공합니다. 스위치, 브리지 등이 이 계층에서 동작합니다.에러 검출과 수정

에러 검출: 물리 계층을 통과한 데이터에서 발생한 에러를 검출합니다. 주로 CRC(Cyclic Redundancy Check)와 같은 기술을 사용하여 에러를 식별합니다.
에러 수정: 일부 에러에 대해 수정을 시도하고, 심각한 에러는 상위 계층으로 전파하지 않고 해당 프레임을 재전송하도록 요청합니다.

프레임 단위로 데이터 관리

프레임 구분: 수신된 비트들을 프레임 단위로 구분하여 관리합니다. 프레임은 시작과 끝을 특정 비트로 표시하여 식별됩니다.
프레임 조립과 분해: 프레임이 전송되고 수신될 때, 이를 조립하거나 분해하여 상위 계층으로 전달합니다. 프레임은 헤더와 트레일러로 구성되어 있습니다.

신뢰성 있는 통신 제공

흐름 제어: 송신 측과 수신 측 간의 데이터 흐름을 조절하여 오버플로우나 손실을 방지합니다.
오류 제어: 에러 발생 시 해당 프레임을 재전송하도록 요청하여 신뢰성 있는 통신을 제공합니다.
프레임 순서 제어: 프레임의 전송 순서를 유지하여 상위 계층에 정확한 데이터를 전달합니다.

장치 및 주소 관리

MAC 주소 할당: 물리적인 장치에 할당된 고유한 MAC(Media Access Control) 주소를 관리하고 사용합니다.
스위칭: 스위치와 같은 장치가 데이터 링크 계층에서 동작하여 프레임을 전달하고 필요한 경우 프레임을 필터링합니다.
브리징: 브리지는 여러 네트워크 세그먼트를 연결하여 통신을 중계하고 관리합니다.

네트워크 계층(Network Layer)

데이터를 목적지까지 가장 효과적인 경로로 전송합니다. 라우팅, 패킷 분할 및 조립, 트래픽 제어 등의 기능을 담당하여 네트워크 간의 통신을 관리합니다. 라우터가 이 계층에서 동작합니다.

효과적인 전송 경로 제공

라우팅: 목적지까지 가장 효과적인 경로를 선택하여 데이터를 전송합니다. 라우터는 이 경로를 결정하고 관리합니다.
라우팅 프로토콜: RIP, OSPF, BGP 등의 라우팅 프로토콜을 사용하여 네트워크 상의 최적 경로를 동적으로 조정합니다.

패킷 분할 및 조립

패킷 분할: 큰 데이터를 작은 패킷으로 나누어 전송 가능한 크기로 만듭니다.
패킷 조립: 수신 측에서는 전송된 패킷을 받아 이를 원래의 큰 데이터로 조립하여 상위 계층으로 전달합니다.

트래픽 제어

혼잡 제어: 네트워크의 혼잡을 방지하고 효율적인 트래픽 흐름을 유지하기 위한 메커니즘을 구현합니다.
흐름 제어: 송신 측과 수신 측 간의 통신 속도를 조절하여 과도한 트래픽 발생을 방지합니다.

IP 주소 관리

IP 주소 할당: 각 장치에 고유한 IP 주소를 할당하고 관리합니다.
서브넷팅: IP 주소를 더 작은 서브넷으로 나누어 네트워크 관리의 유연성을 확보합니다.

라우터의 역할

패킷 전달: 라우터는 목적지까지 패킷을 전달하는 역할을 합니다.
라우팅 테이블 관리: 라우터는 라우팅 테이블을 유지하고 업데이트하여 최적의 경로를 선택합니다.

전송 계층(Transport Layer)

데이터의 전송을 관리하며, 신뢰성 있는 엔드 투 엔드 통신을 제공합니다. 데이터의 전송 순서, 전송 속도, 오류 복구 등을 담당합니다. TCP(Transmission Control Protocol)와 UDP(User Datagram Protocol)가 이 계층에서 동작합니다.

신뢰성 있는 엔드 투 엔드 통신 제공

연결 지향적 프로토콜(TCP): 데이터 전송에 있어서 신뢰성 있는 연결을 제공합니다. 데이터의 손실, 중복, 순서 오류를 방지하고 복구합니다.
비연결 지향적 프로토콜(UDP): 경량 프로토콜로, 연결 설정 없이 데이터를 전송합니다. 신속한 전송이 중요한 응용에서 사용됩니다.

데이터의 전송 관리

흐름 제어: 송신 측과 수신 측 간의 데이터 흐름을 조절하여 과도한 트래픽을 방지합니다.
오류 제어: TCP는 데이터의 정확성을 위해 오류 검출 및 복구 기능을 제공합니다.

연결 설정 및 해제

TCP 연결 설정 및 해제: 연결 기반 프로토콜인 TCP는 세션을 설정하고 종료하는 과정을 통해 안전한 데이터 전송을 보장합니다.

멀티플렉싱 및 디멀티플렉싱

포트 번호를 이용한 멀티플렉싱: 여러 응용 프로그램이 동시에 호스트에 접속할 수 있도록 포트 번호를 할당하고 관리합니다.
세그먼트의 포트 번호를 통한 디멀티플렉싱: 동일한 호스트 내에서 여러 응용 프로그램이 동시에 통신할 수 있도록 세그먼트 내의 포트 번호를 사용하여 구분합니다.

전송 순서와 속도 조절

TCP의 순서 제어: 전송된 데이터의 순서를 유지하여 상위 계층으로 정확한 데이터 전달을 보장합니다.
TCP의 속도 조절: 흐름 제어를 통해 수신자의 처리 속도에 맞춰 데이터를 전송하여 혼잡을 방지합니다.

세션 관리

TCP의 연결 유지: TCP는 연결을 유지하고 중단함으로써 신뢰성 있는 통신을 지원합니다.
UDP의 연결 없는 통신: UDP는 연결 설정 없이 데이터를 전송하며, 상태를 유지하지 않습니다.

세션 계층(Session Layer)

통신 세션을 설정, 관리, 종료합니다. 데이터의 동기화, 토큰 관리, 다중 대화 등의 기능을 제공하여 세션 간의 효율적인 통신을 지원합니다.

통신 세션의 설정, 관리, 종료

세션 설정: 두 장치 간의 통신 세션을 설정하고, 필요한 매개변수 및 조건을 협상합니다.
세션 관리: 데이터의 안정적인 전송을 위해 세션을 관리하고 오류 복구 및 세션의 유지를 담당합니다.
세션 종료: 통신이 완료되면 세션을 종료하고, 사용된 자원을 해제합니다.

데이터의 동기화

동기화 지점 설정: 데이터 전송 중에 동기화 지점을 설정하여 통신 상태를 일관되게 유지합니다.
복구 지점 설정: 오류 발생 시 복구 지점을 설정하여 이후의 데이터 전송을 정확하게 수행합니다.

토큰 관리

토큰 할당 및 해제: 세션 간의 효율적인 통신을 위해 토큰을 할당하고 사용이 끝나면 해제합니다.
토큰 순서 관리: 토큰의 순서를 관리하여 정확한 통신을 유지하고 충돌을 방지합니다.

다중 대화 지원

다중 대화 설정: 여러 개의 세션을 병렬로 처리하고, 각 세션 간에 충돌이나 혼동 없이 효율적으로 데이터를 교환합니다.
다중 대화 종료: 각각의 세션이 독립적으로 종료되어도 다른 세션에 영향을 미치지 않도록 관리합니다.

세션 간의 효율적인 통신

데이터의 흐름 제어: 세션 간의 데이터 흐름을 조절하여 혼잡을 방지하고 안정적인 통신을 지원합니다.
오류 복구: 데이터 전송 중 발생한 오류를 감지하고 복구하여 신뢰성 있는 세션을 유지합니다.

표현 계층(Presentation Layer)

데이터의 표현 방식을 관리하며, 서로 다른 데이터 형식 간의 변환, 데이터의 암호화 및 복호화, 문자 코드 변환 등의 기능을 수행합니다.

데이터의 표현 방식 관리

데이터 형식 변환: 서로 다른 시스템 간에 데이터를 주고받을 때, 각 시스템이 이해할 수 있는 형식으로 데이터를 변환합니다.
데이터 구조 표현: 데이터의 구조를 정의하고 표현하여 응용 프로그램 간에 데이터를 일관되게 이해하고 처리할 수 있도록 지원합니다.

데이터의 변환 및 암호화

데이터 압축: 데이터를 효율적으로 저장하고 전송하기 위해 데이터를 압축합니다.
데이터 암호화: 보안이 필요한 통신에서 데이터를 암호화하여 외부의 불법적인 엑세스를 방지합니다.
데이터 복호화: 수신된 데이터를 원래의 형태로 되돌리기 위해 암호화된 데이터를 복호화합니다.

문자 코드 변환

문자 집합 변환: 서로 다른 문자 코드를 사용하는 시스템 간에 문자를 상호 변환하여 올바른 표현을 유지합니다.
인코딩 및 디코딩: 문자와 기호를 컴퓨터에서 사용 가능한 형태로 인코딩하고, 그 반대인 디코딩을 수행합니다.

응용 계층으로부터의 독립성 제공

상위 계층과의 독립성: 응용 계층에서 데이터를 주고받을 때, 표현 계층은 상위 계층의 변화에 독립적으로 동작하여 호환성을 유지합니다.

그림 및 멀티미디어 처리

이미지 및 오디오 변환: 이미지나 오디오 데이터를 적절한 형식으로 변환하여 효율적으로 처리합니다.
멀티미디어 데이터 관리: 다양한 형식의 멀티미디어 데이터를 표현하고 관리합니다.

문서 구조 표현

문서 형식 지원: 다양한 문서 형식을 지원하고 해당 형식에 맞춰 데이터를 표현합니다.
문서 구조 표현: 문서의 구조를 정의하고 표현하여 응용 프로그램이 문서를 올바르게 해석하고 표시할 수 있도록 합니다.

응용 계층(Application Layer)

용자와 가장 가까운 계층으로, 사용자가 네트워크에 접근할 수 있게 해주며, 응용 프로그램 간의 통신을 지원합니다. 이메일 전송, 파일 전송, 웹 브라우징 등의 서비스를 제공합니다.

사용자와의 인터페이스 제공

사용자 접근 제어: 사용자가 네트워크에 접근하고 서비스를 이용할 수 있도록 인터페이스를 제공합니다.
인증 및 권한 부여: 사용자를 인증하고 적절한 권한을 부여하여 안전하게 서비스를 이용할 수 있도록 합니다.

응용 프로그램 간의 통신 지원

프로토콜 제공: 응용 프로그램 간의 표준화된 통신 프로토콜을 제공하여 서로 다른 응용 프로그램이 통신할 수 있도록 합니다.
데이터 교환: 다양한 응용 프로그램 간에 데이터를 교환하고 이를 지원합니다.

서비스 제공

이메일 전송: 이메일 서비스를 통해 사용자 간에 메시지를 교환할 수 있습니다.
파일 전송: 파일을 다른 사용자에게 전송하거나 받을 수 있는 파일 전송 서비스를 제공합니다.
웹 브라우징: 웹 페이지에 접속하고 정보를 검색하며, 웹 브라우징을 통해 다양한 서비스를 이용할 수 있습니다.

네트워크 자원 활용

자원 공유: 네트워크 상의 다른 사용자와 자원을 공유하고 이용할 수 있도록 합니다.
온라인 게임: 사용자 간에 온라인 게임을 통해 상호 작용할 수 있는 서비스를 제공합니다.
스트리밍 서비스: 오디오, 비디오 등의 미디어를 스트리밍하여 사용자에게 제공하는 서비스를 지원합니다.

네트워크 관리 및 진단

로그인 서비스: 사용자의 로그인 정보를 관리하고, 안전하게 사용자를 식별합니다.
네트워크 진단: 네트워크 상태를 모니터링하고 문제를 식별하여 해결할 수 있는 서비스를 제공합니다.

OSI 7계층의 실제 응용 사례: 웹 브라우징

OSI 7계층 모델은 네트워크 통신의 복잡한 과정을 이해하고 분석하는 데 중요한 도구입니다. 예를 들어, 웹 브라우징이라는 일상적인 행위도 OSI 7계층 모델에 따라 여러 단계를 거치게 됩니다.

응용 계층(Application Layer): 사용자가 웹 브라우저를 열어 웹페이지에 접속하려는 행위로 사용자의 요청은 응용 계층에서 시작됩니다. 웹 브라우저는 HTTP 요청을 생성하여 사용자가 입력한 URL에 연결하고 해당 웹페이지를 요청합니다.
표현 계층(Presentation Layer): 웹 브라우징의 경우, 웹 브라우저가 데이터를 해석하고 표현하는 역할을 합니다. 예를 들어, 웹 서버로부터 받아온 HTML, CSS, JavaScript 등의 데이터를 웹 브라우저가 이해할 수 있는 형태로 변환하고, 이를 사용자에게 보여줍니다. 실제로 이러한 작업은 HTTP 프로토콜이 응용 계층에서 직접 처리합니다.
세션 계층(Session Layer): 웹 브라우징에서 세션 계층은 응용 계층이 처리하는 쿠키나 세션 스토리지 등의 기술을 활용하여 상태 정보를 유지하는 역할을 합니다. HTTP 프로토콜은 상태를 유지하지 않는(stateless) 특성을 가지기 때문에, 세션 계층에서 직접적으로 세션 관리를 수행하지는 않습니다. 그러나 응용 계층에서 처리하는 이러한 기술들을 활용하여 사용자 인증, 쇼핑 카트 아이템 추적 등의 기능을 수행하게 됩니다.
전송 계층(Transport Layer): 데이터의 전송을 관리합니다. 전송 계층에서는 HTTP 데이터를 패킷으로 분할하고, 신뢰성 있는 전송을 제공하는 프로토콜(TCP 등)을 사용하여 데이터를 전송합니다.
네트워크 계층(Network Layer): 활용 사례: 데이터의 목적지까지 가장 효과적인 경로로를 전송합니다. 네트워크 계층에서는 클라이언트의 요청이 가장 효과적인 경로를 통해 서버에 도달하도록 라우팅과 패킷 분할 등을 수행합니다.
데이터 링크 계층(Data Link Layer): 데이터의 에러를 검출하고 수정, 노드 간의 신뢰성 있는 통신 제공시 사용됩니다. 데이터 링크 계층에서는 물리적인 매체를 통해 데이터를 안정적으로 전송하고, 에러 검출 및 수정을 수행합니다.
물리 계층(Physical Layer): 데이터를 전기적인 신호로 변환하여 물리적인 매체를 통해 전송합니다. 물리 계층에서는 전기 신호로 데이터를 변환하고, 케이블, 무선 등의 물리적인 매체를 통해 데이터를 전송합니다.

OSI 7계층의 중요성

OSI 7계층은 네트워크 프로토콜을 효율적으로 설계하고 구현하기 위한 표준 모델로, 각 계층은 특정한 기능을 수행합니다. 이러한 계층화된 구조는 네트워크 기술 및 서비스의 효율성, 확장성, 유지보수성을 증진시킵니다.

모듈화 및 계층 간 독립성: 각 계층은 특정 기능을 담당하며, 계층 간의 인터페이스를 통해 독립적으로 작동할 수 있습니다. 이는 모듈화를 촉진하며 시스템의 확장성을 향상시킵니다.
표준화와 상호 운용성: OSI 7계층은 표준화된 모델을 제공하여 다양한 제조사 및 플랫폼 간에 상호 운용성을 확보합니다. 이는 다양한 기기와 소프트웨어가 원활하게 통신할 수 있는 기반을 제공합니다.
문제 해결 및 유지보수 용이성: 각 계층의 기능이 분리되어 있기 때문에 특정 문제가 발생하면 해당 계층에 집중하여 문제를 해결할 수 있습니다. 이는 유지보수를 효율적으로 수행할 수 있도록 합니다.
새로운 기술의 통합: 새로운 기술이나 프로토콜이 도입될 때, 특정 계층에만 적용함으로써 전체 시스템을 업그레이드하거나 수정할 필요가 없습니다.