OSI 참조 모델

물리 계층은 OSI 참조 모델의 최하위, 즉 제1계층에 해당한다. 이 계층의 주요 임무는 물리적 매체를 통해 비트 스트림을 전송하는 것이다. 구체적으로는 전기적, 기계적, 절차적 특성을 정의하여 데이터의 실제 물리적 이동을 담당한다.

이 계층에서 다루는 핵심 요소는 다음과 같다.

* 전송 매체: 꼬임선, 동축 케이블, 광섬유, 무선 주파수 등 데이터가 흐르는 물리적 경로

* 커넥터와 인터페이스: RJ-45, USB, SFP 모듈 등 장치와 매체를 연결하는 물리적 구성 요소

* 신호의 표현 방식: 0과 1의 비트를 전압의 높낮이, 빛의 펄스 유무, 전파의 위상 변화 등 물리적 신호로 변환 및 복원하는 방법

* 전송 속도와 동기화: 비트가 전송되는 타이밍과 속도를 조절하는 방식

물리 계층은 데이터의 의미나 구조(프레임, 패킷)에는 전혀 관여하지 않으며, 단순히 원시 비트 스트림을 한 지점에서 다른 지점으로 정확히 옮기는 기능만 수행한다. 따라서 오류 검출이나 흐름 제어와 같은 상위 계층의 논리적 기능은 이 계층의 책임이 아니다. 대표적인 물리 계층 표준으로는 이더넷의 10BASE-T, 1000BASE-LX, RS-232, SONET/SDH 등이 있다.

데이터 링크 계층은 OSI 참조 모델의 두 번째 계층으로, 직접 연결된 두 노드 간의 신뢰할 수 있는 데이터 전송을 담당한다. 이 계층은 상위 계층인 네트워크 계층으로부터 받은 패킷을 프레임이라는 단위로 구성하고, 물리적인 매체를 통해 인접한 시스템으로 오류 없이 전달하는 기능을 수행한다. 주요 역할은 물리 계층에서 발생할 수 있는 비트 오류를 탐지 및 교정하고, 흐름 제어를 통해 송신자와 수신자 간의 데이터 전송 속도를 조절하는 것이다.

이 계층의 핵심 기능은 다음과 같다.

* 프레임 구성: 네트워크 계층의 패킷에 헤더와 트레일러를 추가하여 프레임을 생성한다. 헤더에는 주로 수신자와 송신자의 MAC 주소가 포함된다.

* 물리적 주소 지정: MAC 주소와 같은 하드웨어 주소를 사용하여 로컬 네트워크 내에서 장치를 고유하게 식별하고 프레임을 전달한다.

* 오류 제어: CRC와 같은 기법을 트레일러에 추가하여 전송 중 발생한 비트 오류를 탐지한다. 일부 프로토콜은 오류 복구 기능도 제공한다.

* 흐름 제어: 수신 측의 처리 능력을 고려하여 데이터 전송 속도를 조절하여 프레임 손실을 방지한다.

* 매체 접근 제어: 이더넷과 같은 공유 매체에서 여러 장치가 동시에 전송하지 않도록 충돌을 관리한다.

데이터 링크 계층은 일반적으로 두 개의 부계층으로 나뉜다.

이 계층에서 동작하는 대표적인 장비로는 스위치와 브리지가 있다. 이 장비들은 MAC 주소 테이블을 학습하고, 프레임의 목적지 MAC 주소를 기반으로 특정 포트로만 프레임을 전달함으로써 네트워크 세그먼트 내의 효율적인 통신과 불필요한 트래픽 전파를 방지한다.

네트워크 계층은 OSI 참조 모델의 세 번째 계층이다. 이 계층의 주요 임무는 서로 다른 네트워크에 위치한 두 호스트 간의 논리적 연결을 가능하게 하는 경로 설정과 라우팅을 제공하는 것이다. 데이터 링크 계층이 같은 네트워크 세그먼트 내에서의 데이터 전달을 담당한다면, 네트워크 계층은 여러 네트워크를 넘나드는 종단 간의 데이터 전송 경로를 결정한다.

이 계층의 핵심 기능은 패킷의 논리적 주소를 사용하여 최적의 전송 경로를 선택하고, 패킷을 목적지까지 전달하는 것이다. 이를 위해 네트워크 계층은 IP 주소와 같은 논리적 주소 체계를 사용한다. 대표적인 네트워크 계층 프로토콜로는 인터넷 프로토콜이 있으며, 라우팅 프로토콜로는 RIP, OSPF, BGP 등이 있다.

네트워크 계층에서 데이터 단위는 패킷 또는 데이터그램이라고 부른다. 상위 전송 계층으로부터 받은 데이터에 네트워크 계층 헤더를 추가하여 캡슐화하는데, 이 헤더에는 발신지와 목적지의 IP 주소 정보가 포함된다. 라우터는 이 계층에서 동작하는 대표적인 네트워크 장비로, 패킷의 목적지 IP 주소를 확인하고 자신이 가지고 있는 라우팅 테이블을 참조하여 다음 경로를 결정한다.

전송 계층은 OSI 참조 모델의 네 번째 계층으로, 종단 간 통신을 담당한다. 이 계층의 주요 목적은 발신지와 목적지 사이의 데이터 전송을 신뢰할 수 있고 효율적으로 관리하는 것이다. 하위 계층인 네트워크 계층이 개별 패킷의 논리적 주소 지정과 라우팅을 처리한다면, 전송 계층은 이러한 패킷들의 전체적인 흐름, 즉 데이터 스트림을 제어한다.

전송 계층의 핵심 기능은 신뢰성 있는 데이터 전송을 보장하는 것이다. 이를 위해 오류 검출 및 복구, 흐름 제어, 혼잡 제어 등의 메커니즘을 제공한다. 대표적인 프로토콜로는 연결 지향적이고 신뢰성이 높은 TCP와 비연결형이며 신뢰성이 낮은 UDP가 있다. TCP는 3방향 핸드셰이크를 통한 연결 설정, 순서 번호와 확인 응답을 이용한 패킷 손실 복구, 슬라이딩 윈도우 기반의 흐름 제어 등을 수행한다. 반면, UDP는 이러한 신뢰성 메커니즘을 생략하여 오버헤드를 줄이고 실시간 응용 프로그램에 적합한 저지연 전송을 제공한다.

이 계층은 포트 번호를 사용하여 단일 호스트 내에서 실행되는 여러 개의 응용 프로그램 프로세스를 구별한다. 이를 통해 한 컴퓨터에서 웹 브라우저, 이메일 클라이언트, 파일 전송 프로그램 등이 동시에 네트워크를 사용할 수 있게 한다. 전송 계층의 서비스는 상위 세션 계층에 투명한 데이터 전송 경로를 제공하는 것이 최종 목표이다.

세션 계층은 OSI 참조 모델의 다섯 번째 계층으로, 통신 세션의 설정, 유지 관리, 종료를 담당한다. 이 계층은 두 시스템 간의 대화, 즉 세션을 조율하고 동기화하는 역할을 수행한다. 주요 기능은 통신 장치 간의 논리적 연결을 설정하고, 데이터 교환 중에 동기점을 삽입하여 오류 발생 시 특정 지점부터 재전송할 수 있도록 하며, 대화 방향을 전환하거나 세션을 정상적으로 종료하는 것이다.

세션 계층은 전송 계층이 제공하는 안정적인 연결 위에서, 실제 응용 프로그램들이 데이터를 구조화된 대화 형태로 교환할 수 있는 수단을 제공한다. 예를 들어, 원격으로 데이터베이스에 접속하거나 파일을 전송할 때, 연결 자체는 전송 계층이 관리하지만, 로그인 절차, 파일 전송의 시작과 끝, 전송 중 일시 정지와 재개 같은 상위 수준의 제어는 세션 계층이 담당한다. 또한 체크포인팅과 복구 기능을 통해 장시간의 데이터 전송에서 효율성을 높인다.

실제 네트워크 프로토콜 스택에서는 세션 계층의 기능이 응용 계층 프로토콜에 통합되는 경우가 많다. TCP/IP 모델에는 OSI의 세션 계층에 명확히 대응하는 독립적인 계층이 존재하지 않는다. 대신 RPC, NetBIOS, 일부 API 등이 세션 계층의 역할을 구현한다. 그럼에도 이 계층의 개념은 분산 응용 프로그램 간의 구조화된 대화를 이해하는 데 중요한 이론적 틀을 제공한다.

표현 계층은 OSI 참조 모델의 여섯 번째 계층이다. 이 계층의 주요 역할은 응용 계층에서 교환되는 데이터의 표현 방식, 즉 구문(Syntax)과 의미(Semantics)을 처리하는 것이다. 서로 다른 시스템 간에 데이터를 교환할 때, 데이터의 형식이나 부호화 방식이 다르면 올바른 통신이 불가능하다. 표현 계층은 이러한 차이를 극복하고 응용 프로그램이 이해할 수 있는 공통의 데이터 표현 형식으로 변환하는 기능을 담당한다.

주요 기능은 데이터의 변환, 암호화, 압축이다. 데이터 변환은 서로 다른 문자 코드(ASCII, EBCDIC, 유니코드)나 파일 형식 간의 변환을 포함한다. 예를 들어, 한 시스템이 EBCDIC 코드를 사용하고 다른 시스템이 ASCII 코드를 사용한다면, 표현 계층은 이를 상호 변환하여 데이터의 의미가 손실되지 않도록 한다. 또한, JPEG, MPEG, TIFF와 같은 멀티미디어 데이터 형식의 인코딩과 디코딩도 이 계층의 역할에 속한다.

데이터 보안을 위한 암호화(Encryption)와 복호화(Decryption), 그리고 전송 효율을 높이기 위한 데이터 압축(Compression)도 표현 계층에서 수행되는 중요한 기능이다. 암호화는 민감한 정보를 제3자가 이해할 수 없도록 변환하는 과정이며, 복호화는 이를 원래 형태로 되돌리는 과정이다. 데이터 압축은 전송해야 할 데이터의 크기를 줄여 대역폭 사용을 최적화한다.

이러한 작업을 통해 표현 계층은 응용 계층이 네트워크의 복잡한 데이터 표현 문제에서 벗어나 핵심 비즈니스 로직에만 집중할 수 있도록 한다. 결과적으로, 표현 계층은 이기종 시스템 간의 원활한 데이터 교환을 가능하게 하는 중간 변환자 또는 번역자의 역할을 수행한다고 볼 수 있다.

응용 계층은 OSI 참조 모델의 최상위 계층으로, 최종 사용자 또는 응용 프로그램이 네트워크 서비스를 직접 이용할 수 있는 인터페이스를 제공한다. 이 계층은 사용자가 네트워크를 통해 수행하려는 실제 작업, 예를 들어 웹 페이지 열기, 파일 전송, 이메일 송수신 등을 지원하는 프로토콜과 서비스를 정의한다. 다른 계층들이 데이터의 신뢰성 있는 전송에 주로 관여한다면, 응용 계층은 이러한 전송 기능을 바탕으로 구체적인 애플리케이션 기능을 구현한다.

주요 기능은 특정 응용 서비스를 위한 프로토콜을 구현하는 것이다. 대표적인 프로토콜로는 웹 서비스를 위한 HTTP, 파일 전송을 위한 FTP, 이메일 전송을 위한 SMTP, 수신을 위한 POP3와 IMAP, 도메인 이름 변환을 위한 DNS 등이 있다. 이 계층의 프로토콜은 데이터의 내용이나 의미(문법, 의미론)를 규정하며, 애플리케이션 간의 통신을 가능하게 한다.

아래는 응용 계층의 주요 프로토콜과 그 용도를 정리한 표이다.

응용 계층은 사용자에게 가장 가까운 계층이지만, 통신 자체는 하위 계층에 의존한다. 예를 들어, 웹 브라우저에서 URL을 입력하면, 응용 계층의 HTTP 프로토콜이 요청 메시지를 생성한다. 이 메시지는 하위 표현 계층으로 전달되어 캡슐화 과정을 거쳐 최종적으로 네트워크를 통해 전송된다. 따라서 응용 계층의 프로토콜은 네트워크의 복잡성을 추상화하여 사용자나 응용 프로그램이 통신 세부 사항을 알지 못해도 서비스를 이용할 수 있게 한다.

OSI 참조 모델의 7계층과 TCP/IP 모델의 4계층은 기능적으로 서로 대응된다. 이 대응 관계는 두 모델의 핵심 개념을 비교하고 이해하는 데 중요한 기준을 제공한다.

주요 계층 대응 관계는 다음과 같다.

가장 두드러지는 차이는 TCP/IP 모델의 응용 계층이 OSI 모델의 상위 3개 계층(응용, 표현, 세션)의 기능을 모두 포괄한다는 점이다. 이는 TCP/IP 모델이 특정 응용 프로그램 프로토콜들의 구현 방식을 더 유연하게 정의하기 위한 실용적 접근의 결과이다. 반면, 하위 계층인 네트워크 액세스 계층은 OSI의 데이터 링크 계층과 물리 계층을 하나로 통합하여 표현한다. 이는 물리적 네트워크와의 인터페이스에 대한 추상화를 제공한다.

전송 계층과 인터넷 계층(OSI의 네트워크 계층에 대응)은 두 모델에서 명칭과 기능이 거의 일치하는 1:1 대응 관계를 보인다. 이 두 계층은 종단 간 통신과 패킷 스위칭이라는 인터넷의 핵심 서비스를 담당하기 때문이다.

OSI 참조 모델과 TCP/IP 모델은 모두 네트워크 통신을 계층적으로 설명하지만, 설계 철학과 실제 적용 측면에서 몇 가지 중요한 차이점을 보인다.

가장 두드러진 차이는 계층 수와 계층의 범위다. OSI 모델은 통신 과정을 명확히 구분하기 위해 7개의 계층으로 세분화했으나, TCP/IP 모델은 실용성을 중시하여 4개의 계층으로 통합했다. 특히, OSI의 세션 계층, 표현 계층, 응용 계층에 해당하는 기능이 TCP/IP 모델에서는 하나의 응용 계층으로 통합되었다. 또한, TCP/IP 모델은 하드웨어와 가장 직접적으로 관련된 물리 계층과 데이터 링크 계층을 단일 네트워크 액세스 계층(또는 링크 계층)으로 포괄하는 경우가 많다.

두 모델의 근본적인 접근 방식도 다르다. OSI 모델은 통신 표준을 정의하기 전에 먼저 완벽한 참조 모델을 만들었다[3]. 반면, TCP/IP 모델은 이미 성공적으로 동작하던 TCP와 IP 프로토콜을 기반으로 그 구조를 설명하는 모델이 뒤늦게 정립되었다. 이로 인해 OSI 모델은 이론적으로 엄격하지만 복잡한 반면, TCP/IP 모델은 실용적이고 유연한 특징을 갖게 되었다.

결과적으로, OSI 모델은 네트워크 개념을 가르치고 시스템을 분석하는 데 탁월한 이론적 틀을 제공한다. 그러나 실제 인터넷과 대부분의 네트워크 시스템은 더 단순하고 효율적인 TCP/IP 모델과 그 프로토콜 스택을 기반으로 구축되어 동작한다.