OSI 7 Layer

계층화

네트워크 통신에는 케이블 신호 처리부터 애플리케이션 데이터 해석까지 매우 이질적인 작업이 섞여 있다. 이를 한 덩어리로 다루면 다음과 같은 문제가 생긴다.

한 부분만 수정해도 전체를 다시 설계해야 한다
서로 다른 벤더의 장비가 호환되기 어렵다
장애가 어느 단계에서 발생했는지 추적하기 힘들다

계층화는 각 계층이 바로 위, 아래 계층의 인터페이스만 알면 동작하도록 만들어, 한 계층의 내부 구현이 바뀌어도 다른 계층은 영향을 받지 않게 한다. 예를 들어 물리 매체가 광케이블에서 무선으로 바뀌어도 상위 계층(IP, TCP, HTTP)은 영향을 받지 않는다.

OSI 7 Layer Model

OSI(Open Systems Interconnection) 모델은 ISO에서 1984년 표준화한 네트워크 통신을 7개의 계층으로 나눈 참조 모델이다. 서로 다른 시스템이 통신할 수 있도록 통신 과정을 기능 단위로 분리하고, 각 계층이 어떤 역할을 맡는지 정의한다.

실제 인터넷은 TCP/IP 모델을 기반으로 동작하지만, OSI는 통신 과정을 이해하고 설계나 진단을 할 때의 표준 언어 역할을 한다. "L2 스위치", "L3 라우팅", "L7 로드밸런서" 같은 표현이 모두 OSI 계층 번호를 가리킨다.

OSI 모델은 아래에서 위로 다음과 같이 구성된다.

계층	이름	PDU	대표 프로토콜	대표 장비
7	Application	Data	HTTP, FTP, DNS, SMTP	-
6	Presentation	Data	TLS, JPEG, ASCII	-
5	Session	Data	NetBIOS, RPC	-
4	Transport	Segment	TCP, UDP	-
3	Network	Packet	IP, ICMP	라우터
2	Data Link	Frame	Ethernet	스위치, 브리지
1	Physical	Bit	-	허브, 리피터, UTP, 광케이블

PDU(Protocol Data Unit)는 각 계층에서 다루는 데이터 단위를 말한다.

1. Physical Layer

전기 신호, 광 신호, 무선 주파수 같은 물리적 매체를 통해 비트를 전송하는 계층이다. 케이블 종류, 커넥터 모양, 전압 레벨, 전송 속도 같은 물리적 사양을 정의한다.

PDU: Bit (0과 1)
대표 장비: 허브, 리피터, 케이블, NIC의 물리 인터페이스
표준 예시: 100BASE-TX, 1000BASE-T, IEEE 802.11 (Wi-Fi)

2. Data Link Layer

같은 네트워크 구간(LAN) 안에서 인접한 노드 사이의 데이터 전달을 담당한다. 프레임 단위로 데이터를 묶고, MAC 주소로 송수신 장치를 식별하며, 오류 검출(CRC)도 수행한다.

PDU: Frame
주소 체계: MAC 주소 (48bit)
대표 장비: L2 스위치, 브리지
대표 프로토콜: 이더넷, PPP, STP, VLAN

데이터 링크 계층은 다시 LLC(Logical Link Control) 와 MAC(Media Access Control) 로 세분화되는데, MAC 부계층이 매체 접근 제어(CSMA/CD 등)와 주소 지정을 담당한다.

3. Network Layer

서로 다른 네트워크 간에 end-to-end로 패킷을 전달하는 계층이다. 출발지에서 목적지까지 어떤 경로로 갈지 결정하는 라우팅이 핵심이다.

PDU: Packet
주소 체계: IP 주소
대표 장비: 라우터, L3 스위치
대표 프로토콜: IPv4, IPv6, ICMP, OSPF, BGP

데이터 링크가 같은 LAN 안의 전달을 책임진다면, 네트워크 계층은 LAN과 LAN을 잇는 역할을 한다.

4. Transport Layer

호스트에 도착한 데이터를 올바른 포트에 전달하고, 신뢰성 있는 통신을 제공하는 계층이다.

PDU: Segment(TCP), Datagram(UDP)
주소 체계: 포트 번호 (16bit)
대표 프로토콜: TCP, UDP

TCP는 연결 지향, 흐름 제어, 혼잡 제어, 재전송으로 신뢰성을 제공한다. UDP는 신뢰성을 포기하는 대신 오버헤드가 적어 실시간 스트리밍, DNS, DHCP 등에 쓰인다.

5. Session Layer

통신 양 끝점 사이의 세션을 만들고, 유지하고, 종료하는 계층이다. 체크포인트를 통해 통신이 끊겼을 때 중간 지점부터 재개하는 기능도 담당한다.

대표 프로토콜: NetBIOS, RPC, SOCKS

실제 TCP/IP 구현에서는 세션 관리 기능이 전송 계층(TCP)이나 응용 계층(HTTP cookie, TLS session resumption)에 흡수된 경우가 많다.

6. Presentation Layer

애플리케이션 데이터의 표현 형식 변환을 담당하는 계층이다.

인코딩 변환: ASCII ↔ EBCDIC, UTF-8 변환
압축: gzip, JPEG, MP3
암호화: TLS/SSL이 이 계층의 대표적인 예

송신 측이 데이터를 어떤 형식으로 보냈든 수신 측이 동일하게 해석할 수 있도록 표준 형식으로 맞춰주는 역할이다.

7. Application Layer

사용자나 애플리케이션이 직접 사용하는 프로토콜들이 동작하는 계층이다.

웹: HTTP, HTTPS
메일: SMTP, POP3, IMAP
파일 전송: FTP, SFTP
네임 서비스: DNS, DHCP
원격 접속: SSH, Telnet

브라우저, 메일 클라이언트, 원격 접속 도구 같은 애플리케이션이 이 계층의 프로토콜을 호출해 통신한다.

캡슐화와 역캡슐화

데이터가 송신 호스트에서 수신 호스트로 전달될 때 계층을 따라 내려가며 헤더를 붙이고(캡슐화), 올라가며 헤더를 떼어낸다(역캡슐화).

[송신측]                              [수신측]
Application → Data                    Data ← Application
Transport   → [TCP][Data]             [TCP][Data] → Transport
Network     → [IP][TCP][Data]         [IP][TCP][Data] → Network
Data Link   → [Eth][IP][TCP][Data]    [Eth][IP][TCP][Data] → Data Link
Physical    → 0101010101...           0101010101... → Physical

각 계층은 자기 헤더만 처리하고 상위 계층의 페이로드는 그대로 전달한다.

OSI vs TCP/IP

OSI는 이론적인 참조 모델이고, 실제 인터넷은 더 단순한 TCP/IP 4계층 모델로 동작한다.

OSI 7계층	TCP/IP 4계층
Application
Presentation	Application
Session
Transport	Transport
Network	Internet
Data Link	Network Access
Physical

TCP/IP는 OSI의 5, 6, 7계층을 하나로 합치고, 1, 2계층도 묶어서 다룬다. 실제 구현은 TCP/IP 모델을 따르지만, OSI는 통신 과정을 분석하고 장애를 진단할 때의 공통 기준 역할을 한다.