3. 네트워크 프로토콜과 계층모델

목차

3.1 프로토콜이란 무엇인가

3.2 OSI 7계층 참조모델

3.3 OSI 모델의 계층별 기능

3.4 TCP/IP 네트워크 모델

3.1 프로토콜이란 무엇인가

3.1.1네트워크 프로토콜

프로토콜 (protocol) 이란?

네트워크상에 있는 디바이스 사이에서 정확한 데이터의 전송과 수신을 위한 일련의 규칙들

정보의 전송과 관련된 개념으로, 전자기 신호는 전압이나 전류에 대한 파형으로 나타남

신호는 에너지 신호와 전력 신호, 랜덤 신호와 결정 신호, 주기 신호와 비주기 신호 등으로 구분

 

프레임 (frame)이란?

데이터링크 계층에서 사용되는 데이터 단위

 

프레임의 기본 구성

목적지 주소 영역: 목적지의 주소

전송 측 주소 영역: 데이터를 보내는 전송 측의 주소

유료부하 영역: 사용자 데이터

 

3.1.2 프로토콜의 개념

 

 

 

프로토콜이란?

데이터통신과 관련된 임의의 두 개체가 네트워크를 통해서 상호 간에 데이터의 교환을 위해서 정의되는 상호 합의된 규칙 (즉 무엇을, 어떻게, 언제 통신할 것인가? 그림 3-2)

 

프로토콜의 기본 구성요소 (그림 3-3)

구문 요소: 데이터의 형식(format), 부호화 및 신호의 크기 등 요소 포함

의미 요소: 데이터의 특정한 형태에 대한 해석을 어떻게 할 것인가? 또한 이에 따라 어떻게 동작을 취할 것인가 등 전송의 조정 및 오류 등 요소 포함

타이밍 요소: 언제 데이터를 전송할 것인가와 얼마나 빠른 속도로 전송할 것인가와 같은 내용 포함

 

3.2 OSI 7계층 참조모델

3.2.1 OSI 모델이란 무엇인가

OSI (Open Systems Interconnection) 7계층 표준모델: 7계층으로 구성된 계층 구조를 갖는 개방형 시스템

 

목적: 다양한 표준화와 관련된 기본 골격을 제공하는 것

 

특정 시스템에 대한 프로토콜의 의존도를 줄이고 (private 한 프로토콜을 줄임) , 향후 기술 진보에 따른 프로토콜의 확장성 등을 고려하여 보편적인 개념과 용어를 사용하여 표준화함

 

개방형 시스템의 프로세스와 프로세스 상호 간의 데이터통신, 데이터 저장, 자원 관리, 데이터 보안 및 응용 프로그램 지원 등과 같은 협업 동작에 대하여 규정하고 있다.

 

개방형 시스템 간의 데이터 통신

개방형 시스템 : 컴퓨터, 단말기, 통신 제어장치, 단말기 제어장치 등과 같은 응용 프로세스 간에 데이터통신 기능 제공

응용 개체 : 네트워크상에서 동작하는 응용 프로그램과 시스템 운영 및 관리 프로그램, 단말기 동작과 관련된 프로그램 운영 기능 제공

연결 : 응용 개체 사이를 서로 연결하는 논리적인 데이터통신 회선 기능

전송미디어 : 데이터링크, 채널 등과 같이 네트워크 시스템 간의 데이터 전송특성

 

OSI 계층 구조

네트워크 계층 구조는 개체에 대한 서비스 및 프로토콜에 의해 구체화

개체 : 각 계층에서 데이터교환기 능을 갖고 있는 실제적인 디바이스에 대한 총칭으로, 프로세스와 같은 ‘소프트웨어 개체’ 또는 지능형 입ㆍ출력 칩과 같은 ‘하드웨어 개체’ 등을 포함하는 용어

OSI 표준모델에서는 7계층의 개체를 ‘응용 개체, ’ 6계층의 개체를 ‘표현 개체’라 하며, 그 하위의 개체 또한 동일한 방법으로 명명

 

데이터 단위 - 전송데이터 처리과정

서비스 데이터 단위(SDU : Service Data Unit)와 프로토콜 데이터 단위(PDU : Protocol Data Unit)

동일한 개체 간에 데이터를 교환하거나, 혹은 서비스 액세스점(SAP : Service Access Point)을 통해 인접계층의 개체 간에 데이터를 교환하기 위한 단위

 

(N+1) 계층의 (N+1)－SDU에 (N+1) 계층의 제어정보(PCI : Protocol Control Information)가 결합되어 (N+1) PDU를 만들고, 이것이 자신보다 하위에 있는 N계층으로 인터페이스가 이루어지면 N-PDU가 됨 ('-'는 마이너스가 아님..)

 

각 계층을 통과하는 데이터의 처리 과정(그림 3-7)

N 서비스는 N계층과 그 하위 전체 계층이 제공하는 데이터 전송 등의 기능

 

N계층은 N서비스 액세스점(N-SAP)을 경유하여 상위 계층의 서비스를 이용할 수 있음 (그림 3-8)

서비스 액세스점(SAP)이란?

상위 계층이 하위 계층에서 제공하는 서비스를 받기 위해서 하위 계층에 접근하는 영역

 

N 연결은 N계층에서 제공되는 다수의 개체 간에서 데이터 전송을 수행하는 수단

 

(N+1)개체는 다수의 N연결을 가질 때 다른 (N+1)개체와 동시에 데이터 전송이 가능 (그림 3-9)

 

3.3 OSI 모델과 계층별 기능

물리 계층

자신보다 상위에 있는 데이터링크 계층의 데이텅통신 기능을 원활하게 수행하도록 물리적인 연결 설정과 유지 및 해제 기능과 관계됨

 

기능 및 절차적 명세: 신호의 기능 명칭, 시간 조건, 절차 등을 규정.

전기적 명세: 신호선의 전원 인터페이스, 부하 인터페이스, 출력전압, 전원전압, 2진수의 논리적 표현, 한계값 등을 규정

기계 명세: DCE/DTE에 연결되는 커넥터 및 데이터통신 링크에 연결되는 커넥터의 형태와 치수 및 신호 핀의 배열 등을 규정

 

데이터링크 계층

하부의 물리적인 연결을 통해 보다 신뢰성 있는 데이터 전송 수단을 제공하는 계층

 

신뢰성 있는 데이터 전송을 위한 처리

- 데이터 프레임화: 데이터 전송 시 데이터를 일정한 길이로 분할하여 프레임 단위로 만듦

- 프레임의 순서제어: 순차적인 프레임 전송을 위하여 프레임 번호를 부여

- 프레임의 전송 확인과 흐름제어: 전송 측에서 여러 개의 프레임을 연속하여 전송하는 경우에, 전송되는 프레임이 정확하게 수신 측에 전송되었는가를 확인하고, 동시에 흐름제어도 수행

- 오류검출 및 복원: 전송되는 프레임에는 오류 검출용의 비트열이 첨부되어 있으며, 수신 측에서는 이를 조사함으로써 프레임의 전송상 오류여부 판단

 

프레임에 전송 오류가 발견되면 수신 측에서는 전송 측으로 재전송 요청

 

데이터링크 연결 설정과 해제: 프레임 전송에 앞서 수신 측이 데이터통신 가능상태에 있는지를 확인하여 데이터링크의 연결 설정

 

네트워크 계층

데이터링크 계층의 기능을 이용하여 네트워크 시스템 상호간에 데이터를 전송할 수 있도록 경로배정, 중계 기능, 흐름제어, 오류제어 등의 기능을 수행하는 계층

 

연결형 네트워크 서비스(ISO 8348)

연결 설정 -> 데이터 전송 -> 연결 해제 라는 3단계를 거쳐 데이터통신이 수행

데이터의 순서제어와 흐름제어 과정이 비교적 간단하여 대량의 데이터를 연속적으로 전송하는 데 효율적

 

비연결형 네트워크 서비스

논리적 데이터통신 회선을 설정하지 않은 상태에서 프로토콜 데이터 단위(PDU)를 전송하는 방식

데이터에 대한 제어 기능을 갖지 않음 . 대신 네트워크 계층에 다른 통신 네트워크와의 상호 연결이 용이하고, 기능 간략화가 가능하다.

 

수송 계층

수송 계층은 하부 네트워크와 독립적으로 신뢰성 있는 프로세스 상호 간의 완전한 메시지 전달기능을제공

- 프로세스(process) : 호스트 컴퓨터에서 동작하고 있는 응용 프로그램(application program)

 

완전한 메시지 전달기능을 제공하기 위해서 흐름제어와 오류제어, 메시지 전달 등의 기능을 수행

 

하위 계층을 구성하는 다양한 데이터통신 네트워크의 품질의 차이를 보장하고 데이터통신에 적합한 종단 프로세스 내에서 데이터 전송을 보장하는 계층

 

연결형 전송 프로토콜(ISO 8023, CCITT X.225) : 종단 간 데이터 전송 기능을 제공하기 위해 논리적인 데이터통신 회선을 설정하여 다중화, 분리, 연결, 오류 검출과 복원, 흐름제어, 우선 데이터 전송 등의 기능을 수행

전송 프로토콜의 등급과 형태

전송 프로토콜의 등급

- 등급 0: 단순 등급

- 등급 1: 기본 오류 복원 등급

- 등급 2: 다중화 등급

- 등급 3: 오류 복원 및 다중화 등급

- 등급 4: 오류 검출과 복원 등급

 

형태

- A 형태 : 오류율 및 검출 오류율이 허용 한계 내에 있는 경우

- B 형태 : 오류율은 허용 한계 내에 있지만 검출 오류율은 허용 범위 내에 있지 않는 경우

- C 형태 : 오류율 및 검출 오류율이 모두 허용 범위 내에 있지 않는 경우

세션 계층과 표현 계층

세션 계층

서로 다른 컴퓨터에서 동작되고 있는 두 개의 응용 계층 프로토콜 개체가 데이터를 전송하는 데 필요한 대화를 관리하고 조정

 

순서에 따라 데이터를 조합하고 동기화하는 수단과 응용 계층 프로토콜 개체 간에 대화 채널을 설정하고, 해제하는 수단을 제공

 

데이터 스트림에 검사 위치를 삽입하는 수단을 제공

 

장애 발생 시 마지막 검사 위치 이후의 데이터만 재전송되도록 함으로써 대화 중단 시점에서 다시 연결해주는 부가적인 서비스를 제공

 

표현 계층

두 사용자 응용 프로세스 간에 교환될 데이터의 형식과 관련되며, 사용자 데이터 전송을 위해 상호 동의하고 이해하는 형식으로 협상되도록 하는 수단을 제공

 

예를 들면, 불어를 사용하는 사람과 중국어를 사용하는 사람 간에 통신이 이루어질 때 영어로 통역하는 것과 같이, 데이터 형식 변환의 개념과 관련된 기능을 제공해주는 계층임

 

 

응용 계층

OSI 참조 모델의 최상위 계층

 

자원(resource) 결정, 구문 확인 등의 기능과 정보처리를 수행하는 응용 프로그램 및 프로세스 간의 인터페이스, 데이터통신을 수행하기 위한 기본적인 응용 기능 제공

 

공통 응용서비스 : 기본적인 응용 기능에 대하여 공통으로 사용되는 기능

- 연계제어, 문맥제어, 정보 전송과 대화제어, CCR 제어 등

 

특정 응용서비스 : 공통 응용서비스 이외의 기능

- 단말기 제어 기능, 파일관리 기능, 작업조작 기능 등

 

응용 개체

응용 개체: 응용 프로그램의 OSI에 관련하는 기능 부분

 

응용 개체의 3가지 요소

사용자 요소(UE) : 응용 프로그램이 데이터통신을 수행하기 위하여 응용 서비스를 이용하는 요소

 

공통 응용서비스 요소(CASE) : 응용 계층 내에서 공통으로 사용되는 서비스 요소

 

특정 응용서비스 요소(SASE) : 가상 단말기, 파일 전송 액세스 관리, 작업 전송 조작, 원격 데이터베이스 액세스, 네트워크 관리 등 특정 기능에 사용되는 서비스 요소

 

3.4 TCP/IP 네트워크 모델

3.4.1 TCP/IP 네트워크 모델이란?

인터넷에서 사용하는 대표적인 프로토콜

 

TCP/IP 모델은 물리 계층, 데이터링크 계층, 네트워크 계층, 수송계층, 응용 계층 등 5개의 계층만으로 구성 [그림 3-14]

 

IP 프로토콜의 특성 : 비신뢰성 비연결형(unreliable connectionless) 데이터그램 프로토콜

 

TCP (Transmission Control Protocol)와 UDP(User Datagram Protocol)는 OSI 모델의 수송 계층에 해당

 

SCTP(Stream Control Transmission Protocol) 추가됨 – UDP와 TCP의 장점을 결합시켜 제어정보와 데이터정보를 분리하여 전송하는 방식

3.4.2 TCP/IP 모델(1)

물리 계층과 데이터링크 계층

물리 계층과 데이터링크 계층에 대한 특정한 프로토콜은 규정하고 있지 않음

 

네트워크 계층

IP 데이터그램은 IPv4인 경우 기본 20바이트로 구성되고 최대 60바이트까지 확장 가능

 

IPv4에서 IP 주소는 32비트의 이진수를 사용, IPv6에서는 이보다 4배인 128비트 영역으로 확장

 

네트워크 계층에 해당하는 프로토콜 :  ARP와 RARP ICMP, IGMP 등

 

ARP와 RARP : IP 주소(IPv4인 경우 32비트)를 물리주소(이더넷 프로토콜인 경우 48비트)와 연계시키기 위한 프로토콜

 

ICMP : 전송 중인 IP 데이터그램에 문제가 있음을 통지

 

IGMP : 그룹화된 사용자들에게 동시 전송이 용이하도록 함

 

3.4.3 TCP/IP 모델(2)

수송 계층

OSI 모델의 수송 계층에 해당하는 프로토콜로 TCP와 UDP, SCTP가 있음

 

TCP는 프로세스 대 프로세스(process-to-process) 프로토콜

 

종단간의 흐름제어, 에러제어 등의 기능이 있어서 신뢰성을 제공

 

세그먼트(segment) : 두 호스트 간의 TCP 프로토콜 사이에서의 전송 단위

 

응용 계층

TCP/IP 네트워크 모델에서는 OSI 모델의 세션 계층, 표현 계층, 응용 계층을 모두 결합하여 하나의 응용 계층이 됨

 

(예) 이메일 프로토콜(SMTP), 파일전송 프로토콜(FTP), 도메인명 시스템(DNS), 웹 프로토콜(WWW)등 다양한 프로토콜