[Computer Terms] OSI 7계층과 TCP/IP

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이전 자료구조 갈래(배열과 연결리스트 ~ 그래프)와 별개의 새 갈래(시스템)로, “데이터를 어떤 모양으로 들고 있는가"가 아니라 “여러 컴퓨터가 어떻게 데이터를 주고받는가"를 다룬다. 선행 지식 없이 읽을 수 있지만, 뒤에서 다룰 소켓 프로그래밍과 로드밸런싱은 이 챕터의 계층 개념을 전제로 한다.

왜 계층으로 나누는가

두 컴퓨터가 통신하려면 “전기 신호를 어떻게 주고받을지"부터 “받은 데이터가 어떤 의미인지"까지 수많은 문제를 풀어야 한다. 이를 하나의 거대한 규약으로 만들면 회선 종류가 바뀔 때마다 애플리케이션까지 전부 다시 설계해야 한다. OSI 7계층 모델은 이 문제를 물리(1)·데이터링크(2)·네트워크(3)·전송(4)·세션(5)·표현(6)·응용(7) 계층으로 나눠, 각 계층이 바로 아래 계층의 세부 구현을 몰라도 되게 만든다. 예를 들어 응용 계층의 HTTP는 그 아래가 이더넷인지 와이파이인지 신경 쓰지 않는다.

OSI는 이론, TCP/IP는 실제

실제 인터넷을 움직이는 것은 OSI 7계층이 아니라 더 단순한 TCP/IP 4계층(네트워크 인터페이스 · 인터넷 · 전송 · 응용)이다. OSI의 세션·표현·응용 계층은 TCP/IP에서 응용 계층 하나로 합쳐진다. OSI가 여전히 교육·설계 논의에서 쓰이는 이유는, “이 문제가 몇 계층 문제인가"를 짚는 공용 어휘로서 유용하기 때문이다 — 예를 들어 “이건 3계층 라우팅 문제"라고 하면 IP 주소·경로 설정 범위의 문제임이 바로 전달된다.

전송 계층의 선택: TCP vs UDP

응용 프로그램을 만들 때 실질적으로 가장 자주 마주치는 판단은 전송 계층에서 TCP를 쓸지 UDP를 쓸지다. TCP는 데이터를 보내기 전에 3-way handshake(SYN → SYN-ACK → ACK)로 연결을 맺고, 패킷 순서와 손실 재전송을 보장한다. 웹 페이지 로딩처럼 데이터가 하나라도 빠지면 안 되는 경우에 적합하다. UDP는 이 핸드셰이크와 재전송 보장이 없다 — 대신 오버헤드가 적어, 실시간 영상 스트리밍이나 온라인 게임처럼 “약간의 손실보다 지연이 더 치명적인” 경우에 쓴다.

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#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>

/* TCP 클라이언트 최소 예제: 연결 → 전송 → 수신 → 종료 */
int main(void) {
    int sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);   /* SOCK_STREAM = TCP */
    if (sock < 0) { perror("socket"); return 1; }

    struct sockaddr_in server_addr;
    memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(8080);
    inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &server_addr.sin_addr);

    /* connect()가 내부적으로 3-way handshake를 수행한다 */
    if (connect(sock, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0) {
        perror("connect");
        close(sock);
        return 1;
    }

    const char *msg = "GET / HTTP/1.1\r\nHost: localhost\r\n\r\n";
    send(sock, msg, strlen(msg), 0);

    char buffer[1024] = {0};
    recv(sock, buffer, sizeof(buffer) - 1, 0);
    printf("%s\n", buffer);

    close(sock);
    return 0;
}

이 코드에서 SOCK_STREAM을 SOCK_DGRAM으로, connect()+send()/recv()를 sendto()/recvfrom()으로 바꾸면 UDP 통신이 된다. 핵심 차이는 연결을 맺는 과정(connect())의 유무이며, 이것이 TCP의 신뢰성 보장과 UDP의 낮은 오버헤드를 가르는 지점이다.

흔한 오개념

“TCP가 항상 UDP보다 안전하니 무조건 TCP를 쓰면 된다” — TCP의 재전송·순서 보장은 지연(latency)이라는 대가를 수반한다. 실시간 음성 통화에서 0.1초 전 패킷을 기다리는 것보다 그냥 버리고 다음 패킷을 재생하는 게 사용자 경험상 낫다 — 이런 상황에서 TCP를 쓰면 오히려 “안전하지만 쓸모없는” 지연이 발생한다.

“IP 주소가 있으면 바로 통신할 수 있다” — IP는 네트워크 계층(3계층)의 주소일 뿐이고, 실제 데이터 전달은 데이터링크 계층(2계층)의 MAC 주소를 알아야 완성된다. IP에서 MAC을 알아내는 과정(ARP)이 이 두 계층 사이에 있다는 것을 빼먹으면 “같은 네트워크인데 왜 라우터를 거치나” 같은 혼란이 생긴다.

다른 개념과의 연결

다음 챕터에서 다룰 HTTP와 HTTPS는 이 챕터의 응용 계층에 해당하며, TCP 위에서 동작한다(HTTPS는 TCP 위의 TLS 위에서 동작). DNS는 응용 계층 프로토콜이면서도 IP 주소 해석이라는 네트워크 계층의 문제를 푼다는 점에서 계층 경계가 실무에서는 엄격히 나뉘지 않음을 보여주는 예다.

평가 기준

이 챕터를 읽은 후에는 다음을 할 수 있어야 한다. OSI 7계층과 TCP/IP 4계층의 대응 관계를 설명할 수 있다. TCP와 UDP 중 주어진 상황(파일 전송 vs 실시간 스트리밍)에 맞는 프로토콜을 근거와 함께 선택할 수 있다. 3-way handshake가 무엇을 보장하기 위한 절차인지 설명할 수 있다.

참고 자료

Kurose, J. F., & Ross, K. W. (2021). Computer Networking: A Top-Down Approach (8th ed.), Chapter 1: Computer Networks and the Internet. Pearson.

• RFC 793: Transmission Control Protocol — TCP의 원 사양 문서, 3-way handshake 상태 머신 정의
• MDN: Sockets and HTTP over TCP — 응용 계층 프로토콜이 전송 계층 위에서 동작하는 방식 개요