[컴퓨터네트워크] 2주차: 계층 구조, OSI 참조 모델

경희대학교 유인태 교수님의 컴퓨터네트워크 강의를 기반으로 정리한 글입니다.

OSI 참조 모델

• 컴퓨터 네트워크 또는 네트워크 프로토콜 설계를 위한 지침
• 개방형 시스템에서 통신을 하기 위해 7개의 계층 정의
• 표준화 모델 사용으로 인한 이기종 장치의 데이터 통신이 가능함
• 각 계층별로 고유한 기능을 가지는 모듈로 설계됨(modular engineering), 이를 기반으로 데이터 통신이 이루어짐
• TCP/IP 인터넷 프로토콜 모델은 OSI 참조 모델을 기반으로 하고 있음

1계층: 물리 계층(Physical Layer)

• 사용자 데이터를 물리 매체 상에서 통신이 가능하도록 신호로 변환해 주는 역할
• 신호 전송을 위해서 4가지 특성을 포함
  1. 전기적 특성: 전압 레벨이 변하게 되는 시점
  2. 기능적 특성: 케이블의 기능적 특성을 정의
  3. 절차적 특성: 데이터 전송의 절차를 규정
  4. 물리적 특성: 표준 케이블 간의 물리적 연결의 정의
• 전송 신호에 오류가 발생하더라도 복구하지 않음
• 유선 네트워크는 대부분 **광 케이블과 구리 케이블(UTP 케이블)**을 사용

UTP(Unshielded Twisted Pair) 케이블

• straight-through cable: switch/hub에 사용자 장치나 라우팅 장치 연결
• cross-over cable: 동일한 장치(swtich to swtch, pc to pc 등) 연결
• Hub, Repeater, 랜카드는 1계층에 속함, 랜카드는 2계층 기능도 포함
• Auto-MDIX(Automaic Medium Dependent Interface Crossover)
  • HP 개발
  • straight-through, cross-over cable을 구분하지 않고 장치가 연결될 수 있도록 함

케이블 종류

• UTP, STP(Unshielded, Schielded Twisted Pair)
  • 내부 선이 pair: 두 신호 평균내서 노이즈 제거
  • 꼬아놓은 이유: 두 가닥의 선이 외부로부터 받는 영향을 평균적으로
  • UTP는 표준 98m, 거의 100m 거리
  • STP는 25m 권고
    • UTP보다 외부로부터 영향을 덜 받는데 거리가 짧은 이유: 통신 품질이 안정적이고 신뢰성이 요구되는 환경에서 사용하는 케이블
  • TX(Transmit): 송신, RX(Receive): 수신
• Coaxial(동축)
  • 내부에 축이 데이터 전송, 외부에 있는 것은 쉴드

• 광 케이블
  • Single Mode Fiber: 직진성이 강한 광신호(laser)
  • Multi Mode Fiber: LED

Topology

네트워크의 장치들이 연결되어 있는 형상 또는 모습

• Star, Extended Star: 오늘날 사용자들이 있는 네트워크(ex. 공유기)
• Ring: 주요 지점을 원형으로 만들어서 기관 전체를 연결하기 위한 목적
  • 백본, 코어 네트워크라고도 함
  • 보통 이중 듀얼 링을 구성
• Bus: 공장 자동화 같은 생산 라인에 사용

2계층: 데이터링크 계층(Datalink Layer)

CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection)

유선 통신에서 충돌을 방지하면서 다중 접속하도록 하는 방식

• 2대 이상의 컴퓨터가 동시에 데이터 통신을 시도할 경우 충돌이 발생
• 일정 시간 후에 재시도 → exponentail backoff로 가중치
• 오늘날은 스위치를 이용하기 때문에 유선망에선 쓰이지 않음
• propagation delay(전파지연): 이 신호가 공유 매체 상을 완전히 다 점유할 때까지 걸리는 시간
• transmission delay(전송지연): 데이터를 얹어놓는 속도
• processing delay(처리지연): 들어온 신호를 처리해서 릴레이해서 보내는, 받아서 내보내는 데까지 시간
• 충돌 감지: 두 개의 파형이 겹쳐 정격 정압을 뛰어넘는 전압을 감지

CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance)

무선 통신에서 충돌을 회피하는 방식

• RTS(Request To Send): 전송 요청, 사용자 장치가 보냄
• CTS(Clear To Send): 보내라고 허용, 공유기(네트워킹 장치)가 보냄
• RTS를 모두가 다 동시에 보내고 있는데 CTS를 누구에게 주느냐로 충돌을 회피

데이터링크 계층

• 서로 다른 주변(이웃) 네트워크 장치들 간에 데이터 송수신이 가능하도록 함
• 3계층과 연결되어 필요에 따라 데이터를 3계층으로 전달
• 데이터링크 계층에서 처리하여 전송하는 데이터: 프레임(Frame)
• 데이터링크 계층에서의 프레임 전달은 MAC 주소를 기반으로 함
  • MAC: Media Access Control / Physical / Burned in / Hardware
  • 스위치는 프레임 전송을 위해 MAC Table(Switching Table)을 사용
  • MAC 주소는 NIC 회사에서 ROM(Read Only Memory)에 기입
  • MAC 주소 변경은 H/W적으로는 불가능하지만 S/W를 사용하여 변경 가능
  • 48비트 길이의 16진수 12자리로 표현
  • 스위치 기반의 보안 기능 구현을 위해 사용하기도 함

MAC-Table이 완성되는 과정

1. A에서 B로 향하는 Frame을 스위치로 전송
2. Frame을 받은 스위치는 A가 3번 인터페이스(포트)에 연결되어 있음을 기록, 그러나 목적지 B가 어느 경로에 존재하는지 모름
3. Frame을 복사해서 다른 모든 경로로 전송(flooding), 목적지에 도달하지 못한 정보는 소멸
4. 스위치는 B의 위치를 기록, B는 A에게 응답을 보내면 스위치는 A의 위치를 이미 알고 있으므로 바로 보냄(unicasting)

L2 스위치

1. 프레임화(Framing): 물리 계층(또는 네트워크 계층)에서 수신한 신호(또는 패킷)를 처리하여 프레임 단위의 정해진 크기로 데이터를 생성
2. 흐름 제어(Flow Control): 송수신 장치 간의 데이터 흐름 제어
3. 오류 제어(Error Control): 프레임 전송 시 발생한 오류 복원, 오류 복원 방법은 retransmission mechanism(재전송 메커니즘)을 이용

2계층 한 줄 요약

한 장치에서 이웃 장치로 프레임을 오류 없이 전송

• PDU(Protocol Data Unit): 어떤 특정 프로토콜이 처리하는 데이터 단위
  • 2계층 PDU: Frame
  • 3계층 PDU: Packet
  • 4계층 PDU: Segment

3계층: 네트워크 계층(Network Layer)

• 네트워크 계층의 데이터: Packet 또는 Datagram
• 대표적인 장치: Router
• 주요 기능
  • 패킷 전달: 종단간(end-to-end) 패킷 전달 기능
  • 라우팅: **라우팅 프로토콜(metric)**을 기반으로 효율적인 경로를 선택
  • 주소 사용: IP 주소를 기반으로 패킷 전달

네트워크 계층 프로토콜

1. IP(Internet Protocol): 3계층의 주요 프로토콜, IPv4, IPv6
2. ARP(Address Resolution Protocol): IP 주소를 기반으로 MAC 주소를 찾을 때 사용
3. RARP(Reverse ARP): MAC 주소를 기반으로 IP 주소를 찾을 때 사용

데이터링크 계층과 네트워크 계층의 데이터 전달 방식(로컬 및 원격 네트워크)

스위치를 통해 여러 장치가 연결되어 있지만 동일한 라우터 인터페이스 게이트웨이 밑에 있기 때문에 다 같은 네트워크에 있다고 봄

• 목적지가 같은 네트워크에 있으면, 목적지의 MAC 주소를 Destination으로 설정
• 목적지가 다른 네트워크에 있으면, 목적지의 MAC 주소를 일단 라우터의 주소로 설정
• 맥 주소는 이동할 때마다 이웃 장치가 계속 바뀜
• IP 주소는 절대 변하지 않음

3계층 한 줄 요약

정보 패킷을 출발지에서 목적지까지 라우팅 기능을 이용해서 전송

4계층: 전송 계층(Transport Layer)

• 전송 계층의 데이터: Segment
• 세그먼트 헤더는 포트 주소를 포함(소켓 주소는 IP 주소와 포트 주소의 조합)
• 포트 주소는 하나의 애플리케이션하고 다른 애플리케이션을 구분하는 값
• 종단간(end-to-end) 오류 없이 데이터를 전송할 수 있도록 오류 발생 여부 확인(check sum)
  • 2계층: 하드웨어적 오류 검사, 4계층: 소프트웨어적 오류 검사
• 주요 역할
  • 흐름 제어: 송신 장치는 수신 장치에서 설정한 데이터 전송율에 따라 데이터 전송
    • 2계층: 물리적 속도(ex. 10mbps), 4계층: 논리적 속도(서버가 바쁠 때 파일 업로드 속도 조절)
  • 혼잡 제어: 네트워크 내에서 대기하는 패킷 수를 줄여 혼잡을 미연에 방지 또는 제어하며, 일반적으로 송신 장치의 데이터 전송을 억제하는 방법을 사용
  • 오류 제어: 송수신 데이터에 오류가 생기면 재전송 메커니즘으로 오류 해결

4계층 한 줄 요약

정보의 출발지에서 목적지까지 사용자 메시지 전체를 오류 없이 전송하는 기능

5계층: 세션 계층(Session Layer)

• 세션 계층 데이터: Message
• 데이터를 주고받는 두 장치 간에 만들어진 물리적/논리적 개념의 송수신 통로: Session 또는 Channel
• 출발지 및 목적지 애플리케이션 간의 대화 채널을 설정하고 해제 → 통신 세션의 시작과 종료를 정의
• 세션을 시작하기 위한 정보 교환 처리, 세션의 활성 상태 유지, 잘못되었거나 장시간 idle 상태를 지속하는 세션을 재시작 등의 기능 수행

6계층: 표현 계층(Presentation Layer)

• Data Representation: 이기종 시스템들은 각기 다른 데이터 표현 방식 사용, 하나의 통일된 구문 형식으로 변환시키는 기능
• Data Encryption: 데이터 통신 보안 및 비밀 유지
• Data Compression: 데이터의 효율적 전달과 저장을 위해 사용

7계층: 응용 계층(Application Layer)

응용 프로그램과 통신 프로그램 사이에서 연결하는 역할

• HTTP 프로토콜은 웹 브라우저를 사용하여 인터넷을 통해 데이터를 송수신
• 대표적인 응용 계층 프로토콜
  • FTP(File Transfer Protocol): 파일 전송 프로토콜
  • SMTP(Simple Mail Transfer Protocol): 메일 전송 프로토콜
  • SNMP(Simple Network Management Protocol): 네트워크 모니터링
  • Telnet: 원격 접속(평문 데이터 전송)
  • SSH(Secure Shell): 암호화 원격 접속
  • HTTP(Hyper Text Transfer Protocol) / HTTPS(HTTP Secure)
• OSI 7 Layer의 최상위 계층으로 사용자에게 가장 가까운 계층

OSI 7 Layer의 캡슐화

계층별 캡슐화

• OSI 7 Layer는 각 계층별로 고유 기능과 역할을 가지고 있음 → 어떻게 데이터에 기록?
• 계층별 데이터 유닛의 맨 앞에 헤더를 추가 → 캡슐화(Encapsulation)
• 계층별 데이터 유닛의 맨 앞의 헤더를 제거 → 역캡슐화(Decapsulation)
• OSI 7 Layer를 기반으로 하는 통신은 캡슐화와 역캡슐화의 과정을 통해 상호 간에 데이터를 주고 받는 방식으로 통신을 수행