[CS] OSI Model

OSI 모델이란?

OSI Model은 서로 다른 컴퓨터 시스템이 네트워크를 통해 통신하는 방식을 설명하는 일련의 규칙이다. OSI 모델은 국제 표준화 기구(ISO)에서 개발했다. OSI 모델은 7개 계층으로 구성되어 있으며 각 계층에는 특정 기능과 책임이 있다. 이러한 계층적 접근 방식은 서로 다른 장치와 기술이 함께 작동하기 쉽게 해준다.OSI 모델은 데이터 전송과 네트워크 문제 관리를 위한 명확한 구조를 제공한다. OSI 모델은 네트워크 시스템이 어떻게 기능하는지 이해하기 위한 참조로 널리 사용된다.

OSI 모델의 계층

OSI 모델에는 7개의 계층이 있으며 각 계층은 데이터를 처리하는 데 있어 고유한 역할을 한다.

• 1계층: 물리 계층
• 2계층: 데이터 링크 계층
• 3계층: 네트워크 계층
• 4계층: 전송 계층
• 5계층: 세션 계층
• 6계층: 프레젠테이션 계층
• 7계층: 애플리케이션 계층

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1계층 - 물리 계층

OSI 참조 모델의 가장 낮은 계층은 물리 계층이다. 이는 장치 간의 실제 물리적 연결을 담당한다. 물리 계층에는 비트 형태의 정보가 들어있다. 물리 계층은 한 노드에서 다음 노드로 개별 비트를 전송하는 역할을 한다. 데이터를 수신할 때 이 계층은 수신된 신호를 가져와 0과 1로 변환하여 데이터 링크 계층으로 보내고, 데이터 링크 계층은 프레임을 다시 조립한다. 일반적인 물리 계층 장치는 허브, 리피터, 모뎀 및 케이블이다.

물리 계층의 기능

• 비트 동기화: 물리 계층은 clock을 제공하여 비트의 동기화를 제공한다. 이 clock은 송신자와 수신자를 모두 제어하여 비트 수준에서 동기화를 제공한다.
• 비트 전송률 제어: 물리 계층은 전송률, 즉 초당 전송되는 비트 수를 정의한다.
• 물리적 토폴로지: 물리 계층은 다양한 장치/노드가 네트워크에서 어떻게 배열되는지 지정한다. 예) 버스 토폴로지, 스타 토폴로지, 망 토폴로지
• 전송 모드: 물리 계층은 두 개의 연결된 장치 간에 데이터가 어떻게 흐르는지 정의한다. 가능한 다양한 전송모드는 Simplex, half-duplex와 full duplex가 있다.

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2계층 - 데이터 링크 계층

데이터 링크 계층은 노드 간 메시지 전달을 담당한다. 이 계층의 주요 기능은 물리 계층을 통해 한 노드에서 다른 노드로 데이터 전송이 오류 없이 이루어지도록 하는 것이다. 패킷이 네트워크에 도착하면 데이터 링크 계층이 MAC 주소를 사용하여 호스트로 전송해야 한다. 데이터 링크 계층의 패킷은 프레임이라고 한다. 스위치와 브리지는 일반적인 데이터 링크 계층 장치이다.
데이터 링크 계층의 두 개의 하위 계층으로 나뉜다.

• 논리적 링크 제어(LLC)
• 미디어 접근 제어(MAC)
  네트워크 계층에서 수신된 패킷은 NIC의 프레임 크기에 따라 프레임으로 세분된다. 데이터 링크 계층은 또한 헤더에 송신자와 수신자의 MAC 주소를 캡슐화한다.
  수신기의 MAC 주소는 누가 해당 IP 주소를 가지고 있는지 묻는 ARP 요청을 전송하여 알아내고, 대상 호스트는 MAC 주소로 응답한다.

데이터 링크 계층의 기능

• 프레이밍: 송신자가 수신자에게 의미 있는 비트 세트를 전송할 수 있는 방법을 제공한다. 이는 프레임의 시작과 끝에 특수 비트 패턴을 첨부하면 된다.
• 물리적 주소 지정: 프레임을 생성한 후, 데이터 링크 계층은 각 프레임의 헤더에 송신자 또는 수신자의 물리적 주소를 추가한다.
• 오류 제어: 데이터 링크 계층은 손상되거나 손실된 프레임을 감지하여 재전송하는 오류 제어 메커니즘을 제공한다.
• 흐름 제어: 데이터 속도는 양쪽에서 일정해야 한다. 그렇지 않으면 데이터가 손상될 수 있다. 따라서 흐름 제어는 확인을 받기 전에 보낼 수 있는 데이터 양을 조정한다.
• 접근 제어: 하나의 통신 채널이 여러 장치에서 공유되는 경우 데이터 링크 계층의 MAC 하위 계층은 특정 시간에 채널을 제어하는 장치가 무엇인지 확인하는 데 도움이 된다.

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3계층 - 네트워크 계층

네트워크 계층은 서로 다른 네트워크에 있는 한 호스트에서 다른 호소트로 데이터를 전송하는 역할을 한다. 또한 패킷 라우팅, 즉 사용 가능한 경로 수에서 패킷을 전송할 최단 경로를 선택하는 작업도 담당하낟. 송신자와 수신자의 IP 주소는 네트워크 계층에서 헤더에 배치한다. 네트워크 계층의 패킷은 세그먼트라고 한다. 네트워크 계층은 라우터와 스위치와 같은 네트워킹 장치에 의해 구현된다.

네트워크 계층의 기능

• 라우팅: 네트워크 계층 프로토콜은 출발지에서 목적지까지 어떤 경로가 적합한지 결정한다.
• 논리적 주소 지정: 네트워크 계층은 각 장치를 네트워크 간에 고유하게 식별하기 위해 주소 지정 체계를 정의한다. 송신자와 수신자의 IP 주소는 네트워크 계층에 의해 헤더에 배치된다. 이러한 주소는 각 장치를 고유하고 보편적으로 구별한다.

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4계층 - 전송계층

전송 계층은 애플리케이션 계층에 서비스를 제공하고 네트워크 계츠에서 서비스를 가져온다. 전송 계층의 데이터는 세그먼트라고 한다. 이는 완전한 메시지의 종단 간 전달을 담당한다. 전송 계층은 또한 성공적인 데이터 전송에 대한 확인을 제공하고 오류가 발견되면 데이터를 다시 전송한다. 전송 계층에서 사용되는 프로토콜은 TCP, UDP 등이 있다.
송신자 측에서 전송 계층은 상위 계층은 상위 계층으로부터 포맷된 데이터를 받아 세그먼테이션을 수행한다. 그리고 적절한 데이터 전송을 보장하기 위해 흐름 및 오류제어를 구현한다. 또한, 헤더에 출발지와 목적지에 대한 포트 번호를 추가하고 네트워크 계층으로 이를 전달한다.

• 일반적으로 이 대상 포트 번호는 기본 또는 수동으로 구성된다. 예를 들어, 웹 애플리케이션이 웹 서버를 요청할 때 일반적으로 포트 번호 80을 사용한다. 이는 웹 애플리케이션에 할당도니 기본 포트이기 때문이다. 많은 애플리케이션에는 기본 포트가 할당되어 있다.
  수신자 측에서 전송 계층은 헤더에서 포트 번호를 읽고 수신한 데이터를 해당 애플리케이션으로 전달한다. 또한 분할된 데이터의 시퀀싱 및 재조립을 수행한다.

전송 계층의 기능

• 분할 및 재조립: 세션 계층에서 메시지를 받아들이고 메시지를 더 작은 단위로 나눈다. 생성된 각 세그먼트에는 연관된 헤더가 있다. 목적지 스테이션의 전송 계층은 메시지를 재조립한다.
• 서비스 지점 주소 지정: 메시지를 올바른 프로세스에 전달하기 위해 전송 계층 헤더에는 서비스 지점 주소 또는 포트 주소라는 유형의 주소가 포함된다. 따라서 이 주소를 지정함으로써 전송 계층은 메시지가 올바른 프로세스에 전달되도록 한다.

전송 계층에서 제공하는 서비스

• 연결 지향 서비스
• 비연결 지향 서비스

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5계층 - 세션 계층

OSI 모델의 세션 계층은 두 장치 간의 연결 설정, 연결 관리, 세션 종료를 담당한다. 또한, 인증 및 보안을 제공한다. 세션 계층에서 사용되는 프로토콜은 NetBIOS, PPTP이다.

세션 계층의 기능

• 세션 설정, 유지 및 종료: 두 프로세스가 연결을 설정하고, 사용하고, 종료할 수 있도록 한다.
• 동기화: 프로세스가 데이터에서 동기화 지점으로 간주되는 체크포인트를 추가할 수 있도록 한다. 이러한 동기화 지점은 오류를 식별하여 데이터가 적절하게 재동기화되고 메시지의 끝이 성급하게 잘리지 않아 데이터 손실이 방지되도록 돕는다.
• 대화 컨트롤러: 두 시스템이 반이중 도는 전이중으로 서로 통신을 시작할 수 있도록 해준다.

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6계층 - 프레젠테이션(표현) 계층

애플리케이션 계층의 데이터는 프레젠테이션 계층에서 추출되어 네트워크를 통해 전송하기 위한 필요한 포맷에 따라 조작된다. 프레젠테이션 계층에서 사용되는 프로토콜은 JPEG, MPEG, GIF, TLS/SSL 등이다.

프레젠테이션 계층의 기능

• 번역: 에를 들어, ASCII에서 EBCDIC로
• 암호화/복호화: 데이터 암호화는 데이터를 다른 형태나 코드로 변환한다. 암호화된 데이터는 암호문이라고 하며, 복호화된 데이터는 일반 텍스트라고 한다. 키 값은 데이터 암호화와 복호화에 사용된다.
• 압축: 네트워크에서 전송해야 하는 비트 수를 줄인다.

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7계층 - 애플리케이션 계층

OSI 모델 계층의 맨 위에는 네트워크 애플리케이션에 의해 구현되는 애플리케이션 계층이 있다. 이러한 애플리케이션은 네트워크를 통해 전송되는 데이터를 생성한다. 이 계층은 애플리케이션 서비스가 네트워크에 액세스하고 수신된 정보를 사용자에게 표시하는 창 역할도 한다. 애플리케이션 계층에서 사용되는 프로토콜은 SMTP, FTP, DNS 등이다.

애플리케이션 계층의 기능

• 네트워크 가상 터미널(NVT): 사용자가 원격 호스트에 로그온할 수 있도록 해준다.
• 파일 전송 접근 및 관리(FTAM): 애플리케이션을 사용하면 사용자가 원격 호스트의 파일에 접근, 검색, 관리 및 제어를 할 수 있다.
• 메일 서비스: 이메일 서비스를 제공한다.
• 디렉토리 서비스: 분산된 데이터베이스 소스들을 제공하고 다양한 객체와 서비스에 대한 글로벌 정보의 액세스를 제공한다.

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OSI 모델이 중요한 이유는 무엇인가?

OSI 모델은 사용자에게 네트워크에서 데이터가 어떻게 이동하는지에 대한 명확한 구조를 제공하므로 중요하다. OSI 모델은 7개 계층으로 구성되어 있어 각 계층에는 고유한 역할이 있으며, 이로 인해 전체 네트워크가 아닌 계층 중 하나에 집중하여 복잡한 네트워크 문제를 쉽게 이해하고, 식별하고, 해결하는 데 도움이 된다.
현대 인터넷은 OSI모델을 선호하지 않지만, OSI 모델은 여전히 네트워크 문제를 해결하는 데 매우 유용하다.

OSI 모델의 장점

• 네트워크 통신을 7개 계층으로 구분하여 이해하고 문제를 해결하는 것이 더 쉬워졌다.
• 각 계층에는 고정된 기능과 프로토콜이 있으므로 네트워크 통신을 표준화한다.
• OSI 모델을 사용하면 네트워크 문제를 진단하는 것이 더 쉽다.
• 각 계층이 개별적으로 업데이트될 수 있으므로, 발전에 따라 개선하기가 더 쉽다.

OSI 모델의 단점

• 7개 계층으로 구성되어 있어 초보자에게는 복잡하고 이해하기 어려울 수 있다.
• 실제 네트워킹에서는 대부분의 시스템이 인터넷 프로토콜 모음(TCP/IP)이라는 더 간단한 모델을 사용하므로 OSI 모델을 항상 직접 적용할 수 있는 것은 아니다.
• OSI 모델의 각 계층은 자체적인 규칙과 작업 집합을 추가하므로 프로세스가 더 시간이 많이 걸리고 비효율적일 수 있다.
• OSI 모델은 이론적 프레임워크에 가깝다. 즉, 개념을 이해하는 데는 좋지만 구현에 항상 실용적인 것은 아니다.

출처

• https://www.geeksforgeeks.org/open-systems-interconnection-model-osi/