OSI 7계층
지금까지 살펴본 네트워크 카드, 스위치·라우터, 패킷은 사실 통신 과정의 서로 다른 "단계"를 담당합니다. OSI 7계층은 이런 통신 과정을 7개의 계층으로 나누어 표준화한 모델입니다. 계층을 나누어 두면 각 계층을 담당하는 장비나 프로그램을 서로 독립적으로 개발하고 교체할 수 있어, 제조사가 달라도 문제없이 함께 동작할 수 있습니다.
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데이터가 계층을 내려가는 과정 — 캡슐화
응용 계층에서 만들어진 데이터는 아래로 내려가면서 각 계층이 자신만의 헤더(봉투)를 하나씩 덧붙입니다. 이렇게 데이터를 겹겹이 감싸는 과정을 캡슐화(encapsulation)라고 하며, 받는 쪽에서는 반대로 겉봉투부터 하나씩 벗겨내며(역캡슐화) 원래 데이터를 복원합니다.
2계층 프레임을 열어보면 — 이더넷 프레임 구조
위 캡슐화 과정에서 만들어지는 프레임의 실제 내용을 들여다보면, 이더넷은 아래 그림처럼 정해진 순서의 필드로 구성됩니다. 맨 앞의 목적지·출발지 MAC 주소로 같은 통신망 안에서 상대를 구분하고, 맨 뒤의 FCS로 전송 중 오류가 없었는지 검사합니다.
| 필드 | 크기 | 설명 |
|---|---|---|
| 프리앰블(Preamble) | 7바이트 | 1과 0을 번갈아 56비트 보내, 수신 쪽이 신호에 맞춰 동기를 잡도록 합니다. |
| SFD(Start Frame Delimiter) | 1바이트 | "이제부터 진짜 프레임이 시작된다"는 것을 알리는 시작 표시입니다. |
| 목적지 MAC 주소 | 6바이트 | 이 프레임을 받아야 할 기기의 고유 하드웨어 주소입니다. |
| 출발지 MAC 주소 | 6바이트 | 이 프레임을 보낸 기기의 고유 하드웨어 주소입니다. |
| 타입/길이(Type/Length) | 2바이트 | 데이터에 담긴 상위 계층 프로토콜(IPv4·ARP·IPv6 등)의 종류를 나타냅니다. |
| 데이터(Payload) + 패딩 | 46~1500바이트 | 상위 계층(3~7계층)에서 내려온 실제 내용입니다. 내용이 46바이트보다 작으면 뒤에 0을 채우는 패딩으로 최소 길이를 맞춥니다. |
| FCS(Frame Check Sequence) | 4바이트 | 32비트 CRC로 전송 중 오류가 생기지 않았는지 검사합니다. |
프리앰블·SFD(8바이트)는 프레임 길이 계산에서는 제외하며, 나머지 필드만 더한 순수 프레임 길이는 최소 64바이트(MAC 헤더 14 + 데이터 46 + FCS 4)에서 최대 1518바이트(MAC 헤더 14 + 데이터 1500 + FCS 4)입니다. 목적지·출발지 MAC은 스위치가 신호를 정확한 상대에게만 전달하는 데 쓰이고, 타입 필드는 그 안에 담긴 데이터가 3계층의 어떤 프로토콜인지 알려 줍니다.
여러 기기가 케이블을 같이 쓰면? CSMA/CD
예전에 여러 컴퓨터가 하나의 케이블을 함께 쓰던 이더넷에서는, 둘 이상이 동시에 신호를 보내면 신호가 서로 뒤섞이는 충돌(collision)이 생겼습니다. 이를 막기 위해 쓰인 방식이 CSMA/CD(반송파 감지 다중 접속/충돌 탐지)이며, 다음 순서로 동작합니다.
- 감지(Carrier Sense) — 보내기 전에 케이블이 비어 있는지 먼저 확인합니다.
- 전송(Multiple Access) — 케이블이 비어 있으면 누구든 데이터를 보낼 수 있습니다.
- 충돌 탐지(Collision Detection) — 두 기기가 동시에 보내 신호가 겹치면 충돌을 감지합니다.
- 대기 후 재전송 — 충돌한 기기들은 각자 무작위 시간만큼 기다린 뒤 다시 전송을 시도합니다.
오늘날에는 스위치가 포트마다 신호를 따로 전달해 주기 때문에 케이블을 함께 쓸 일이 거의 없어졌고, 그 결과 CSMA/CD는 현재 유선 이더넷에서는 거의 쓰이지 않는 옛 방식이 되었습니다.
전송 계층의 두 프로토콜 — TCP와 UDP
4계층(전송 계층)에는 대표적으로 두 가지 프로토콜이 있습니다. TCP는 먼저 연결을 맺고(3-way handshake), 데이터가 잘 도착했는지 확인(ACK)하며, 손실된 데이터는 재전송해 순서대로 정확히 전달하는 신뢰성 있는 프로토콜입니다. 반면 UDP는 연결 설정 없이 곧바로 데이터를 보내고, 손실되어도 재전송하지 않는 대신 지연이 적고 빠릅니다. 그래서 파일 전송·이메일처럼 정확성이 중요한 곳에는 TCP를, 실시간 스트리밍·온라인 게임처럼 속도가 중요한 곳에는 UDP를 주로 사용합니다.
TCP·UDP 시뮬레이션 — 직접 실험해 보세요
아래에서 프로토콜과 "패킷 손실" 여부를 고른 뒤 전송을 실행해, TCP와 UDP가 손실에 어떻게 다르게 반응하는지 비교해 보세요.
| TCP | UDP | |
|---|---|---|
| 연결 설정 | 있음 (3-way handshake) | 없음 |
| 신뢰성(재전송) | 있음 — 손실 시 재전송 | 없음 — 손실 시 그대로 버림 |
| 순서 보장 | 보장됨 | 보장되지 않음 |
| 속도·오버헤드 | 상대적으로 느림, 오버헤드 큼 | 빠름, 오버헤드 작음 |
| 대표 사용 예 | 웹(HTTP), 이메일, 파일 전송 | 실시간 스트리밍, 온라인 게임, DNS |
핵심 정리
- OSI 7계층은 통신 과정을 물리·데이터링크·네트워크·전송·세션·표현·응용, 7개 계층으로 나눈 표준 모델입니다.
- 데이터는 위에서 아래로 내려가며 각 계층의 헤더를 덧붙이는 캡슐화 과정을 거쳐 비트로 전송됩니다.
- 이더넷 프레임은 목적지·출발지 MAC, 타입, 데이터, FCS 순으로 구성되며, 과거에는 CSMA/CD로 케이블 충돌을 조정했지만 스위치 보급 이후 거의 쓰이지 않습니다.
- 전송 계층(4계층)의 TCP는 연결·재전송으로 신뢰성을, UDP는 연결 설정 없이 속도를 우선합니다.
🧑🏫 선생님·학부모님을 위한 설명 도움말
원리 자세히 보기
- OSI 모델과 TCP/IP 모델 — 실제 인터넷은 4계층으로 된 TCP/IP 모델(링크·인터넷·전송·응용)에 따라 동작합니다. OSI의 1·2계층이 TCP/IP의 '링크 계층', 5·6·7계층이 '응용 계층' 하나로 묶인다고 보면 됩니다. OSI 7계층은 통신을 설명하고 설계할 때 쓰는 '공통 지도', TCP/IP는 실제로 깔린 '도로'에 가깝습니다.
- 계층별 대표 장비와 약속
- 포트 번호 — IP 주소가 '아파트 동 주소'라면 포트 번호는 '호수'입니다. 한 컴퓨터 안에서 웹 브라우저, 메신저, 게임이 동시에 통신해도 포트 번호로 각자의 데이터를 구별합니다. 보안 웹(HTTPS)은 보통 443번을 씁니다.
- 봉투에도 무게가 있다 — 이더넷 프레임 하나(데이터 최대 1,500바이트)에 IP 헤더 20바이트, TCP 헤더 20바이트가 들어가면 실제 내용은 1,460바이트입니다. 프리앰블과 프레임 사이의 쉬는 간격까지 따지면 회선 용량의 약 95 %만 실제 내용을 나르므로, 1 Gbps 랜에서 파일을 받아도 약 950 Mbps 정도가 최대입니다.
- 계층을 나눈 덕분에 — Wi-Fi를 끄고 유선 랜이나 휴대전화 데이터로 바꾸어도 웹 브라우저는 아무것도 바꿀 필요가 없습니다. 아래 계층만 갈아 끼우고 위 계층은 그대로 쓰는 것, 이것이 계층 모델의 가장 큰 장점입니다.
- 전파천문학과의 연결 — 전파망원경의 디지털 장비가 만든 관측 데이터는 VDIF라는 VLBI 국제 표준 형식으로 묶인 뒤, 흔히 UDP 패킷에 실려 고속 이더넷으로 기록기에 전달됩니다. 재전송을 기다릴 여유 없이 쉬지 않고 쏟아지는 데이터라서 가벼운 UDP가 잘 맞습니다(관측데이터 저장 참고).
계층 모델의 역사와 배경
| 시기 | 사건 | 의미 |
|---|---|---|
| 1970년대 초 | 제조사마다 다른 통신 방식 | 회사마다 자기 컴퓨터끼리만 통하는 통신 규약을 써서, 다른 회사 컴퓨터와는 연결하기 어려웠습니다. |
| 1974년 | TCP 설계 논문(서프·칸) | 서로 다른 통신망을 잇는 TCP/IP의 바탕이 마련되었습니다(인터넷과 패킷 참고). |
| 1977년 | 국제표준화기구(ISO), OSI 표준 작업 시작 | "어느 회사 제품이든 서로 통하게(개방형 시스템 상호 연결)" 만들기 위한 국제 표준을 만들기 시작했습니다. |
| 1983년 | ARPANET의 TCP/IP 전환 | TCP/IP가 실제로 운영되는 통신망의 표준이 되었습니다. |
| 1984년 | OSI 참조 모델 발표(ISO 7498) | 통신을 7계층으로 나누는 지금의 모델이 국제 표준으로 정해졌습니다. 국제전기통신연합(ITU)도 같은 내용을 X.200 권고로 냈습니다. |
| 1989년 | 인터넷 호스트 요구사항(RFC 1122) | TCP/IP를 링크·인터넷·전송·응용의 4계층으로 정리했습니다. |
| 1980년대 말~1990년대 | '프로토콜 전쟁' | 여러 나라 정부와 통신회사가 OSI 방식의 프로토콜을 밀었지만, 이미 널리 쓰이던 TCP/IP가 인터넷과 함께 퍼지며 사실상의 표준이 되었습니다. OSI 프로토콜은 거의 쓰이지 않게 되었지만 7계층 '모델'은 교육과 설계의 공통 언어로 남았습니다. |
비유로 설명하기
- 편지(데이터)를 편지 봉투에 넣고, 그 봉투를 다시 택배 상자에 넣고, 상자를 트럭에 싣는 것과 같습니다. 트럭 기사는 상자 속 편지를 몰라도 되고, 편지를 쓴 사람도 트럭이 어느 길로 가는지 몰라도 됩니다. 각 단계는 자기 포장만 책임집니다.
- 7계층 순서를 외울 때는 아래부터 "물·데·네·전·세·표·응"처럼 첫 글자를 따서 아이와 함께 자기만의 외우기 문장을 만들어 보세요.
자주 하는 오해
- "인터넷은 OSI 7계층 그대로 동작한다" — 실제 인터넷은 4계층 TCP/IP 모델로 동작합니다. OSI 7계층은 통신 과정을 나누어 이해하기 위한 기준틀입니다.
- "계층마다 장비가 하나씩 따로 있다" — 장비 하나가 여러 계층의 일을 함께 하는 경우가 많습니다. 집 공유기는 스위치(2계층)와 라우터(3계층) 기능을 함께 갖고 있고, 컴퓨터 한 대는 1계층부터 7계층까지 모두 처리합니다.
함께 해 볼 질문·활동
- '봉투 겹치기 놀이': 쪽지(데이터)를 작은 봉투, 중간 봉투, 큰 봉투에 차례로 넣으며 겉에 포트 번호·IP 주소·MAC 주소를 적고, 받는 사람은 바깥 봉투부터 하나씩 벗겨 보기(캡슐화와 역캡슐화)
- 같은 웹 페이지를 Wi-Fi로 한 번, 휴대전화 데이터로 한 번 열어 보고, 무엇이 바뀌고 무엇이 그대로인지 계층별로 이야기해 보기
📚 참고 자료 및 출처
본 교육자료는 Anthropic(Claude) 및 OpenAI(ChatGPT)를 활용하여 제작하였으며, 제작자가 내용을 검토·편집하였습니다. 주요 참고자료와 출처는 각 페이지의 「참고 자료 및 출처」에 명시하였습니다. 출처가 별도로 표기되지 않은 페이지와 참고자료에 포함되지 않은 내용은 제작자가 직접 작성하거나 정리한 것입니다. 내용에 오류가 있거나 수정이 필요한 사항을 발견하시면 kvnsite@kasi.re.kr로 알려 주시기 바랍니다.
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