OSI 계층별 기능(1) - 물리, 데이터링크, 네트워크, 전송 계층

1. 물리 계층(Physical Layer)

 물리 계층(Physical Layer)은 OSI 7계층 모델의 가장 하위에 위치하며, 데이터를 실제로 전송하는 역할을 담당한다. 이 계층에서는 상위 계층에서 전달받은 데이터(비트스트림)를 전기적, 광학적 신호로 변환하여 유선 또는 무선 전송 매체(구리선, 동축 케이블, 광섬유, 전파 등)를 통해 전송한다. 물리 계층의 주요 기능은 데이터를 전송 가능한 신호로 변환하고, 이러한 신호가 통신 매체를 통해 원활하게 전달될 수 있도록 관리하는 것이다. 또한, 전송 매체와 상위 데이터 링크 계층 간의 인터페이스 역할을 하여, 프레임을 비트 형태로 변환해 전송 과정을 시작하고 신호의 타이밍, 전압 수준, 전송 속도 등을 제어한다.

 

 물리 계층은 기계적, 전기적, 기능적, 절차적인 규격을 갖으며, 각 규격은 다음과 같다

기계적	전송 매체와 NIC 사이의 인터페이스에 대한 물리적인 성질과 관련된 것으로 케이블 종류, 플러그의 모양, 핀 수 등과 같은 사항을 규정함
전기적	신호 형식(아날로그 또는 디지털), 전송 방식(베이스밴드 전송 또는 브로드밴드 전송), 부호화 방식(ASK, FSK, PSK 등), 변조 방식(AM, FM, PM 등), 신호의 전위 규격(5V, 12V 등), 신호의 타이밍 등에 대해 정의함
기능적	물리적 인터페이스의 각 핀에 부여된 의미(송신, 수신, 접지 등)를 규정함
절차적	데이터를 교환하는 일련의 절차를 정의함

 

 이 계층 표준에는 ITU-T의 V.22, V.29, X.21, X.21bis 등과 EIA의 RS-232C, RS-442, RS-449 등이 있다. 이 외에도 IEEE 802.3 시리즈(이더넷 표준), ITU-T G. 시리즈(광통신 표준), Wi-Fi 표준, 5G NR 표준 등 네트워크 기술이 발전함에 따라 다양한 표준이 지속적으로 추가되고 있다.

 

2. 데이터 링크 계층(Data Link Layer)

 물리 계층은 단순히 비트열을 전달하는 기능만 제공하기 때문에 데이터 전송 중 발생하는 오류를 감지하거나 수정할 수 없다. 데이터 링크 계층에서 3계층(네트워크 계층)으로부터 전달받은 데이터를 처리하면서, 오류 검출 및 제어를 위해 데이터를 구조화하는 과정을 거친다. 이 과정에서 데이터의 시작 부분에는 제어 정보를 담은 헤더(Header)가 추가되고, 끝 부분에는 오류 검출을 위한 정보를 포함하는 트레일러(Trailer)가 추가된다. 이러한 헤더, 트레일러, 데이터를 모두 합친 것을 프레임(Frame)이라 한다. 데이터 링크 계층은 이렇게 구성된 프레임을 물리 계층으로 전달하여, 신호로 변환된 후 실제 네트워크 매체를 통해 전송된다.

 

 데이터 링크 계층은 인접한 통신 장치 간의 신뢰성 있는 정보 전송을 보장하기 위해 여러 중요한 기능을 수행한다. 이 계층은 프레임 수신 확인, 프레임화(Framing) 및 동기화, 프레임의 순서 제어, 매체 접근 제어(MAC), 흐름 제어(Flow Control), 오류 제어(Error Control), 데이터 링크 관리, 물리 주소 지정 등의 역할을 담당하며, 이러한 과정을 통해 상위의 네트워크 계층에 안정적인 서비스를 제공한다.

 

 

 인접 장치 간의 데이터 링크는 이 계층을 통해 구성되며, 이러한 기능을 바탕으로 데이터가 손실되거나 오류가 발생하지 않도록 보장하는 동시에, 네트워크 트래픽을 효율적으로 관리한다. 이를 통해 데이터 링크 계층은 네트워크 전송의 신뢰성을 높이고, 통신 환경에서 발생할 수 있는 다양한 문제를 해결한다.

 

프레임 수신 확인	전송된 프레임이 제대로 도착했는지 확인하는 과정
프레임화 및 동기화	데이터를 프레임 단위로 나누고, 송수신 간의 동기화를 맞추는 작업
프레임의 순서 제어	데이터가 올바른 순서로 전달되도록 관리하는 기능
매체 접근 제어	여러 장치가 네트워크 매체에 접근하는 방식을 제어하는 역할
흐름 제어	송수신 속도를 조절해 데이터 과부하를 방지하는 기능
에러 제어	데이터 전송 중 발생한 오류를 감지하고 수정하는 작업
데이터 링크 관리 기능	데이터 링크 연결을 설정, 유지, 종료하는 관리 작업
물리 주소 지정	장치 간 통신을 위해 네트워크 인터페이스의 물리적 주소를 할당하는 기능

 

 이러한 기능을 수행하기 위해 필요한 정보는 송수신 측이 주고받는 프레임의 헤더와 트레일러에 포함되며, 이 정보는 양측이 정확하게 이해할 수 있도록 명확하게 정의되어 있다. 이러한 명확하게 정의된 규칙이 바로 프로토콜이다. 데이터 링크 계층에서 사용하는 대표적인 프로토콜로는 HDLC, BSC, LAP-B 등이 있다.

HDLC	ISO에서 표준화한 비트 지향 프로토콜로, 데이터 전송의 신뢰성을 보장하며 다양한 데이터 링크 환경에서 사용됨
BSC	Binary Synchronous Communication의 약자로, 데이터 전송 시 문자 단위로 동기화하여 전송하는 방식. 주로 오래된 시스템에서 사용됨.
LAP-B	Link Access Protocol B의 약자로, HDLC의 하위 집합으로 간주되며, X.25 네트워크에서 데이터 링크 계층 프로토콜로 사용됨.

 

3. 네트워크 계층(Network Layer)

 네트워크 계층은 여러 네트워크(여러 링크)를 통해 근원지와 목적지 간에 데이터를 전송하기 위한 라우팅(routing) 기능과 스위칭(switching) 기능을 제공한다. 만약 두 시스템이 동일한 링크로 연결되어 있다면 네트워크 계층 없이도 데이터를 송수신할 수 있지만, 서로 다른 네트워크를 거쳐 연결되어야 할 경우 네트워크 계층이 반드시 필요하다.

 

 일반적으로 네트워크 계층에서 처리되는 정보를 패킷(Packet)이라고 하며, 목적지까지 패킷을 전달하기 위한 경로는 여러 가지가 있을 수 있다. 라우팅 기능은 이러한 경로 중에서 패킷을 전송하기 위한 최적의 경로를 선택하는 역할을 하며, 스위칭은 네트워크 전송을 위해 물리적 링크를 논리적으로 연결하여 더 긴 링크를 형성하는 과정을 의미한다. 물리 계층 기능을 수행하는 장치로는 라우터가 있다.

 

 라우팅 기능을 수행하기 위해서는 근원지와 목적지의 주소 정보가 필요하며, 이 정보는 네트워크 계층의 헤더에 포함됩니다. 데이터 링크 계층에서 사용하는 주소는 NIC 제조 과정에서 부여되어 수정할 수 없는 물리적 주소인 반면, 네트워크 계층의 주소는 네트워크 상황에 따라 변경 가능한 논리적 주소입니다.

 

 네트워크 계층은 이러한 논리 주소 부여 기능(Addressing)뿐만 아니라, 논리 주소를 해석하여 해당하는 물리 주소로 변환하는 기능도 제공합니다. 대표적인 네트워크 계층 프로토콜로는 ITU-T의 X.25와 IETF의 IP(Internet Protocol), ICMP(Internet Control Message Protocol), IGMP(Internet Group Message Protocol) 등이 있습니다.

X.25	패킷 교환 네트워크에서 사용되는 프로토콜로, 신뢰성 있는 데이터 전송을 보장하고, 패킷 오류를 감지 및 수정할 수 있는 기능을 제공.
IP	인터넷 프로토콜로, 패킷 기반의 데이터 전송을 지원하며, 주소 지정 및 라우팅 기능을 제공하여 패킷이 네트워크를 통해 목적지까지 도달하도록 함.
ICMP	인터넷 제어 메시지 프로토콜로, IP의 오류 보고 및 진단 기능을 수행하며, 네트워크 상태를 확인하는 데 사용됨. 예: ping 명령어.
IGMP	인터넷 그룹 메시지 프로토콜로, 멀티캐스트 그룹에 대한 관리 및 동적 가입과 탈퇴를 지원하여 효율적인 멀티캐스트 통신을 가능하게 함.

 

4. 전송 계층(Transport Layer)

 전송 계층은 근원지에서 발생한 전체 데이터를 목적지까지 전달하는 책임을 지고 있습니다. 이 계층은 하위 계층을 구성하는 다양한 통신망(패킷망, 전화망 등)의 품질 차이를 보완하여, 서로 통신하는 두 종단 프로세스 간에 투명한 데이터 전송(Transparent Data Transmission)을 보장합니다.

 

 네트워크 계층은 개별 패킷의 종단 대 종단(end-to-end) 전달을 담당하지만, 서로 다른 경로를 통해 패킷이 전송될 수 있으며, 패킷 간의 관계를 인식하지 못하기 때문에 목적지에 도착한 패킷의 순서를 보장하지 않습니다. 반면, 전송 계층은 오류 제어와 흐름 제어를 근원지와 목적지 수준에서 감독하여 전체 메시지가 오류 없이 순서대로 도착하도록 보장합니다.

 

 상위 계층에서 생성된 이미지 데이터와 같은 대용량 데이터는 전송 계층에서 더 작은 크기의 세그먼트(Segment)로 분할되며, 이 세그먼트는 순서 번호가 부여되어 목적지에서 해당 순서 번호를 기반으로 다시 조립됩니다. 이 과정을 분할 및 재조립(Fragmentation and Reassembly)이라고 합니다.

세그먼트	전송 계층에서 전송할 데이터의 단위로, 원본 데이터를 더 작은 크기로 나눈 것. 각 세그먼트에는 순서번호가 부여되어 목적지에서 재조립 시 사용됨.
분할	전송 계층에서 대용량 데이터를 전송하기 위해 세그먼트로 나누는 과정. 이는 전송 지연을 줄이고 네트워크의 효율성을 높이는 데 기여함.
재조업	목적지에서 수신한 세그먼트를 원래의 데이터로 복원하는 과정. 순서번호를 기반으로 하여 세그먼트를 올바른 순서로 조합함.

 

 

 

 

- 세그먼트로 분할하는 이유 일반적인 패킷 교환망에서는 전송 지연을 줄이기 위해 전송의 기본 단위로 작은 크기의 패킷을 사용함. 이를 위해, 전송 계층에서는 먼저 데이터를 세그먼트(Segment)로 분할하고, 에러 제어, 흐름 제어, 순서 번호 등의 정보를 헤더에 추가한 후, 네트워크 계층으로 내려보내 패킷으로 캡슐화함. 이 과정은 데이터 전송의 효율성을 높이고, 오류 발생 시 복구를 용이하게 하며, 다양한 네트워크 환경에서의 호환성을 보장함.

 

 

 전송 계층은 근원지와 목적지 간의 포트 주소 지정 기능도 수행한다. 컴퓨터는 종종 여러 프로그램을 동시에 실행하므로, 한 컴퓨터와 다른 컴퓨터 간의 통신보다는 특정 응용 프로그램 간의 통신으로 이해하는 것이 더 적합하다. 이를 위해 각 응용 서비스를 구분하기 위해 포트 주소가 서비스 주소로 사용된다. 전송 계층은 두 종단의 포트 사이에 연결(Connection)을 설정할 수 있으며, 이 연결은 메시지를 구성하는 전체 패킷들 간의 발신지와 목적지 사이의 하나의 논리적인 통로를 의미한다.

 

 대표적인 전송 계층 프로토콜로는 ISO의 TP(Transport Protocol)와 IETF의 TCP(Transmission Control Protocol), UDP(User Datagram Protocol)가 있다.

TP	ISO에서 정의한 전송 계층의 기본 프로토콜. 다양한 전송 서비스 제공, 신뢰성 있는 데이터 전송을 위한 메커니즘 포함.
TCP	연결 지향 프로토콜로, 신뢰성 있는 데이터 전송을 보장함. 데이터 흐름 제어, 오류 검출 및 수정, 패킷 순서 보장 기능 포함.
UDP	비연결형 프로토콜로, 신뢰성보다 빠른 전송을 중시함. 오류 검출 기능이 있으나 수정 기능은 없음. 패킷 순서 보장하지 않음.

 

 

 이로써 OSI 7 계층 모델의 물리 계층(Physical Layer)부터 전송 계층(Transport Layer)까지의 기능과 역할에 대해 살펴보았다. 각 계층은 서로 다른 역할을 하며, 데이터 통신의 효율성과 신뢰성을 보장하는 데 중요한 역할을 한다. 물리 계층은 비트스트림을 전송하는 기본적인 기능을 제공하며, 데이터 링크 계층은 인접 장치 간의 신뢰성 있는 데이터 전송을 위한 다양한 기능을 수행한다. 네트워크 계층은 데이터 패킷의 경로를 선택하고 전송하며, 전송 계층은 데이터의 전송과 흐름을 관리하여 최종적으로 목적지에 데이터가 정확하게 도달하도록 한다. 이처럼 각 계층은 독립적이면서도 상호 의존적으로 작용하여, 복잡한 네트워크 환경에서도 원활한 통신이 이루어질 수 있도록 돕는다. 이러한 이해는 네트워크 설계 및 문제 해결에 있어서 필수적인 기초 지식을 제공하며, 향후 발전하는 기술 환경에서도 중요한 역할을 할 것이다.