OSI 7계층과 TCP/IP 4계층 이란?

OSI 7계층과 TCP/IP 4계층

OSI 7계층은 네트워크 통신을 표준화한 모델로, 통신 시스템을 7단계로 나누어 설명한 것이다.  

하지만 OSI 모델이 실무적으로 이용하기에 복잡한 탓에 실제 인터넷에서는 이를 단순화한 TCP/IP 4계층이 사용되고 있다.

 

OSI 7계층의 각 단계에서 어떤 동작이 일어나는지를 중점으로 공부하는 것이 좋다. 또한 TCP/IP 4계층과의 차이점은 무엇인지를 비교하면서 공부하면 이해하기 쉽다.

* OSI 모형
OSI 모형(Open Systems Interconnection Reference Model)은 국제표준화기구(ISO)에서 개발한 모델로,
컴퓨터 네트워크 프로토콜 디자인과 통신을 계층으로 나누어 설명한 것이다.
일반적으로 OSI 7층이라고 한다.

 

OSI 7계층과 TCP/IP 4계층

OSI 7계층과 TCP/IP 4계층 모델에서 각 계층은 하위 계층의 기능을 이용하고, 상위 계층에게 기능을 제공한다.

예를 들어서 HTTP는 TCP와 IP를 이용해서 작동한다.

일반적으로 상위 계층의 프로토콜은 소프트웨어로, 하위 계층의 프로토콜은 하드웨어로 구현된다.

(ex. 물리 계층의 통신은 케이블을 통한 전기신호로 이루어진다.)

* 프로토콜 이란?
컴퓨터나 원거리 통신 장비 사이에서 메시지를 주고 받는 양식과 규칙의 체계이다.

<OSI 모델과 TCP/IP 모델의 관계> - HTTP, TCP, UDP, IP, Ethernet 등 통신 프로토콜이 TCP/IP 4계층의 어느 계층에 속하는지 살펴보면 네트워크 원리를 파악하기 좋다.

 

캡슐화(Encapsulation) & 역캡슐화(Decapsulation)

캡슐화	통신 프로토콜의 특성을 포함한 정보를 Header에 포함시켜서 하위 계층에 전송하는 것을 말한다.
역캡슐화	통신 상대측에서 이러한 Header를 역순으로 제거하면서 원래의 Data를 얻는 과정

예를 들어, 사용자는 최상위 계층인 응용 계층에서 인터넷 접속(HTTP), 메일 전송(SMTP), 파일 전송(FTP), 원격 로그인(Telnet)등의 작업을 수행한다.

 

OSI 7계층 관점의 캡슐화 / 역캡슐화 과정

각 사용자 입장에서 보면 data가 그냥 전송되는 것처럼 보이게 된다.

하지만 이 과정을 OSI 7계층 관점의 캡슐화 / 역캡슐화 과정까지 바라보면 다음과 같다.

1. 사용자가 전송하고자 하는 데이터는 각 프로토콜의 정보를 Header에 포함시켜 하위 계층에 전달한다.(Encapsulation)
2. 최종적으로 물리 계층에서 binary 데이터로 변환되어 전송된다.
3. 상대측(사용자2) 에서는 이러한 Header를 역순으로 하나씩 제거하면서 상위 계층으로 데이터를 전달한다.(Decapsulation)
4. 최종적으로원본 데이터를 수신하게 된다. 

 

TCP/IP 4계층? 5계층?

TCP/IP 4계층에서 시작한 네트워크 표준이 꾸준히 갱신되면서 하위 레이어가 다시 세분화 되었다.

TCP/IP 4계층의 Network interface Layer를 Data link Layer와 Physical Layer로 나뉘어져서 TCP/IP 5계층 모델이 되었다.

 

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TCP와 UDP 비교 설명

TCP (Transmission Control Protocol)	연결형, 신뢰성 전송 프로토콜이다. 연결지향적 서비스를 제공하기 위해 데이터를 전송하기 전에 3way handsaking을 하여 두 호스트의 전송 계층 사이에 논리적 연결을 설립한다. 신뢰성 있는 서비스를 제공하기 위해 오류제어, 흐름제어, 혼잡제어 등을 실행한다. 신뢰성을 보장하기 위해 Header가 더 크고 속도가 비교적 느리다는 단점이 있다.
UDP (User Datagram Protocol)	비연결형 프로토콜로 3-way handshake 등의 세션 수립 과정이 없다. 또한 비신뢰성 프로토콜로 흐름제어, 오류제어, 혼잡제어를 제공하지 않는다. 이러한 단순성 덕분에 적은 양의 오버헤드 갖고 수신여부를 확인하지 않아서 속도가 빠르다.

TCP는 신뢰성이 중요한 통신(HTTP, File 전송 등)에 쓰이고,

UDP는 실시간성이 중요한 통신(동영상 스트리밍 등)에 주로 사용된다.

 

TCP/UDP의 차이점을 묻는 질문이 면접에서 종종 나온다.

깊은 내용까지 잘 파고들지 않기 때문에 TCP/UDP 각각의 장점, 단점 그리고 활용 정도에 주안점을 공부하면 된다.

 

TCP/IP 전송계층이란?

TCP/IP는 인터넷에서 사용하는 프로토콜 그룹을 칭한다.

TCP/IP는 Application layer(응용계층), Transport layer(전송계층), Network layer, Data link layer, Physical layer로 5개 계층으로 나뉜다.

그 중에 전송계층은 두 응용 계층 사이에서의 process-to-process 통신을 제공한다.

전송계층은 응용계층으로부터 메시지를 받아 전송계층 패킷으로 캡슐화하여 전송한다. (segment 또는 datagram으로 부른다.)

전송 계층의 주된 프로토콜은 TCP, UDP이다.

TCP (Transmission Contro Protocol)	연결형, 신뢰성 전송 프로토콜	TCP로 전송하는 패킷을 segment라고 부른다.
UDP (User, Datagram Protocol)	비연결형, 비신뢰성 전송 프로토콜	UDP로 전송하는 패킷을 datagram이라고 한다.

* 패킷(Packet)
정보 기술에서 패킷 방식의 컴퓨터 네트워크가 전달하는 데이터의 형식화된 블록이다.
즉, 컴퓨터 네트워크에서 데이터를 주고 받을 때 정해 놓은 규칙이다.

 

TCP(Transfer Control Protocol)

TCP는 연결형, 신뢰성 전송 프로토콜이다.

연결 지향적 서비스를 제공하기 위해 데이터를 전송하기 전에 먼저 두 호스트의 전송 계층 사이에 논리적 연결을 설립한다. 그 후 데이터 전송을 하고 데이터 전송을 완료했으면 연결을 해제한다.

TCP의 통신은 connection setup - data transfer - connection termination의 세 단계로 나뉜다.

신뢰성 있는 서비스를 제공하기 위해 TCP가 전체 스트림을 순서에 맞고 오류 없이, 또한 부분적인 손실이나 중복 없이 전송하는 것을 보장한다.

이를 가능하게 하는 방법은 오류제어, 흐름제어, 혼잡제어 등이 있다.

흐름제어	데이터를 보내는 속도와 데이터를 받는 속도의 균형을 맞추는 것을 뜻한다.
오류제어	훼손된 segment의 감지 및 재전송, 손실된 segment를 정렬하고 중복 segment 감지 및 폐기한다. 이는 TCP header의 checksum, 확인응답, 타임-아웃 등을 통해 수행된다.

 

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UDP (User Datagram Protocol)

UDP는 비연결성, 비신뢰성 전송 프로토콜이다.

UDP는 논리적 연결을 설립하지 않고 datagram을 전송하는 비연결형 프로토콜이다.

또한 흐름제어, 오류제어, 혼잡 제어를 제공하지 않는 간단한 프로토콜이다.

이러한 단순성은 적은 양의 오버헤드를 갖기 때문에 작은 메시지를 보내거나 신뢰성을 크게 고려하지 않아도 되는 상황에서 사용한다.

 

TCP와 UDP 일상에서의 경험

예제1

매우 큰 문서파일을 인터넷을 통해 다운받고 있다고 가정해 보자.

이 경우엔 신뢰성이 보장되는 프로토콜을 사용해야 한다.

다운로드 완료된 파일의 일부분이 손실되거나 훼손되어 있으면 안되기 때문이다.

문서 파일 전송시에 발생하는 지연은 중요한 문제가 아니다.

따라서 UDP를 사용하면 안되고 TCP를 사용해야 한다.

예제2

live 방송과 같이 실시간 상호작용을 하는 응용프로그램을 사용한다고 가정해 보자.

음성과 영상을 한프레임씩 전송을 한다.

전송계층에서 훼손되거나 손실된 프레임을 재전송 해야된다면 전체적으로 지연이 될 것이다.

따라서 UDP를 통해서 한프레임씩 datagram으로 전송한다면 훼손되거나 손실된 패킷은 그냥 무시하고 나머지 패킷을 응용 프로그램으로 전달한다.

손실된 패킷으로 인해 짧은 시간동안 화면의 일부분이 공백으로 표시되더라도 대부분의 시청자들은 인식하지 못한다.

이 때는 신뢰성보다 실시간성이 더 중요하기 때문에 UDP를 사용한다.

 

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3-way handshake 란?

3-way handshake는 TCP/IP 프로토콜로 통신하기 전, 정확한 정보 전송을 위해 상대방 컴퓨터와 세션을 수립하는(연결을 하는) 과정이다.(TCP 연결 초기화)

클라이언트가 서버에게 접속을 요청하는 SYN 패킷을 보내면, 서버는 요청을 수락하는 ACK를 포함하여 SYN+ACK 패킷을 클라이언트에게 발송한다.

클라이언트가 이것을 수신한 후, 다시 ACK를 서버에게 발송하면 연결이 이루어지고, 이로써 데이터를 주고받을 수 있게 된다.

TCP 3 way handshake 과정

1. Connection setup (tcp 연결 초기화) - 3way handshaking

2. Data transfer (데이터 전송)

3. Connection termination (tcp 연결 종료) - 4way handshaking

3-way handshaking이 바로 Connection setup 과정이다.

4 way handshaking

3-way handshake를 통해 connection setup을 했다면 tcp 연결을 종료하는 Connection termination 과정은 4-way handshaking을 통해 이루어진다.

TCP connection termination은 양방향으로 2개의 연결이 독립적으로 닫히기 때문에 4-way단계를 밟게 된다.