Network : OSI 1계층(물리 계층)

August 29, 2021

물리 계층(Physical Layer)

물리계층은 OSI 참조 모델 하위 Layer 1계층이며, 통신하는 네트워크 장비로 데이터를 전기 신호로 출력하는 일과 통신하는 네트워크 장비 사이의 물리적 링크 연결과 링크 활성화 및 비활성화를 담당합니다.

컴퓨터는 전기로 데이터를 정의하는데, 전기가 흐른다(ON : 1), 전기가 흐르지 않는다(OFF : 0) 두 가지 만으로 데이터를 주고 받을 수 있습니다.

on,off

이런 이진 데이터정보를 설계하고 고민하는 계층이 물리적 계층인 것입니다. 물리적 계층은 영어로 PHY로 시작하기 때문에 파이라고 부르기도 합니다.

transmission

물리 계층의 정보 전달

컴퓨터는 0과 1만을 가지고 데이터를 표현하기 때문에, 이런 0과 1로 이루어진 디지털 시그널을 전압 파형으로 바꾸어 전달하고 전압 파형을 다시 디지털 시그널로 바꿈으로써 신호를 주고받을 수 있습니다.

graph

즉, 위와 같은 0(OFF)과 1(ON)을 파형으로 바꾸고, 파형(곡선)을 0과 1로 바꾸는 작업들을 물리 계층이 하는 것입니다.

Codec : Encoding / Decoding 하는 장치를 말함
Encoding : 컴퓨터에서 만든 데이터(0과 1)를 다른 장비로 전달하기 위해서 전기적 신호(파형)로 변환하는 것
Decoding : 전기적 신호(파형)를 받은 상대방 장비에서 신호를 데이터화(0과 1) 하기 위해 변환하는 것

파형에는 고주파, 사인파, 정형파, 구형파 등 여러가지가 있는데, 결국 이진 데이터를 신호를 주고받기 위한 전기적, 과학적, 전파적 특성을 정의하는 계층이 제 1계층 물리 계층 입니다.

물리 계층은 어떤 하나의 네트워크에서 기본 네트워크 하드웨어 전송기술들로 구성되고, 네트워크의 높은 수준 기능의 논리 데이터 구조를 기초로 하는 필수 계층입니다. 다양한 특징의 하드웨어 기술이 접목되어 있기에 OSI 아키텍처에서 가장 복잡한 계층으로 간주합니다.

장비

물리 계층에서 사용하는 장비와 추가로 연관된 장비까지 알아보겠습니다.

리피터(Repeater)

리피터(repeater)는 구부러진 전기 신호를 복원하고 증폭하는 기능을 가진 네트워크 중계장비입니다. 통신하는 상대방이 멀리 있을 경우 리피터를 사이에 둠으로써 통신 거리를 연장할 수 있습니다. 하지만 요즘은 다른 네트워크 장비가 리피터 기능을 지원하기 때문에 리피터를 쓸 필요가 없어졌습니다.

repeater

허브(Hub)

허브(hub)는 리피터 외에도 물리 계층에서 동작하는 네트워크 장비입니다. 허브는 컴퓨터 여러 대를 서로 연결하는 장치이기도 하며, 리피터와 마찬가지로 전기신호를 증폭하는 기능을 가지고 있습니다.

허브의 장점은 직접 컴퓨터끼리 연결하지 않아도, 여러 대가 데이터를 주고 받는 다는 점입니다. 하지만 데이터를 전송할때, 특정 포트로 데이터전송이 되지않고, 연결되어 있는 모든 포트(컴퓨터)에 데이터가 전송되는 단점을 가지고 있습니다. (불필요한 데이터도 전송이 됩니다.)

허브는 스스로 데이터를 받는 걸 판단할 수 없기 때문에 더미 허브라고도 불리웁니다.

hub

리피터와 허브를 이용해 컴퓨터 여러대가 데이터를 보내면 데이터들이 서로 부딪히는데, 이를 충돌(Collision)이라고 합니다.

이런 충돌을 방지하기 위하여 여러 컴퓨터가 동시에 데이터를 전송해도 충돌이 일어나지 않는 구조로 되어있는 이더넷(Ethernet)의 CSMA/CD을 사용했는데, 효율이 좋지 않아 현재는 사용하지 않습니다.

현재는 데이터 충돌을 방지하기 위하여 스위치(Switch)를 사용합니다.

CSMA/CD : 이더넷이 충돌을 방지하기 위하여 데이터를 보내는 시점을 늦추는 것

스위치(Switch)

스위치(Switch)는 전이중 통신방식, 즉, 충돌이 일어나지 않는 구조로 되어 있기 때문에 효율이 높은 장비입니다. 사용 목적은 허브와 유사하지만, 훨씬 더 향상된 속도를 제공합니다. 하지만 허브와 다른점은 허브처럼 다른 모든 컴퓨터에 데이터를 전송하는게 아닌, 데이터를 필요를 하는 컴퓨터에만 전송됩니다.

전이중 통신(Full Duplex) : 두 대의 단말기가 데이터를 송수신하기 위해 각각 독립된 회선(송신을 위한 회선, 수신을 위한 회선)을 사용하는 통신 방식

switch

충돌(Collision)이 발생할 때 그 영향이 미치는 범위를 충돌 도메인이라고 합니다.

만약 충돌이 일어난다면, 허브는 그 영향을 연결되어 있는 모든 컴퓨터에게 영향을 미칩니다. 하지만 스위치는 접속되어 있는 모든 컴퓨터에 영향을 미치지 않습니다. (충돌 도메인의 범위가 넓을 수록 네트워크는 지연됩니다.)

네트워크를 지연시키지 않기 위해서는 충돌 도메인의 범위는 좁히는 것이 매우 중요합니다.

라우터(Router)

네트워크 계층에는 IP라는 프로토콜이 있는데, IP에 헤더를 붙여 데이터를 다른 네트워크 목적지에 보낼지 결정하는 것을 라우팅(rounting)이라 하며, 라우팅은 라우터(Router) 라는 장비와 L3(Layer3 Switch) 가 라우팅을 합니다. 즉 서로 다른 네트워크 간에 통신을 하려면 라우터가 필요한 것입니다.

라우터를 쉽게 설명하자면 밑에 그림과 같이 연결된 스위치 혹은 네트워크들을 분리할 수 있습니다.

router

물리계층과 데이터링크 계층으로 이루어지는 이더넷의 범위에 있는 독립적인 네트워크들을 네트워크 계층의 기능으로 분리하며 중계하는것이 라우터입니다.

라우터의 기능은 가장 신속하고 효율적인 경로로 배정해주고 제어하는 일을하며, 위에 설명했듯이 독립된 각 네트워크를 연결 시켜주고 최적의 경로 설정 기능과 패킷스위치 기능 등 하나의 데이터가 망가졌을때 다른 길로 전송될 수 있도록 구성시켜주는 일을 합니다.

게이트웨이 : 다른 네트워크로 데이터를 전송하기 위해 설정해야하는 것
라우팅 테이블 : 경로 정보가 등록되어 있는 테이블
라우팅 프로토콜 : 라우팅 정보를 서로 교환하기 위한 프로토콜

케이블

전기신호로 변경된 데이터를 전달하기 위해서는 케이블이 필요합니다.

랜선(Twisted Pair)

흔히 랜선이라고 불리우는 이 케이블은 LAN 구간을 연결하는 케이블 중에 가장 보편적으로 사용하는 케이블입니다. 총 8가닥의 얇은 구리선으로 구성되어 있으며, 두 가닥씩 쌍을 이루어 꼬여있는 모습을 본따서 이름을 지정하였습니다.

utp

stp

ftp

보호막이 없는 Unshielded Twisted Pair(UTP), 꼬여있는 선을 또 다른 절연체로 감싸서 외부의 간섭을 덜 받도록 한 Shielded Twisted Pair(STP), 보호막 처리는 되어있지 않고, 알루미늄 은박이 4가닥의 선을 감싸고 있는 Foil Screened Twisted Pair(FTP)이 있습니다. 짧은 거리에 있는 장비를 연결하는 것이 대부분이기 때문에 주로 UTP를 많이 사용합니다.

추가로 꼬여있는 선을 Shield로 감싸고 4가닥의 선을 한 번 더 감싸는 S-FTP 케이블도 있습니다.

쉴드(Shield) : 연선으로 된 케이블 겉에 외부 피복, 또는 차폐재가 추가함으로써 외부의 노이즈를 차단하거나 전기적 신호의 간섭을 대폭 줄여줍니다.

종류

Category 5

category5

별도의 차폐처리 없이 선의 꼬임만으로 외부 간섭 보호
최대 100Mbps 지원
가정/사무실용으로 적합

Category 5E

category5E

현재 가장 많이 사용되는 규격
은박쉴드의 유무에 따라 UTP와 FTP로 나뉨
네트워크공사장비 대부분이 이 케이블을 사용

Category 6

category6

빠른 속도의 안정적인 데이터전송을 위해 쓰이는 규격
내부 십자형 개재가 각 페어간 간섭을 막아줌
가정용보다는 회사의 서버나 전산망, IT 계열 업체 등에 많이 활용

Category 7

category7

S-FTP를 사용하여 외부 간섭을 완벽에 가깝게 차단
시공에 어려움이 많고 가격 또한 비싸서 사용이 거의 없음

케이블 연결(Cable Connector)

T568

UTP 케이블의 8가닥 중에서 1,2,3,6번을 100Mbps 구간을 연결할 때 사용하는데, 배열을 어떻게 했느냐에 따라 위와 같이 T568A 방식과 T568B 방식으로 구분됩니다.

케이블의 양쪽 끝이 같은 방식으로 되어있는 케이블을 Straight Cable이라고 하고, 한 쪽은 T568A, 반대 쪽은 T568B 방식으로 연결된 케이블을 Crossover Cable이라고 합니다.

T568 케이블을 만들 때 T568A는 1번부터 녹주파갈, T568B는 주녹파갈 이라고 많이 외웁니다.

케이블 내부 심선을 꼬아 놓는 이유??

랜선(Twisted Pair)에서 왜 케이블 내부에 선들을 꼬아놓았을까요??

바로 그 이유는 잡음(노이즈)을 방지하기 위해서 입니다. 잡음(노이즈)는 케이블을 통해서 전달되는 데이터 신호가 전달되는 과정에서 전자파의 영향을 받아 제대로 데이터를 수신하지 못하는 경우가 발생하는 것을 일컫습니다.

케이블은 전자파의 영향을 많이 받습니다. 그래서 품질이 좋은 케이블 일수록 접지와 차폐를 통해 전자파를 효과적으로 차단합니다.

UTP 케이블은 피복과 내부 피복 외에 모두 금속(구리)으로 만들어져 있습니다. 이 때, 전자파가 닿으면 전자파의 진행 방향의 오른쪽으로 전류가 생기는 성질이 있습니다. 발생하는 전류는 UTP의 신호가 올바르게 가는 것을 방해하고 파형을 무너트리게 되는데, 2가닥의 선을 꼬아두면, 전류의 방향은 서로 반대가 됩니다.

radio-offset

꼬여있는 선이 인접하는 부분 즉, 선과 선이 만나는 지점에서 서로 반대 방향의 전류가 만나게 되어 잡음으로 인해 만들어진 전류가 상쇄되어 전류의 강도가 약해집니다.

동축 케이블(Coaxial)

동축 케이블이라 불리는 이 케이블은 하나의 구리선으로 통신되며 전기적 간섭을 덜 받도록 하기 위해 구리망으로 한 번 더 감싸고 있는 형태를 취하고 아날로그와 디지털 신호 모두를 전송할 수 있는 매체입니다.

coaxial

CATV에서는 아날로그 신호를, 근거리통신망에서는 주로 디지털 신호를 전달합니다. 동축케이블은 10 Mbps 이상의 정보 전송량을 갖는데, 중앙의 구리선에 흐르는 전기신호는 그것을 싸고 있는 외부 구리망 때문에 외부의 전기적 간섭을 적게 받고, 전력손실이 적어 고속 통신선로로 많이 이용되고 있습니다. 또 동축케이블은 바다 밑이나 땅속에 묻어도 그 성능에 큰 지장이 없습니다. 값은 광섬유에 비해서는 싸지만, 전화선보다는 훨씬 비쌉니다.

CATV : 도시 빌딩이나 산간벽지 등 텔레비전 난시청 지역에서, 전파를 각 가정으로 분배하기 위한 공동 청취 안테나 시설을 말합니다.(공동 시청 안테나 텔레비전) 오늘 날에는 다양한 영상통신시스템으로 발전하고 있습니다.

광 섬유 케이블(Fiber Optic)

광 케이블이라고 불리며 빛에 데이터를 실을 수 있는 기술을 사용하여 위 케이블 보다 훨씬 빠른 속도로 데이터를 전달할 수 있습니다. 광 케이블은 광섬유의 한쪽 끝에서 전기신호를 따라 점멸하는 발광소자를 써서 빛을 점멸하면 광섬유의 다른 쪽 끝에서 수광소자를 써서 이 점멸하는 빛을 받을 수 있는 현상을 이용한 것입니다.

fiber-optic