물리 계층에서 데이터는 어떻게 전달될까

네트워크의 물리 계층은 데이터를 전기 신호, 빛, 전파로 변환해 실제 전송 매체로 전달하는 계층이다. 컴퓨터가 처리하는 데이터는 0과 1이지만, 케이블 내부에서는 전압의 변화로, 광케이블에서는 빛의 변화로 표현된다.

NIC와 MAC 주소

NIC(Network Interface Card)는 컴퓨터를 네트워크에 연결하는 장치다. 흔히 랜카드라고 부른다.

NIC에는 네트워크 장치를 식별하기 위한 MAC 주소가 할당된다. 다만 MAC 주소를 이용해 이더넷 프레임을 처리하는 기능은 물리 계층이 아니라 데이터 링크 계층에 해당한다. 따라서 NIC는 물리 계층과 데이터 링크 계층에 걸쳐 동작한다고 볼 수 있다.

예를 들어 컴퓨터가 데이터를 전송하면 NIC는 이더넷 프레임을 전기 신호로 변환해 랜선으로 내보낸다. 반대로 전기 신호를 받으면 이를 다시 데이터로 변환한다.

리피터와 AP

리피터는 전달 과정에서 약해진 신호를 복원하거나 증폭해 더 먼 곳까지 전달하는 장치다.

와이파이 확장기도 리피터와 비슷한 역할을 한다. 다만 와이파이가 전혀 잡히지 않는 장소에 설치하면 원래 신호를 제대로 받을 수 없다. 공유기의 신호가 어느 정도 도달하는 위치와 음영 지역 사이에 설치해야 한다.

AP(Access Point)는 유선 네트워크와 무선 네트워크를 연결하는 장치다. 단순히 패킷을 복사하는 장치라기보다 무선 단말이 유선 네트워크에 접속할 수 있도록 중계하는 브리지에 가깝다.

가정에서 사용하는 공유기는 보통 다음 기능을 하나의 장치에 포함한다.

• 라우터
• 스위치
• AP
• DHCP 서버
• NAT

별도의 AP에 유선 랜을 연결하면 기존 유선 네트워크를 와이파이로 사용할 수도 있다. 회사나 학교 천장에 설치된 무선 장비가 대표적인 AP다.

전이중 통신과 반이중 통신

현재의 유선 이더넷은 대부분 전이중 통신을 사용한다. 전이중 통신은 양쪽 장치가 동시에 데이터를 보내고 받을 수 있는 방식이다.

전화 통화를 생각하면 이해하기 쉽다. 두 사람이 동시에 말하고 들을 수 있으므로 전이중 통신에 해당한다.

기가비트 이더넷에서는 여러 가닥의 구리선을 이용해 송신과 수신을 동시에 처리한다. 각 장치는 일반적으로 스위치와 직접 연결되므로 다른 장치와 회선을 공유하지 않는다. 이 때문에 충돌을 검사할 필요도 없다.

반이중 통신은 한쪽이 데이터를 보내는 동안 다른 쪽은 기다려야 하는 방식이다. 무전기가 대표적인 예다. 한 사람이 말하는 동안 다른 사람은 들을 수만 있다.

과거에는 여러 장치가 하나의 회선을 공유하는 허브 환경에서 CSMA/CD 방식을 사용했다. 장치는 데이터를 보내기 전에 회선이 사용 중인지 확인하고, 전송 중 충돌이 발생하면 잠시 기다렸다가 다시 전송했다.

현재의 스위치 기반 전이중 이더넷에서는 충돌이 발생하지 않으므로 CSMA/CD를 사용하지 않는다.

IEEE 802.3과 이더넷

IEEE 802.3은 유선 이더넷의 표준이다. 이 표준에는 다음과 같은 내용이 정의되어 있다.

• 이더넷 프레임의 구조
• 데이터 전송 속도
• 사용할 수 있는 케이블과 최대 거리
• 신호를 전송하는 방법
• 매체 접근 방식

예를 들어 1000BASE-T는 일반적인 랜선을 이용하는 1Gbps 이더넷 규격이다. 1000은 전송 속도, BASE는 베이스밴드 방식, T는 트위스티드 페어 케이블을 의미한다.

트위스티드 페어 케이블

일반적인 랜선 내부에는 두 가닥의 구리선이 한 쌍으로 꼬여 있다. 이를 트위스티드 페어 케이블이라고 한다. 선을 꼬는 이유는 외부 전자기파로 인한 신호 간섭을 줄이기 위해서다.

트위스티드 페어 케이블은 차폐 여부에 따라 구분할 수 있다.

• UTP는 별도의 차폐 처리가 없는 케이블이다.
• STP는 금속 재질로 차폐 처리된 케이블이다.

가정과 사무실에서는 가격이 저렴하고 설치가 쉬운 UTP 케이블을 주로 사용한다. 공장처럼 전자기 간섭이 심한 환경에서는 STP 케이블이 유리하다.

랜선 끝에서 흔히 볼 수 있는 커넥터는 일반적으로 RJ45라고 부른다. 정확한 형태는 8개의 접점을 가진 8P8C 커넥터지만, 실무에서는 대부분 RJ45라는 이름을 사용한다.

광섬유 케이블

광섬유 케이블은 전기 신호 대신 빛을 이용해 데이터를 전송한다. 내부의 코어와 클래딩은 굴절률이 서로 다르다. 이 차이로 인해 빛이 광섬유 내부에서 전반사하며 먼 거리까지 전달된다.

광섬유는 구리선보다 먼 거리까지 빠르게 데이터를 전송할 수 있고 전자기 간섭의 영향도 거의 받지 않는다. 데이터센터나 통신사 네트워크에서 10Gbps, 100Gbps 이상의 연결에 주로 사용한다.

광섬유는 크게 싱글모드와 멀티모드로 구분한다. 싱글모드는 장거리 통신에 적합하고, 멀티모드는 비교적 짧은 거리의 건물 내부나 데이터센터 연결에 많이 사용한다.

결국 물리 계층의 역할은 데이터를 사람이 볼 수 없는 신호로 바꾸어 실제 매체로 전달하는 것이다. 그 위에서 이더넷과 MAC 주소가 장치를 구분하고, 스위치와 AP가 데이터가 이동할 경로를 이어준다.