데이터 통신과 네트워킹 (Forouzan, 6판) 2장 학습 내용 정리.
물리층은 TCP/IP 5계층 중 가장 하위 계층으로, 이 장에서는 신호의 종류와 특성, 전송 중 발생하는 장애, 디지털 변환 방식, 다중화, 전송 매체까지 물리층 전반을 다룬다.
물리층이란?
OSI 7계층 중 가장 하위 계층이고, 실제로 비트(0과 1)를 물리적 신호로 바꿔서 전송 매체를 통해 전달하는 역할을 한다. 쉽게 말하면 데이터를 실제로 선 위에 올려서 보내는 계층이다.
2.1 신호 (Signal)
데이터를 전송할 때 물리층은 신호를 주고받는다. 신호란 정보 전달을 위한 물리적 파형으로, 시간에 따라 변화하는 전압이나 전류, 빛의 세기 같은 것들이다.
신호는 크게 두 가지 형태로 나뉜다.
아날로그 신호 (Analog)
시간에 따라 연속적으로 변화하는 신호다. 무한한 값 범위를 표현할 수 있고, 음성이나 라디오 같은 자연 신호 표현에 적합하다. 단점은 잡음(noise)에 의해 신호가 왜곡될 수 있다는 것이다.
디지털 신호 (Digital)
0과 1 두 가지 이산적인 값만 표현하는 신호다. 오류 검출과 복구가 상대적으로 쉽고, 컴퓨터 네트워크 데이터 전송에 주로 사용한다.
아날로그는 연속적인 사인파, 디지털은 High(1)/Low(0)로만 표현한다
2.1.1 아날로그 신호 특성
아날로그 신호, 특히 사인파(sine wave)는 세 가지 특성으로 표현된다.
| 특성 | 설명 | 단위 |
|---|---|---|
| 진폭 (Amplitude) | 신호의 최대 세기 (파형의 높이) | Volt |
| 주파수 (Frequency) | 1초 동안 반복되는 사이클 수 | Hz |
| 위상 (Phase) | 파형의 시작 위치 (기준 대비 이동량) | 도(°) |
주파수와 주기는 역수 관계다. 주파수가 60Hz면 주기는 1/60초다.
복합 신호와 대역폭
실제 통신에서 단순 사인파 하나로는 데이터를 충분히 표현하기 어렵다. 그래서 실제 통신 신호는 여러 개의 사인파가 합쳐진 복합 신호 형태로 구성된다. 이때 신호가 포함하는 주파수 범위를 대역폭(Bandwidth) 이라고 한다.
2.1.2 디지털 신호
디지털 신호는 높은 전압(1)과 낮은 전압(0)으로 데이터를 표현한다. 레벨 수를 늘리면 하나의 신호 변화로 더 많은 비트를 표현할 수 있다.
- 2레벨 신호: 한 번의 변화로 1비트 표현
- 4레벨 신호: 한 번의 변화로 2비트 표현 (log₂4 = 2)
기저대역 전송 vs 광대역 전송
| 기저대역 (Baseband) | 광대역 (Wideband) | |
|---|---|---|
| 방식 | 변조 없이 원본 신호 그대로 전송 | 변조 기법으로 특정 주파수에 실어 전송 |
| 특징 | 단순, 단거리에 적합 | 복잡, 장거리/다중 사용자 가능 |
| 예시 | Ethernet (Cat5e, Cat6) | Wi-Fi, LTE, 5G |
2.2 신호 장애
신호가 전송 매체를 통해 이동하면서 세 가지 장애가 발생할 수 있다.
감쇠 (Attenuation)
신호가 매체를 통해 이동할수록 에너지가 점점 줄어드는 현상이다. 거리가 멀어질수록 신호가 약해진다. 이걸 해결하기 위해 증폭기(Amplifier) 를 중간에 설치해서 신호를 다시 키운다.
왜곡 (Distortion)
복합 신호는 여러 주파수 성분으로 이루어져 있는데, 각 주파수 성분이 매체를 통과할 때 속도가 달라서 수신 측에 도착하는 시간이 달라진다. 이로 인해 신호 모양이 원래와 다르게 변형된다.
잡음 (Noise)
전송 중에 외부에서 원치 않는 신호가 섞이는 현상이다. 열잡음, 유도잡음, 충격잡음 등 여러 종류가 있다.
원본 신호에서 감쇠(진폭 감소), 왜곡(형태 변형), 잡음(불규칙 간섭)이 각각 어떻게 나타나는지 비교
2.2.3 데이터 전송률의 한계
채널이 전송할 수 있는 최대 비트율을 결정하는 두 가지 이론적 공식이 있다.
나이퀴스트 비트율 (Nyquist Bit Rate) — 잡음이 없는 이상적인 채널
Bit Rate = 2 × B × log₂L- B: 채널 대역폭 (Hz)
- L: 신호 준위의 수 (Signal Levels)
예시: 채널 대역폭이 10kHz이고 신호 준위가 256(= 2⁸)이면
→ Bit Rate = 2 × 10,000 × 8 = 160,000 bps
신호 준위(L)를 높이면 비트율을 높일 수 있지만, 준위가 많아질수록 신호 간 간격이 좁아져 잡음에 의한 오류가 증가한다는 trade-off가 있다.
섀넌 용량 (Shannon Capacity) — 잡음이 있는 실제 채널
C = B × log₂(1 + SNR)- B: 채널 대역폭 (Hz)
- SNR: 신호 대 잡음 비율 (Signal-to-Noise Ratio)
- C: 채널 용량 (bps)
SNR이 0에 가까우면(잡음이 신호만큼 강하면) C = 0이 된다. 즉 대역폭이 있어도 데이터를 전송할 수 없다.
예시: 일반 전화선 (B = 3,000Hz, SNR = 35dB ≈ 3162)
→ C = 3000 × log₂(1 + 3162) ≈ 34,881 bps
두 공식의 차이를 정리하면, 나이퀴스트는 잡음이 없는 이상적인 환경에서의 이론상 최대치고, 섀넌은 잡음까지 고려한 실질적인 한계다. 실제 시스템 설계에서는 두 값을 모두 계산한 뒤 낮은 쪽이 실제 제한이 된다.
2.2.4 성능 지표
지연 (Latency)
데이터가 출발지에서 목적지까지 걸리는 총 시간이다.
지연 = 전파시간 + 전송시간 + 큐시간 + 처리시간- 전파시간: 신호가 물리 매체를 따라 이동하는 시간 (거리/속도)
- 전송시간: 데이터를 링크에 밀어 넣는 시간 (데이터크기/전송속도)
- 큐시간: 네트워크 장비 큐에서 기다리는 시간
- 처리시간: 패킷 오류 검사, 경로 결정 등에 걸리는 시간
대역폭-지연 곱 (Bandwidth-Delay Product, BDP)
링크를 파이프라고 생각하면, 파이프 단면이 대역폭이고 파이프 길이가 지연이다. 이 둘을 곱하면 파이프 안에 동시에 존재할 수 있는 데이터 양이 나온다.
- BDP가 작은 경우 (LAN): ACK가 빠르게 돌아와서 관리가 쉬움
- BDP가 큰 경우 (위성통신): 링크 안에 데이터가 많아서 TCP Window를 크게 잡아야 함
2.3 디지털 전송
데이터를 신호로 변환해서 전송하는 과정이다.
Digital-to-Digital 변환
회선 부호화 (Line Coding)
디지털 데이터를 전송용 디지털 신호로 변환하는 과정이다. 수신 측 동기화, DC 성분 제어, 대역폭 관리 등을 위해 변환한다.
블록 부호화 (Block Coding)
데이터에 여분의 비트를 추가해서 오류 검출 능력을 높이는 기법이다. 4B/5B처럼 4비트를 5비트로 변환하는 방식이 대표적이다.
스크램블링 (Scrambling)
긴 0이나 1의 연속이 발생하면 수신 측에서 동기화가 어려워진다. 이를 방지하기 위해 데이터 패턴을 특정 규칙에 따라 바꾸는 기법이다. 블록 부호화와 달리 비트를 추가하지 않는다.
Analog-to-Digital 변환 (ADC)
PCM (Pulse Code Modulation) — 가장 많이 쓰이는 방식
아날로그 신호를 디지털로 변환하는 3단계 과정이다.
아날로그 신호 → 샘플링(점 추출) → 양자화(단계 근사) → 부호화(비트열 변환)
나이퀴스트 정리에 따르면 샘플링 주파수는 원본 신호 최대 주파수의 2배 이상이어야 한다.
예시: 사람 음성 (0~4000Hz)
샘플링 주파수 = 4000 × 2 = 8000 samples/s
비트율 = 8000 × 8bit = 64,000 bps = 64 kbps
CD 음질 (44.1kHz, 16bit, 스테레오)
비트율 = 44,100 × 16 × 2 = 1,411,200 bps ≈ 1.4 Mbps델타 변조 (Delta Modulation)
PCM보다 단순한 방식이다. 이전 샘플과 비교해서 신호가 올라가면 1, 내려가면 0만 전송한다. 구조가 단순한 대신 급격한 변화에서 오차가 생길 수 있다.
2.4 아날로그 전송 (변조 방식)
디지털 데이터를 아날로그 신호로 변환해서 전송하는 방식이다. 반송파(carrier signal)의 특성을 변화시켜 데이터를 싣는다.
| 변조 방식 | 변화시키는 특성 | 특징 |
|---|---|---|
| ASK (진폭 편이 변조) | 진폭 | 구현 단순, 잡음에 취약 |
| FSK (주파수 편이 변조) | 주파수 | 잡음에 강함, 대역폭 많이 사용 |
| PSK (위상 편이 변조) | 위상 | 효율적, Wi-Fi 등에서 사용 |
| QAM (직교 진폭 변조) | 진폭 + 위상 동시 | 고속 전송 가능, 복잡 |
2.5 다중화 (Multiplexing)
하나의 전송 링크를 여러 신호가 공유해서 동시에 전송하는 기술이다.
FDM (주파수 분할 다중화)
전체 주파수 대역을 여러 개로 쪼개서 각 신호를 동시에 전송한다. 인접 채널 간 간섭을 막기 위해 보호 대역(Guard Band)이 필요하다.
TDM (시분할 다중화)
시간을 여러 슬롯으로 나눠서 각 장치가 자신의 시간 슬롯에만 데이터를 전송한다. 주로 디지털 통신에서 사용한다.
WDM (파장 분할 다중화)
광섬유 통신에서 서로 다른 파장의 빛을 사용해서 여러 신호를 동시에 전송한다.
FDM은 주파수 축을 나누고, TDM은 시간 축을 나눈다 — 둘 다 하나의 링크를 여러 채널이 공유하는 방식
2.6 전송 매체
유도 매체 (유선)
꼬임쌍선 (Twisted-Pair Cable)
두 개의 구리선을 꼬아서 만든 케이블이다. UTP(비차폐)와 STP(차폐) 두 종류가 있고, 우리가 흔히 쓰는 랜선이 바로 UTP 케이블이다.
동축 케이블 (Coaxial Cable)
중심 도체를 절연체, 외부 도체, 외부 피복으로 감싼 구조다. 꼬임쌍선보다 대역폭이 넓고 잡음에 강하다. 케이블 TV나 케이블 인터넷에 사용한다.
광섬유 케이블 (Optical Fiber)
빛 신호로 데이터를 전송하는 매체다.
- 엄청나게 높은 대역폭 (이론상 200 THz)
- 신호 감쇠가 매우 작아서 장거리 전송 가능
- 전자기 간섭에 영향을 받지 않음
유선 매체 성능 비교
| 매체 | 대역폭 | 감쇠 | 간섭 | 주요 용도 |
|---|---|---|---|---|
| 꼬임쌍선 (UTP) | 낮음 | 높음 (20~30 dB/km) | 취약 | LAN, 전화선 |
| 동축 케이블 | 중간 | 중간 (5~10 dB/km) | 보통 | 케이블 TV |
| 광섬유 | 매우 높음 | 매우 낮음 (0.2 dB/km) | 없음 | 백본, 해저 |
비유도 매체 (무선)
| 종류 | 주파수 범위 | 특징 | 용도 |
|---|---|---|---|
| 라디오파 | 3kHz ~ 1GHz | 전방향, 장거리 가능 | AM/FM 방송 |
| 마이크로파 | 1GHz ~ 300GHz | 지향성, 가시선 필요 | 이동통신, 위성 |
| 적외선 | 300GHz ~ 400THz | 단거리, 장애물 통과 불가 | 리모컨, 실내 |
핵심 요약
- 물리층 = 비트를 실제 신호로 바꿔서 전송하는 계층
- 신호는 아날로그(연속)와 디지털(이산) 두 종류
- 신호 장애: 감쇠(에너지 손실) / 왜곡(형태 변형) / 잡음(외부 간섭)
- 전송률 한계: 나이퀴스트(잡음 없음,
2Blog₂L) / 섀넌(잡음 있음,Blog₂(1+SNR)) - 변환 방식: Digital→Digital(회선부호화) / Analog→Digital(PCM) / Digital→Analog(ASK, FSK, PSK, QAM)
- 다중화: FDM(주파수) / TDM(시간) / WDM(파장)
- 전송 매체: 꼬임쌍선 < 동축 케이블 < 광섬유 순으로 성능 향상
참고문헌
Forouzan, B. A. (2013). Data Communications and Networking (6th ed.). McGraw-Hill.
번역: 이재광, 김중규, 이경현, 홍충선. 데이터 통신과 네트워킹 TCP/IP 프로토콜 기반 (개정 6 수정판). 퍼스트북.
본 글은 위 교재의 내용을 바탕으로 학습하면서 개인적으로 이해한 내용을 정리한 것입니다.
