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이 장의 목표
3장 물리 계층: 데이터를 전기 신호로 변환하기는 아래와 같이 세 가지 목표가 있다.
- 전기 신호를 이해한다.
- 랜 케이블을 이해한다.
- 리피터를 이해한다.
- 허브를 이해한다.
LESSON 09 물리 계층의 역할과 랜 카드의 구조
물리 계층은 0과 1로만 이루어진 비트열을 전기 신호로 변환한다.
아날로그 신호와 디지털 신호
이때 전기 신호의 종류에는 크게 아날로그 신호(Analog Signal)와 디지털 신호(Digital Signal)가 있다. 아날로그 신호의 경우 아래 이미지와 같이 물결 모양의 전기 신호를 의미하며 주로 전화 회선이나 라디오 방송에 사용되고 디지털 신호는 직각의 막대 모양 전기 신호다.
송신 측에서는 0과 1로 이루어진 비트열을 전기 신호로 변환하여 네트워크를 통해 수신 측 컴퓨터로 전송하면 수신 측에서는 전기 신호를 다시 0과 1의 비트열 데이터로 복원하여 통신이 이뤄진다.
아때 전기 신호를 변환해주는 장비가 있는데 바로 랜 카드다.
랜 카드
보통 메인 보드에 포함되어 있는 내장형 랜 카드나 별도의 랜 카드를 통해 컴퓨터는 전기 신호를 0과 1의 비트열 데이터로 복원하거나 반대로 0과 1의 비트열 데이터를 전기 신호로 변환할 수 있다.
결론
결론적으로 물리 계층은 이러한 랜 카드 등의 장비를 통해 컴퓨터와 네트워크 장비를 연결하여 그 사이에서 주고 받는 데이터를 전기 신호로 변환하는 계층을 의미한다.
LESSON 10 케이블의 종류와 구조
앞서 살펴본 전기 신호를 보내기 위해서는 이 전기 신호를 흐를 수 있게 하는 물리적인 선로로 전송 매체가 필요하다. 그 종류에는 크게 유선과 무선이 있는데 유선에는 트위스트 페어 케이블, 광케이블 등이 있고 무선에는 라디오파, 마이크로파, 적외선 등이 있다.
트위스트 페어 케이블
트위스트 페어 케이블(Twisted Pair Cable)은 가장 많이 사용되는 유선 전송 매체로 그 종류에는 크게 UTP 케이블과 STP 케이블이 있다.
UTP(Unshielded Twist Pair) 케이블의 경우 단어 그대로 실드로 보호되어 있지 않은 케이블을 의미한다. 여기서 실드(Shield)는 금속 호일이나 금속의 매듭과 같은 것으로 외부에서 발생하는 노이즈(Noise)를 막아주는 역할을 한다. 다시 말해 전송 매체의 길이가 길수록 외부의 영향에 의해 전기 신호에 잡음이 섞여 데이터가 불안정 해지는데 이를 실드를 통해 막을 수 있는 것이다. UTP 케이블은 이렇게 실드로 보호되지 않고 단순히 구리 선 여덟 개를 두 개씩 꼬아 만든 네 쌍의 전선이다.
STP(Shielded Twist Pair) 케이블의 경우 UTP 케이블과 반대로 실드의 보호를 받는 케이블이다. 두 개씩 꼬아 만든 선을 실드로 보호하고 있는데 노이즈의 영향을 매우 적게 받는 대신 비싸기 때문에 보편적으로 사용하지 않는다.
이러한 UTP 케이블과 STP 케이블을 모두 랜 선(LAN Cable)이라고도 부른다. 랜 선은 목적에 따라 쓰임이 다른데 예를 들어 카테고리가 5인 Cat5와 카테고리가 5e인 랜 선은 서로 지원하는 속도가 다르다. 결국 속도에 따라 랜 선을 분류하게 되는데 카테고리에 따라 대역폭이 다르다고 생각하면 된다.
랜 선의 양쪽 끝에는 RJ-45 커넥터가 존재하여 이를 통해 컴퓨터의 랜 포트나 다른 네트워크 기기에 연결해서 사용할 수 있다.
이때 랜 선의 종류에도 크게 다이렉트 케이블(Direct Cable)과 크로스 케이블(Cross Cable)이 있다.
다이렉트 케이블과 크로스 케이블
다이렉트 케이블(Direct Cable)의 경우 구리 선 여덟 개를 같은 순서로 커넥터에 연결한 케이블이다. 같은 순서로 연결하면 컴퓨터 간에 데이터를 송수신할 때 같은 번호에서 충돌이 발생할 수 있기 때문에 주로 컴퓨터와 스위치를 연결할 때 사용한다.
크로스 케이블(Cross Cable)의 경우 구리 선 여덟 개 중 한쪽 커넥터의 1번과 2번에 연결되는 구리 선을 다른 쪽 커넥터의 3번과 6번에 연결한 케이블이다. 일부러 중간에 전선을 교차시켜서 데이터가 충돌 없이 송수신이 올바르게 연결되도록 한다. 그래서 컴퓨터 간에 직접 랜 선으로 연결할 때 사용한다.
그러나 이렇게 구분하다 보면 케이블 배선 실수로 인해 통신에 오류가 발생하는 경우도 있기 마련이다. 그래서 이를 자동으로 판단할 수 있게 등장한 것이 바로 자동 MDIX(Auto Medium-Dependent Interface crossover)다.
자동 MDIX
자동 MDIX(Auto Medium-Dependent Interface crossover)는 다이렉트 케이블과 크로스 케이블을 자동으로 판단하는 기능이다.
컴퓨터나 라우터의 인터페이스는 MDI(Media Dependent Interface)라고 하며 스위치나 허브의 인터페이스는 MDI-X(Media Dependent Interface crossover)라 한다.
일반적으로 MDI와 MDI-X를 연결할 때는 다이렉트 케이블을 사용하고 MDI끼리나 MDI-X끼리 연결할 때는 크로스 케이블을 사용하는데 케이블 배선 실수로 인해 통신 문제가 발생하게 되자 MDI와 MDI-X의 차이를 자동으로 판단하여 연결 신호를 전환하는 기능을 가진 스위치나 허브를 많이 사용한다.
LESSON 11 리피터와 허브의 구조
리피터
리피터(Repeater)는 일그러진 전기 신호를 복원하는 작업인 정형과 증폭의 기능을 하는 네트워크 중계 장비다. 멀리 있는 상대와 통신할 때 파형이 점점 약해지거나 노이즈로 인해 파형이 변경되는데 이를 정상으로 만드는 기능을 한다.
하지만 요즘은 다른 네트워크 장비가 리피터 기능을 지원하기 때문에 잘 사용하지 않는다.
허브
허브(Hub)는 포트를 여러 개 가지고 있기 때문에 리피터 허브라고도 부른다. 이때 리피터는 일대일 통신만 지원하지만 허브는 여러 대의 컴퓨터 통신도 지원한다. 허브는 리피터와 마찬가지로 전기 신호를 정형하고 증폭하는 기능을 한다.
허브는 컴퓨터 여러 대를 서로 연결하는 기능도 하기 때문에 직접 컴퓨터끼리 연결하지 않더라도 허브를 통해 컴퓨터끼리 데이터를 주고 받을 수 있다. 이때 유의할 점은 어떤 특정 포트로 데이터를 전달할 때 해당 포트 외의 다른 모든 포트에도 똑같은 데이터를 전송한다는 것이다. 허브는 어떤 특정 포트에 데이터를 보내야할 지 스스로 판단하지 않고 전기 신로를 단순히 모든 포트로 보내기 때문이다.
이렇게 불필요한 데이터를 전송하는 이유 때문에 더미 허브(Dummy Hub)라고도 불리며 이를 보완하기 위해 등장한 것이 바로 스위치(Switch)다.
이 장에 등장한 용어 정리
물리 계층(Physical Layer)
OSI 모델의 최하위 계층으로, 데이터를 전송하기 위해 시스템 간의 물리적인 연결을 하고 전기 신호를 변환하고 제어하는 역할을 담당한다. 또한 전송 매체를 통해 데이터를 통신할 수 있는 전기적인 신호로 바꾸어 전송하는 일 또한 한다.
전기 신호(Electronic Signal)
전기 신호는 전압이 일정 패턴으로 변하여 생기는 일련의 흐름으로 전압의 변화가 모여서 만들어진 신호다. 이런 전기 신호들을 주고받음으로써 네트워크에서 사진이나 문서 등을 주고받을 수 있다.
디지털 신호(Digital Signal)
아날로그 신호와 대비되는 신호 형태로 아날로그 신호를 전류의 유무나 극성, 위상의 동일이나 반대 등 물리적 현상을 이용하여 컴퓨터가 인식하는 0 또는 1의 2진수에 대응시켜 나타내는 신호를 말한다.
랜 카드(LAN Card)
컴퓨터의 네트워크 연결 및 데이터 전송을 담당하며, '네트워크 카드' 또는 '네트워크 인터페이스 컨트롤러(NIC, Network Interface Controller)'라고도 불린다.
케이블(Cable)
전선을 뜻한다. 전달하는 신호나 사용되는 장소에 따라 여러 종류의 케이블이 있는데, 네트워크를 연결하는 케이블을 랜 케이블 또는 랜 선이라고 한다.
리피터(Repeater)
전기 신호를 전송할 때 전송하는 거리가 멀어지면 신호가 감쇠하는 성질이 있는데, 이때 감쇠된 전송 신호를 새롭게 재생하여 다시 전달하는 신호 중계 장치를 리피터라고 한다.
허브(Hub)
랜을 구성할 때 한 사무실이나 가까운 거리에 있는 장비들을 케이블을 사용하여 연결하는 장치다.
노이즈(Noise)
데이터의 왜곡이나 분해로 인해 전송 매체에서 생기는 전자 신호다.
기타 참고
아날로그 신호와 디지털 신호 이미지
