[풀스택 서비스 네트워킹] OSI Architecture L1,L2,L3

 

컴퓨터 네트워크는 정보 교환을 위한 복잡한 시스템으로, 그 기본 구성 요소와 작동 원리를 이해하기 위해서는 핵심 용어에 대한 이해가 필수적이다. 네트워크 통신의 기초를 이루는 다섯 가지 핵심 개념은 메시지, 송신자, 수신자, 매체, 프로토콜이다.

 

 

 

메시지(Message)는 통신되어야 할 정보 또는 데이터를 의미한다. 이는 텍스트, 숫자, 그림, 소리, 비디오 또는 이들의 조합 형태로 존재할 수 있다. 디지털 네트워크에서 모든 형태의 정보는 궁극적으로 비트(0과 1)의 시퀀스로 변환되어 전송된다. 현대 네트워크는 다양한 형태의 멀티미디어 메시지를 효율적으로 처리하도록 설계되었다.

 

송신자(Sender)는 데이터 메시지를 보내는 장치를 말한다. 이는 컴퓨터, 전화 핸드셋, 비디오 카메라 등 다양한 형태의 전자 장치가 될 수 있다. 송신자는 메시지를 생성하고, 네트워크 전송에 적합한 형태로 변환하며, 적절한 프로토콜을 사용하여 메시지를 매체를 통해 전송하는 역할을 한다.

 

수신자(Receiver)는 메시지를 받는 장치이다. 컴퓨터, 전화 핸드셋, 비디오 카메라 등이 수신자 역할을 할 수 있다. 수신자는 네트워크 매체를 통해 전송된 메시지를 수신하고, 이를 원래의 형태로 복원하여 처리하거나 표시하는 기능을 수행한다. 종종 한 장치가 송신자와 수신자 역할을 모두 수행할 수 있다.

 

매체(Medium)는 메시지가 송신자로부터 수신자에게 전달되는 물리적 경로를 의미한다. 이는 꼬임쌍선(twisted pair wire), 동축 케이블(coaxial cable), 광섬유 케이블(fiber-optic cable)과 같은 유선 매체와 레이저나 전파와 같은 무선 매체를 포함한다. 매체의 특성은 데이터 전송 속도, 신뢰성, 전송 거리 등 네트워크 성능의 여러 측면에 직접적인 영향을 미친다.

 

프로토콜(Protocol)은 데이터 통신을 관리하는 규칙의 집합이다. 네트워크상의 장치들이 서로 이해할 수 있는 공통된 '언어'를 정의하며, 데이터 형식, 오류 처리, 흐름 제어, 접근 권한 등을 규정한다. TCP/IP, HTTP, FTP, SMTP 등은 널리 사용되는 프로토콜의 예시이다. 프로토콜은 다양한 제조업체의 장치들이 효율적으로 통신할 수 있도록 표준화된 방식을 제공한다.

 

 

 

 

MAC Layer

매체 접근 제어(MAC) 계층은 네트워크에서 여러 장치가 공유 매체를 효율적으로 사용할 수 있게 하는 핵심 기술이다. 특히 랜덤 액세스 프로토콜은 이더넷과 무선랜과 같은 공유 매체 환경에서 데이터 충돌을 관리하는 중요한 메커니즘을 제공한다.

 

 

CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)는 이더넷, 초고속 인터넷, 광랜 등 IEEE 802.3 표준에서 사용되는 프로토콜이다. 이 방식에서는 충돌을 처리하기 위해 기본 알고리즘을 확장한다. 스테이션이 프레임을 전송한 후 매체를 모니터링하여 전송이 성공적이었는지 확인한다. 성공적이었다면 스테이션은 전송을 완료한 것이다. 그러나 충돌이 발생하면 프레임은 다시 전송된다. CSMA/CD는 충돌이 발생했을 때 즉시 전송을 중단하고 일정 시간 후 재전송을 시도하는 방식으로 네트워크 효율성을 향상시킨다.

 

 

CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)는 무선랜, WiFi, IEEE 802.11 표준을 위해 개발된 프로토콜이다. 무선 환경에서는 충돌 감지가 어렵기 때문에, CSMA/CA는 충돌을 사전에 회피하는 전략을 사용한다. 이 프로토콜은 세 가지 주요 전략을 통해 충돌을 회피한다: 프레임 간 간격(inter-frame space), 경쟁 윈도우(contention window), 그리고 확인응답(acknowledgments). 또한 RTS(Request to Send)와 CTS(Clear to Send) 프레임을 사용하여 숨겨진 스테이션 문제(hidden station problem)를 해결한다. 이는 두 무선 장치가 서로를 감지할 수 없지만 모두 접속 지점(AP)과 통신할 수 있는 상황을 관리하기 위함이다.

 

MAC 계층에서의 흐름 및 오류 제어는 데이터 링크 제어 하위 계층의 중요한 책임 중 하나이다. 흐름 제어는 더 빠른 송신자가 느린 수신자를 압도하지 않도록 두 노드 간의 데이터 전송 속도를 관리한다. 오류 제어는 신뢰할 수 없는 통신 채널을 통해 디지털 데이터를 신뢰성 있게 전달하기 위한 오류 감지 및 복구 메커니즘을 제공한다. 이러한 제어는 "최선형(Best-Effort)" 철학에 기반하지만, 100% 보장되지는 않는다.

 

MAC 계층 기술의 특성은 네트워크 서비스 품질(QoS)에 중요한 시사점을 갖는다. 전통적인 유선 이더넷과 일반적으로 사용되는 무선랜에서는 동시 사용자가 많을 경우 충돌로 인해 전송 속도와 시간 측면에서 성능 저하가 발생할 수 있다. 물리 계층(L1)의 전파 신호 불량 및 데이터 링크 계층(L2)의 충돌 시 데이터 손실이 발생한다. 블루투스, 3G/4G/5G와 같은 OSI L1/L2에 속하는 다른 기술들도 유사한 문제가 발생할 수 있다. 따라서 L1/L2 계층 특성에 대한 이해는 신뢰성 있는 서비스 품질을 보장하기 위해 필수적이다.

 

 

 

 

Network Layer

네트워크 계층(Network Layer)은 OSI 7계층 모델의 3계층으로, 데이터 패킷의 소스에서 목적지까지의 전달을 담당하는 핵심적인 계층이다. 이 계층은 종단 간 통신의 경로 설정과 데이터 패킷의 효율적인 전달에 필수적인 역할을 수행한다.

 

패킷화(Packetizing)는 네트워크 계층의 주요 기능 중 하나이다. 이는 소스에서 페이로드(payload)를 네트워크 계층 패킷으로 캡슐화하고, 목적지에서 네트워크 계층 패킷에서 페이로드를 다시 추출하는 과정을 말한다. 달리 말하면, 네트워크 계층의 한 가지 임무는 페이로드를 변경하거나 사용하지 않고 소스에서 목적지로 운반하는 것이다. 이는 마치 우체국과 같은 운송 서비스와 유사하게, 발신자로부터 수신자에게 패키지의 내용을 변경하거나 사용하지 않고 전달하는 책임을 갖는다.

 

라우팅(Routing)과 포워딩(Forwarding)은 네트워크 계층의 또 다른 중요한 임무로, 이들은 서로 밀접하게 관련되어 있다. 라우팅은 패킷이 소스에서 목적지로 이동할 최적 경로를 결정하는 과정이며, 이는 네트워크 토폴로지, 트래픽 상태, 정책 등 다양한 요소를 고려한다. 포워딩은 라우터에서 패킷을 수신하여 적절한 출력 인터페이스로 전송하는 실제 프로세스이다.

 

네트워크 계층에서의 데이터그램 접근 방식(Datagram Approach)은 인터넷의 기본 철학을 반영한다. 이는 연결 없는(Connectionless) 패킷 교환 네트워크의 개념으로, 각 패킷이 독립적으로 처리되며 사전에 경로를 설정하지 않는다. 이 방식은 호스트 간(Host-to-Host) 통신 개념에 기반하며, 네트워크 계층은 라우터 내에서의 포워딩 프로세스를 통해 패킷을 목적지로 전달한다.

 

라우터에서의 포워딩 프로세스는 수신된 패킷의 목적지 주소를 분석하여 라우팅 테이블을 참조하고, 적절한 출력 포트로 패킷을 전달하는 단계를 포함한다. 이 과정에서 패킷 헤더의 필드들이 검사되고, 필요에 따라 수정될 수 있으며, 패킷의 생존 시간(TTL) 값은 감소된다.

 

네트워크 계층의 이러한 기능들은 인터넷과 같은 글로벌 네트워크에서 데이터가 효율적으로 전달될 수 있도록 하는 기본 메커니즘을 제공한다. 특히 IP(Internet Protocol)는 네트워크 계층의 대표적인 프로토콜로, 패킷의 주소 지정과 라우팅을 담당하며 인터넷의 기반 기술로 작동한다.

 

 

 

 

IP Protocol

IP 프로토콜(Internet Protocol)은 네트워크 계층에서 핵심적인 역할을 담당하는 프로토콜로, 인터넷의 기본 통신 기반을 형성한다. IP 프로토콜은 OSI 모델의 3계층에 위치하며, TCP/IP 프로토콜 스위트의 핵심 구성 요소로서 패킷의 주소 지정과 라우팅을 담당한다.

 

IPv4 주소 체계는 인터넷 프로토콜의 핵심 요소로, 네트워크에 연결된 각 장치를 식별하는 고유한 주소 시스템이다. IPv4 주소는 32비트 길이로 구성되며, 다양한 표기법을 통해 표현될 수 있다.

 

 

IPv4 주소는 크게 세 가지 표기법으로 나타낼 수 있다. 이진 표기법은 32개의 0과 1로 구성된 비트 시퀀스(예: 10000000 00001011 00000011 00011111)로 표현하며, 점 십진수 표기법은 8비트씩 네 부분으로 나누어 각 부분을 0부터 255 사이의 십진수로 표현하고 점으로 구분한다(예: 128.11.3.31). 십육진수 표기법은 각 8비트 부분을 두 자리 16진수로 표현한다(예: 80.0B.03.1F). 이 중 가장 일반적으로 사용되는 것은 사람이 읽고 이해하기 쉬운 점 십진수 표기법이다.

 

 

IPv4 주소는 구조적으로 네트워크 부분(Prefix)과 호스트 부분(Suffix)으로 나뉜다. 네트워크 부분은 해당 주소가 속한 네트워크를 정의하고, 호스트 부분은 해당 네트워크 내에서의 특정 노드 연결을 정의한다. 이러한 계층적 구조는 인터넷의 효율적인 라우팅을 가능하게 하는 핵심 요소이다.

 

CIDR(Classless Inter-Domain Routing) 표기법은 IP 주소 뒤에 슬래시와 네트워크 부분의 비트 수를 표시하여 네트워크의 크기를 정의한다(예: 192.168.1.0/24). 이 방식에서 네트워크 내 사용 가능한 주소의 수는 N = 2^(32-n) 공식으로 계산되며, 여기서 n은 네트워크 비트 수이다. 네트워크 내 첫 번째 주소는 모든 호스트 비트가 0인 주소로, 네트워크 주소로 사용된다. 마지막 주소는 모든 호스트 비트가 1인 주소로, 브로드캐스트 주소로 사용된다.

 

라우팅 프로세스는 패킷이 소스에서 목적지로 이동하는 경로를 결정하는 중요한 메커니즘이다. 라우터는 들어오는 패킷의 목적지 IP 주소를 분석하여 네트워크 부분을 추출한 후, 포워딩 테이블을 참조하여 해당 네트워크에 도달하기 위한 적절한 인터페이스를 결정한다. 이 과정에서 라우터는 호스트 부분을 고려하지 않고 오직 네트워크 부분만을 기준으로 라우팅을 결정한다.

 

IP 프로토콜은 이러한 주소 체계와 라우팅 메커니즘을 활용하여 인터넷에서 데이터 패킷이 올바른 목적지로 전달될 수 있도록 보장한다. 네트워크 계층에서 작동하는 IP 프로토콜은 connectionless 서비스를 제공하며, 상위 계층 프로토콜과 함께 인터넷의 기본 통신 인프라를 형성한다.