OSI 7 계층

March 18, 2024

OSI 7 계층이란?

네트워크 프로토콜이 통신하는 구조를 7개의 계층으로 분리하여 각 계층간 상호 작동하는 방식을 정해 놓은 것이다.

프로토콜은 둘 이상의 통신 개체 간에 교환되는 메시지 포맷과 순서뿐만 아니라, 메시지의 송수신과 다른 이벤트에 따른 행동들을 정의한다.

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각 계층은 그 계층 내부에서 어떤 동작을 수행하거나, 직접 하위 계층의 서비스를 사용한다.

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7. 응용 계층

애플리케이션 계층은 네트워크 애플리케이션과 애플리케이션 계층 프로토콜이 있는 곳이다.

프로토콜
- HTTP(웹 문서 요청과 전송 제공)
  - 웹의 애플리케이션 계층 프로토콜
  - 클라이언트 - 서버 구조
  - TCP를 전송 프로토콜로 사용
- SMTP(전자메일 전송 제공)
- FTP(두 종단 시스템 간의 파일 전송 제공)

각 종단 시스템의 네트워크 애플리케이션끼리는 위의 프로토콜로 정보 패킷을 교환한다. 그리고 애플리케이션 계층에서 이 정보 패킷을 메시지(message)라고 한다.

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PDU

네트워크의 어떠한 계층에서 계층으로 데이터가 전달될 떄 한 덩어리의 단위를 PDU(Protocol Data Unit)라고 한다.

‘패킷’이라고 전체적으로 말하기도 함.
헤더 필드와 페이로드 필드라는 두 가지 형태의 필드를 가짐.
- 헤더 - 각 계층마다 필요한 정보들이 담김
- 페이로드 - 송신 측에서 보내고자 하는 데이터

6. 표현 계층

위에서 각 계층은 계층 내부에서 어떤 동작을 수행하기 위해 하위 계층의 서비스를 사용할 수 있다고 했다. 표현 계층은 상,하위 계층에서 데이터를 받아 반대 계층에 맞게 데이터를 변환하는 동작을 수행한다. 즉, 전송하는 데이터의 인코딩 및 디코딩이 이루어지는 계층이라고 볼 수 있다.

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표현 계층의 프로토콜
- SSL(디지털 인증서)
- ASCII
- JPEG(이미지)
- MPEG(멀티미디어(비디오, 오디오))

5. 세션 계층

세션 계층은 응용 프로그램간의 연결, 유지, 종료를 관리한다.

포트 번호를 기반으로 연결
두 프로세스 간의 대화를 관리하는 특수한 메시지 사용 - 토큰
에러가 발생하면 동기화 지점을 두어 데이터 손실을 복원한다.

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동시 송수신 방식 :duplex

두 대의 단말기가 데이터를 송수신하기 위해 동시에 각각 독립된 회선을 사용하는 통신 방식
반이중 방식 : half-duplex

두개의 통신장치가 각각의 방향으로 양방향 통신을 할수는 있지만 한번에 한쪽방향으로만 통신이 가능한 통신방식
전이중 방식 : Full Duplex

두개의 통신장치가 동시에 통신이 가능한 통신방식 ex) socket

4. 전송 계층

전송 계층은 클라이언트와 서버 간에 애플리케이션 계층 메시지를 전송하는 서비스를 제공한다.

애플리케이션 메시지 → 세그먼트로 캡슐화 → 네트워크 계층으로 전달

캡슐화/역캡슐화

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캡슐화/역캡슐화는 각 계층에서 필요한 추가정보들을 패킷에 더하는 것을 뜻합니다. 전송 계층에서 패킷은 세그먼트가 되겠습니다.

이때 추가정보는 트랜스포트 계층 헤더 정보라고 하며 그림에서는 Ht입니다.

애플리케이션 계층 메시지 + 트랜스포트 계층 헤더 정보 = 트랜스포트 계층 세그먼트

트랜스포트 계층 세그먼트는 애플리케이션 계층 메시지를 캡슐화합니다.
추가된 정보는 수신 측의 트랜스포트 계층이 그 메시지를 적절한 애플리케이션으로 보내도록 하는 정보와 메시지의 비트들이 변경되었는지 아닌지를 수신자가 결정하게 하는 오류 검출 비트를 포함합니다.
그다음에 트랜스포트 계층은 세그먼트를 네트워크 계층으로 보냅니다.
네트워크 계층은 출발지와 목적지 종단 시스템 주소와 동일한 헤더 정보(그림에서 Hn)를 추가하여 네트워크 계층 데이터그램을 만듭니다.
이 데이터그램은 링크 계층으로 전달되고 링크 계층도 자신 헤더 정보를 추가하고 링크 계층 프레임을 만듭니다.

인터넷에는 두 가지 트랜스포트 계층 프로토콜이 존재한다.

TCP
- 애플리케이션에게 연결 지향형 서비스를 제공한다. 이 서비스는 목적지로의 애플리케이션 계층 메시지 전달 보장과 흐름 제어(송신자/수신자의 속도 일치)를 포함한다.
- 긴 메시지를 짧은 메시지로 나누고 혼잡 제어 기능을 제공한다.
  - 혼잡 제어 : 한 TCP 연결이 과도한 양의 트래픽으로 모든 통신하는 호스트들 사이의 스위치와 링크를 혼잡하게 하는 것을 방지하는 것.
  - 각 TCP 연결이 링크의 대역폭을 공평하게 공유하여 통과하게 해줌.
- 3-way-handshake
- 4-way-handshake
- SYN(Synchronization) : 연결요청, 세션을 설정하는데 사용되며 초기에 시퀀스 번호를 보냄
- ACK(Acknowledgement) : 보낸 시퀀스 번호에 TCP 계층에서의 길이 또는 양을 더한 것과 같은 값을 ACK에 포함하여 전송
  - 동기화 요청에 대한 답변 : Client의 Sequence Number+1을 하여 ACK로 돌려줍니다.
- Step 1 (SYN)
  
  클라이언트는 서버와 커넥션을 연결하기 위해 SYN을 보낸다. (seq : x)
  - 송신자가 최초로 데이터를 전송할 때 Sequence Number를 임의의 랜덤 숫자로 지정하고, SYN 플래그 비트를 1로 설정한 세그먼트를 전송한다.
  - PORT 상태
    - Client : CLOSEDSYN_SENT 로 변함
    - Server : LISTEN
- Step 2 (SYN + ACK)
  
  서버가 SYN(x)을 받고, 클라이언트로 받았다는 신호인 ACK와 SYN 패킷을 보냄 (seq : y, ACK : x + 1)
  - 접속요청을 받은 Q가 요청을 수락했으며, 접속 요청 프로세스인 P도 포트를 열어달라는 메세지를 전송 (SYN-ACK signal bits set)
  - ACK Number필드를 Sequence Number + 1 로 지정하고 SYN과 ACK 플래그 비트를 1로 설정한 새그먼트 전송 (Seq=y, Ack=x+1, SYN, ACK)
  - PORT 상태
    - Client : CLOSED
    - Server : SYN_RCV
- Step 3 (ACK)
  
  클라이언트는 서버의 응답은 ACK(x+1)와 SYN(y) 패킷을 받고, ACK(y+1)를 서버로 보냄
  - 마지막으로 접속 요청 프로세스 P가 수락 확인을 보내 연결을 맺음 (ACK)
  - 이때, 전송할 데이터가 있으면 이 단계에서 데이터를 전송할 수 있다.
  - PORT 상태
    - Client : ESTABLISED
    - Server : SYN_RCV ⇒ ACK ⇒ ESTABLISED
FIN (finish) : 세션을 종료시키는데 사용되며, 더 이상 보낸 데이터가 없음을 나타낸다.
- STEP1 (Client → Server : FIN(+ACK)
  - 서버와 클라이언트가 연결된 상태에서 클라이언트가 close()를 호출하여 접속을 끊는다.(으려한다.)
  - 이때, 클라이언트는 서버에게 연결을 종료한다는 FIN 플래그를 보낸다.
    - 이때 FIN 패킷에는 실질적으로 ACK도 포함되어있다.
- STEP2 (Server → Client : ACK)
  - 서버는 FIN을 받고, 확인했다는 ACK를 클라이언트에게 보내고 자신의 통신이 끝날때까지 기다린다. (이상태가 TIME_WAIT 상태)
    - Server(수신자)는 ACK Number 필드를 (Sequence Number + 1)로 지정하고, ACK 플래그 비트를 1로 설정한 세그먼트를 전송한다.
  - 서버는 클라이언트에게 응답을 보내고 CLOSE_WAIT 상태에 들어갑니다. 그리고아직 남은 데이터가 있다면 마저 전송을 마친 후에 close( )를 호출
  - 클라이언트에서는 서버에서 ACK를 받은 후에 서버가 남은 데이터 처리를 끝내고 FIN 패킷을 보낼 때까지 기다리게 됩니다. (FIN_WAIT_2)
- STEP3 (Server → Client : FIN)
  - 데이터를 모두 보냈다면, 서버는 연결이 종료에 합의 한다는 의미로 FIN 패킷을 클라이언트에게 보낸 후에, 승인 번호를 보내줄 때까지 기다니는 LAST_ACK 상태로 들어간다.
- STEP4 (Client → Server : ACK)
  - 클라이언트는 FIN을 받고, 확인했다는 ACK를 서버에게 보낸다.
  - 아직 서버로부터 받지 못한 데이터가 있을 수 있으므로 TIME_WAIT을 통해 기다린다. (실질적인 종료과정 CLOSED에 들어가게 된다.)
    - 이때 TIME_WAIT 상태는 의도치 않은 에러로 인해 연결이 데드락으로 빠지는 것을 방지
    - 만약 에러로 인해 종료가 지연되다가 타임이 초과되면 CLOSED로 들어갑니다.
- 서버는 ACK를 받은 이후 소켓을 닫는다 (Closed)
- TIME_WAIT 시간이 끝나면 클라이언트도 닫는다 (Closed)
UDP
- 비연결형 서비스를 제공한다.
- 신뢰성, 흐름 제어, 혼잡 제어를 제공하지 않는다.
- 데이터그램 단위를 사용(독립적인 관계를 지니는 패킷)