[학교수업] 01. Protocol Architecture

 

 💡 강의 목표

1. Protocol Architecture의 필요성을 이해한다.
2. Layered Protocol Architecture의 기본 원리를 이해한다.
3. 표준인 Standard Protocol Architecture를 기억한다.

 

 

 

 ▪️ Protocol Architecture의 필요성

• 배경 상황
  : Communcation System is Very Complex. So It's hard to understand it easily. 😡 
• 해결 방법
  : Do it 'Divide and Rule/Conquer'.
  : (1) Make it in to several subtasks.
  : (2) Stack subtasks and make STACK OF LAYERS. → "Layered Architecture (계층 구조)"

 

 

 

 ▪️ Layered Architecture Principle (계층 구조 원칙)

Communication System의 Layered Architecture는 반드시 규정된 원칙들을 지켜야 하는데 이는 아래와 같다.

1. 각 레이어는 주어진 통신 기능을 수행해야 한다.
2. 각 레이어는 직접적인 바로 아래 레이어(-1)에만 의존적이어야 한다. 
3. 각 레이어는 직접적인 바로 윗 레이어(+1)에만 서비스를 제공해야 한다.
4. 한 레이어의 변동이 타 레이어의 변동에 영향을 미치지 않아야 한다.

즉, 이 원칙들을 관통하는 핵심 개념은 바로 모듈성이라고 볼 수 있다. 가능한 최대한 subTask로 쪼개고 타 레이어와의 상호연관성을 제거하여 보다 독립적으로 동작하게 해, 에러 방지 및 유지보수에 용이하게 하고자 하는 것이다. 이전 소프트웨어공학 수업에서 배웠던 결합도(coupling), 응집도(cohesion)와 누누히 들어왔던 캡슐화, Abstaction 따위의 개념들 또한 이 맥락과 같은 맥락이라고 이해하면 될 것 같다. 

 

위와 같은 이유로 Communication System을 최대한 작게 쪼개어 분리했다. 이제 하나의 communication system이 아닌 개별의 Layer들만이 존재하며 이들은 직접적 연관이 있는 관계의 케이스가 아닌 한 Independency를 가진다. 그렇다면 이때 Layer와 Layer의 통신은 어떻게 이루어질 수 있을까? 

 

 

만약 어떤 자료를 각각의 컴퓨터에서 다른 컴퓨터로 주고 받으려고 한다고 가정해보자. 이때 A 컴퓨터는 8비트 자료를 사용하고 B컴퓨터는 7비트 자료를 사용한다. 그렇다면 자료를 보내더라도 사용할 수 없기에 자료는 폐기처분이 되어버린다. 변환을 하여 사용한다고 하더라도 이는 굉장히 번거로운 절차일 것이다. 이 때문에 어떤 형식으로 자료를 주고 받을 것인지 등을 체킹하는 어떠한 규격화된 약속이 필요한데, 이것이 바로 Protocol이다. 이때 More than one layers에서 통신을 하고자 하면 protocol 또한 layered되게 되는데 이를 Protocol Layering이라고 하며 이렇게 형성된 아키텍처를 바로 Layered Protocol Architecture이라고 한다.

 

 

 

 

 ▪️ Layered Protocol Architecture (LPA)

• Peer layers
  : Peer이란 동등한, 대등한이라는 뜻으로 Peer layers는 같은 레벨의 계층에 속하는 layer들을 일컫는 용어이다.
• Protocol
  : Set of communication rules between both systems & peer layers
  : 양 쪽의 시스템 혹은 peer layer들간의 통신을 위해 필요한 규칙/규격이다.

 

 

 

 

 ▪️ Protocol

• 정의
  : a set of Rules or Conventions that allow peer layers to communicate. 
  : 같은 계층의 peer layer와의 통신을 가능하게하는 통신 규약.
• 3요소
  1. Syntax                      # 표현 방식, 문법 (Ex. ✌)
  2. Semantics                 # 구현, 값 자체 (Ex. 승리)
  3. Timing                     # Speed matching or Sequencing

 

  ※ [참고] Stack or Suite

✔ Stack/Suite

: Set of Communication Protocols, 즉 '다수의 통신 규약들'을 지칭하는 용어이다. 

 

 

 

 ▪️ PDU, SDU, PCI

• PDU(Protocol Data Unit)
  : 프로토콜 데이터 유닛
  : 동일 통신계층(peer-to-peer) 간에 운반/교환되는 전체 데이터량
  : 실제 데이터(SDU) + 제어 정보(PCI)
• SDU(Service Data Unit)
  : 프로토콜의 서비스 대상
  : (N+1로부터) 전달받는 실제 데이터 '
• PCI (Protocol Control Information)
  : 프로토콜 헤더(Header)
  : (N의 추가정보) 프로토콜 기능 실현을 위한 제어 정보

 

 

 

 

 ▪️ Connections in Layered Protocol Architecture(LPA)

• 논리적 통신 경로 (Logical)
  : 각 계층에서 Peer들 사이에 논리적으로 직접 연결되어 통신하는 것으로 간주. (실제 X)
  : Ex. Maria(Layer 3) → Ann(Layer 3)
  
  
• 물리적 통신 경로 (Physical)
  : 물리적으로(실질적으로) 송/수신 시스템의 계층 구조를 따라 메세지가 전달 됨.
  : Ex. Maria(Layer 3) → Encrypt(Layer2) → Send(Layer1) → Receive(Layer1') → Decrypt(Layer2') → Ann(Layer3')

 

  ※ [참고] 추가 필기

 

 

 

 

 ▪️ Standardized Protocol Architectures

• Standard Protocol의 필요성
  : Required for devices to communicate.
  : Vendors have more marketable products.
  : Customers can insist on standard based equipment.
  : (요약) 표준으로 규격화된 Protocol이 없다면, 통신이 불가능 or 불필요한 처리절차가 요구될 것. → 비효율적😡
  
  
• 2가지 종류 of standard Protocol
  1. De Facto Standard              # 실사용적 표준
    : TCP/IP protocol suite
    : Most widely used     
  2. De Jure Standard                  # 이론적 표준 for 스터디&리서치
    : OSI(Open System Interconnection) Reference model with 7 Layers
    : Developed by the international Organization for Standardization(ISO)
    : A conceptual model that characterises and standardises the cmommunication functions
    : A theoretical system delivered too late. (not implemented as a real system)
    : But it is usally referred to in networking study and research       
  

 

 

 

 

 ▪️ OSI 7 Layers ⭐중요⭐

• OSI 7 Layer
  : OSI 7계층이란, 통신이 일어나는 과정을 7단계로 나누어 흐름을 파악하기 쉽도록 만든 표준.

• OSI 7계층 - 계층별 특징
  
  1. Physical (PHY)
  : OSI 7계층 중 최하위인 1계층으로 전기적, 기계적, 기능적인 특성을 이용해 데이터를 전송하는 역할을 수행함.
  : 해당 계층은 데이터만을 전달하며, 데이터는 0◽1의 비트열(Bit stream)/On◽Off의 전기적 신호 상태로 이루어짐.
  : 장비로는 케이블, 리피터, 허브가 있으며 Bit스트림으로는 Radio Wave, Acoustic Wave, Light 등이 있음.
  
  2. Data Link
  : 물리적 연결(PHY)을 통하여 인접한 두 장치 간의 신뢰성 있는 정보를 전송하는 역할을 수행함.    #Point-To-Point
  : 안전한 정보의 전달을 위하여 데이터 링크 상의 오류 제어 및 흐름 제어, 동기화 등의 기능이 존재함.
  : MAC 주소를 통하여 통신하며, 통신 시 데이터의 단위는 프레임(Frame)이다. 
  : 장비로는 브리지, 스위치가 있음.
  
  3. Network
  ※ Direct Data Link를 모든 끝단의 단말기 간에 연결하는 것은 불가능하다. 따라서 Sharing Link가 필요하다.
  : 중계 노드(Sharing Link)를 통한 종단 간의 전송을 어떻게 중계할 것인가를 규정하는 역할을 수행함.
  : 라우팅 기능을 맡아 목적지까지 가장 빠르게 데이터를 보내는 경로를 설정하는 기능을 수행함. 
  : IP 주소를 통하여 컴퓨터 간의 통신을 관여하며, 통신 시 데이터 단위는 패킷(Packet)이다.
  : 장비로는 라우터, L3 스위치가 있으며 대표적인 프로토콜로는 IP 프로토콜이 존재한다.
  
  4. Transport
  : 종단 간 신뢰성 있고 정확한 데이터를 전송하는 역할을 수행함.  → Network계층의 IP 프로토콜의 안정성을 보완
  : 종단 간 신뢰적/효율적인 데이터 전송을 위해 오류검출 및 복구, 흐름제어와 중복검사 등의 기능을 제공함.
  : Port 번호를 통하여 데이터 통신을 관여하며, 통신 시 데이터 단위는 세그먼트(Segment)이다.
  : 대표적인 프로토콜로 TCP, UDP가 존재한다.
  
  5. Session
  : Application 간, 즉 통신 장치 간 상호작용 및 동기화를 제어하는 역할을 수행함.
  : (연결) 세션에서의 데이터 교환과 에러 발생의 복구를 관리하는 기능을 제공함.
  
  6. Presentation
  : Application의 독립성 보장을 위해, 데이터 구조를 하나의 문법형식으로 통일화해 표현하게끔 하는 역할을 수행함.
  : 다음의 세 가지 기능을 제공함.
     i. 데이터 포맷화(format) 및 부호화(encoding)          # 송신자에게서 온 데이터를 해석하기 위함
     ii. 데이터 압축                                                 # 수신자가 수신한 데이터의 압축을 풀 수 있게 하기 위함
     iii. 데이터의 암호화와 복호화     
                         
  7. Application
  : 사용자와 가장 밀접한 계층(7계층)으로 일반적인 응용 서비스를 제공하는 인터페이스 역할을 수행함.
  : 응용 프로세스 간의 정보 교환을 담당하며 파일전송, 원격접속, 메세지 처리 교환, 전자거래 등의 기능을 제공함.
  : 예로는 전자메일, 인터넷, 동영상 플레이어 등이 있으며 대표적인 프로토콜로는 HTTP, FTP 등이 존재한다.

 

 

 

 

 

 

🔔 중요 키워드정리

1. Layered Architecture
2. Layered Protocol Architecture
   : peer layers
3. Protocol
   : syntax, semantics, timing
   : [多] stack, suite (多) 
4. PDU, SDU, PCI
   : PDU[N] = SDU[N+1] + PCI[N]
5. Connection of Logical vs Physical 
6. Standard Protocol과 그 종류 
   : De Facto - TCP/IP, De Jure - OSI 7
7. OSI 7 Layers
   - Physical
   - Data Link
   - Network
   - Transport
   - Session
   - Presentation
   - Application