[Network] OSI 7 Layer: 각 계층의 의미와 실전 매핑

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정의

OSI 7 Layer 모델 은 네트워크 통신을 7 계층으로 추상화 한 ITU-T 표준 (1984). 실제 인터넷은 TCP/IP 4-5 계층 이지만, OSI 의 개념적 분리 가 디버깅 / 도구 분류 의 토대가 된다.

7 Layer 매트릭스

Layer	이름	PDU (단위)	주요 프로토콜	도구
L7	Application	message	HTTP, gRPC, DNS, SMTP, MQTT, SSH	curl, postman
L6	Presentation	data	TLS, JSON, Protobuf, MIME, gzip	openssl
L5	Session	session	NetBIOS, RPC, 대부분 통합	-
L4	Transport	segment	TCP, UDP, QUIC, SCTP	netstat, ss, tcpdump
L3	Network	packet	IP, ICMP, BGP, OSPF	traceroute, ping
L2	Data Link	frame	Ethernet, WiFi, ARP, MAC	arp, wireshark
L1	Physical	bit	케이블, 무선 신호, 전기/광 신호	-

TCP/IP 와의 매핑

실제 인터넷은 4-5 계층 의 TCP/IP. OSI 의 5/6/7 이 Application 으로 통합:

flowchart TB
    subgraph OSI["OSI 7 Layer"]
        O7[L7 Application]
        O6[L6 Presentation]
        O5[L5 Session]
        O4[L4 Transport]
        O3[L3 Network]
        O2[L2 Data Link]
        O1[L1 Physical]
    end
    subgraph TCPIP["TCP/IP 4 Layer"]
        T4[Application]
        T3[Transport]
        T2[Internet]
        T1[Link]
    end
    O7 --> T4
    O6 --> T4
    O5 --> T4
    O4 --> T3
    O3 --> T2
    O2 --> T1
    O1 --> T1

각 계층 깊게

L7 Application

사용자 의도와 가장 가까운 계층. 응용 프로그램이 직접 사용하는 프로토콜.

프로토콜	포트	설명
HTTP/1.1	80	텍스트 기반 웹 요청/응답
HTTPS	443	HTTP + TLS
HTTP/2	443	멀티플렉싱, 헤더 압축
HTTP/3	443 (UDP)	QUIC 기반
DNS	53 (UDP/TCP)	도메인 → IP 변환
SMTP	25 / 465 (TLS)	이메일 전송
SSH	22	암호화 원격 셸
gRPC	443	HTTP/2 위 RPC 프레임워크

예시:

GET /api/users HTTP/1.1
Host: example.com
Authorization: Bearer eyJhbGci...

자세한 건 HTTP/1.1, HTTP/2, HTTP/3, gRPC, network-dns.

L6 Presentation

데이터 표현 변환 계층. 직렬화, 압축, 암호화.

역할	예
암호화 / 복호화	TLS (실제로는 L4-L7 사이)
직렬화	JSON, Protobuf, MessagePack, CBOR
압축	gzip, deflate, brotli, zstd
문자 인코딩	UTF-8, MIME Base64

현대 프로토콜에서는 L5/L6 경계가 모호하고, 응용 계층(L7) 과 통합되는 경우가 많다.

L5 Session

세션 관리 계층. 대화의 시작/유지/종료.

현대에서는 L7 의 일부 또는 애플리케이션 자체 가 담당한다.

• HTTP cookie: 상태 없는 HTTP 위에서 세션 유지
• JWT: 토큰 기반 세션 상태 관리
• WebSocket: HTTP Upgrade 후 지속 세션 유지

L4 Transport

end-to-end 신뢰성 + 흐름 제어. 포트 번호로 프로세스 식별.

프로토콜	신뢰성	순서 보장	흐름제어	주요 사용
TCP	O	O	O	HTTP, SSH, DB 연결
UDP	X	X	X	DNS, VoIP, 게임, QUIC
QUIC	O	O (stream 별)	O	HTTP/3
SCTP	O	옵션	O	WebRTC DataChannel

포트 범위:

• Well-known (0-1023): HTTP(80), HTTPS(443), SSH(22), DNS(53)
• Registered (1024-49151): 애플리케이션 공식 등록
• Dynamic/Ephemeral (49152-65535): 클라이언트 임시 포트

자세한 건 TCP, UDP, QUIC.

L3 Network

IP 라우팅. 패킷이 목적지까지 어떤 경로로 갈지 결정. 라우터의 영역.

프로토콜	역할
IPv4 / IPv6	주소 지정 및 패킷 전달
ICMP	제어 메시지 (ping, traceroute, TTL Exceeded)
BGP	인터넷 AS 간 경로 교환 (인터넷의 뼈대)
OSPF / IS-IS	AS 내부 링크 상태 라우팅
ARP	IP → MAC 주소 매핑 (L2/L3 경계)

TTL (Time to Live): 각 라우터 통과 시 1 감소, 0 이 되면 폐기. traceroute 는 TTL 을 1씩 증가시키며 각 라우터의 ICMP TTL Exceeded 응답을 수집.

자세한 건 IP.

L2 Data Link

같은 LAN 안 의 MAC 주소 기반 통신. 스위치, WiFi AP 의 영역.

프로토콜	설명
Ethernet (IEEE 802.3)	유선 LAN 표준, 최대 1500 byte MTU
WiFi (IEEE 802.11)	무선 LAN, 802.11ax (WiFi 6)
ARP	IP 주소를 MAC 주소로 변환
VLAN (802.1Q)	하나의 물리 스위치를 논리적으로 분리
PPP	점대점 링크 (WAN, DSL)

Ethernet 프레임 구조:

[Dest MAC (6B)][Src MAC (6B)][EtherType (2B)][Payload][FCS (4B)]

L1 Physical

실제 전기 / 광 신호. 비트를 물리적 신호로 변환.

• 유선: Cat5e/Cat6 (1Gbps), Cat7/Cat8 (10Gbps), 광섬유 (SM/MM)
• 무선: 2.4GHz / 5GHz / 6GHz 대역
• 장비: 허브, 리피터, NIC (Network Interface Card)

패킷의 캡슐화

송신 측이 데이터를 아래 계층으로 내려보낼 때 각 계층이 헤더를 추가(캡슐화). 수신 측은 역순으로 헤더를 제거(역캡슐화).

flowchart TB
    L7Msg["L7 HTTP: GET /api/x"]
    L7Msg -->|"L6/L5 처리"| L6Frame["+ TLS 암호화 래퍼"]
    L6Frame -->|"L4 TCP 헤더 추가"| L4Frame["TCP header + payload"]
    L4Frame -->|"L3 IP 헤더 추가"| L3Frame["IP header + TCP segment"]
    L3Frame -->|"L2 Ethernet 프레임 래핑"| L2Frame["Ethernet header + IP packet + FCS"]
    L2Frame -->|"L1 변환"| Bit["bits on wire"]

각 계층이 자기 헤더 를 덧붙임. 수신 측은 역순으로 벗겨 올라간다.

실제 패킷 크기 예시

HTTP 요청 200 byte
  + TLS 레코드 헤더: 5 byte
  = TLS payload: 205 byte
    + TCP 헤더: 20 byte
    = TCP segment: 225 byte
      + IP 헤더: 20 byte
      = IP packet: 245 byte
        + Ethernet 헤더: 14 byte
        + Ethernet FCS: 4 byte
        = Ethernet frame: 263 byte

실전: 어디서 무엇이 깨졌나?

문제 진단의 층 별 도구:

flowchart TB
    Issue{문제 발생} --> Q1{ping 가능?}
    Q1 -->|아니오| L3Layer["L3 문제<br/>routing, firewall, DNS"]
    Q1 -->|예| Q2{telnet/nc port?}
    Q2 -->|아니오| L4Layer["L4 문제<br/>port closed, firewall"]
    Q2 -->|예| Q3{TLS handshake OK?}
    Q3 -->|아니오| L6Layer["L6 문제<br/>cert, SNI"]
    Q3 -->|예| Q4{HTTP 200?}
    Q4 -->|아니오| L7Layer["L7 문제<br/>application, auth"]
    Q4 -->|예| AppLogic["애플리케이션 로직"]

도구	담당 계층	용도
ping	L3 (ICMP)	기본 연결성 확인
traceroute / tracert	L3	경로 추적, 지연 구간 식별
nc / telnet host port	L4	포트 개방 여부 확인
nmap	L4	포트 스캔
openssl s_client	L6 (TLS)	TLS 핸드셰이크 확인
curl -v	L7 (HTTP)	HTTP 요청/응답 전체 확인
dig / nslookup	L7 (DNS)	도메인 → IP 조회
tcpdump / wireshark	L2-L7 (raw)	패킷 캡처 및 분석
ss / netstat	L4	소켓 연결 상태 확인

실전 디버깅 시나리오

서비스가 갑자기 응답 없을 때:

# 1. L3: 기본 연결성
ping api.example.com

# 2. L3: 경로 추적
traceroute api.example.com

# 3. L4: 포트 접근
nc -zv api.example.com 443

# 4. L6: TLS 핸드셰이크
openssl s_client -connect api.example.com:443 -servername api.example.com

# 5. L7: HTTP 요청
curl -v https://api.example.com/health

계층 간 상호작용 예시

HTTP/1.1 GET 요청이 서버에 도달하기까지:

sequenceDiagram
    participant App as L7 Application
    participant TLS as L6 TLS
    participant TCP as L4 TCP
    participant IP as L3 IP
    participant ETH as L2 Ethernet
    App->>TLS: HTTP 요청 평문
    TLS->>TCP: 암호화된 TLS 레코드
    TCP->>IP: TCP 세그먼트
    IP->>ETH: IP 패킷
    ETH->>ETH: 비트 전송
    note over ETH: 물리 계층 전달 후 역순 복원

흔한 함정

관련 위키

• TCP, UDP, QUIC
• IP, TLS
• HTTP/1.1, HTTP/2, HTTP/3
• network-cidr-subnetting
• network-dns