프로토콜 데이터 단위

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1. 개요

프로토콜 데이터 단위(PDU)는 통신 프로토콜의 각 계층에서 데이터를 전송하기 위한 단위이다. OSI 모델과 인터넷 프로토콜 스위트(TCP/IP)에서 각 계층은 PDU를 정의하며, 물리 계층의 비트, 데이터 링크 계층의 프레임, 네트워크 계층의 패킷, 전송 계층의 세그먼트 또는 데이터그램, 응용 계층의 메시지 또는 데이터가 이에 해당한다. PDU는 캡슐화와 역캡슐화 과정을 거쳐 데이터를 전송하며, 전송 계층 PDU는 발신지 및 목적지 포트, 순서 번호, 오류 검출 코드를 포함한다. 매체 접근 제어 프로토콜 데이터 단위(MPDU)와 비동기 전송 모드(ATM)의 셀도 PDU의 한 종류이다.

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프로토콜 데이터 단위

2. OSI 모델과 PDU

OSI 모형에서 프로토콜 데이터 단위(PDU)는 각 계층에서 데이터를 주고받는 단위이며 다음과 같이 정의된다.^[1]

층 1 (물리 계층): 비트 (또는 심볼)
층 2 (데이터 링크 계층): 프레임
층 3 (네트워크 계층): 패킷 (UDP의 경우 데이터그램)
층 4 (전송 계층): TCP 세그먼트
층 5-7 (응용 계층): 메시지, 데이터

네트워크의 기능은 계층별로 구현되는데, 상위 계층은 서비스 데이터 유닛(SDU)을 인터페이스를 통해 하위 계층으로 전달한다. 하위 계층은 SDU를 페이로드로 취급하고, 여기에 기능을 수행하기 위한 데이터(포트 번호, 네트워크 주소, 오류 검사 정보 등)를 추가하여 캡슐화한다. 이렇게 추가된 정보와 원래 SDU를 합쳐 해당 계층의 PDU가 된다.

하위 계층에서 추가된 SDU 및 메타데이터가 해당 계층의 PDU 최대 크기(최대 전송 단위, MTU)보다 클 경우, PDU는 여러 개의 작은 조각으로 나뉘어 전송되는데, 이를 IP 단편화라고 한다.

PDU는 일치하는 프로토콜 계층으로 전달되어 해당 계층이 의도된 기능을 수행할 수 있도록 하는 구조화된 정보이다. 일치하는 계층은 데이터를 해독하여 원래 SDU를 추출하고, 오류를 확인하며, 다음 목적지를 결정한다. PDU는 프로토콜 스택의 다음 하위 계층으로 전달되고, 이 과정은 데이터가 물리적 신호로 매체를 통해 전송될 때까지 반복된다.

이러한 과정은 편지(SDU)를 봉투에 넣어 주소를 적고(주소 및 제어 정보 추가), 우편함(PDU)에 넣는 우편 시스템과 유사하다.

OSI 참조 모델 각 계층의 PDU는 다음과 같다.^[3]

계층		PDU
제4계층	전송 계층	패킷 세그먼트 또는 데이터그램
제3계층	네트워크 계층	패킷
제2계층	데이터 링크 계층	프레임
제1계층	물리 계층	비트 (보다 일반적으로 심볼)

특정 OSI 계층과 관련된 문맥에서 PDU는 해당 계층에서의 표현과 동의어로 사용될 수 있다.

2. 1. 물리 계층 (Layer 1)

물리 계층의 PDU는 비트 또는 더 일반적으로 심볼이다.^[1]^[3] 물리 계층은 데이터를 전기적, 광학적 또는 무선 신호로 변환하여 전송하는 역할을 한다.

2. 2. 데이터 링크 계층 (Layer 2)

데이터 링크 계층의 PDU는 프레임이다.^[1]^[3] 이 계층은 물리적 매체를 통해 데이터를 안정적으로 전송하기 위한 오류 제어 및 흐름 제어 기능을 제공한다. 이더넷 프레임은 한국의 유선 LAN 환경에서 널리 사용되는 데이터 링크 계층 PDU의 한 예이다.

2. 3. 네트워크 계층 (Layer 3)

네트워크 계층의 PDU는 패킷이다.^[1] 네트워크 계층은 데이터를 목적지까지 전달하기 위한 라우팅 및 주소 지정 기능을 제공한다. IPv4 및 IPv6는 한국에서 사용되는 주요 네트워크 계층 프로토콜이다.

2. 4. 전송 계층 (Layer 4)

전송 계층에서 PDU는 세그먼트 또는 데이터그램이라고 불린다.^[4] 세그먼트는 다음과 같은 정보를 포함한다.

발신지 포트: 발신하는 애플리케이션의 포트
목적지 포트: 수신해야 할 애플리케이션의 포트
순서 번호: 순차적 전송 시 순서를 붙이며, 순서가 어긋나면 목적지 프로토콜이 이를 바로 잡는다.
오류검출코드: 발신지와 목적지 프로토콜은 세그먼트를 연산하여 오류 검출 코드를 각각 만든다. 발신지에서 전송한 세그먼트에 포함된 오류 검출 코드와 목적지에서 만든 오류 검출 코드가 다르면 전송 과정에서 오류가 발생한 것이다. 이 경우, 수신측은 그 세그먼트를 폐기하고 복구 절차를 밟는다. 오류 검출 코드는 체크섬, 프레임 체크 시퀀스라고도 부른다.

OSI 참조 모델에서 전송 계층의 PDU는 다음과 같다.^[1]^[3]

계층	PDU
제4계층 (전송 계층)	세그먼트 또는 데이터그램

2. 5. 응용 계층 (Layer 5-7)

응용 계층(Layer 5-7)의 PDU는 메시지(message) 또는 데이터(data)이다.^[1] 응용 계층은 사용자와 네트워크 간의 인터페이스를 제공하며, 이메일, 웹 브라우징, 파일 전송 등 다양한 서비스를 지원한다.

3. 인터넷 프로토콜 스위트 (TCP/IP 모델)와 PDU

인터넷 프로토콜 스위트는 인터넷에서 사용되는 프로토콜 집합을 정의한 모델이다. 각 계층별 프로토콜 데이터 단위(PDU)는 다음과 같다.

계층	PDU
전송 계층	TCP에서는 TCP 세그먼트, UDP에서는 데이터그램
인터넷 계층	패킷
링크 계층	프레임

이더넷 기반 TCP/IP에서 물리 계층의 데이터는 이더넷 프레임으로 전송된다.

3. 1. 링크 계층

링크 계층의 PDU는 프레임이다.^[1] 이더넷, Wi-Fi 등 다양한 링크 계층 프로토콜이 사용된다.^[1] 이더넷 기반 TCP/IP에서 물리 계층의 데이터는 이더넷 프레임으로 전송된다.^[1]

3. 2. 인터넷 계층

인터넷 프로토콜 스위트의 인터넷 계층 PDU는 패킷이다. IP(Internet Protocol)는 인터넷 계층의 핵심 프로토콜이다.

3. 3. 전송 계층

인터넷 프로토콜 스위트의 전송 계층 PDU는 TCP의 경우 TCP 세그먼트이고 UDP의 경우 데이터그램이다.^[1] TCP와 UDP는 한국의 인터넷 환경에서 다양한 응용 프로그램의 통신을 지원한다.

계층	PDU
전송 계층	TCP에서는 TCP 세그먼트.^[2] UDP에서는 데이터그램.^[3]

4. PDU의 구성 요소 (예시: 전송 계층)

전송 계층의 PDU는 세그먼트 또는 데이터그램이라고 불린다. 전송 계층 PDU는 일반적으로 다음과 같은 정보를 포함한다.

발신지 포트: 발신하는 애플리케이션의 포트이다.
목적지 포트: 수신해야 할 애플리케이션의 포트이다.
순서 번호: 순차적 전송 시 순서를 나타낸다.
오류 검출 코드: 발신지와 목적지에서 만든 오류 검출 코드가 다르면 전송 과정에서 오류가 발생한 것이며, 수신 측은 해당 세그먼트를 폐기하고 복구 절차를 밟는다. 체크섬, 프레임 체크 시퀀스라고도 부른다.^[4]

'''전송 프로토콜 데이터 유닛''' ('''TPDU''')은 페이로드 메시지 앞에 몇 바이트의 라우팅 헤더를 추가한 캡슐화 형식의 메시지이다. TPDU에는 두 가지 종류의 오버헤드가 있다.

4. 1. 발신지 포트(Source Port)

데이터를 전송하는 응용 프로그램의 포트 번호이다.^[4]

4. 2. 목적지 포트(Destination Port)

데이터를 수신하는 응용 프로그램의 포트 번호이다.^[4]

4. 3. 순서 번호(Sequence Number)

순차적 전송을 할 경우 순서를 붙이며, 순서가 어긋나면 목적지 프로토콜이 이를 바로잡는다.^[4]

4. 4. 오류 검출 코드(Error Detection Code)

전송 계층의 세그먼트에는 발신지와 목적지 프로토콜이 세그먼트를 연산하여 만든 오류 검출 코드가 포함된다. 발신지에서 전송한 세그먼트에 포함된 오류 검출 코드와 목적지에서 만든 오류 검출 코드가 다르면, 전송 과정에서 오류가 발생한 것이다. 이 경우 수신측은 해당 세그먼트를 폐기하고 복구 절차를 밟는다. 오류 검출 코드는 체크섬, 프레임 체크 시퀀스라고도 부른다.^[4]

5. 매체 접근 제어 프로토콜 데이터 단위 (MPDU)

매체 접근 제어(MAC) 프로토콜 데이터 단위(MPDU)는 OSI 참조 모델을 기반으로 하는 통신 시스템에서 MAC 개체 간에 교환되는 메시지이다.

MPDU가 MAC 서비스 데이터 유닛(MSDU)보다 클 수 있는 시스템에서 MPDU는 패킷 집합의 결과로 여러 MSDU를 포함할 수 있다. MPDU가 MSDU보다 작은 시스템에서는 하나의 MSDU가 패킷 분할의 결과로 여러 MPDU를 생성할 수 있다.

6. 패킷 교환 데이터 네트워크와 PDU

패킷 교환 데이터 네트워크에서 프로토콜 데이터 단위(PDU)는 서비스 데이터 유닛(SDU)과의 관계를 통해 이해할 수 있다. 네트워크의 기능은 별개의 계층으로 구현된다. 예를 들어, 물리 계층은 전선이나 광섬유를 통해 0과 1을 보내고, 데이터 링크 계층은 이러한 0과 1을 데이터 덩어리로 구성하여 전선상의 올바른 위치로 안전하게 전달한다. 네트워크 계층은 여러 개의 연결된 네트워크를 통해 데이터를 전송하고, 전송 계층은 목적지에서 올바른 소프트웨어 애플리케이션으로 데이터를 전달한다.

상위 계층은 SDU 내의 데이터 구조를 알지만, 하위 계층은 이를 알지 못한다. 프로토콜 계층은 SDU에 기능을 수행하기 위한 특정 데이터를 추가하는데, 이를 캡슐화라고 한다. 예를 들어, 애플리케이션을 식별하기 위한 포트 번호, 라우팅을 돕기 위한 네트워크 주소, 패킷의 데이터 유형을 식별하는 코드 및 오류 검사 정보를 추가할 수 있다. 이 모든 추가 정보와 상위 계층의 원래 SDU를 합쳐 해당 계층의 PDU를 구성한다.

PDU는 데이터가 목적지에 도달하여 해당 계층이 의도된 기능을 제공하도록 구조화된 정보이다. 일치하는 계층, 즉 "피어"는 데이터를 해독하여 원래 SDU를 추출하고, 오류가 없는지 확인하고, 다음에 어디로 보낼지 등을 결정한다. 최하위(물리) 계층에 아직 도달하지 않았다면, PDU는 프로토콜 "스택"의 다음 하위 계층의 서비스를 사용하여 피어에게 전달된다. PDU가 이를 구성한 계층에서 단순히 전달하는 계층으로 인터페이스를 통과할 때, 해당 계층에 대한 SDU가 된다. SDU에 주소 지정 및 제어 정보를 추가하여 PDU를 형성하고, 해당 PDU를 다음 하위 계층에 SDU로 전달하는 과정은 최하위 계층에 도달하여 데이터가 물리적 신호로 매체를 통과할 때까지 반복된다.

6. 1. 캡슐화 (Encapsulation)

상위 계층의 서비스 데이터 유닛(SDU)에 하위 계층의 프로토콜이 요구하는 제어 정보 (헤더, 트레일러 등)를 추가하는 과정을 캡슐화라고 한다. 예를 들어, 전송 계층에서는 상위 계층의 데이터(SDU)에 포트 번호, 순서 번호, 오류검출코드 등을 추가하여 세그먼트(PDU)를 만든다.^[4]

계층 간, 그리고 애플리케이션과 최상위 계층 간에는 서비스 데이터 유닛(SDU)을 인터페이스를 통해 전달한다. 상위 계층은 SDU의 데이터 구조를 이해하지만, 인터페이스의 하위 계층은 그렇지 않다. 하위 계층은 SDU를 페이로드로 취급하여, 목적지에서 동일한 인터페이스로 전달하려고 한다. 이를 위해 프로토콜(하위) 계층은 기능을 수행하는 데 필요한 특정 데이터를 SDU에 추가한다.

하위 계층에서 추가된 SDU 및 메타데이터는 해당 계층의 PDU의 최대 크기(최대 전송 단위; MTU)보다 클 수 있다. 이 경우 PDU는 하위 계층에서 전송 또는 처리에 적합한 크기의 여러 페이로드로 분할되어야 하며, 이를 IP 단편화라고 한다.

'''전송 프로토콜 데이터 유닛'''(TPDU)은 페이로드 메시지 앞에 몇 바이트의 라우팅 헤더를 추가한 캡슐화 형식의 메시지이다.

6. 2. 역캡슐화 (Decapsulation)

패킷 교환 데이터 네트워크에서 수신 측은 하위 계층으로부터 전달받은 프로토콜 데이터 단위(PDU)에서 제어 정보를 제거하고, 상위 계층으로 서비스 데이터 단위(SDU)를 전달한다. 이 과정을 역캡슐화라고 한다.

역캡슐화는 우편 시스템에 비유하여 이해할 수 있다. 편지(SDU)를 주소가 적힌 봉투에 넣어 PDU를 만들고, 이 PDU는 다시 여러 단계를 거치며 수신자에게 전달된다. 수신자는 각 단계에서 포장을 벗겨내고, 최종적으로 봉투를 열어 편지(SDU)를 얻는 것과 같은 과정이다.

우편 시스템과의 비유:
편지 (SDU): 실제 전달하고자 하는 내용
봉투: 편지에 주소(제어 정보)를 적어 넣은 것 (PDU)
메일백: 여러 봉투를 담은 가방. 발송 우체국은 우편 번호만 보고 메일백을 처리 (SDU)
상자: 여러 메일백을 담은 상자. 상자에는 모든 가방을 보낼 지역이 표시됨 (PDU)
수신 과정:

1. 상자가 목적지에 도착하면 개봉되고, 가방(SDU)이 나온다.

2. 가방에서 편지(SDU)를 꺼낸다.

3. 봉투 주소를 읽고(PDU), 최종 배달한다.

4. 수신자가 봉투를 열면, 편지(SDU)가 나타난다.

이처럼, 역캡슐화는 각 계층에서 PDU의 제어 정보(봉투, 메일백, 상자 등)를 제거하고, 원래의 데이터(SDU, 즉 편지)를 상위 계층으로 전달하는 과정이다.

7. 비동기 전송 모드 (ATM)와 PDU

비동기 전송 모드(ATM) 네트워크의 데이터 링크 계층 프로토콜 데이터 유닛(PDU)은 '셀'이라고 불린다.

참조

_[1] 웹사이트 Data Encapsulation, Protocol Data Units (PDUs) and Service Data Units (SDUs) http://www.tcpipguid[...] 2012-04-05
_[2] 웹사이트 Wimax MAC-Upperlayer Services http://www.comlab.hu[...] 2006-01-01 # 날짜가 년도만 제공되어 01-01로 설정
_[3] 웹사이트 Data Encapsulation, Protocol Data Units (PDUs) and Service Data Units (SDUs) http://www.tcpipguid[...] 2012-04-05
_[4] 서적 Data and Computer Communications PRENTICE HALL 2011

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