OSI 모델이란 무엇인가요?

OSI 모델은 세기 전환기 무렵, 다양한 네트워크 프로토콜 간의 비호환성 문제를 해결하기 위한 방안으로 등장했습니다. OSI 모델은 네트워킹을 계층별로 분류하는 방식으로 접근함으로써 개발자와 엔지니어가 네트워크 전반에 걸쳐 상호 운용 가능한 하드웨어 및 소프트웨어를 구축할 수 있는 프레임워크를 제공했습니다.

OSI 모델은 스택의 각 계층(일반적으로 데이터가 네트워크를 통해 어떻게 이동하는지를 보여주기 위해 역순으로 표현됨)에서 네트워크 구성 요소와 각 계층의 고유한 컴퓨팅 기능에 대한 지침과 기준을 제공합니다.

OSI 계층 구조는 다음과 같습니다.

• 계층 7: 애플리케이션 계층은 네트워크와의 통신을 시작하며, 컴퓨터가 읽을 수 있는 네트워크 데이터를 사용자가 읽을 수 있는 응답으로 변환하는 프로토콜과 데이터 조작 프로세스를 포함합니다.

• 계층 6: 프레젠테이션 계층은 데이터 변환, 압축, 암호화를 수행하여 애플리케이션 계층에 전달할 데이터를 준비합니다.

• 계층 5: 세션 계층은 네트워크에서 상호 작용하는 두 장치 간의 연결을 시작하고 종료하며, 리소스가 과도하게 사용되거나 낭비되지 않도록 제어합니다.

• 계층 4: 전송 계층은 네트워크에서 상호 작용하는 두 장치 간에 엔드투엔드 데이터를 전송하여 데이터가 손실되거나 잘못 구성되거나 손상되지 않도록 합니다.

• 계층 3: 네트워크 계층은 서로 다른 네트워크에서 상호작용하는 장치의 데이터 주소 지정, 라우팅, 포워딩 프로세스를 처리합니다. 같은 네트워크 내의 장치 간에는 상호작용에 이 계층이 필요하지 않습니다.

• 계층 2: 네트워크 계층과 달리 데이터 링크 계층은 동일한 네트워크 내에서 상호작용하는 두 장치 간의 데이터 라우팅을 관리합니다.

• 계층 1: 물리적 계층은 라우터 및 USB 케이블과 같은 물리적 자산으로 구성되며, 데이터를 상위 계층으로 전송하기 위해 1과 0의 문자열로 변환합니다.

OSI 모델은 계층 간 통신을 위한 프로토콜을 지정하기보다, 엔지니어가 네트워크 아키텍처의 각 계층을 구축할 때 수행해야 할 작업 목록을 제공하는 데 중점을 둡니다. 이러한 이론적 접근 방식은 개발자가 네트워킹 시스템 자체에 대한 사전 지식이 없어도 매우 복잡한 컴퓨팅 네트워크를 시각화하고 설계할 수 있도록 도와줍니다. 또한 데이터가 네트워크를 통과하는 방식을 더 명확히 이해하고, 계층별 코딩을 통해 네트워크 기능을 조정하는 데에도 도움을 줍니다.

OSI 모델은 현대 컴퓨터 네트워킹 기술의 직접적인 기반은 아니지만, 컴퓨팅 표준 개발에 지대한 영향을 미쳤으며 네트워크 아키텍처에 대한 현대적 이해를 형성하는 데 중요한 역할을 했습니다.

1970년대 말과 1980년대 초에 컴퓨터 시스템 간의 상호 연결성이 빠르게 확장되고 있었지만, 제조업체들이 각기 다른 자체 네트워킹 솔루션을 개발하여 상호 운용되지 않는 독립적 시스템을 패치워크하는 경우가 많았습니다.

초기 네트워킹 노력들은 현대 인터넷의 기반인 ARPANET과 국방부의 의뢰로 개발된 TCP/IP 프로토콜 제품군과의 호환성 문제를 해결하려는 시도로 이뤄졌습니다. ARPANET과 TCP/IP는 그 자체로 중요한 기술적 진전을 이루었지만, 동시에 보다 포괄적이고 보편적인 네트워크 접근 방식이 필요하다는 점도 보여주었습니다.

네트워킹의 중요성과 이를 위한 보편적인 프레임워크의 필요성을 인식한 국제표준화기구(ISO)와 국제 전신전화 자문 위원회(CCITT)는 표준화된 네트워킹 모델 개발에 착수했습니다.

그 결과, ISO는 1984년에 상호 운용 가능한 네트워크 솔루션 개발을 위한 핵심 프레임워크인 OSI 모델을 공식적으로 발표했습니다. 기존의 표준화 시도와 달리 OSI 모델은 계층화된 구조를 통해 서로 다른 시스템이 기본 아키텍처와 프로토콜의 차이에도 불구하고 통신할 수 있도록 지원합니다.

기술이 발전하고 새로운 모델이 등장하더라도 OSI 모델은 네트워크 아키텍처를 이해하는 데 여전히 필수적입니다. 단순한 LAN(로컬 영역 네트워크)을 설계하든, 복잡한 글로벌 네트워크를 관리하든, OSI 모델의 원칙은 네트워킹에 대해 명확하고 체계화된 접근 방식을 제공합니다.

OSI 모델은 총 7개의 고유한 계층으로 구성됩니다. 애플리케이션 계층(계층 7), 프레젠테이션 계층(계층 6), 세션 계층(계층 5)은 소프트웨어 계층에 해당하며, 소프트웨어 앱(운영 체제나 웹 브라우저, 이메일 클라이언트와 같은 애플리케이션 포함)에서 발생하는 모든 데이터 전송이 이 계층들에서 이뤄집니다.

전송 계층(레이어 4)은 네트워크와 시스템 간의 모든 데이터 통신을 처리하는 'OSI의 심장'입니다. 마지막으로 네트워크 계층(계층 3), 데이터 계층(계층 2), 물리적 계층(계층 1)은 하드웨어 계층으로, 데이터가 네트워크의 물리적 구성 요소를 따라 실제로 이동하는 과정이 이 계층들에서 처리됩니다.

데이터는 OSI 모델을 통해 양방향으로 흐르며, 각 계층은 위아래 인접 계층과 정보를 주고받습니다. 송신 장치와 수신 장치 모두 데이터 계층을 통해 데이터를 주고받으며, 이 과정에서 송신자와 수신자의 역할이 전환되기도 합니다.

예를 들어, 사용자가 다른 사람에게 이메일을 보내려는 경우 사용자는 먼저 이메일을 작성하여 전송합니다. 사용자가 '보내기'를 누르면 해당 이메일은 애플리케이션 계층으로 전달되고, 애플리케이션 계층에서는 적절한 프로토콜(일반적으로 SMTP)을 선택해 이메일을 프레젠테이션 계층으로 보냅니다. 그러면 프레젠테이션 계층에서는 메시지 데이터를 압축하고 세션 계층으로 전달합니다. 세션 계층은 통신 세션을 시작하고 데이터를 전송 계층으로 넘겨 세분화합니다.

이메일이 다른 네트워크로 전달되기 때문에 이메일 데이터는 네트워크 계층으로 전송되어 패킷 단위로 분할되고, 이후 데이터 링크 계층에서 프레임 단위로 더 세분화됩니다. 이렇게 생성된 프레임은 물리적 계층(수신자의 Wi-Fi)을 통해 전송되며, 이 시점에서 수신자의 디바이스가 비트 스트림을 수신하고 이메일 데이터는 동일한 계층들을 역순으로 통과합니다. 마지막에는 이메일 데이터가 수신자의 디바이스 내 애플리케이션 계층에 도달하며, 사람이 읽을 수 있는 형태로 수신자의 받은 편지함에 전달됩니다.

OSI 모델은 프로토콜 개발의 기반이 되는 구조로, 프레임워크의 각 계층은 고유한 네트워크 프로세스를 관리합니다.

애플리케이션 계층은 최종 사용자와 가장 가까운 OSI 계층입니다. 사용자 애플리케이션에 직접 네트워크 서비스를 제공하며, API 엔드포인트와 OSI 모델의 하위 계층 간의 통신을 중개합니다. 즉, 소프트웨어 애플리케이션은 애플리케이션 계층을 통해 네트워크와의 통신을 시작하고 데이터를 프레젠테이션 계층으로 전송합니다.

다만 애플리케이션 자체는 이 계층에 속하지 않습니다. 애플리케이션 계층은 소프트웨어가 데이터를 주고받을 수 있는 프로토콜(예: HTTP, FTP, DNS, SMTP 등)을 제공합니다. 애플리케이션 계층은 다음과 같은 프로세스를 수행합니다.

• 파일 전송. 애플리케이션 계층은 사용자의 디바이스에서 사람이 읽을 수 있는 데이터 파일을 가져와 프레젠테이션 계층으로 전송합니다.

• 통신 및 인증. 애플리케이션 계층은 수신 디바이스가 데이터를 수신할 수 있는지, 전송에 필요한 통신 인터페이스가 존재하는지를 확인합니다. 또한 데이터 전송에 참여하는 디바이스를 인증하는 데 사용될 수도 있습니다.

• 원격 액세스. 애플리케이션 계층을 통해 사용자는 다양한 지리적 위치에서 웹 브라우저, 이메일 클라이언트 및 기타 서비스에 액세스할 수 있습니다. 또한 사용자가 원격 컴퓨터의 파일에 액세스하고 이를 관리할 수 있습니다.

• 디렉토리 서비스. 애플리케이션 계층은 네트워크 장치 및 사용자 정보를 담은 공유 데이터베이스인 디렉토리 서비스를 제공하여 네트워크 리소스 관리를 용이하게 합니다.

프레젠테이션 계층은 애플리케이션 계층이 네트워크를 통해 데이터를 전송할 수 있도록 해당 데이터를 적절한 형식으로 변환합니다(예: EBCDIC로 인코딩된 텍스트 파일을 ASCII 형식으로 변환). 데이터와 그래픽을 애플리케이션 계층에서 처리 가능한 형식으로 변환하는 역할을 하기 때문에 구문 계층(syntax layer)이라고도 불립니다.

프레젠테이션 계층은 보안 소켓 계층/전송 계층 보안(SSL/TLS) 프로토콜, JPEG 프로토콜(이미지 압축용), MPEG 프로토콜(동영상 압축용)을 지원합니다. 또한 애플리케이션 계층이 네트워크를 통해 데이터를 전송할 수 있도록 해당 데이터를 적절한 형식으로 변환합니다(예: EBCDIC로 인코딩된 텍스트 파일을 ASCII 형식으로 변환). 데이터와 그래픽을 애플리케이션 계층에서 처리 가능한 형식으로 변환하는 역할을 하기 때문에 구문 계층(syntax layer)이라고도 불립니다.

프레젠테이션 계층은 보안 소켓 계층/전송 계층 보안(SSL/TLS) 프로토콜, JPEG 프로토콜(이미지 압축용), MPEG 프로토콜(동영상 압축용)을 지원합니다. 프레젠테이션 계층은 다음과 같은 기능을 수행합니다.

• 데이터 변환. 발신 메시지가 프로토콜 스택을 따라 송신자에서 수신자로 이동하면서 캡슐화되는 과정에서, 프레젠테이션 계층은 데이터를 적절한 형식(애플리케이션 계층에서 지정한 형식)으로 변환합니다.

• 데이터 암호화 및 암호 해독. 프레젠테이션 계층은 안전한 전송을 위해 데이터를 암호화하며, 수신 시 이를 해독합니다.

• 데이터 압축. 프레젠테이션 계층은 전송을 위해 데이터 스트림의 크기를 줄이고, 수신 시 사용을 위해 압축을 풉니다.

또한 수신 메시지가 프로토콜 스택을 따라 상위 계층으로 전달되는 캡슐화 해제 과정에서는 포맷 변환 및 데이터 변환이 반대로 수행되는 경우도 있습니다. 이러한 경우 발신 메시지는 캡슐화 중에 지정된 형식으로 변환되고, 수신 메시지는 캡슐화 해제 중에 역변환을 거칩니다.

세션 계층은 두 대 이상의 컴퓨터 간에 '세션'이라 불리는 연결을 설정하고, 이를 관리 및 종료하는 프로세스인 세션 관리를 담당합니다. 세션 계층은 로컬 애플리케이션과 원격 애플리케이션 간의 연결을 시작하고, 필요한 데이터를 전송하는 데 충분한 시간 동안 세션을 유지하며, 전송이 완료되면 세션을 종료해 네트워크 리소스를 보존합니다.

세션 계층의 주요 기능은 다음과 같습니다.

• 세션 상호 작용. 세션 계층은 클라이언트 소프트웨어에 통합된 인증 프로토콜을 포함하여 사용자 로그온(설정) 및 사용자 로그오프(종료)를 관리합니다.

• 동기화. 세션 계층은 데이터 스트림이 적절히 동기화되도록 하며, 복구 지점(장치가 중단된 경우 특정 지점에서 세션을 재개할 수 있도록 하는 체크포인트)을 처리합니다.

• 세션 복구. 세션 계층은 네트워크 문제로 인한 세션 장애 발생 시 연결을 재설정합니다.

또한 세션 계층은 웹 회의 환경에서 오디오 및 비디오와 같은 관련 데이터 스트림 간의 세션 연결 및 해제를 위한 프로토콜도 설정합니다 따라서 세션 계층은 원격 프로시저 호출을 활용하는 네트워크 환경에서 명시적으로 구현되는 경우가 많습니다.

전송 계층은 TCP(전송 제어 프로토콜) 및 UDP(사용자 데이터그램 프로토콜) 등의 프로토콜을 사용하여 전체 메시지의 엔드투엔드 전송을 관리합니다. 전송 계층은 세션 계층에서 메시지를 가져와서 각 메시지를 '세그먼트'라는 더 작은 단위로 분할하고, 각 세그멘트에 고유한 헤더를 추가합니다. 수신 측에서는 전송 계층이 세그먼트를 올바른 순서로 재조립하여 원본 메시지를 복원합니다.

전송 계층은 다음 작업도 처리합니다.

• 서비스 포인트 주소 지정. 전송 계층은 전송 계층 헤더(서비스 포인트 또는 포트 주소 포함)를 연결하여 메시지가 올바른 프로세스로 전달되도록 합니다.

• 흐름 제어. 전송 계층은 데이터 오버플로를 방지하고 네트워크에서 상호 작용하는 두 장치 간의 데이터 전송 속도를 관리하여 송신 장치가 적절한 속도로 수신 장치로(또는 그 반대로) 데이터를 전송할 수 있도록 합니다.

• 멀티플렉싱. 전송 계층을 사용하면 여러 네트워크 애플리케이션이 동일한 연결을 동시에 사용할 수 있습니다.

송신 측에서 전송 계층은 상위 계층으로부터 형식화된 데이터를 수신하고 이를 세그먼트로 분할한 뒤, 흐름 및 오류 제어를 적용하여 데이터 전송의 정확성을 확보합니다. 이 과정에서 소스 및 대상 포트 번호를 헤더에 추가하고, 세그먼트화된 데이터를 네트워크 계층으로 전달합니다.

수신 측에서는 전송 계층이 헤더 포함된 포트 번호를 읽고 수신된 데이터를 적절한 애플리케이션으로 전달합니다. 그리고 세그먼트화된 데이터의 시퀀싱 및 재조립을 처리하고 오류 발생 시 데이터를 재전송합니다.

전송 계층은 두 가지 유형의 서비스를 제공합니다. 

연결 지향 서비스는 연결 설정, 데이터 전송, 종료(또는 연결 해제)의 세 가지 단계로 구성되며, 데이터 패킷이 전달되면 데이터 수신자가 수신 확인 메시지를 송신자에게 다시 전송합니다. 그러나 연결 없는 서비스는 데이터 전송만 포함합니다. 수신자가 수신 확인을 하지 않기 때문에 통신 속도는 빠르지만 연결 지향 서비스에 비해 안정성은 낮을 수 있습니다.

OSI 모델의 네트워크 계층은 서로 다른 네트워크에서 한 노드에서 다른 노드로의 데이터 전송을 원활하게 하는 역할을 담당합니다. 이 계층은 노드 간 데이터를 전송하기 위한 최적의 경로(라우팅)를 결정합니다. 세그먼트가 너무 크면 네트워크 계층은 이를 더 작은 '패킷' 단위로 분할하여 전송하고, 수신 측에서 재조립합니다.

네트워크는 고유 주소를 가진 여러 노드가 연결되는 매개체로 기능합니다. 네트워크 계층은 메시지 본문과 목적지 주소를 기반으로 다른 네트워크 노드로 메시지를 전송할 수 있게 하며, 이때 네트워크는 중간 노드를 통한 라우팅을 포함한 최적의 전송 경로를 결정합니다.

네트워크 계층은 주로 IPv4와 IPv6와 같은 인터넷 프로토콜을 사용하며, 주요 역할은 다음과 같습니다.

• 패킷 조각화 및 재조립. 네트워크 계층은 데이터 링크 계층의 크기 제한을 초과하는 대형 패킷을 작은 패킷으로 분할하여 전송하고, 목적지에서 재조립합니다.

• 트래픽 제어. 네트워크 계층은 네트워크 혼잡을 방지하고 데이터 흐름의 효율성을 유지하기 위해 네트워크 트래픽을 관리합니다. 

네트워크 계층에서는 신뢰성이 보장되지 않을 수 있습니다. 많은 네트워크 계층 프로토콜이 안정적인 메시지 전송을 제공하지만, 그렇지 않은 경우도 있습니다. 또한 네트워크 계층에서는 오류 보고가 필수 사항이 아니므로, 데이터 송신자는 데이터가 성공적으로 전달되었는지 확인받지 못할 수도 있습니다.

데이터 링크 계층의 주요 역할은 동일한 네트워크 내에서 상호 작용하는 여러 디바이스 간의 오류 없는 데이터 전송을 관리하는 것입니다.

데이터 링크 계층은 두 개의 하위 계층으로 구성됩니다.

논리 링크 제어 계층(LLC)은 미디어 액세스 제어(MAC) 계층과 네트워크 계층 사이의 인터페이스 역할을 하며, 흐름 제어, 동기화, 멀티플렉싱(두 개 이상의 데이터 스트림이 호스트에 대해 하나의 연결을 공유하는 경우)을 처리합니다. 미디어 액세스 제어 계층(MAC)은 디바이스가 네트워크 매체에 액세스하고 데이터를 전송하는 방식을 제어합니다.

데이터 링크 계층은 네트워크 계층으로부터 패킷을 수신하면 네트워크 인터페이스 카드(NIC)의 프레임 크기에 맞게 패킷을 데이터 '프레임' 단위로 분할하고, 수신 호스트의 MAC 주소를 사용하여 전송합니다.

데이터 링크 계층의 기능은 다음과 같습니다.

• 프레이밍. 데이터 링크 계층은 프레임의 시작과 끝에 특수한 비트 패턴을 추가하여, 송신자가 수신자에게 의미 있는 비트 집합(데이터)을 전달할 수 있도록 합니다.

• 물리적 주소 지정. 데이터 링크 계층은 주소 확인 프로토콜(ARP)을 사용하여 IP 주소를 MAC 주소로 변환한 다음, 프레임 완성 후 헤더에 송신자와 수신자의 MAC 주소를 추가합니다.

• 오류 제어. 데이터 링크 계층은 손상되거나 손실된 프레임을 감지하고 필요 시 재전송을 관리하여 데이터 무결성을 확보합니다.

• 흐름 제어. 데이터 링크 계층은 수신 확인을 받기 전 송신자가 보낼 수 있는 데이터 양을 제한함으로써 손상을 방지하고, 양측의 데이터 전송률을 안정적으로 유지합니다.

• 액세스 제어. 여러 디바이스가 하나의 통신 채널을 공유하는 경우, MAC 하위 계층은 특정 시점에 채널을 제어할 수 있는 디바이스를 결정합니다.

물리적 계층은 장치(예: 커넥터, 라우터, 리피터, 광섬유 케이블 등)와 물리적 매체(예: Wi-Fi) 간에 원시 데이터(비트, 즉 1과 0의 문자열 형태)를 전송하는 물리적 네트워크 구성 요소로 이루어져 있습니다.

물리적 계층은 다음과 같은 역할을 담당합니다.

• 비트 전송률 제어. 물리적 계층은 데이터 전송 속도를 초당 비트 수(bps)로 정의합니다.

• 비트 동기화. 물리적 계층은 송신자와 수신자가 비트 단위에서 동기화되도록 비트 스트림에 클럭 신호를 부여합니다. 

• 전송 모드. 물리적 계층은 연결된 장치 간에 데이터가 흐르는 방식(단방향, 반이중 또는 전이중 전송)을 정의합니다.

• 물리적 토폴로지. 물리적 수준은 네트워크 장치와 노드가 어떻게 배치되는지를 정의합니다(예: 버스, 스타, 메시 토폴로지). USB, Bluetooth, 이더넷과 같은 표준에는 물리적 계층의 사양이 포함되어 있습니다. 

또한 물리적 계층은 물리적 신호(예: 전압, 무선파 또는 광 펄스 사용)를 통해 데이터가 어떻게 인코딩될지도 결정합니다.

OSI 참조 모델은 엔지니어와 개발자가 네트워크 통신의 복잡성을 이해하는 데 도움이 되는 이론적 토대를 제공합니다. 그러나 이 모델은 다른 네트워킹 모델인 전송 제어 프로토콜/인터넷 프로토콜(TCP/IP) 모델과 비교되기도 합니다.

OSI 모델과 달리 TCP/IP 모델은 실제 네트워크에서 광범위하게 사용되고 직접 구현되는 표준 프로토콜을 기반으로 합니다. OSI 모델이 7계층으로 구성된 데 반해 TCP/IP 모델은 4계층 구조이며, 각 계층은 OSI 모델의 하나 이상의 계층에 해당합니다.

• 네트워크 액세스 계층. 데이터 링크 계층 또는 물리적 계층이라고도 하는 TCP/IP 네트워크의 네트워크 액세스 계층은 네트워크 매체와의 인터페이스에 필요한 하드웨어 및 소프트웨어 구성 요소를 모두 포함하며, OSI 모델의 물리적 계층과 데이터 링크 계층을 결합합니다. 이 계층은 동일한 네트워크에 있는 장치 간의 물리적 데이터 전송을 처리하며, 주로 이더넷(LAN 환경)과 ARP 프로토콜을 사용합니다.

• 인터넷 계층. OSI 모델의 네트워크 계층과 마찬가지로 인터넷 계층은 논리적 주소 지정, 라우팅 및 패킷 포워딩을 담당합니다. 이 계층은 주로 IP 프로토콜과 서로 다른 네트워크에서 패킷의 주소 지정 및 라우팅을 관리하는 인터넷 제어 메시지 프로토콜에 기반합니다.

• 전송 계층. TCP/IP의 전송 계층은 OSI 모델의 전송 계층과 동일한 역할을 수행하며, 상위 계층과 하위 계층 간에 신뢰성 있는 데이터 전송을 제공합니다. TCP 및 UDP 프로토콜을 사용하여 오류 검사 및 흐름 제어를 위한 메커니즘도 제공합니다.

• 애플리케이션 계층. TCP/IP의 애플리케이션 계층은 OSI 모델의 세션, 프레젠테이션, 애플리케이션 계층을 모두 포함합니다. HTTP, FTP, POP3(Post Office Protocol 3), SMTP, DNS, SSH 프로토콜을 사용하여 애플리케이션에 직접 네트워크 서비스를 제공하며, 사용자 애플리케이션을 지원하는 모든 프로토콜을 관리합니다. 

OSI 모델의 주요 가치는 교육적 유용성과 새로운 프로토콜을 설계하기 위한 개념적 프레임워크로서의 역할에 있으며, 이를 통해 기존 시스템 및 기술과 상호 운용할 수 있습니다.

그러나 TCP/IP 모델의 실용성과 실제 적용 가능성 덕분에 TCP/IP 모델은 현대 네트워킹의 근간이 되었습니다. 견고하고 확장 가능한 설계와 수평적 계층화 접근 방식은 수십억 개의 디바이스와 막대한 양의 데이터 트래픽을 수용하면서 인터넷의 폭발적인 성장을 주도했습니다.