모두의 네트워크 3장 : Physical Layer (물리 계층)

OSI model의 1계층인 물리 계층에 대해 알아보자.

물리 계층은 컴퓨터와 네트워크 장비를 연결하고,

컴퓨터와 네트워크 장비 간에 전송되는 데이터를 전기 신호로 변환하는 계층이다.

 

Lesson 9 : Electronic signal & LAN card

1. Electronic signal

데이터는 전기 신호로 변환되어 네트워크를 통해 전송된다.

전기 신호란, 전압이 일정 패턴으로 변해서 생기는 일련의 흐름으로 전압의 변화가 모여서 만들어진 신호다.

이런 전기 신호를 주고받음으로써 네트워크에서 사진이나 문서 등을 주고받을 수 있다.

OSI model에서, 0과 1만으로 이루어진 비트열을 전기 신호로 변환하려면 물리 계층의 기술이 필요하다.

전기 신호의 종류에는 아날로그 신호와 디지털 신호가 있다.

아날로그 신호는 전화 회선, 라디오 방송에서 사용된다.

송신 측 컴퓨터가 전송하는 0과 1의 비트열 데이터는 전기 신호로 변환되어 네트워크를 통해 수신 측 컴퓨터에 도착한다.

수신 측 컴퓨터에서는 그 전기 신호를 0과 1의 비트열 데이터로 복원한다.

 

2. LAN card

그런데 0과 1을 어떻게 전기 신호로 변환하는 걸까?

컴퓨터는 네트워크를 통해 데이터를 송수신할 수 있도록 랜 카드가 메인보드에 포함되어 있는 내장형 랜 카드나 별도의 랜 카드를 가지고 있다.

0과 1의 정보가 컴퓨터 내부에 있는 랜 카드로 전송되고, 랜 카드는 0과 1을 전기 신호로 변환하는 것이다.

 

Lesson 10 : Cables

네트워크 전송 매체란 데이터가 흐르는 물리적인 선로를 말한다. 유선과 무선으로 나눌 수 있다.

유선 - 트위스트 페어 케이블, 광케이블 등

무선 - 라디오파, 마이크로파, 적외선 등

 

1. Twisted pair cable

트위스트 페어 케이블은 가장 많이 사용된다. 일반적으로 이것을 랜선 혹은 랜 케이블(LAN cable)이라고 한다.

랜 케이블의 양쪽 끝에는 RJ-45라고 부르는 커넥터가 붙어 있다. 이 커넥터를 컴퓨터의 랜 포트나 네트워크 기기에 연결하면 된다.

Shield로 보호되어 있냐 아니냐에 따라서 UTP cable과 STP cable로 나뉜다.

• 여기서 Shield란, 구리 선 여덟 개를 두 개씩 꼬아서 만든 네 쌍의 전선을 말한다.
• 이것은 금속 호일이나 금속의 매듭과 같은 것인데, 외부에서 발생하는 noise를 막는 역할을 한다.

 

UTP cable

• Unshielded Twist Pair : 비차폐 연선
• shield로 보호되어 있지 않아서 노이즈의 영향을 받기 쉽지만, 저렴하기 때문에 일반적으로 많이 사용된다.

UTP cable은 전송 품질에 따라 이렇게 분류할 수 있다.

카테고리에 따라 지원하는 속도가 다르다.

STP cable

• Shielded Twist Pair : 차폐 연선
• 두 개씩 꼬아 만든 선을 shield로 보호한 케이블이다.
• UTP cable과 달리 노이즈의 영향을 매우 적게 받지만 비싸기 때문에 보편적으로 사용하지는 않는다.

 

Noise

노이즈란, 데이터의 왜곡이나 분해로 인해 전송 매체에서 생기는 전자 신호를 말한다.

노이즈는 케이블에 전기 신호가 흐를 때 발생한다.

노이즈의 영향을 받으면 전기 신호의 형태가 왜곡된다.

그래서 노이즈의 영향을 적게 받도록 구리 선 두 개를 비틀어 꼬아서 케이블을 만드는 것이다.

 

2. Direct cable & Cross cable

랜 케이블의 종류에는 다이렉트 케이블과 크로스 케이블이 있다.

(1) Direct cable

구리 선 여덟 개를 같은 순서로 커넥터에 연결한 케이블

컴퓨터와 스위치를 연결할 때 쓴다.

(2) Cross cable

구리 선 여덟 개 중 한쪽 커넥터의 1번과 2번에 연결되는 구리 선을 다른 쪽 커넥터의 3번과 6번에 연결한 케이블

컴퓨터 간에 직접 랜 케이블로 연결할 때 쓴다.

다이렉트 케이블, 크로스 케이블 모두 실제로는 1,2,3,6번 구리 선을 사용하고 있다.

나머지 네 개의 선은 사용하지 않는다.

데이터를 보낼 때는 두 케이블 모두 1번과 2번을 사용한다.

다이렉트 케이블에서, 만약 양쪽 컴퓨터가 1번과 2번으로 데이터를 전송하면 어떻게 될까?

데이터가 충돌하게 된다.

그래서 크로스 케이블은 일부러 중간에 전선을 교차시켜서 송신 측과 수신 측이 올바르게 연결되도록 하고 있다.

 

Lesson 11 : Repeater & Hub

물리 계층에서 동작하는 네트워크 장비에는 Repeater와 Hub가 있다.

1. Repeater

전기 신호를 정형(일그러진 전기 신호를 복원)하고 증폭하는 기능을 가진 네트워크 중계 장비이다.

통신하는 상대방이 멀리 있을 때 이것을 사용한다.

멀리 있는 상대방과도 통신할 수 있도록 파형을 정상으로 만든다.

하지만 요즘은 다른 네트워크 장비가 리피터 기능을 하기 때문에 최근에는 보기 힘들다.

2. Hub

허브는 포트(실제로 통신하는 통로)를 여러 개 가지고 있다. 수신한 데이터를 모든 포트로 전송한다.

Repeater hub라고도 불린다.

Repeater는 1대 1 통신만 가능하지만,

허브는 포트를 여러 개 가지고 있어서 LAN cable을 이용해 컴퓨터 여러 대를 연결하여 통신할 수 있다.

허브는 리피터와 마찬가지로 전기 신호를 정형하고 증폭하는 기능을 한다.

컴퓨터에서 보낸 전기 신호가 허브에 도착하는 동안 노이즈의 영향으로 파형이 변경될 때가 있다.

이럴 때 허브가 파형을 정상으로 되돌리는 기능을 한다.

Dummy hub

허브는 어떤 특정 포트로부터 데이터를 받는다면 해당 포트를 제외한 나머지 모든 포트로도 받은 데이터를 전송하는 특징이 있다.

예를 들어, 컴퓨터 1에서 컴퓨터 2로 데이터를 전송하면 컴퓨터 2만 데이터를 받는 게 맞지만, 실제로 허브를 사용하면 컴퓨터 3, 컴퓨터 4, 컴퓨터 5에도 데이터가 전송된다.

사실 컴퓨터 3~5에게는 불필요한 데이터이니 네트워크에 전송되지 않는 게 더 좋다.

이처럼 허브는 스스로 판단하지 않고, 전기 신호를 모든 포트로 보내서 Dummy hub라는 이름으로도 불린다.

불필요한 데이터가 전송되어 비효율적이라서 대책으로 나온 것이 Switch라고 하는 네트워크 장비이다. (4장에서 배운다.)

 

보충 : auto MDIX (auto Medium-Dependent Interface crossover)

auto MDIX란 다이렉트 케이블과 크로스 케이블을 자동으로 판단하는 기능을 말한다.

컴퓨터나 라우터의 인터페이스는 MDI (Media Dependent Interface)라고 하고

스위치나 허브의 인터페이스는 MDI-X (Media Dependent Interface crossover)이라고 한다.

일반적으로 MDI와 MDI-X를 연결할 때는 다이렉트 케이블을 사용하고,

MDI끼리나 MDI-X를 서로 연결할 때는 크로스 케이블을 사용한다.

하지만 최근에는 케이블 배선 실수로 인한 통신 문제를 해결하기 위해

MDI와 MDI-X 차이를 자동으로 판단하여 연결 신호를 전환하는 기능을 가진 스위치나 허브를 많이 사용한다.

따라서 컴퓨터와 허브를 연결하거나 허브 간을 연결한다면, 케이블의 차이를 고려하지 않아도 된다.

 

Auto MDI-X Animation