OSI 7 Layers

영어로 된 부분은 처음에 공부한 내용 & 한글로 된 부분은 책보며 다시 공부한 내용

Reference: [책] IT 엔지니어를 위한 네트워크 입문

Before getting started

• 과거에는 통신용 규약이 표준화되지 않아서 호환되지 않는 system이나 application이 많았고 통신이 불가능 했음

  • 이것을 하나의 규약으로 통합 하려는 노력이 현재의 OSI 7 Layers 로 남아있다!

• OSI 7 Layers가 network 동작을 나누어 이해하고 개발하는데 도움이 되므로 main network reference model로 활용되고 있지만,

  • 현재 대부분의 protocol은 TCP/IP protocol stack 기반으로 되어 있다

What is OSI 7 Layers?

OSI 7 Layers

• OSI (= Open Systems Interconnection) is a 7 layer architecture with each layer having specific functionality to perform.

• All these 7 layers work collaboratively to transmit the data from one person to another across the globe.

OSI 7 Layers

OSI 7 Layers는 계층의 역할과 목표에 따라 두 가지 계층으로 나눌 수 있다.

1~4 계층

• Lower Layer

• Data Flow Layer

  • data를 상대방에게 잘 전달하는 역할을 갖고 있다

5~7 계층

• Upper Layer

• Application Layer

  • data를 만드는 역할을 하는 부분이다

• application 개발자

  • data flow layer를 고려하지 않고 data를 표현하는 데 초점을 맞춘다

  • Top-down 형식으로 network를 바라본다

• network engineer

  • application layer는 application 개발자들이 고려해야 할 영역이므로 network engineer는 이 부분에 대해 일반적으로 심각하게 고민하지 않는다

  • Bottom-up 형식으로 network를 바라본다

Details

1. Physical Layer (Layer 1)

• The lowest layer of the OSI reference model is the physical layer.

• It is responsible for the actual physical connection between the devices.

• The physical layer contains information in the form of bits.

  • It is responsible for transmitting individual bits from one node to the next.

  • When receiving data, this layer will get the signal received and convert it into 0s and 1s and send them to the Data Link layer, which will put the frame back together.

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• 물리적 연결과 관련된 정보를 정의

• 주로 전기 신호 를 전달하는데 초점이 맞추어져 있음

  • 들어온 전기 신호를 그대로 잘 전달하는 것이 목적이므로 전기 신호가 1계층 장비 에 들어오면 이 전기 신호를 재생성하여 내보낸다

• 1계층 장비는 주소의 개념이 없다!

  • 신호가 들어온 port를 제외하고 모든 port에 같은 전기 신호를 전송한다

    • 즉, 출발지와 목적지를 구분 할 수 없다

2. Data Link Layer (DLL) (Layer 2)

• The data link layer is responsible for the node to node delivery of the message.

• The main function of this layer is to make sure data transfer is error-free from one node to another, over the physical layer.

• When a packet arrives in a network, it is the responsibility of DLL to transmit it to the Host using its MAC address.

• Data Link Layer is divided into two sub layers :

  1. Logical Link Control (LLC)

  2. Media Access Control (MAC)

• The packet received from Network layer is further divided into frames depending on the frame size of NIC(Network Interface Card).

• DLL encapsulates Sender and Receiver’s MAC address in the header.

• The Receiver’s MAC address is obtained by placing an ARP(Address Resolution Protocol) request onto the wire asking “Who has that IP address?” and the destination host will reply with its MAC address.

• 전기 신호를 모아 우리가 알아볼 수 있는 data 형태로 처리한다

• 1계층과는 다르게 전기 신호를 정확히 전달하기 보다는 주소 정보를 정의하고 정확한 주소로 통신하는데 초점이 맞추어져 있다

• 출발지 와 도착지 주소를 확인하고 내게 보낸 것이 맞는지 or 내가 처리해야 하는지에 대해 검사한 후에 data 처리를 수행한다

• 2계층에서는 주소 체계 가 생기면서 여러 통신이 한꺼번에 이루어지는 것을 구분하기 위한 기능이 주로 정의된다

• 전기 신호를 모아 data 형태로 처리하므로 data에 대한 error를 탐지하거나 고치는 역할을 수행할 수 있다

  • Ethernet 기반 network의 2계층에서는 error를 탐지하는 역할만 수행한다

• 주소 체계가 생긴다는 것은 한 명과 통신하는 것이 아니라 동시에 여러 명과 통신할 수 있다는 것이므로 무작정 data를 던지는 것이 아니라 받는 사람이 현재 data를 받을 수 있는지 확인 하는 작업부터 해야 한다

  • 이 역할을 Flow Control 이라고 부른다

    • Flow Control

      1. 서버에서 스위치로 data 전송

      2. 스위치 혼잡 상황 발생. 스위치는 서버로 Pause frame 전송

      3. 서버는 Pause frame 수신 수 대기

• 2계층의 network 구성 요소는 Network Interface Card와 Switch이다

• 2계층의 가장 중요한 특징은 MAC 주소라는 주소 체계가 있다는 것이다

  • 2계층에서 동작하는 Network Interface Card와 Switch 모두 MAC 주소를 이해할 수 있고, Switch는 MAC 주소를 보고 통신해야 할 port를 지정해 내보내는 능력이 있다

    • Network Interface Card 동작 방식

      1. 전기 신호를 data 형태로 만든다

      2. 목적지 MAC 주소와 출발지 MAC 주소를 확인한다

      3. Network Interface Card의 MAC 주소를 확인한다

      4. 목적지 MAC 주소와 Network Interface Card가 갖고 있는 MAC 주소가 맞으면 data를 처리하고, 다르면 data를 폐기한다

    • Switch 동작 방식

      • Swtich는 단말이 어떤 MAC 주소인지, 연결된 port는 어느 것인지 주소 습득 (Address learning) 과정에서 알 수 있다

        • 이 data를 기반으로 단말들이 통신할 때 port를 적절히 filtering 하고, 정확한 port로 forwarding 해준다

      • Switch의 적절한 filtering과 forwarding 기능으로 통신이 필요한 port만 사용하고, network 전체에 불필요한 처리가 감소하면서

        • Ethernet network 효율성이 크게 향상되었고,

        • Ethernet 기반 network가 급증하는 계기가 되었다!

3. Network Layer (Layer 3)

• Network layer works for the transmission of data from one host to the other located in different networks.

• It also takes care of packet routing i.e. selection of the shortest path to transmit the packet, from the number of routes available.

• The sender & receiver’s IP address are placed in the header by the network layer.

• The functions of the Network layer are :

  1. Routing

     • The network layer protocols determine which route is suitable from source to destination.

     • This function of network layer is known as routing.

  2. Logical Addressing

     • In order to identify each device on internetwork uniquely, network layer defines an addressing scheme.

     • The sender & receiver’s IP address are placed in the header by network layer.

     • Such an address distinguishes each device uniquely and universally.

• Segment in Network layer is referred as Packet.

• Network layer is implemented by networking devices such as routers

• 3계층에서는 IP 주소와 같은 논리적인 주소가 정의된다

  • data 통신을 할 때에는 두 가지 주소가 사용된다

    1. 2계층의 물리적인 MAC 주소

    2. 3계층의 논리적인 IP 주소

  • MAC 주소와 달리 IP 주소는 사용자가 환경에 맞게 변경해 사용할 수 있다

  • IP주소는 네트워크 주소 부분과 호스트 주소 부분으로 나뉜다

    • 3계층을 이해할 수 있는 장비나 단말은 네트워크 주소 정보를 이용해서

      1. 자신이 속한 네트워크와 원격지 네트워크를 구분할 수 있고

      2. 원격지 네트워크를 가려면 어디로 가야하는지 경로를 지정할 수 있다

• 3계층에서 동작하는 장비는 Router다

  • Router는 3계층에서 정의한 IP 주소를 이해할 수 있다

  • Router는 IP 주소를 사용해 최적의 경로를 찾아주고, 해당 경로로 packet을 전송하는 역할을 한다

4. Transport Layer (Layer 4)

• Transport layer provides services to application layer and takes services from network layer.

• The data in the transport layer is referred to as Segments.

  • It is responsible for the End to End Delivery of the complete message.

• The transport layer also provides the acknowledgement of the successful data transmission and re-transmits the data if an error is found.

• Transport layer is operated by the Operating System.

  • It is a part of the OS and communicates with the Application Layer (Layer 7) by making system calls.

• Transport Layer is called as Heart of OSI model.

• 4계층은 1~3계층과는 다른 역할을 한다

  • 하위 계층 (Layer 1~4)은 data를 쪼개 정보를 붙여 목적지까지 잘 전달하는 역할을 하는데,

    • 1~3계층은 신호와 data를 올바른 위치로 보내고, 실제 신호를 잘 만들어 보내는데 집중한다

    • 반면 4계층은 실제로 해당 data들이 정상적으로 잘 보내지도록 확인하는 역할을 한다

• Packet network 는 data를 분할해 packet에 실어보내다 보니 중간에 packet이 유실되거나 순서가 뒤바뀌는 경우가 생길 수 있다

• 이럴 때 바로 잡아주는 역할을 4계층에서 담당한다

  • 4계층에서 packet을 분할할 때 packet header에 보내는 순서와 받는 순서를 적어 통신하므로

    • packet이 유실되면 재전송을 요청할 수 있고,

    • 순서가 뒤바뀌더라도 바로 잡을 수 있다

  • Packet에 보내는 순서를 명시한 것이 시퀀스 번호(Sequence Number)이고,

  • Packet에 받는 순서를 명시한 것이 ACK 번호(Acknowledgement Number)이다

  • 장치 내의 많은 application을 구분할 수 있도록 포트 번호(Port Number)를 사용해 상위 application을 구분한다

• 4계층에서 동장하는 장비는 Load Balancer와 방화벽이다

  • 이 장비들은 4계층에서 볼 수 있는 application 구분자 (Port Number)와 Sequence, ASK number 정보를 이용해서

    • 부하를 분산하거나 보안 정책을 수립해 packet을 통과, 차단하는 기능을 수행한다

5. Session Layer (Layer 5)

• The Session layer is responsible for establishment of connection, maintenance of sessions, authentication and also ensures security.

• The functions of the session layer are :

  1. Session establishment, maintenance and termination

     • The layer allows the two processes to establish, use and terminate a connection.

  2. Synchronization

     • This layer allows a process to add checkpoints which are considered as synchronization points into the data.

     • These synchronization point help to identify the error so that the data is re-synchronized properly, and ends of the messages are not cut prematurely and data loss is avoided.

  3. Dialog Controller

     • The session layer allows two systems to start communication with each other in half-duplex or full-duplex.

• 5계층인 **세션 계층(Session Layer)**은 양 끝단의 응용 프로세스가

  • 연결을 성립하도록 도와주고,

  • 연결이 안정적으로 유지되도록 관리하고,

  • 작업 완료 후에는 연결을 끊는 역할을 한다

• Session을 관리하는 것이 주 역할인 session layer는 TCP/IP session을 만들고 없애는 역할을 한다

• Error로 중단된 통신에 대한 복구와 재전송도 수행한다

6. Presentation Layer (Layer 6)

• Presentation layer is also called the Translation layer.

• The data from the application layer is extracted here and manipulated as per the required format to transmit over the network.

• The functions of the presentation layer are :

  1. Translation

     • For example, ASCII to EBCDIC.

  2. Encryption/ Decryption

     • Data encryption translates the data into another form or code.

  3. Compression

     • Reduces the number of bits that need to be transmitted on the network.

• 6계층인 presentation layer는 표현 방식이 다른 application이나 system 간의 통신을 돕기 위해 하나의 통일된 구문 형식으로 변환시키는 기능을 수행한다

  • 일종의 번역기나 변환기 역할을 수행하는 계층이고,

  • 이러한 기능은 사용자 system의 응용 계층에서 data의 형식상의 차이를 다루는 부담을 덜어준다

  • MIME encoding이나 암호화, 압축, 코드 변환과 같은 동작이 이 계층에서 이루어진다

7. Application Layer (Layer 7)

• At the very top of the OSI Reference Model stack of layers, we find Application layer which is implemented by the network applications.

• These applications produce the data, which has to be transferred over the network.

• This layer also serves as a window for the application services to access the network and for displaying the received information to the user.

  • Ex: Application – Browsers, Skype Messenger etc.

• Application Layer is also called as Desktop Layer.

• OSI 7 Layers의 최상위 7계층인 application layer는 application process를 정의하고 application service를 수행한다

  • Network software의 UI 부분이나 사용자 I/O 부분을 정의하는 것이 application layer의 역할이다

  • application layer의 protocol은 엄청나게 많은 종류가 있지만 대표적인 Protocol로는 FTP, SMTP, HTTP TELNET이 있다

Summary

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계층별 주요 프로토콜 및 장비

Layer	Protocol	장비
Application Layer	HTTP, SMP, SMTP, STUN, TFTP, TELNET	ADC, NGFW, WAF
Presentation Layer	TLS, AFP, SSH
Session Layer	L2TP, PPTP, NFS, RPC, RTCP, SIP, SSH
Transport Layer	TCP, UDP, SCTP, DCCP, AH, AEP	LB, Firewall
Network Layer	ARP, IPv4, IPv6, NAT, IPSec, VRRP, Routing protocol	Router, L3 Switch
Datalink Layer	IEEE 802.2, FDDI	Switch, Bridge, NIC
Physical Layer	RS-232, RS-449, V.35, S 등의 cable	Cable, Hub, TAP