[CS] 네트워크의 OSI 7계층에 대해 알아보자

🔊 해당 포스팅은 로스카츠의 AI 머신러닝 네트워크 목차 블로그 내용을 공부하면서 배운 내용을 저만의 방식으로 재정리하고자 하는 목적 하에 작성되는 포스팅입니다. 사용되는 모든 자료는 원본 블로그의 내용을 참고하되 제가 직접 재구성했음을 알립니다.

 

이번 포스팅에서는 CS 지식 중 네트워크, 그 중에서도 서로 다른 컴퓨터 간에 통신할 때 사용되는 OSI 7계층에 대해 알아보고 각 계층이 어떤 역할을 수행하는지에 대해 알아보려고 한다.

 

컴퓨터 간에는 어떻게 통신을 가능하게 하는 걸까?

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네트워크, OSI 계층같은 개념이 자리잡지 않았던 시절, 서로 다른 컴퓨터 간에 통신을 한다는 것은 상상하기 힘든 일이었다고 한다. 즉, 예를 들어 같은 브랜드의 컴퓨터끼리만 통신이 가능하고 서로 다른 브랜드의 컴퓨터 간에는 통신을 할 수 없었던 시절이 있었다(상상이 안 된다..) 그래서 이와 같은 문제를 해결하기 위해 일련의 공통 규칙 즉, 표준 규격을 만들었는데, 그것이 바로 OSI(Open System Interconnection) 7계층이다. 그리고 이 OSI 7계층을 4개의 계층 버전으로 간소화시킨 것이 TCP/IP 계층(모델)이다.

 

OSI 7계층 vs TCP/IP 계층

 

그러면 2개의 서로 다른 컴퓨터 간에 OSI 7계층으로 어떻게 통신을할까? 아래 그림을 살펴보자.

 

컴퓨터 간의 통신을 OSI 7계층을 활용

 

그림을 보면 알겠지만 송신 컴퓨터는 데이터가 출발하는 곳이다. 송신 컴퓨터에서 데이터가 출발해 수신 컴퓨터에 도착할 때까지 OSI 7 계층을 위에서 아래로 1번, 아래에서 위로 1번을 거친다. 그리고 계층을 이동할 때마다 헤더가 붙거나 또는 헤더가 제거되는 과정을 볼 수 있다. 송신 컴퓨터에서 출발해서 헤더가 계속 붙는 과정을 캡슐화, 반대로 헤더가 계속 제거되는 과정을 역캡슐화라고 부른다. 그러면 이제 세부적으로 OSI 7계층의 각 계층마다 하는 역할이 무엇인지에 대해서 배워보도록 하자.

1. 컴퓨터 간에 물리적인(전기) 연결을 해주자, 물리 계층!

물리계층은 말 그대로 컴퓨터 또는 시스템 간에 '물리적인' 연결을 해주는 장치이다. 여기서 물리적인 연결이라 함은 전기신호로 두 시스템을 연결해주는 것을 의미한다. 더 세부적으로 말하면, 송신 컴퓨터가 보낸 데이터를 전기신호로 변환해서 수신 컴퓨터로 보내는 역할을 수행한다.

 

예전에 CS 스터디 초반에 했을 때, 우리는 컴퓨터가 0 또는 1로 이루어진 2진수 형태로 이루어진 비트열 데이터로 이해한다고 했다. 하지만 실질적으로 말하면 이 2진수 형태의 비트열을 '전기신호'로 변환해주어야 컴퓨터가 '진짜로' 이해할 수 있는 형태이다.(컴퓨터는 전자기기 장치이니깐!)

 

물리 계층은 비트열의 데이터를 전기 신호로 변환시킨다

 

그런데 비트열에서 전기신호로의 변환을 누가 수행해주는걸까? 그것은 바로 LAN(Local Area Network) 카드가 그 역할을 한다. 랜카드는 랜(LAN) 케이블을 꼽는 장치이다. 랜카드의 생김새는 아래와 같다. 한 번쯤 봤을 수도 있다.

 

출처: 랜카드(나무위키)

 

그런데, 이 랜카드는 말 그대로 어딘가로부터 전송되어 온 비트열의 데이터를 전기신호로 '변환'만 해주는 장치이다. 즉, 랜카드 말고도 추가로 필요한 장치가 있다. 바로 변환된 전기신호를 다른 곳으로 전송해주어야 하는 장치가 있어야 한다. 전기신호는 상식으로 알다시피 전선이라는 선을 통해서 전송된다. 이 때, 전선의 역할을 하는 장치가 리피터(Repeater) 장치이다. 리피터는 전기신호를 주기적으로 증폭시켜주어서 전기 신호가 전송될 수 있도록 해준다. 따라서 랜카드와 리피터라는 장치로 인해 두 컴퓨터 간의 통신을 가능하게 해준다.

 

그런데 방금 리피터 장치가 전기신호를 증폭시켜준다고 했다. 이는 곧 통신하려는 두 컴퓨터 간에 물리적인 거리가 매우 멀어지면 리피터가 아무리 전기신호를 증폭시킨다고 해도 거리가 멀어짐에 따라 신호가 약해져 통신이 어렵게 된다. 또한 리피터는 컴퓨터 1대 간에만 통신이 가능하다(1:1 관계만 통신 가능)

 

이러한 리피터의 한계점(1:1 통신)을 보완하기 위해 등장한 것이 바로 허브(Hub)이다. 허브는 리피터와 달리 N:N 관계에 있는 컴퓨터들 간에 통신이 가능하다. 허브의 생김새는 아래와 같다.

 

출처: 허브(해시넷)

 

이러한 허브라는 장치는 위에 구멍이 많은 것에서 알 수 있듯이 여러대 컴퓨터를 연결할 수가 있으며 리피터처럼 전기 신호를 증폭시키는 역할도 할 수 있다. 하지만 이 허브도 단점이 있다. 바로 데이터 전송 시, 허브에 연결된 모든 컴퓨터에 무조건 데이터가 다 전송이 된다는 것이다. 예를 들어, 허브에 A ~ Z까지의 26대의 컴퓨터가 연결되어 있는데, A라는 컴퓨터는 C라는 컴퓨터에게만 비밀스러운 데이터를 전송하고 싶다. 그런데 허브에 연결된 이상, A에서 전송한 데이터는 C뿐만 아니라 B부터 Z까지 모든 컴퓨터에게 강제(?)로 데이터 전송이 된다. 이렇게 되면 보안이 중요한 데이터를 보내거나 하는 경우에 문제가 될 것이다.

2. 신호(데이터)를 주고받는 우리만의 규칙을 정하자, 데이터링크 계층!

데이터링크 계층을 알아보기 전에 위에서 배운 물리계층을 잠깐 복습해보자, 물리계층은 허브라는 장치를 통해 여러대의 컴퓨터를 연결하고 그 컴퓨터들 간에 데이터를 송/수신한다고 했다. 그런데 한 가지 추가로 지정해줘야 할 것이 있다. 바로 데이터를 송/수신하는 규칙을 정해야 한다는 것이다.

 

예를 들어, 한국인들끼리 요즘(?) 대화를 할 때, 한국어의 '낄끼빠빠' 라는 용어를 쓰면 이 용어가 "낄때 끼고 빠질 때 빠지다." 라는 문장으로 해석하기로 일종의 약속이자 규칙을 정했다. 이러한 규칙 때문에 한국인들은 '낄끼빠빠' 라는 단어로 손쉽게 자신의 의도(데이터)를 서로 간에 소통(송/수신)할 수 있다. 컴퓨터도 마찬가지다. 컴퓨터들 간에 데이터를 송/수신할 때, 어떠한 규칙을 지정해야 한다. 이러한 규칙을 정하는 것이 바로 데이터링크 계층의 역할이고, 규칙의 대표적인 종류 중 하나가 바로 이더넷(Ethernet)이다. 이더넷은 위에서 배운 LAN에 적용되는 규칙이다.

 

그런데 여기서 이더넷은 CSMA/CD 라는 기술을 활용해서 물리계층 허브 장치의 단점을 보완한다. 허브 장치의 단점은 무엇이었나? 특정 데이터를 전송할 때면 허브 장치에 연결된 모든 컴퓨터들에게 의무적으로 전송될 수 밖에 없다는 점이였다. 이러한 점을 해결하는 기술이 CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)이다. 한국어로 해석하면 '반송파 감지 다중 접속 및 충돌 탐지' 라는 단어로 정의되지만 이런 어려운 용어는 잠시 접어두고 아래 그림을 통해 이해해보자.

 

A, C 컴퓨터가 동시에 송신하려고 한다

 

허브에 A ~ G까지의 컴퓨터가 연결되어 있다. 이 때 A 컴퓨터가 특정 데이터를 송신하려고 한다. 그런데 동시에 C 컴퓨터도 어떤 데이터를 송신하려고 한다. 이렇게 되면 두 개의 데이터가 동시에 송신되면 데이터가 충돌하게 된다. 그래서 이러한 충돌 문제를 해결하기 위해서 이더넷은 CSMA/CD 기술을 이용하는 건데, CSMA/CD 기술의 역할은 위와 같이 충돌하는 문제가 발생할 때, 하나의 컴퓨터 이외에 다른 컴퓨터들은 데이터 송/수신이 끝날때 까지 대기하는 것이다.

 

데이터 송신이 끝날때까지 다른 컴퓨터들은 대기를 한다

 

이더넷이 LAN에 적용되는 규칙이라고 언급했다. 구체적으로 어떤 규칙을 적용하는 걸까? 이 규칙이 무엇인지는 LAN 카드안에 있는 MAC 주소를 통해 알 수 있다. 위에서 LAN 카드는 물리계층에서 비트열의 데이터를 전기신호로 변환해주는 장치라는 것을 배웠다. 이 장치 안에 MAC 주소라는 것이 존재하는데, 이 MAC 주소는 각 LAN 카드마다 유니크하게 부여되는 주소이다. MAC 주소는 일종의 네트워크를 식별할 수 있는 주소라고 한다. MAC 주소는 48비트로 아래처럼 구성되어 있다.

 

MAC 주소의 구성

 

이러한 MAC 주소는 어디에 활용되는 걸까? 아래 그림은 맨 위에서 살펴보았던 OSI 7계층일 때 데이터가 송/수신 되면서 거쳐가는 계층의 흐름을 표시했던 그림이다.

 

컴퓨터 간의 통신을 OSI 7계층을 활용

 

잘 보면 계층을 하나씩 이동할 때 마다 헤더라는 부분이 붙거나 또는 제거되는 것을 볼 수 있다. 해당 목차에서는 데이터링크 계층을 살펴보고 있으니, 데이터링크 계층을 거쳐가면서 붙는 헤더에 대해 알아보자. 그리고 이 헤더 안에 들어가는 정보 중 하나로 MAC 주소가 담겨져 있다.

 

데이터링크 계층에 붙는 헤더

 

데이터링크 계층에서 붙는 헤더는 위처럼 5개의 종류 데이터가 붙는다. 목적지 MAC 주소는 데이터를 수신하는 컴퓨터가 소속되어 있는 네트워크 주소이며, 출발지 MAC 주소는 데이터를 송신하는 컴퓨터가 속해 있는 네트워크 주소이다. 그리고 유형은 프로토콜(통신 규칙)의 종류인데, IPv4, IPv6가 대표적이다. IPv4, IPv6는 컴퓨터의 IP 주소와 관련있는 규약인데, 이에 대해서는 포스팅 하단에서 다룰 예정이니 이번엔 넘어가도록 하자. 데이터는 그야말로 데이터 정보 그 자체이고, FCS(Frame Check Sequence)는 트레일러라고도 하는데 데이터 전송 중 오류 발생하는 지여부를 체크하는 역할을 하는 정보이다. 그리고 이러한 데이터링크 계층에서 붙는 헤더와 데이터를 합쳐서 (이더넷) 프레임이라고 부른다.

 

다음은 물리계층에서 배운 허브라는 장치의 역할을 데이터링크 계층에서 수행하는 스위치 장치에 대해 알아보자. 스위치 장치에 여러대의 컴퓨터가 연결된 모습을 도식화하면 아래와 같다.

 

스위치에 연결된 4개의 컴퓨터

 

아직은 현재 아무런 통신이 이루어지 않은 상태이다. 이제 아래처럼 A 컴퓨터가 데이터를 송신한다고 해보자. 단, 지금 상황으로는 출발지 MAC 주소는 알지만, 도착지 MAC 주소는 모른다고 가정했을 때이다.

 

A 컴퓨터가 데이터를 송신할 경우

 

A 컴퓨터는 현재 스위치의 1번 포트에 연결되어 있고, 데이터를 송신하기 위해 통신을 했다. 이 순간 스위치 내부에는 MAC 주소 테이블이라는 것이 내부에 존재하는데, 이 테이블에 스위치의 포트번호와 그 포트에 연결되어 있는 컴퓨터의 MAC 주소가 등록이 된다. 아래처럼 말이다.

 

통신을 할 경우, 스위치 내부에 있는 MAC 주소 테이블에 정보가 기록된다

 

그런데 이럴 경우, A 컴퓨터가 보낸 데이터는 어떤 컴퓨터들이 수신할까? 방금 우리는 목적지 MAC 주소는 모른다고 가정했기 때문에 이럴 경우에는 모든 컴퓨터들 즉, B,C,D 컴퓨터들에게 A가 보낸 데이터(프레임이라고도 함. Why? 위에서 데이터링크 계층에서 데이터+헤더 = 프레임이라고 했기 때문)가 전송된다. 이렇게 모든 컴퓨터에게 전송되는 현상을 플러딩(Flooding)이라고 한다.

 

그러면 이제 스위치의 MAC 주소 테이블에 목적지 MAC 주소가 등록되어 있을 경우를 살펴보자.

 

컴퓨터 C는 스위치의 3번 포트에 연결되어 있다고 가정

 

출발지, 목적지 MAC 주소를 모두 알고 있기 때문에 당연하게도 우리가 데이터를 보내길 원하는 C 컴퓨터에게만 송신시킬 수 있다. 이렇게 MAC 주소 테이블을 활용한 스위치라는 장치는 물리계층에서의 허브와는 달리 데이터를 원하는 곳으로만 보낼 수 있다는 장점이 있다. 이렇게 되면 다른 사람들이 알아선 안 될 데이터를 노출시키는 현상을 피할 수 있을 것이다.

 

그런데 한 가지 궁금한 점이 있을 것이다. 목적지 MAC 주소는 어떻게 알아낼까? 이를 가능케하는 것이 ARP(Address Resolution Protocal)이다. 용어가 또 어려워 보이지만 ARP는 간단하다. 바로 목적지 컴퓨터의 IP 주소를 활용해서 목적지 컴퓨터의 MAC 주소를 알아내는 것이다. 이렇게 ARP를 활용한다면 스위치의 MAC 주소 테이블에 목적지 MAC 주소를 기록할 수 있게 된다.

3. 다른 네트워크에 있는 컴퓨터랑도 통신할래, 네트워크 계층!

지금까지 배운 데이터링크 계층까지 활용하면 같은 스위치 즉, 같은 네트워크에 연결되어 있는 컴퓨터들 간에 통신을 가능하게 하며, 특정 컴퓨터에게만 데이터를 전송할 수 있게 되었다. 이번엔 이것을 넘어서 다른 스위치 즉, 더 너머에 있는 다른 네트워크에 있는 컴퓨터와도 통신을 가능케 하는 계층에 대해 배우려고 한다. 그것이 바로 네트워크 계층이다.

 

네트워크 계층의 역할을 가능하게 하는 장치는 라우터(Router)이다. 라우터 장치를 통해서 데이터를 통신하기 위해서는 크게 2가지가 필요하다. 첫 번째는 데이터를 보낼 곳 즉, 상대방 IP 주소를 알아야 한다.(마치 데이터링크 계층에서 목적지 MAC 주소를 알아야 하는 것처럼!) 두 번째는 데이터를 어떤 경로로 보낼지도 결정해야 한다. 이 때, '데이터를 어떤 경로로 보낼지'를 바로 라우팅(Routing)이라고 한다. 이러한 라우터의 특성과 라우팅 정보를 등록하고 관리하는 라우팅 테이블을 활용하기 때문에 거리에 상관없이 통신이 가능해진다. 

 

라우터는 서로 다른 네트워크의 컴퓨터 간 통신을 가능하게 한다

 

네트워크 계층에서는 IP라는 것을 통신 프로토콜(규칙)로 사용한다. 마치 데이터링크 계층에서 통신 규칙을 '이더넷'으로 사용했던 것처럼 말이다. 그러면 네트워크 계층에서도 데이터에 헤더가 붙는데, 헤더의 구성요소를 살펴보자.

 

IP 헤더 + 데이터 = IP 패킷

 

IP 헤더에는 수많은 요소들이 붙는 것을 알 수 있다. 각 요소에 대해서는 자세히 다루진 않는다. 대신 네트워크 계층에서 통신 규약으로 사용된다고 언급한 IP(Internet Protocol)에 대해서 알아보자. 

 

먼저 IP 주소는 누구한테서 부여받는 걸까? IP 주소는 ISP(인터넷 서비스 제공자, Internet Serivce Provider) 업체로부터 부여받는다. 대한민국의 대표 ISP는 KT, SK텔레콤, SK브로드밴드, LG유플러스 등이 있다. IP의 버전에는 IPv4, IPv6가 있다. IPv4는 32비트로 구성되어 있고, IPv6은 128비트로 구성되어 있다. IPv4가 먼저 사용되었는데, 인터넷 사용자가 늘어남에 따라 부여할 수 있는 IP 주소 개수가 부족하여 비트 수를 늘려 IPv6가 등장하게 되었다.(IP 주소도 어쨌건 일종의 재고라는 것이 존재하는 셈)

 

사실 IP 주소에는 공인 IP 주소와 사설 IP 주소로 구분된다. 이렇게 구분해서 사용하는 이유는 IP 주소가 부족한 상황이기 때문이다. 그래서 ISP로부터 직접 부여받는 공인 IP 주소를 라우터에만 할당하고, LAN에 속하는 호스트들은 사설 IP 주소를 받게 된다. 그래서 우리는 노트북을 켜서 IP 주소를 확인할 수 있는데, 이는 대부분 사설 IP 주소일 가능성이 매우 높다. 

 

이 때, 사설 IP 주소를 받을 때도 2가지 루트를 통해 받는데, 원하는 주소를 할당 받을 수 있고, DHCP 기능을 이용해서 자동으로 주소를 할당받을 수도 있다. DHCP에 대한 개념 설명은 원본 블로그 저자분의 설명을 참조해보도록 하자.

 

그러면 IP 주소는 어떤 구조로 구성되어 있을까? IP 주소는 크게 네트워크 ID와 호스트 ID로 구성되어 있다.

 

IP 주소의 구성요소 2가지

 

이 구조가 의미하는 바는 "나(컴퓨터)는 어떤 네트워크에 속해있는 어떤 컴퓨터(호스트)야!" 라고 알려주는 셈이다. 그리고 이 네트워크 ID와 호스트 ID를 사용하는 부분의 크기가 크고 작은 것에 따라 세부적으로 나눌 수 있는데, 이렇게 나누는 것을 "클래스 개념으로 나눈다" 라고 한다. 총 A ~ E 클래스까지 존재하는데, 각 클래스마다 사용하는 네트워크/호스트 ID 크기와 용도는 아래와 같다.

 

클래스 A ~ E로 나누는 IP 주소

 

그리고 IP 주소 중에 특수 주소 2가지가 존재한다. 첫 번째는 네트워크 주소라고 하며 호스트 ID 부분이 10진수로 모두 0인 주소를 의미한다. 이는 네트워크를 '대표'하는 주소이다. 두 번째는 브로드캐스트 주소이다. 호스트 ID가 10진수로 모두 255인 주소를 의미하며 이 주소를 컴퓨터 또는 라우터의 IP 주소로 할당할 수가 없다. 왜냐하면 브로드캐스트 주소는 해당 네트워크에 소속되어 있는 모든 컴퓨터에게 데이터를 전송할 때 사용하는 IP 주소이기 때문이다.

 

지금까지 우리는 라우터라는 장치를 연결해서 IP 주소라는 프로토콜을 통해 서로 다른 네트워크에 존재하는 컴퓨터 간에 통신을 할 수 있다는 것을 배웠다. 그런데 만약 컴퓨터가 1,000만대가 소속되어 있는 대규모 네트워크에다가 브로드캐스팅(모든 컴퓨터에게 데이터를 전송)을 한다고 하면 동일한 IP 패킷 1,000만개를 동시에 전송해야 하고 이는 엄청난 양의 작업이게 된다. 

 

이를 해결하기 위해 대규모 네트워크를 자그마한 네트워크로 쪼개서 통신하자는 아이디어로부터 나온것이 바로 서브넷팅이다. 그리고 쪼개진 자그마한 네트워크 하나하나를 서브넷(Subnet)이라고 부른다. 서브넷팅을 활용함으로써 IP 주소를 구성하는 요소(네트워크 ID, 호스트 ID)도 한단계 더 쪼개진다. 아래처럼 말이다.

 

기존 IP 구성요소에 서브넷 ID가 추가된다

 

즉, 호스트 ID가 호스트 ID와 서브넷 ID로 재분할된다. 그런데 위 그림에서 초록색 글씨처럼 서브넷 ID가 IP 주소의 몇 번째 비트부터 시작되는지 알아야 한다. 그래야 서브넷 ID를 알게 됨으로써 서브넷팅을 할 수 있기 때문이다. 이렇게 IP 주소의 몇 번째 비트부터 서브넷 ID가 시작되는지 표시하기 위해서 서브넷 마스크를 사용한다. 따라서 역으로 서브넷 마스크를 알면 몇 번째 비트부터 서브넷 ID가 시작되는지 알아낼 수 있다는 말이다. 

 

이렇게 해서 중간 정리를 하자면, 라우터를 통해 서로 다른 네트워크의 컴퓨터 간에 통신하는 방법을 정리하면 아래와 같다.

 

라우터를 통해 서로 다른 네트워크에 있는 컴퓨터 간에 통신

 

위 그림에서 네트워크 1에 있는 A 컴퓨터가 네트워크 2에 있는 C 컴퓨터로 데이터 송/수신을 한다고 해보자. 현재 출발지 컴퓨터인 A는 다른 네트워크에 있는 C 컴퓨터가 정확히 어디 있는지 모르기 때문에 기본 게이트웨이인 라우터의 주소 r1으로 데이터를 보낸다. 그리고 난 후 라우터는 r2라는 주소로부터 네트워크 2의 C 컴퓨터로 송신해준다. 이 때, 라우터가 목적디 컴퓨터의 위치를 찾기 위해 사용하는 것이 라우팅 테이블을 활용하는 것이다.

4. 데이터가 제대로 전송되었는지를 확인하자, 전송계층!

그동안 물리계층, 데이터링크 계층, 네트워크 계층 총 3개를 배우면서 서로 다른 컴퓨터에서, 더 나아가 서로 다른 네트워크에 있는 컴퓨터들 간에 데이터를 통신할 수 있다는 것을 배웠다. 사람들 간에 소통할 때, 자신이 말한 문장이 의도대로 상대방에게 잘 전달되었는지 확인하는 것처럼 컴퓨터 간에 통신할 때도 이런 것이 필요하다. 즉, 컴퓨터 간에 데이터가 잘 전송되었는지 확인하는 계층이 있는데 이것이 바로 전송계층이다. 참고로 데이터가 잘 전송된 통신을 신뢰성 있는 데이터 통신이라고도 한다.

 

전송계층의 역할은 크게 2가지이다. 첫 번째는 데이터가 제대로 도착했는지 여부를 확인하는 것, 두 번째는 데이터가 최종적으로 도착할 애플리케이션이 무엇인지 식별하는 것이다. 두 번째의 역할에 대해서 잘 이해가 안갈 수 있는데, 한 가지 예시를 들어보자. A 컴퓨터에서 어떤 데이터를 B 컴퓨터로 전송하려고 한다. 그런데 전송하려는 데이터는 B 컴퓨터에 있는 모든 애플리케이션(프로그램)들이 모두 필요로 하는 것은 아니다. 즉, B 컴퓨터에 깔려있는 메모장, 배틀그라운드, 메이플스토리, 계산기 등 여러가지 애플리케이션들이 있겠지만 여기서 A 컴퓨터가 전송한 데이터를 필요로 하는 것은 일부 애플리케이션일 것이다. 그래서 B 컴퓨터 내의 모든 애플리케이션 중 전송받은 데이터를 필요로 하는 애플리케이션이 어떤 것인지 식별해주는 역할을 전송계층이 해주는 것이다.

 

먼저 첫 번째 역할인 데이터가 제대로 도착했는지 여부를 확인하는 것부터 알아보자. 이를 알아보기 위해선 전송계층에서의 통신 방법을 알아야 한다. 모든 유형의 데이터들이 획일적인 통신 방법을 사용하는 것은 아니다. 통신 방법에는 연결형 통신과 비연결형 통신이 존재한다. 한 번이라도 들어봤을 법한 TCP 전송이 연결형 통신에 해당하고, UDP 전송이 비연결형 통신에 해당한다. 먼저 연결형 통신과 비연결형 통신의 특징들에 대해 각각 알아보자.

 

연결형 통신 vs 비연결형 통신

 

연결형 통신은 신뢰성 있는 데이터 통신일 때 주로 사용한다. 그러면 연결형 통신은 어떻게 신뢰성 있는 통신이 되도록할까? 바로 데이터를 정확히 전달하기 위해서 통신할 동안 계속 상대방 반응을 확인하면서 신뢰성을 확보한다. 주로 HTTP 통신이나 이메일이나 파일 전송과 같은 경우에 연결형 통신인 TCP를 사용한다.

 

반면에 비연결형 통신은 신뢰성보다 효율적인 통신을 가능하게 한다. 효율적인 통신은 상대방의 반응을 계속 확인하지 않음으로써 가능하게 한다. 그래서 보통 동영상이나 이미지와 같이 데이터가 어느 정도 유실되어도 상관없을 경우에 사용한다. 그리고 브로드캐스팅 전송 시에도 사용한다. 그래서 실시간 동영상이나 게임의 경우에 비연결 통신인 UDP를 사용한다.

 

그러면 이제 TCP, UDP에 대해 각각 알아보도록 하자. 먼저 TCP 통신 시 세그먼트(Segment)라는 것을 통해서 통신하는데, 세그먼트는 아래와 같은 구조로 구성되어 있다.(데이터링크 계층에서의 프레임, 네트워크 계층에서의 패킷이라는 개념처럼)

 

TCP 통신에서의 세그먼트 구성요소

 

TCP 헤더에는 많은 정보가 들어가 있다. 그 중에서 주목할 부분은 코드비트이다. 코드비트는 TCP 통신 시 신뢰성 있는 통신을 가능하게하기 위해 상대방 반응 계속 확인하기 위해 필요한 정보이다. 즉, 계속 상대방과 연결된 상태여야 하며 코드비트가 상대방과의 연결 상태를 제어하는 정보가 들어있는 것이다. 그래서 TCP로 전송 시, 먼저 상대방과 연결을 확보하여 가상의 통신로를 확보한 후 상대방에게 데이터를 전송한다. 코드비트에도 여러가지 정보가 들어있는데, 그 중에서 우리가 주목할 부분은 아래 그림의 ACK(Acknowledge), SYN(Synchronize) 비트 부분이다.

 

TCP 통신 시 상대방과의 연결을 제어하는 코드비트

 

ACK는 확인 응답을 의미하며, SYN은 연결 요청을 의미한다. 이렇게 코드비트라는 일종의 패킷을 사용해서 데이터 전송 전에 미리 상대방과의 연결을 확보한 후 데이터를 전송하는 것이다. 그려면 데이터를 전송하기 전 코드비트 패킷을 전송해 상대방과의 연결을 확보하는 과정을 순차적으로 알아보자.

 

TCP 통신에서의 A와 B 컴퓨터 간에 연결 확보

 

먼저 A 컴퓨터가 B 컴퓨터로 연결을 요청하기 때문에 SYN 비트에 1값을 부여한다. 그리고 그 요청을 받은 B 컴퓨터는 A 컴퓨터에게 연결 응답을 보내면서(ACK 비트에 1값 부여) 동시에 A 컴퓨터로의 연결 요청을 하기 위해 SYN 비트에 1값을 부여한다. 그리고 A 컴퓨터 입장에서도 B 컴퓨터의 연결 요청을 받았기 때문에 이에 대해 응답해주기 위해서 ACK 비트에 1을 부여해 B 컴퓨터에게 응답해준다. 이렇게 TCP 통신에서 데이터 전송 전 연결 통로를 확보하기 위해 코드비트 패킷을 3번 주고 받는다고 해서 3-way handshake 라고 부른다. 이 3-way handshake는 A, B 간의 컴퓨터 연결을 끊을 때도 수행해준다. 연결을 끊을 때의 과정은 아래 그림을 참조하자.

 

TCP 통신에서의 A와 B 컴퓨터 간에 연결 종료 과정

 

위와 같은 3-way handshake 방법을 활용해서 TCP 통신에서 데이터 전송 전 컴퓨터 간에 연결을 확보하는 과정을 알아보았다. 그러면 이제 데이터를 서로 간에 송/수신 하면 된다. 데이터 송/수신 시 TCP 헤더의 일련번호와 확인응답코드를 사용하면 몇 번째 데이터를 주고 받았는지 확인할 수 있다.

 

TCP 통신에서의 데이터 전송 과정

 

그런데 TCP 통신에서 세그먼트(TCP 헤더 + 데이터)를 하나 보낼 때마다 계속 상대방의 반응을 확인하는 절차를 매번 수행해주면 비효율적일 수 있다. 그래서 세그먼트를 몇 개씩 연속으로 보내고 확인은 한 번만 하는 방식을 채택한다. 이 때, 수신 컴퓨터 입장에서 송신 컴퓨터가 보낸 연속의 세그먼트를 일시적으로 보관할 장소가 필요한데, 이를 버퍼(buffer)라고 부르는 곳에 저장한다. 그런데 수신 컴퓨터가 갖고 있는 버퍼의 크기가 무한정이 아니고 제한되어 있다보니 갖고 있는 버퍼의 크기를 송신 컴퓨터에게 알려주어야 송신 컴퓨터가 그 버퍼 크기에 맞게 다수의 세그먼트를 보낼 수 있을 것이다. 그래서 수신 컴퓨터는 자신이 갖고 있는 버퍼의 크기를 TCP 헤더에 추가해주어 송신 컴퓨터에게 알려준다. 이 때 '버퍼의 크기'가 바로 윈도우 사이즈이다.(윈도우 사이즈는 위에서 TCP 헤더의 구성요소 그림에서 볼 수 있었다)

 

다음은 전송계층의 두 번째 역할인 식별성이다. 식별성은 데이터가 도착할 애플리케이션이 무엇인지 식별해주는 것이라고 했다. 식별해주기 위해서는 포트번호를 통해 구분한다. 즉 각 애플리케이션마다 포트번호를 다르게 함으로써 도착지 애플리케이션의 정보를 알 수 있다. 그래서 A 컴퓨터가 어떤 데이터를 B 컴퓨터의 X라는 애플리케이션에 전송하고 싶다면 A 컴퓨터는 B 컴퓨터의 IP 주소와 X 애플리케이션의 포트번호 정보가 모두 필요하다.

 

그래서 TCP 헤더에 담긴 정보를 보면 출발지/도착지 포트번호가 담겨있는 것을 알 수 있다. 포트번호는 보통 0~65,535번까지 사용할 수 있으며, 0~1023번 포트는 주요 프토로콜이 사용되며 1042번은 예약은 되어 있지만 사용하지 않는 포트이고 1025번 이상부터는 랜덤포트라고 부른다. 모든 컴퓨터에 공통적으로 들어가는 애플리케이션이 사용하는 포트번호는 대표적으로 아래와 같다.

 

애플리케이션	포트번호
SSH	22
SMTP	25
DNS	53
HTTP	80
POP3	110
HTTPS	443

 

참고로 SMTP는 간이 전송 우편 전송 프로토콜로 우리가 흔히 사용하는 이메일을 보내기(송신) 위해 사용되는 프로토콜이다. 반면에 POP3는 이메일을 받기(수신) 위해 사용되는 프로토콜이다. 나머지 애플리케이션들은 한 번쯤 들어봤을 것이므로 따로 설명하지 않겠다.

 

다음은 UDP에 대해 배워보자. UDP는 TCP에 비해 간단(?)하다. 다시 언급하자면 UDP는 비연결형 통신이라 상대방 반응을 확인하지 않고 데이터를 전송하기 때문에 전송속도가 빠르다. 하지만 데이터의 유실 가능성이 있기 때문에 중요한 데이터보다는 이미지나 영상과 같이 데이터가 조금 유실되도 괜찮은 데이터를 전송할 때 주로 사용한다.

 

TCP에서 세그먼트가 있듯이 UDP에서는 데이터그램이 있다. 데이터그램의 구조는 UDP 헤더와 데이터로 구성되며 UDP 헤더는 상대적으로 간결한 정보만 들어 있다.

 

UDP 데이터그램 구조

 

UDP는 상대방 반응을 확인하지 않기 때문에 단순히 UDP 헤더에 들어가 있는 정보를 활용해서 일방적으로 상대방 컴퓨터에게 데이터 그램을 전송하는 방식으로 통신한다.

5. 우리에게 가장 가까운 계층, 응용계층!

다음은 OSI 7 계층의 세션, 표현, 응용계층을 모두 알아보려고 한다. OSI 7계층에서는 3개로 나누어지지만, TCP/IP 계층에서는 응용계층 하나로 통합된 것을 볼 수 있다. 그러므로 그냥 응용계층으로 네이밍해서 설명하려 한다. 응용계층을 우리에게 가장 가깝다고 제목을 달았다. 우리에게 가장 가깝다는 의미는 일반적으로 우리가 컴퓨터에서 www.google.com  에 로그인을 한다거나 파일을 전송하거나 메일을 보내거나 받는 행위들을 요청할 때 가장 가까운 곳에서 발생하는 계층이라는 것을 비유했다.

 

자주 사용되는 응용계층 프로토콜과 그 역할은 아래와 같다.

 

프로토콜	역할
HTTP	웹 사이트 접속
DNS	도메인 해석
FTP	파일 전송
SMTP	메일 송신
POP3	메일 수신

 

위 프로토콜 중 DNS에 대해 간단히 배워보자. DNS는 Domain Name System이다. DNS가 필요한 이유는 뭘까? 우리가 매우 자주 접속하는 www.google.com  또는 www.naver.com  와 같은 대표적인 포털 사이트의 주소는 사실 껍데기(?)이다. 실제로는 숫자로 이루어진 IP 주소가 있지만, 숫자로 이루어진 IP 주소를 사람이 외우고 다니긴 힘들것이다. 그러므로 IP 주소를 외우거나 기억하기 쉬운 다른 주소로 치환한 것이 바로 도메인 주소이고, 이 도메인 주소를 관리하는 시스템은 DNS 라고 한다. DNS를 관리하는 서버도 존재하는데, 우리가 일반적으로 www.google.com  에 접속했을 때의 과정을 도식화해보도록 하자.

 

컴퓨터에서 구글 주소를 치면 발생하는 일

 

그리고 우리는 우리 노트북에서 어떤 IP 주소에 어떤 도메인 주소가 매핑되어 있는지 확인할 수 있다. 유닉스 계열인 맥북에서는 루트 디렉토리의 /etc/hosts 파일을 열어보면 내용을 확인해볼 수 있다. 127.0.0.1 이라는 IP 주소가 localhost 라는 도메인 주소로 매핑되어 있는 것을 볼 수 있고, 아까 3번 목차에서 배운 브로드캐스트 주소인 broadcasthost가 255로만 이루어진 IP 주소인 것도 확인할 수 있다.

 

/etc/hosts 파일 내부