1계층(Physical) 세부설명

Layer 1. Physical Layer

 

OSI 7계층에서 1계층은 물리계층(Physical Layer) 라고 한다.

1계층의 역할은 전기적 신호를 사용하여 데이터를 전송하는 것이다.

 

컴퓨터에서 만든 데이터를 다른 장비로 전달하기 위해서 전기적 신호로 변환해야 하고, 이를 Encoding 이라고 한다.

전기적 신호를 받은 상대방 장비에서는 데이터화 해야하기 위해 전기적 신호를 Decoding 한다.

Encoding/Decoding 방식은 수없이 많으며, 이를 합쳐 Codec 이라고 부른다.

 

 

1. Cable

전기신호로 변경된 데이터를 전달하기 위해서는 케이블이 필요하다.

케이블의 종류로는  Twisted-pair cable, Coaxial cable, Fiber-optic cable 등이 있다.

 

■ Twisted-pair

흔히 랜선 이라고 불리우는 이 케이블은 LAN 구간을 연결하는 케이블 중에 가장 보편적으로 사용하는 케이블이다.

총 8가닥의 얇은 구리선으로 구성되어 있으며, 두 가닥씩 쌍을 이루어 꼬여있는 모습을 본따서 이름을 지정했다.

꼬여있는 선을 또 다른 절연체로 감싸서 외부의 간섭을 덜 받도록 한 Shielded Twisted-pair (STP) 와

추가적인 보호막이 없는 Unshielded Twisted-pair (UTP) 로 두 종류의 케이블이 있다.

짧은 거리에 있는 장비를 연결하는 것이 대부분이기 때문에 두 케이블 중에 주로 UTP를 사용하고 있다.

 

 

 

■ Coaxial

동축케이블 이라 불리는 이 케이블은 하나의 구리선으로 통신되며 전기적 간섭을 덜 받도록 하기 위해 구리 망으로 감싸고 있는 형태를 취한다. 가운데 구리선이 굵은 것을 Thick net, 얇은 것을 Thin net 이라고 하며, 가정내에 설치되던 케이블이 Thin net이다.

Thick net은 전기신호를 최대 500m 까지 보낼 수 있으며 Thin net은 185m 까지 보낼 수 있다고 한다.

 

 

 

 

■ Fiber-optic

광 케이블이라고 불리며 빛에 데이터를 실을수 있는 기술을 사용하여 위 케이블 보다 훨씬 빠른 속도로 데이터를 전달할 수 있다. 빛을 전달하는 유리 코어의 크기가 작은 것을 Single mode, 넓은 것을 Multi mode 라고 한다.

Single mode 는 코어가 좁아서 데이터를 한번에 실어 나를수 없어서 단일경로로 사용이 되고, 빛이 거의 일직선으로 전달되어 Multi mode보다 더 멀리 데이터 전달이 가능하다.

Multi mode는 코어가 넓어서 여러 데이터를 한번에 실어나를 수 있어서 다중경로로 사용한다. 빛이 반사되는 각도를 조절하여 많은 데이터를 실을 수 있다.

 

 

 

 

2. Cable Connector

 

■ UTP cable - RJ45

 

케이블에 들어있는 각 Line의 역할을 정의해야 한다. 데이터를 보내기위한 Tx(송신)와 데이터를 받기위한 Rx(수신) Line이 지정이 되어야 상호간의 Line을 맞추어 연결하고 제대로 통신을 할 수 있을 것이다.

UTP 케이블의 8가닥중에서 1,2,3,6 번을 100Mbps 구간을 연결하는데 사용하는데, 배열을 어떻게 했느냐에 따라 위와 같이 T568A 방식과 T568B 방식으로 구분된다.

 

케이블의 양쪽 끝이 같은 방식으로 되어있는 케이블을 Straight-Through Cable 이라고 하고,

한쪽은 T568A, 반대쪽은 T568B 방식으로 연결된 케이블을 Crossover Cable 이라고 한다.

 

 

■ Fiber-optic

 

 

광케이블에 사용할 수 있는 커넥터는 위와 같이 여러 타입이 있다.

그 중에서 SC와 LC가 나오기 전에 많이 사용했던 커넥터는 ST 커넥터이며, 가장 보편적으로 사용했었다.

요즘 가장 많이 사용하고 있는 커넥터는 얇고 가볍다는 장점을 가지고 있는 LC 커넥터이다.

 

 

 

3. 전송 속도 동기화

데이터 전송 속도를 동기화 하는 것이 가장 중요한 부분 중 하나이다.

전송 속도를 동기화 하지 않으면 양쪽 장비간 통신하는 데이터를 서로 잘못 인식할 수 있기 때문이다.

 

■ Auto-Nego 하는 경우

10/100Mbps 포트에서 Auto-Nego를 하는 경우, 각 장비는 자신의 최고 속도를 상대방에게 전달하고 두 속도 중에 작은 값으로 속도를 맞추는 협상을 한다. 초기 연결시에만 협상을 진행하며 한번 속도를 지정하고 나면 중간에 다시 협상을 하지 않는다.

 

■ Clock Signal 설정하는 경우

WAN 구간에서 각 네트워크 마다 설정된 대역폭에 맞추어 최고 속도를 Clock 이라는 제어 신호로 설정하는 방식이다.

Clock 신호는 한쪽에서 한쪽으로 흘러가는 방식으로, 신호를 전달하는 쪽을 DCE , 전달 받는 쪽을 DTE 라고 한다.

라우터와 라우터를 Serial 케이블로 연결한 경우 각 끝단에 DCE/DTE가 표시되어 있어서 DCE가 연결된 라우터에서 대역폭에 맞춰 Clock rate 설정을 해주면 된다.

 

 

4. 장비 (Hub, Repeater)

■ 1계층 장비의 종류와 특징

1계층의 장비로는 Hub와 Repeater가 있다. 

그 중 Hub는 Repeater보다 많은 수의 포트를 가지고 있어서 다중 접속환경을 만들 수 있는 장비로 널리 사용이 되었다.

 

사용자 컴퓨터에서 전송된 전기신호는 케이블을 따라 전달되면서 여러 전기적 간섭에 의해 신호가 약해지고, 이를 더 멀리 나갈 수 있도록 1계층 장비가 신호를 증폭해준다. 하지만 신호가 약해지면서 부분적으로 신호가 망가지고, Hub는 망가진 신호부분을 복구하지 않고 단순히 증폭만 시키기 때문에 여러번의 증폭을 거치면서 데이터의 내용이 변질될 가능성이 생긴다. 그래서 Hub를 10Mbps 구간에서는 4대, 100Mbps 구간에서는 2대만 설치하는 것을 권장하고 있다.

 

■ Hub는 Half-Duplex 로 동작한다

Hub에는 따로 운영체제가 존재하지 않기 때문에 유입되는 전기신호를 구별하여 전달하지 못하여 신호가 들어온 포트를 제외한 나머지 모든 포트로 전달하는 Flooding을 한다. 이런 Hub의 특성 때문에 전달되는 데이터의 순서가 따로 없고, 신호를 증폭하여 전달하는 과정에서 여러 신호들이 부딪히는 Collision(충돌)이 발생될 수 있다.

그렇기 때문에 데이터를 받는 Rx에서 전기 신호를 감지하면 Tx로 신호가 나가지 않도록 일시적으로 차단하고, 이로인해 Hub는 송신과 수신을 동시에 하지 못하는 Half-Duplex로 통신되게 된다.