OSI 7계층과 TCP/IP | SW 전공

1. 프로토콜과 계층화

프로토콜은 통신 주체가 데이터를 교환하기 위한 규칙이다.

구문 Syntax: 메시지 형식과 필드 배치
의미 Semantics: 필드의 뜻과 오류·제어 동작
타이밍 Timing: 전송 순서, 속도, 동기

네트워크를 계층화하면 각 계층이 특정 기능에 집중하고, 인접 계층과 정해진 인터페이스로 연결되어 구현을 변경하기 쉽다.

2. OSI 7계층

계층	주요 역할	대표 예	PDU·장비 관점
7 응용	사용자 응용에 네트워크 서비스 제공	HTTP, DNS, SMTP, FTP	Data
6 표현	형식 변환, 문자 인코딩, 압축, 암호화	TLS 기능 일부, JSON, JPEG	Data
5 세션	대화 연결·유지·동기·종료	세션·체크포인트 개념	Data
4 전송	종단 간 전달, 포트, 신뢰성·흐름제어	TCP, UDP	Segment/Datagram
3 네트워크	논리 주소와 경로 선택	IP, ICMP, 라우팅	Packet, Router
2 데이터링크	같은 링크의 프레임 전달, MAC, 오류 검출	Ethernet, Wi-Fi	Frame, Switch/Bridge
1 물리	비트를 전기·광·무선 신호로 전송	케이블, 전파	Bit, Repeater/Hub

실제 프로토콜 기능은 계층 경계를 정확히 하나로만 나누기 어려운 경우도 있다. OSI는 역할을 이해하는 참조 모델이다.

3. TCP/IP 계층과 대응

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OSI                    TCP/IP
┌──────────────┐
│ 7 응용        │
│ 6 표현        │ ───► 응용 계층
│ 5 세션        │
├──────────────┤
│ 4 전송        │ ───► 전송 계층
├──────────────┤
│ 3 네트워크    │ ───► 인터넷 계층
├──────────────┤
│ 2 데이터링크  │
│ 1 물리        │ ───► 네트워크 접근 계층
└──────────────┘

TCP/IP 모델은 구현과 인터넷 프로토콜 체계를 설명하는 데 널리 사용된다.

4. 캡슐화와 역캡슐화

웹 요청을 보낼 때 상위 계층의 데이터에 하위 계층 헤더가 차례로 붙는다.

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응용 데이터
    ↓ TCP 헤더 추가
[TCP Header | Data]                         Segment
    ↓ IP 헤더 추가
[IP Header | TCP Header | Data]             Packet
    ↓ Ethernet 헤더·트레일러 추가
[Eth H | IP H | TCP H | Data | FCS]         Frame
    ↓ 신호로 변환
010101...                                   Bits

수신 측은 반대 순서로 헤더를 해석하고 제거한다.

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Bits → Frame → Packet → Segment → Application Data

각 계층의 주소는 역할이 다르다.

MAC 주소: 같은 링크에서 다음 장치까지 전달
IP 주소: 송신 호스트에서 목적 호스트까지 논리적 경로 식별
포트 번호: 목적 호스트 안의 응용 프로세스 식별

5. 같은 LAN과 다른 네트워크로의 전달

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같은 LAN
PC A ──Frame──► Switch ──Frame──► PC B
         목적 MAC = PC B

다른 네트워크
PC A ──Frame──► Router ──새 Frame──► 다음 Router/PC B
   목적 IP = PC B      목적 IP는 유지되는 구간이 많음
   목적 MAC = Gateway  링크마다 MAC 프레임은 새로 구성

라우터는 수신 프레임의 2계층 헤더를 제거하고 IP 패킷의 목적지와 라우팅 테이블을 확인한 뒤 다음 링크에 맞는 새 프레임을 만든다.

6. 네트워크 장비

장비	주 계층	역할
리피터	1	감쇠된 신호 재생
허브	1	입력 신호를 여러 포트로 반복
브리지·스위치	2	MAC 주소를 학습해 프레임 전달·필터링
라우터	3	IP 경로 선택과 네트워크 간 패킷 전달
게이트웨이	여러 계층	서로 다른 프로토콜·응용 체계 변환이라는 넓은 의미

현대 Ethernet 스위치는 목적 MAC을 학습한 포트로 전달하며, 모르는 목적지나 브로드캐스트 프레임은 해당 VLAN 안에서 여러 포트로 전파한다.

7. 홉별 헤더 변화

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A ──Switch── R1 ── R2 ── B

Ethernet 출발·목적 MAC : 링크마다 변경
IP 출발·목적 주소       : NAT가 없으면 종단까지 유지
TTL                       : 라우터마다 1 감소
TCP/UDP 포트              : 일반 라우팅에서는 유지

라우터는 수신 프레임을 제거하고 다음 링크에 맞는 새 프레임을 만든다. 이 구분은 “목적지 IP는 B지만 첫 프레임의 목적 MAC은 기본 게이트웨이” 문제의 핵심이다.

8. 스위치 학습과 전달

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빈 MAC table
1) A(port1)→B : A-port1 학습, B 미지 → 같은 VLAN에 flood
2) B(port4)→A : B-port4 학습, A는 port1로 unicast
3) A→B        : port4로만 unicast

스위치 포트마다 충돌 도메인이 분리되고, VLAN마다 브로드캐스트 도메인이 분리된다. 802.1Q trunk는 여러 VLAN 프레임을 태그로 구분해 한 링크로 운반한다.

9. 주소·식별자의 계층

식별자	대표 범위
MAC	같은 링크의 인터페이스·다음 홉
IP	네트워크 간 호스트 인터페이스
Port	호스트 내부 응용 프로세스
5-tuple	하나의 전송 흐름

Ethernet MTU 1500, IPv4 20B, TCP 20B라면 옵션이 없을 때 응용 데이터 MSS는 1460B다.

10. 계층별 장애 추론

도메인 이름은 실패하지만 IP 직접 접속은 성공하면 IP 경로보다 DNS 이름 해석을 먼저 점검한다. 같은 서브넷 ping도 실패하고 ARP 응답이 없으면 데이터링크·주소 설정을 우선 확인한다.

확인 문제

라우터 통과 시 MAC과 IP는 어떻게 변하는가?
스위치가 모르는 목적 MAC을 받으면?
VLAN 3개면 브로드캐스트 도메인은?
IP·MAC·포트의 식별 대상은?
MTU1500, IPv4/TCP 각20B의 MSS는?