컴퓨터 네트워크란 무엇일까? | 프로토콜, OSI 7 Layer, TCP/IP, 캡슐화와 비캡슐화

컴퓨터 네트워크란

우리가 이용하는 인터넷은 컴퓨터 네트워크를 통해 연결된 정보망이다. 우리가 인터넷을 통해 모든 그림이나 사진, 텍스트 등의 모든 데이터들은 데이터이며 이 데이터들은 네트워크를 통해 빠른 속도로 우리에게 도착하여 보여진다.

사람과 사람이 대화를 주고 받으며 의사소통하는 것을 네트워킹이라고 부르는 것처럼, 컴퓨터 네트워크란 컴퓨터, 서버 및 기타 장치들이 서로 데이터나 자원을 교환하고 공유하며 통신하는 것을 말한다.

 

그렇다면 컴퓨터 장치들이 서로 데이터나 자원을 교환하고 공유하기 위해서는 어떤 것들이 필요할까?

컴퓨터 네트워크에서 데이터를 전송하는 방식

컴퓨터 네트워크에서의 데이터 전송 방식에는 회선 교환 방식(circuit exchange method)와 패킷 교환 방식(packet exchange method)의 두 가지 방식이 있다.

 

이미지 출처: https://infospark.in/networking/circuit-switching-and-packet-switching-networks/

 

회선 교환 방식은 데이터를 교환하기 전에 일대일의 전송로(데이터 통로)를 만들고, 교환을 마칠때까지 전송로를 계속 사용하는 방식이다. 회선 교환 방식에는 고정 전화가 있다. 회선 교환기로 구성된 회선 교환 네트워크에 일대일의 전송로를 만들고, 접속을 끊을 때까지 이를 계속 사용하며 접속한 기간에는 해당 회선을 점유하며 다른 전화를 받을 수 없다. 하지만 이 방식은 데이터가 흐르지 않을 때에도 회선이 연결되어 있기 때문에 효율성이 낮다.

 

패킷 교환 방식은 데이터를 패킷(packet)이라는 작은 단위로 나누어 네트워크로 보내는 방식이다. 송식 측 컴퓨터는 데이터네 헤더(header)라는 정보를 붙여 패킷 교환기(네트워크 기기)로 구성된 패킷 교환 네트워크로 패킷을 보낸다. 헤더에는 수신 컴퓨터 정보, 데이터 중 몇 번째에 해당하는 패킷인지에 관한 정보 등 다양한 정보가 포함되어 있다. 패킷 교환 네트워크는 헤더 정보를 보고 수신 컴퓨터로 패킷을 전달한다. 그리고 수신 컴퓨터의 헤더 정보를 보고 원 데이터로 복원한다.

 

컴퓨터 네트워크는 데이터를 수신, 생성, 저장 또는 전송하는 노드 또는 근거리 통신망(LAN, etc. 가정용 Wi-Fi 네트워크나 소규모 비즈니스 네트워크) 혹은 인터넷과 같이 데이터 전송을 위한 공유 매체인 컴퓨팅 장치의 그룹으로 서로 데이터와 자원을 교환한다.

 

여기서 노드는 모뎀, 허브 또는 스위치와 같은 데이터 통신 장비 (DCE) 또는 두 개 이상의 컴퓨터 및 프린터와 같은 데이터 단말 장치(DTE) 일 수 있다. 두 노드를 연결하기 위해서는 전송 매체인 링크가 필요하다. 링크는 케이블 와이어 또는 광섬유와 같은 물리적이거나 무선 네트워크가 사용하는 자유 공간일 수 있다. 

 

라우터는 서로 다른 네트워크를 연결하고, 스위치는 동일한 네트워크 내의 장치를 연결한다.

 

프로토콜이란

작동하는 컴퓨터 네트워크에서 노드들은 링크를 통해 데이터를 보내고 받는 방법을 정의하는 일련의 규칙 또는 프로토콜을 따른다.

 

데이터는 패킷(packet)이라 부르는 작은 단위로 나누어져 네크워크로 보내지는데, 네트워크에서는 이 패킷을 처리하기 위한 규칙이 존재한다. 프로토콜이 이 규칙이다.

 

우리의 검색창을 보면 https://choirim.tistory.com/ 와 같은 URL을 확인할 수 있는데, 앞에 붙은 https가 이 프로토콜에 해당한다. https는 Hypertext Transfer Protocol Secure의 약자로, 웹서버와 웹 브라우저 사이에 패킷을 암호화하여 교환할 때 사용되는 프로토콜이다. 즉, 검색창에 https로 시작되는 url을 검색하면, 컴퓨터 네트워크에서 https 프로토콜을 사용해서 데이터를 교환하고 통신한다고 선언하는 것이다.

 

네트워크 계층

프로토콜로 정의된 다양한 통신 기능은 그 처리에 맞춰 계층 구조로 되어있다. 데이터 송신지인 컴퓨터는 계층 별로 분리된 프로토콜에 결쳐 상위 계층부터 순서대로 데이터를 처리해 패킷 상태로 전송 매체에 보내게 된다

OSI 참조 모델, OSI 7 Layer

OSI 참조 모델은 국제 표준화 기구가 1984년에 책정한 계층 구조 모델이다. OSI 참조 모델은 아래부터 물리 계층(Physical Layer), 데이터링크 계층(Datalink Layer), 네트워크 계층(Network Layer), 트랜스포트 계층(Transport Layer), 세션 계층(Session Layer), 프레젠테이션 계층(Presentation Layer), 애플리케이션 계층(Application Layer) 총 7개의 계층으로 구정되어있다. 이 7 계층을 OSI 7 Layer라 부른다.

 

물리 계층(Physical Layer) 은 디지털 데이터를 물리적 전송 매체로 보내기 위한 변환/변조를 처리한다.

데이터링크 계층(Datalink Layer) 은 물리 계층의 신뢰성을 확보하고, 같은 네트워크에 있는 단말과의 연결성을 확보한다.

네트워크 계층(Network Layer)은 다른 네트워크에 있는 단말과의 연결성을 확보한다.

트랜스포트 계층(Transport Layer)은 애플리케이션 식별 및 그에 따라 통신을 제어한다.

세션 계층(Session Layer)은 애플리케이션 데이터를 송싱하기 위한 논리적 통신로(세션)을 관리한다.

프레젠테이션 계층(Presentation Layer)은 애플리케이션 데이터를 통신 가능한 방식으로 변환한다.

애플리케이션 계층(Application Layer)은 사용자에게 애플리케이션을 제공한다.

 

TCP/IP

TCP/IP는 전세계를 통해 가장 일상적으로 사용되는 프로토콜 세트이다. HTTP, FTP, SMTP 등 TCP를 기반으로 한 많은 수의 애플리케이션 프로토콜들이 IP 위에서 동작하기 때문에 묶어서 TCP/IP라고 부른다.

 

이 TCP/IP는 OSI 7 Layer의 네트워크 레이어와 트랜스포트 레이어에 해당한다. 

그림 출처 - https://aws-hyoh.tistory.com/entry/OSI-7-Layer-%EC%89%BD%EA%B2%8C-%EC%9D%B4%ED%95%B4%ED%95%98%EA%B8%B0

 

OSI 7 Layer, TCP/IP처럼 프로토콜을 계층화하는 이유는?

 

각 역할별로 계층을 나누면, 각 계층의 역할은 명확하게 구분되어 있으며 역할의 순서대로 처리한다. 그리고 자신의 처리가 완료되면 다음 계층으로 데이터를 전달한 뒤 그 처리에는 관여하지 않는다. 그렇게 함으로써, 설령 특정한 계층의 프로토콜이 다른 프로콜로 대체된다 하더라도 동일하게 통신할 수 있을 뿐만 아니라 계층별로 문제를 해결하기도 쉽다.

 

캡슐화와 비캡슐화

사용자가 데이터를 요청할 때 OSI 7 Layer 중 맨 위인 애플리케이션 계층으로 요청하게 된다. 송신 단말은 애플리케이션 계층에서 순서대로 각 계층에서 페이로드(헤더를 제외한 데이터)에 헤더를 붙여 PDU로 만들고 한 단계 아래의 계층으로 전달한다. 이렇게 페이로드에 헤더를 추가하는 처리를 캡슐화(encapsulation)이라고 한다. 

이에 대응하는 수신 단말은 물리 계층에서 순서대로, 각 계층의 PDU로부터 헤더를 제거하고 페이로드만을 한 단계 위 계층으로 전달한다. 이렇게 헤더를 제거하는 과정을 비캡슐화(decapsulation)이라 부른다.

이미지 출처: https://www.youtube.com/watch?app=desktop&v=oM4jEIGs1BM

 

+) PDU(Protocol Data Unit)

네트워크에서 데이터는 각 계층에서 처리할 수 있도록 작게 분할되어 처리된다. 계층에서 처리하는 한 덩어리의 데이터, 즉 데이터 단위를 PDU라고 부른다. PDU는 제어 정보를 포함한 헤더, 데이터 자체인 페이로드로 구성되어 있다.

 

 

+) 패킷과 PDU는 동일한 의미일까?

패킷은 넓은 의미의 패킷과 좁은 의미의 패킷이 있다. 전자는 네트워크에 흐르는 데이터 그 자체를 의미하고 후자는 네트워크 계층의 PDU를 의미한다. 좁은 의미의 패킷을 나타낼때는 IP 패킷이라고도 표현한다.

---

 

 

참조 자료 - [책] 그림으로 공부하는 TCP/IP 구조