네트워크 기본 개념 및 OSI 7계층 총 정리! - 물리 계층 / 데이터 링크 계층

안녕하세요. 솔렐레입니다.
이번엔 네트워크에 대한 간단한 개념과 OSI 7계층에 대한 총 정리를 하도록 하겠습니다. OSI 계층의 이해를 통해서 네트워크 데이터 전송에 대한 전체적인 정리가 되었으면 합니다. 그럼 시작합니다.

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컴퓨터 간의 연결을 컴퓨터 네트워크라고 부르며 패킷은 컴퓨터 간의 데이터를 주고 받을 때 사용하는 작은 데이터 조각입니다. 따라서 큰 데이터는 작은 패킷으로 분할하여 전송이 됩니다. 컴퓨터는 기본적으로 0과 1밖에 이해를 하지 못하며 0과 1의 정보를 나타내는 최소 단위를 비트(bit)하고 합니다. 1비트가 모여서 1바이트를 만듭니다. 문자를 0과 1로 바꾸기 위해서는 숫자와 문자를 대응하는 아스키 코드를 사용하여 변환을 해주게 됩니다.

[LAN / WAN]
건물 안이나 특정 지역을 범위로 하는 네트워크는 랜(LAN) 이며 좁은 지역에 빠르고 오류가 적다는 특징을 가지고 있습니다. 왠(WAN)은 인터넷 서비스 제공자(ISP, 예. LGU+, SKT, KT 등)가 제공하는 네트워크 서비스이며 범위가 넓고 속도가 느리며 오류가 발생할 확률이 적은 네트워크를 의미합니다.

[OSI 7계층]
물리 계층 > 데이터 링크 계층 > 네트워크 계층 > 전송 계층 > 세션 계층 > 표현 계층 > 응용 계층
참고) TCP/IP 모델: 네트워크 접속 계층 > 인터넷 계층 > 전송 계층 > 응용 계층

1. 물리 계층
물리 계층의 가장 큰 역할은 네트워크 장비 간 전송되는 데이터는 전기 신호로 변환하고 네트워크 장비를 컴퓨터와 연결하는 역할을 합니다.

먼저 전기 신호에 대해서 설명하겠습니다. 0과 1의 비트열을 전기 신호로 변환하는 역할을 물리 계층에서 하고 있습니다. 전기 신호의 종류에는 아날로그 신호와 디지털 신호가 있습니다. 아날로그 신호는 물결 모양이며 디지털 신호는 막대 모양을 하고 있습니다. 이렇게 0과 1을 전기신호로 변환하는 역할을 랜 카드가 하고 있습니다.

두 번째로 네트워크 전송에 대해 설명하겠습니다. 네트워크의 전송 매체는 유선, 무선으로 나눌 수 있습니다. 유선에서는 트위스트 페어 케이블, 광케이블 등이 있고, 무선에는 라디오파, 마이크로파, 적외선파 등이 있습니다. 이 중, 가장 많이 사용하는 유선 케이블에는 트위스트 페어 케이블이 있으며 이는 UTP, STP 케이블 종류가 있습니다. UTP 케이블은 실드가 되어있지 않은 케이블로 노이즈의 영향을 쉽게 받으며 STP 케이블은 실드 보호로 인해 노이즈 영향이 적어 전기 신호의 왜곡이 적다는 특징을 가지고 있습니다. UTP, STP 케이블은 일반적으로 랜 케이블이라고 불리며 통신 속도와 규격에 따라 분류를 하고 있습니다.

물리 계층에서는 리피터와 허브가 동작을 하고 있습니다. 리피터는 왜곡된 전기 신호를 복원하고 증폭하는 역할을 합니다. 따라서 파형을 정상적으로 만들어서 다른 컴퓨터와 통신을 할 수 있게 합니다.
허브는 포트를 통해 여러 컴퓨터를 연결해주는 역할을 합니다. 리피터 허브는 리피터와 동일하게 신호를 정형하고 증폭하는 역할도 하고 있습니다. 이 때문에 최근 리피터의 사용은 많이 줄고 있습니다. 하지만 허브를 사용하여 데이터를 전송할 경우 원하는 컴퓨터로만 데이터가 전송되는 것이 아닌 허브에 연결된 모든 포트에 데이터가 전송됩니다(더미 허브).  따라서 이런 비효율적인 전송의 대책으로 나온 것이 스위치 장비 입니다. 스위치는 데이터 링크 계층에서 설명하도록 하겠습니다.

 

2. 데이터 링크 계층

데이터 링크 계층은 네트워크 장비 간 신호를 주고받는 규칙으로 랜에서 정상적인 데이터 수신을 위해 필요한 계층입니다. 가장 많이 사용하는 규칙으로는 이더넷이 있습니다. 이더넷은 데이터의 충돌을 방지하기 위해 CSMA/CD 를 이용합니다. CS는 Carrier Sense 데이터를 보내려고 하는 컴퓨터가 케이블에 신호가 흐르는지를 확인합니다. MA 는 Multiple Access 케이블에 데이터가 전송되고 있지 않다면 보내도 좋다는 것이고 CD 는 Collision Detection 으로 충돌이 발생하고 있는지를 확인한다는 뜻 입니다. 이더넷에는 10BASE5, 10BASE2, 10BASE-T, 10BASE-TX 등 다양한 규격이 있습니다. 이 규격은 통신속도, 전송방식, 케이블의 종류에 따라서 구분됩니다.

데이터가 케이블에서 충돌하지 않도록 전이중/반이중 통신 방식을 사용합니다. 전이중 방식은 데이터의 송신과 수신을 동시에 하는 방식이며 송, 수신이 나누어져 있기 때문에 동시에 데이터를 전송해도 충돌하지 않습니다. 하지만 반이중 방식은 회선 하나로 송, 수신을 하여 충돌이 발생하게 됩니다. 허브는 반이중 방식을 사용하고 스위치는 전이중 방식을 사용합니다. 충돌이 발생할 때 범위를 충돌 도메인이라고하며 반이중 방식일 때는 허브이기 때문에 모든 연결되어있는 컴튜터에 영향을 발생시킵니다. 하지만 스위치는 충돌 도메인의 범위가 작아서 모든 컴퓨터에 영향을 끼치지 않아 통신 효율이 높아지게 됩니다. 

또한 물리 계층의 랜카드에서 0과 1을 전기 신호로 변환한다고 했는데 랜 카드에는 MAC 주소가 정해져 있습니다. MAC 주소는 전 세계 유일한 값을 가지고 있습니다. 데이터 링크 계층에서는 이더넷 헤더와 트레일러가 캡슐화되어 네트워크 계층으로 전송됩니다. 이더넷 헤더에는 출발지/목적지 MAC주소와 유형을 가지고 있습니다. 유형은 상위 계층의 프로토콜 번호를 의미합니다. 그리고 트레일러에는 FCS(Frame Check Sequence)가 붙어 데이터 전송 중 오류가 발생하는지를 확인할 수 있습니다. 이렇게 이더넷 헤더와 트레일러가 추가된 데이터는 프레임이라고 부르게 됩니다.
데이터를 전송할 때 프레임에 있는 MAC 주소를 통해서 내가 원하는 포트로 데이터를 전송하여 원하는 컴퓨터에 데이터를 전달할 수 있습니다. 그 외 포트에 전달되는 데이터는 파기가 되므로 더미 허브처럼 모든 포트에 데이터가 가는 것을 방지할 수 있습니다.

이를 통해 데이터 링크 계층에서는 동일 네트워크 안에서 원하는 컴퓨터에 데이터를 전송하도록 도울 수 있으며 데이터의 충돌이 일어나는 것을 감지하여 데이터가 전송 중이라면 잠시 대기시키고 전송이 가능하도록 하는 CSMA/CD를 이용해 데이터 충돌을 방지하는 계층입니다.

데이터 링크 계층에서 동작하는 장비는 스위치입니다. 스위치 내부에는 MAC 테이블이 존재해서 포트번호와 포트에 연결되어있는 컴퓨터의 MAC 주소가 등록되어있습니다. 따라서 프레임 데이터가 전송되면 MAC 테이블을 확인하고 등록되어있다면 그 포트로 데이터를 보내고 없다면 MAC 테이블에 등록을 합니다. MAC 테이블에 등록되어있지 않을 경우 모든 포트에 데이터를 보내는 플러딩(flooding)이 발생합니다. 하지만 등록이 된 이후에는 MAC에 등록된 포트로만 데이터를 보내서(MAC 주소 필터링) 불필요한 데이터를 전송하지 않게 됩니다.

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지금까지 네트워크에 대한 기본적인 개념과 OSI 7 계층 중 물리 계층, 데이터 링크 계층에 대해서 설명하였습니다.
이어서 네트워크 계층, 전송 계층, 응용 계층에 대한 설명도 진행하도록 하겠습니다. 감사합니다. :)