[Network] OSI 참조 모델 (네트워크 접속 계층, 물리 계층, 데이터 링크 계층)

OSI 참조 모델의 개요

통신 기술의 도입과 통신 기능의 확장을 쉽게 하려고 프로토콜을 몇 개의 계층으로 나누는 것

→ 통신 기능을 7계층으로 분류하여 프로토콜을 규정한 규격 → OSI 7계층

OSI 참조 모델은 특정 기능을 수행하는 서로 다른 계층 7개를 의미

물리 계층(1) → 데이터 링크 계층(2) → 네트워크 계층(3) → 전송 계층(4) → 세션 계층 (5) → 표현 계층(6) → 응용 계층(7)

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OSI 참조 모델의 데이터 전송

각 계층은 헤더 + 데이터 단위(data unit)로 정의

헤더에는 각 계층의 기능과 관련된 정보가 포함된다. → 즉 송신측이 헤더를 생성해서 추가하면 수신측의 해당 계층이 이를 사용한다

SDU(Service Data Unit) : 상위 계층이나 하위 계층 사이에 주고 받는 것

PDU(Protocol Data Unit) : 같은 계층 사이에 주고 받는 것

데이터 단위는 상위 계층이 전송하려는 데이터인 SDU에 제어 정보(흐름 제어, 오류 제어, 주소 정보 등)인 PCI(Protocol Control Unit)를 추가한다.

우리는 흔히 데이터 단위를 패킷 이라고 칭하는데,

데이터 링크 계층에서의 PDU는 프레임,

네트워크 계층에서 PDU는 패킷,

전송 계층에서 PDU는 세그먼트 라고 불린다.

OSI참조 모델에서는 응용 계층에서 하위 계층까지 전송되면서, 필요한 정보가 헤더와 함께 데이터에 추가 된다.

시작 부분에는 헤더, 끝 부분에는 트레일러의 형태로 정보를 추가하는데, 시작 부분에 추가되는 헤더는 데이터 링크(2), 네트워크(3), 전송(4), 세션(4), 표현(6) 계층의 데이터에 추가 되고,

데이터 링크 계층의 데이터의 끝부분에는 트레일러가 추가된다.

 

송신측에서는 응용 → 물리 계층까지 데이터를 헤더와 트레일러로 감싼다

수신측에서는 물리 → 응용 계층으로 올라가며, 트레일러와 헤더를 벗겨내어 데이터를 습득한다

트레일러에는 참고로 데이터의 끝을 알리는 정보와 오류 검사 정보가 포함되어 있다

또한 네트워크 프로토콜은 사실상 물리, 데이터링크, 네트워크 계층 3가지 계층만 사용하여 통신한다.

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네트워크 접속 계층

OSI 참조 모델의 모든 계층은 독립적이므로, 어느 한 계층에서의 변경이 다른 계층에 영향을 미치지 않는다. → 즉, 기능에 필요한 몇개의 계층만을 사용하여 표준화 하면 정상적 통신이 가능하다

위 그림은 OSI 7계층을 4계층으로 단순화한 TCP/IP 모델이다.

 

TCP/IP 모델

OSI 계층의 물리, 데이터 링크 계층을 합쳐 네트워크 접속 계층으로 통합

또한, 세션, 표현, 응용 계층이 응용 계층으로 통합 된다.

네트워크 접속 계층은 LAN카드, 허브, 라우터 등과 같은 물리적 네트워크 연결을 통해 프레임을 전송하고, 흐름 제어 및 오류 제어를 한다.

→ 즉 데이터 링크 계층과 물리 계층의 역할이 합쳐짐

 

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물리 계층

물리 계층은 두 시스템 간에 데이터를 전송하기 위해 링크를 활성화 하고, 관리하는 전기적, 기계적 , 절차적 특성을 정의

→ 허브, 라우터, 케이블 같은 물리적 전송 매체를 통해 데이터를 비트 단위로 전송

 

물리 계층의 특성

1. 기계적 특성 : 시스템 간 연결을 위한 커넥터 모양, 핀 수, 위치 등을 정의
2. 전기적 특성 : 두 시스템 간 상호 접속 회로의 전기적 특성 등을 정의
3. 기능적 특성 : 타이밍, 접지 및 제어 같은 상호 접속 회로의 기능을 정의
4. 절차적 특성 : 데이터 전송에 필요한 순서 정의

 

물리 계층에서의 데이터 단위

송신측 기준

데이터 링크 계층에서 넘겨준 데이터 (0,1로 이루어진 비트열의 데이터, 프레임) 을 넘겨 받아 전기 신호로 변환하고, 전송 매체를 통해 전송

수신측 기준

물리 계층은 수신 받은 신호를 다시 비트로 복원하여 상위 계층으로 전달(프레임화)

 

물리 계층의 네트워크 접속 장치

1. 리피터

신호가 약해졌을 때, 신호를 복원 및 증폭하여 전송하는 장치

2. 허브

리피터 허브로 불리며, 여러 포트가 있어서 여러 장치와 통신이 가능하다.

허브의 특성상, 데이터를 수신 받은 포트를 기준으로, 그 포트를 제외하고 나머지 포트로 데이터를 전송하는 특징이 있다. (더미허브, 즉 개비효율적) → 이를 해결할 방법은 데이터 링크 계층에서 동작하는 스위치가 존재.

 

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데이터 링크 계층

데이터 링크 계층은 물리적 링크를 통해 신뢰성 있게 네트워크를 통해 데이터를 전송하는 역할을 한다.

데이터를 프레임(frame) 단위로 전송하며, 프레임에는 송신자와 수신자의 물리적 주소(MAC주소)가 포함된다.

 

데이터 링크 계층의 특성

물리계층과 네트워크 계층 사이에 위치한다.

네트워크 계층에서 받은 데이터를 프레임 단위로 변환하여 물리 계층으로 전송 하는 역할을 한다.

네트워크 계층으로부터 데이터 단위를 받아서, 송수신지 주소등이 포함된 헤더, 데이터의 끝을 알리는 트레일러 를 추가한다. 이 두가지를 통해 데이터는 최종 수신지 까지 갈 수 있다.

 

데이터 링크 계층의 데이터 단위

프레임 구성 : 데이터 + 헤더 + 트레일러 를 통해 송수신자 주소 포함 및, 오류 검출을 위한 정보 포함

오류 제어 및 흐름 제어 : 데이터 전송 중 오류를 확인하고, 오류가 발생한 프레임은 재전송 요구 + 전송 속도 조절로 흐름 관리

 

데이터 링크 계층의 규칙

물리 계층에서 LAN을 통해 데이터를 송수신 하려면, 데이터 링크 계층의 기술이 필요하다. → 이더넷과 같이 네트워크에서 신호를 주고 받는 규칙을 정의하는 계층이 데이터 링크 계층이다

아까 물리 계층에서 말한 것 처럼, 더미 허브 현상을 해결하는 규칙이 존재하는데, 이를 통해 수신 컴퓨터 이외의 컴퓨터들은 데이터를 못보게 하는 규칙이 있다.

• CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection): 케이블을 공유하는 여러 장치가 데이터를 동시에 전송할 때 충돌을 방지하기 위한 규칙이다 → 요새는 효율이 구리다고 잘 안씀

 

데이터 링크 계층의 데이터 전송 과정

만약 컴퓨터 1에서 컴퓨터 3으로 데이터를 전송하는 상황이라고 가정.

1. 컴퓨터 1은 이더넷 헤더(트레일러 + 데이터 + 유형 + 송신지 MAC + 수신지 MAC) 와 트레일러를 데이터에 추가하여 프레임을 생성
2. 이를 물리 계층에서 비트열(전기적 신호)로 변환하여 네트워크를 통해 전송
3. 컴퓨터1이 보낸 데이터를 스위치가 1번 포트로 수신하고 2~5번 포트로 일단 모두 전송한다(더미 방식)
4. 하지만 컴퓨터 3을 제외한 나머지 디바이스들은 수신지 MAC이 자신의 주소와 다르기 때문에 데이터 파기
5. 컴퓨터 3은 데이터를 수신하여 역프레임화 실행
6. 데이터 수신

+만약 포트에 연결된 여러 디바이스가 동시에 컴퓨터3에 데이터를 전송 시도를 한다면?

여기서 CSMA/CD 방식이 사용된다.

컴퓨터 1과 컴퓨터 2가 동시에 데이터 전송시, 컴퓨터 2는 네트워크가 점유됨을 확인하고 잠시 대기하였다가 데이터를 전송한다.

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스위치(Switch)

허브와 달리 스위치를 사용하면 데이터 충돌이 발생하지 않는다

충돌 도메인

• 스위치는 허브와 달리 충돌 도메인의 범위를 줄여서 충돌 없이 데이터를 송수신
• 전 이중 통신 방식 사용 → 충돌X , 성능 향상
• 허브의 단점을 보완하여 최근에는 스위치가 많이 사용 됨

MAC 주소 학습 기능

• 처음 스위치는 MAC 주소 테이블에 아무것도 없지만, 데이터를 송수신 할 때 각 장치의 MAC 주소를 학습하여 테이블에 저장
• 이를 통해 더미 허브 문제(이하 플러딩)를 해결한다.(주소를 알고 있기 때문)

데이터 전송 과정

1. 처음에 컴퓨터 1에서 컴퓨터 3으로 데이터 전송 시도
2. 스위치가 아직 MAC 주소를 학습하지 못했다면, 네트워크 전체에 프레임이 브로드캐스팅되는 더미현상 == 플러딩 현상이 발생한다
3. 하지만 MAC 주소가 등록되어 있다면, 이후 전송되는 데이터는 정확히 수신지로 전송되어 네트워크 자원 효율성이 증가

MAC 주소 필터링

• MAC 주소를 기준으로 수신지를 선택하는 것을 의미
• 즉 필터링을 통해 불필요한 데이터를 네트워크에 전송하지 않는다

요약 : MAC 테이블에 등록되지 않으면 브로드 캐스팅, 등록된 이후부터는 해당 장치로만 전송 가능

스위치 정리

MAC 주소를 학습하여 데이터를 효율적으로 전달하고, 충돌 도메인의 범위를 줄여 네트워크 성능 향상. → 네트워크 트래픽을 줄이고 데이터가 정확한 목적지에 도달 할 수 있도록 도와준다.