[컴퓨터통신] 프로토콜과 OSI 모델

목차 (OPEN)

• 📑 들어가며
• 🟥 프로토콜이란
• 🟧 프로토콜의 계층화
• 🟨 프로토콜 간 인터페이스
• 🟩 프로토콜 스택
• 🟦 표준 구조 - OSI 모델
• 📚 결론

 

 

 

 

📑 들어가며

우리가 친구에게 카톡을 보내거나, 유튜브에서 영상을 보는 등의 모든 순간에서는

수많은 장치들이 서로 데이터를 주고받는 통신이 일어나고 있다.

 

그러나 신기하게도, 각각의 장치들은 제조사도 다르고, 운영체제도 다르며,

심지어 사용하는 언어(데이터 포맷) 등도 모두 제각각이다.

 

그럼에도 불구하고 아무 문제 없이 연결이 되는 이유는 뭘까?

바로 프로토콜(protocol), 즉 통신을 위한 규칙과 약속이 존재하기 때문이다.

 

이처럼 네트워크의 세계에서는 모든 통신이 약속된 규칙 위에서만 이루어지며,

이 규칙이 바로 오늘 포스팅의 주제인 '프로토콜'이다.

 

 

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🟥 프로토콜이란

서론에서 말했듯이, 프로토콜은 통신에서 사용되는 모든 약속과 규칙을 의미한다.

 

예를 들어, 우리가 일상에서 대화를 한다고 생각해보자.

내가 "안녕?"이라고 인사했을 때, 상대방이 "おはよう”라고 답한다면,

서로 언어가 달라 의사소통이 제대로 되지 않을 것이다.

 

또 다른 예시로 교통 상황을 떠올려보면,

'빨간 불엔 멈추고, 초록 불엔 가자'라는 공통된 약속이 있기 때문에

수많은 자동차가 부딪히지 않고 질서 있게 도로를 오갈 수 있다.

 

이처럼 서로 다른 시스템끼리도 제대로 통신하기 위해서는

'무엇을, 언제, 어떤 형식으로 주고 받을지'에 대한 약속이 필요하며,

이 약속의 집합이 바로 프로토콜인 것이다.

 

 

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🟧 프로토콜의 계층화

네트워크 통신은 단순히 데이터를 보내는 일처럼 보이지만,

사실 그 안에는 수많은 단계의 작업이 존재한다.

데이터를 전기 신호로 바꾸고, 전송 경로를 찾고, 오류를 확인하고, 다시 원래의 메시지로 조립하는 과정까지

이 모든 일을 한 덩어리로 처리한다면 너무 복잡하고, 유지보수도 불가능할 것이다.

 

그래서 이러한 복잡한 통신 과정을 역할별로 나누어 단계화한 것이

바로 프로토콜의 계층 구조(layered protocol)이다.

 

 

 

이거도 좀 더 쉽게 이해하기 위해서 택배가 고객에게 전달되는 과정을 떠올려보자.

포장 담당자는 물건을 안전하게 포장만 하면 되고,

배송 기사는 주소를 보고 물건을 정확하게 운반만 하면 된다.

 

이처럼 각자는 자기 역할만 잘 하면 되고,

윗단계와 아랫단계는 서로 규칙(인터페이스)만 지키면 된다.

(예를 들면, 포장 담당자는 사용자가 주문한 물건을 정확하게 체크하여 포장하여 전달해준다 던가 ..)

 

 

네트워크 구조도 이와 마찬가지다.

각 계층은 자기 바로 위의 계층에게는 서비스를 제공해주고, 자기 아래 계층의 서비스를 이용한다.

즉, 모든 계층은 서비스의 제공자이자 사용자인 셈이다.

 

그리고 이렇게 상하 간의 구조가 반복적으로 연결되어 있는 형태를

'재귀적 구조(Recursive Structure)'라고 부른다.

 

 

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🟨 프로토콜 간 인터페이스

앞서 말했듯이 네트워크의 각 계층은 서로 완전히 독립적으로 존재하지 않는다.

위 계층은 아래 계층의 도움을 받아야 통신이 가능하고,

같은 층의 계층끼리는 서로 약속된 규칙에 따라 대화를 해야 한다.

 

그리고 이때 중요한 두 가지 개념이

service interface와 peer-to-peer interface이다.

 

 

먼저 service interface란, 상하위 계층 간의 연결 지점으로,

통신 프로토콜을 사용하기 위한 API(응용 프로그래밍 인터페이스) 같은 역할을 한다.

즉, 위-아래 계층 간의 소통을 위한 내부 약속이라고 보면 된다.

 

예를 들어, 우리가 이메일을 보낸다면,

메일 앱(응용 계층)은 '이 메시지를 보내줘!'라고 요청만 한다.

그러면 전송 계층이 알아서 데이터를 잘게 쪼개고,

네트워크 계층이 목적지 주소를 붙여서 실제 전송을 처리해준다.

즉, 메일 앱은 '어떻게 보내는지'는 몰라도,

'보내달라'고 요청할 수 있는 통로(API)가 바로 service interface이다.

 

 

다음으로 peer-to-peer interface란, 같은 계층에 위치한 노드끼리의 약속을 의미한다.

즉, host1과 host2가 서로 같은 계층에서

'무엇을, 어떤 형식으로 주고 받을지'를 미리 정해둔 것이다.

 

예를 들어, host1이 '파일을 전송한다'는 FTP 프로토콜을 사용해서 데이터를 보내면,

host2는 FTP 규칙에 따라 데이터를 받는다.

이때, 만약에 host2가 FTP가 아니라 HTTP 같은 다른 프로토콜을 사용한다면,

당연히 서로 알아듣지 못하고 통신이 실패하게 될 것이다.

그래서 같은 계층끼리는 반드시 동일한 프로토콜을 따라야 통신이 제대로 이루어진다.

 

 

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🟩 프로토콜 스택

이제 우리는 프로토콜은 계층별로 분리되어 있으며,

각 계층은 서로 대칭 구조를 가진다는 것을 알고 있다.

 

 

 

실제로 왼쪽 그림에서는 host1과 host2의 내부 구조가 서로 대칭을 이루고 있고,

오른쪽 그림에서도 마찬가지로 계층별 구조가 완전히 대칭적임을 알 수 있다.

 

 

이제 오른쪽 그림을 기준으로 실제 동작을 살펴보자.

 

host1에서 사용자가 '파일 전송' 버튼을 눌렀다고 하자.

그러면 애플리케이션 계층은 이 데이터를 전송하는 것을 하위 계층에게 위임하게 된다.

그러면 이를 받은 하위 계층은 자기 층에 해당하는 헤더(그림에서는 RRP)를 받은 데이터 앞에 붙이고,

다시 그 결과물을 자신의 하위 계층에게 위임하게 된다.

이런 과정으로 쭉쭉 내려가다가 더이상 내려갈 곳이 없게 되면,

그제야 실제 네트워크(구름)를 통해 host2로 데이터가 전송되는 것이다.

그리고 이처럼 상위 계층의 데이터를 감싸며 하위 계층으로 내려가는 과정을 캡슐화(encapsulation)라고 한다.

 

 

그럼 이제 이 데이터를 받은 host2는,

반대로 하위 계층부터 데이터를 하나씩 해석하고 헤더를 벗겨내는 과정을 시작한다.

그림을 기준으로는 가장 아래 계층인HHP가 자기 층에 헤당하는 헤더를 읽고 제거한 뒤,

남은 데이터를 바로 위인 RRP 계층으로 넘겨준다.

그러면 RRP 역시 자신의 헤더를 해석 및 제거하고,

마지막으로 애플리케이션 계층에다가는 순수한 data만 전달해준다.

 

이처럼 헤더를 하나씩 해석하며 위로 전달하는 과정이 바로 디캡슐레이션(decapsulation)이다.

 

 

뭐 이 또한 실생활 예시로 예를 들자면,

내가 어떤 물건을 온라인으로 주문했다고 해보자.

포장 담당자는 물건을 상자에 담고 운송장 스티커를 붙인 후,

운송 담당자에게 배달하는 역할을 위임해서 맡길 것이다.

그러면 운송 담당자는 운송장에 적힌 주소까지 택배를 안전하게 전달해주게 된다.

그 결과 수신자인 내가 택배 상자를 받은 후,

상자를 하나씩 뜯어서 상자 안의 물건을 받게 될 것이다.

이 예시에서 말하는 포장하는 과정이 바로 캡슐화이고,

상자를 뜯는 과정이 디캡슐레이션인 셈이라고 보면 된다.

 

 

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🟦 표준 구조 - OSI 모델

 

전 세계 어디에서나 통신이 가능하도록 국제 표준화기구(ISO)가 정의한 모델이 바로 OSI 7계층이다.

각 계층에서의 역할을 간단히 살펴보면 아래의 표와 같다.

(추후 더 자세히 알아볼 예정이니 일단은 이정도만 알고 있자.)

 

계층	이름	주요 기능
1	물리 계층 (physical layer)	비트 전송 (케이블, 무선 등)
2	링크 계층 (data link layer)	프레임 단위 전송, 오류 검출, 흐름 제어
3	네트워크 계층 (network layer)	주소 지정 (IP), 경로 설정 (routing)
4	전송 계층 (transport layer)	신뢰성 있는 end-to-end 데이터 전송
5	세션 계층 (session layer)	대화 관리, 연결 유지
6	표현 계층 (presentation layer)	데이터 형식 변환, 암호화
7	응용 계층 (application layer)	사용자 응용 프로그램

 

 

그리고 참고로 호스트(단말)는 7계층을 모두 사용하지만,

중간 노드(라우터, 스위치 등)는 1~3계층 까지만 사용한다.

하늘색 배경인 박스가 호스트이고,

하늘색 테두리인 박스가 중간 노드들이다.

1~3 계층은 자기 바로 옆에 있는 노드와 peer가 되지만,

4~7 계층은 호스트 옆에 대응할 노드가 없으니까 건너면 호스트와 peer가 된다.

 

 

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📚 결론

솔직히 처음엔 내용이 너무 추상적이어서 잘 이해가 안 갔었는데,

택배 등의 예시를 들어가면서 생각해보니 어느 정도 이해가 됐다.

내가 매일 카톡을 보거나 유튜브를 볼 때에도

눈에 보이지 않은 이 약속들이 물 흐르듯이 작동하고 있다는 게 뭔가 신기하다.

 

서로가 정해진 규칙을 잘 지켜야 소통이 가능하다는 점이

결국 인간의 대화와도 많이 닮아있는 것 같아서

네트워크를 공부한다는 건, 어쩌면 소통의 원리를 기술적으로 이해하는 일이 아닐까 싶다.