Introduction
C++ 게임 서버를 개발하기 위해서는 네트워크 통신 구조에 대한 이해가 필수적입니다. 그리고 네트워크 통신을 제대로 다루기 위해서는, 그 기반이 되는 OSI Model과 TCP/IP Model에 대한 기본적인 지식이 선행되어야 합니다.
이전 글에서 OSI 모델과 TCP/IP 모델의 역사와 전체 구조를 정리했다면, 이번 글에서는 OSI 모델의 출발점이 되는 물리 계층(Physical Layer) 을 중심으로 네트워크 통신의 가장 기초적인 부분을 살펴보겠습니다.
(이 글은 여러 기술 문서와 교재 등 다양한 자료를 참고하였습니다.)
Body
What is "Physical layer"?
물리 계층(Physical Layer)은 물리적 통신 매체와, 해당 매체를 통해 데이터를 실제로 전송하기 위한 기술을 정의하는 계층입니다.
즉, 상위 계층에서 전달된 비트 데이터를 전기·광·무선 신호와 같은 물리적 형태로 변환하여 송신 측에서 수신 측으로 전달하는 역할을 담당합니다.
[NordVPN & Wikipedia]
The physical layer controls how raw bits of data are transmitted over a physical medium.
기본적으로 데이터 통신은 광섬유 케이블, 구리 케이블, 공기(무선) 와 같은 다양한 물리적 채널을 통해 디지털 데이터를 신호 형태로 전달하는 과정이라고 볼 수 있습니다.
물리 계층에서는 이러한 전송 매체의 특성에 따라
- 신호의 형태
- 전송 매체
- 전송 방식
등과 같은 채널과 밀접하게 관련된 기술적 표준이 정의됩니다. 예를 들어 Bluetooth, NFC 와 같은 통신 기술 역시 물리 계층에서 다루는 대표적인 기술에 해당합니다.
The form of a signael
전기 신호의 종류에는 아날로그 신호와 디지털 신호가 있습니다.
위 그림에서 볼 수 있듯이, 아날로그 신호는 시간의 흐름에 따라 전압 값이 연속적으로 변화하는 신호입니다. 아날로그 신호는 구성 방식에 따라 단순 신호(Simple Signal) 와 복합 신호(Composite Signal) 로 분류할 수 있으며, 위 그림은 하나의 주파수 성분만을 가지는 단순 신호, 즉 사인파 형태를 나타냅니다.
아날로그 신호는 진폭, 주파수, 위상과 같은 요소가 끊김 없이 연속적으로 변하며 정보를 표현합니다. 이러한 특성 때문에 값의 범위가 명확히 고정되어 있지 않고, 외부 환경의 영향을 쉽게 받습니다. 그 결과 노이즈에 취약하여 신호 왜곡이 발생할 수 있고, 전송 품질이 저하될 가능성이 존재합니다.
그럼에도 불구하고 아날로그 신호는 자연 현상을 표현하는 데 적합하고, 무선 통신과 같이 연속적인 파형을 사용하는 환경에서 여전히 널리 활용되고 있습니다.
반면, 디지털 신호는 미리 정의된 전압 레벨을 기준으로 이산적인 값(0과 1)만을 사용해 정보를 표현합니다. 전압이 특정 기준값 이상이면 1, 이하이면 0으로 해석되며, 이러한 특성 덕분에 노이즈의 영향을 상대적으로 적게 받고, 컴퓨터 시스템에서 처리하기에 매우 적합합니다.
디지털 신호는 정보를 이진 형태(비트 단위) 로 전달하기 때문에, 전송 특성을 설명할 때 비트율(bit rate) 과 비트 간격(bit interval) 이라는 개념을 사용합니다. 비트율은 일정 시간 동안 전송되는 비트의 수를 의미하며, 일반적으로 1초당 전송 비트 수(BPS, Bits Per Second) 로 표현됩니다. 비트 간격은 비트율의 역수로, 하나의 비트를 전송하는 데 걸리는 시간을 의미합니다.
이러한 이유로 디지털 신호는 아날로그 신호에 비해 노이즈에 강하고, 데이터가 0과 1로 명확하게 구분되기 때문에 전송과 복원이 쉽고 신뢰성이 높다는 장점을 가집니다.
Q1, 그런데 0과 1을 어떻게 전기 신호로 변환하나요?우리가 사용하는 컴퓨터에는 네트워크 통신을 담당하는 랜 카드(NIC) 가 있습니다. 이 랜 카드는 메인 보드에 기본으로 포함되어 있는 내장형 랜 카드일 수도 있고, 필요에 따라 별도로 장착하는 확장형 랜 카드일 수도 있습니다.
랜 카드(RAM Card)는 Network Interface Card의 약자인 NIC라고도 합니다.
컴퓨터 내부에서 생성된 데이터는 최종적으로 0과 1로 이루어진 비트 형태로 랜 카드에 전달됩니다. 이때 랜 카드는 상위 계층에서 전달받은 비트 데이터를 전송 매체에 적합한 전기 신호(또는 광 신호, 무선 신호) 로 변환하여 네트워크로 전송합니다. 반대로, 외부에서 수신된 신호는 다시 비트 데이터(0과 1) 로 변환되어 컴퓨터 내부로 전달됩니다.
즉, 랜 카드는 컴퓨터 내부의 디지털 데이터와 실제 네트워크 상의 물리적 신호를 연결해 주는 역할을 수행하며, 이는 OSI 모델의 물리 계층과 데이터 링크 계층에 걸친 기능에 해당합니다.
[Note]
유선 & 무선 랜카드는 통식 방식에 따른 구분이며, 내장형 & 확장형 랜카드는 장착 방식에 따른 구분으로 두 기준은 서로 다른 개념입니다.
Transmission Medium
전송 매체(Transmission Medium)는 데이터가 흐르는 물리적인 경로로 종류가 크게 유선과 무선으로 나눌 수 있습니다.
유선
- 트위스트 페어 케이블(Twisted Pair Cable)
- 광 케이블(Fiber Optic Cable)
- etc
무선
- 라디오파(Radio Wave)
- 마이크로파(Microwave)
- 적외선(Infrared)
- etc
이 중에서도 일상적인 네트워크 환경에서 가장 널리 사용되는 전송 매체는 트위스트 페어 케이블(twisted pair cable) 입니다. 트위스트 페어 케이블은 일반적으로 랜 케이블(LAN Cable) 이라고 부르기도 하며, 구리 선을 두 가닥씩 꼬아 만든 케이블입니다. 일반적으로 총 8개의 구리 선을 2개씩 묶은 4쌍의 선으로 구성되어 있습니다.
트위스트 페어 케이블의 종류에는 UTP 케이블과 STP 케이블이 있습니다. UTP 케이블은 별도의 실드(sheild)로 보호되어 있지 않은 케이블입니다.
- 실드(Sheid) : 금속 호일이나 금속의 매듭과 같은 것으로 외부에서 발생하는 노이즈(noise)를 막는 역할을 합니다.
UTP 케이블은 실드로 보호되어 있지 않아서 노이즈의 형향을 받기 쉅지만 저렴하기 때문에 일반적으로 가정, 사무실, 학교 등 대부분의 네트워크 환경에서 자주 사용되는 케이블입니다. 또한 UTP 케이블은 데이터 전송 속도와 품질에 따라 Category(Cat)로 분류됩니다.
반대로 STP 케이블은 두 개씩 꼬아 만든 선을 실드(Sheid)로 감싸 외부 노이즈를 차단한 케이블입니다. UTP 케이블과 비해 노이즈의 영향을 매우 적게 받지만 비용과 설치 난이도 문제로 인해 특수한 산업 환경이나 데이터 센터에서 주로 사용되며, 일반적인 환경에서 많이 사용되지 않습니다.
그 외에도 트위스트 페어 케이블은 실드(sheid) 방식에 따라 FTP, STP, SFTP 등으로 세분화됩니다. 이 케이블들은 외부 노이즈를 줄이기 위해 금속 호일이나 금속 메시로 차폐되어 있다는 공통적인 특징을 가지고 있습니다.
이러한 트위스트 페어 케이블의 양쪽 끝에는 일반적으로 RJ-45 커넥터가 부착되어 있으며, 이 커넥터를 컴퓨터의 랜 포트나 스위치, 라우터와 같은 네트워크 장비에 연결해 사용합니다.
또한 케이블 내부의 선을 어떻게 결선하느냐에 따라,트위스트 페어 케이블은 다이렉트 케이블(Straight-through) 과 크로스 케이블(Crossover) 로 구분할 수 있습니다.
다이렉트 케이블은 양쪽 커넥터의 핀 배열이 동일한 케이블입니다. 즉, 한쪽 커넥터의 1번 핀에 연결된 구리 선이 반대쪽 커넥터의 1번 핀으로 그대로 연결되는 구조입니다.
일반적으로 T568A–T568A 또는 T568B–T568B 방식으로 결선됩니다. 주로 컴퓨터와 스위치, 컴퓨터와 허브 그리고 라우터와 스위치를 연결할 떄 사용합니다.
크로스 케이블은 송신(Tx)과 수신(Rx) 선을 서로 교차 연결한 케이블입니다. 구체적으로 한 쪽 커넥터의 1번 & 2번 핀에 연결된 선을, 반대 커넥터의 3번 & 6번 핀에 연결합니다. 주로 컴퓨터와 컴퓨터, 스위치와 스위치 그리고 허브와 허브를 연결할 때 사용합니다.
다이렉트 케이블과 크로스 케이블은 과거의 이더넷 환경(10Mbps / 100Mbps)에서는 주로 1번, 2번, 3번, 6번 구리 선만 사용했습니다. 하지만 최근의 네트워크 환경(1Gbps 이상의 Ethernet) 에서는 8가닥의 구리 선이 모두 데이터 전송에 사용됩니다.
또한 최신 네트워크 장비들은 대부분 Auto MDI-X 기능을 지원합니다. 이 기능은 연결된 케이블의 결선 방식을 자동으로 감지해 송신(Tx)과 수신(Rx)을 내부적으로 전환해 줍니다. 그 결과 다이렉트 케이블과 크로스 케이블을 구분하지 않아도 정상적인 통신이 가능하며, 실무 환경에서는 다이렉트 케이블만 사용하는 경우가 일반적입니다.
Physical layer equipment
물리 계층에서 사용되는 대표적인 네트워크 장비로는 리피터(Repeater) 와 허브(Hub) 가 있습니다. 이 장비들은 모두 신호 자체를 다루는 장비 입니다.
What is "Repeater"
리피터란? 과거에 주로 사용되던 물리 계층 장비로, 전송 중 약해지거나 왜곡된 전기 신호를 정형(regeneration)하고 증폭(amplification) 하는 역할을 합니다. 네트워크에서 신호는 전송 거리가 길어질수록 감쇠되고 노이즈의 영향을 받게 되는데, 리피터는 이러한 신호를 다시 원래의 파형에 가깝게 복원한 뒤 재전송해 줍니다.
다만 리피터는 일대일 연결만 가능하며, 단순히 신호를 재생성할 뿐 어떤 장치로 보낼지에 대한 판단 능력은 없습니다. 이 때문에 네트워크 구조가 복잡해지면서 점차 사용되지 않게 되었습니다.
what is "Hub"
허브란? 여러 개의 포트(port)를 가진 장비로, 흔히 리피터 허브(repeater hub) 라고도 불립니다. 말 그대로 여러 대의 컴퓨터를 하나로 묶어주는 리피터의 확장판이라고 볼 수 있습니다. 허브 역시 리피터와 마찬가지로 전기 신호를 정형 및 신호를 증폭하는 기능을 수행합니다.
또한 허브를 사용하면 컴퓨터들을 직접 서로 연결하지 않아도, 하나의 중심 장치를 통해 여러 대의 컴퓨터를 네트워크로 구성할 수 있습니다.
다만 허브의 가장 큰 특징이자 단점은 어떤 포트로부터 데이터를 수신하든, 해당 포트를 제외한 모든 포트로 동일한 데이터를 전송한다는 점입니다. 예를 들어, 컴퓨터 1 → 컴퓨터 2로 데이터를 보내더라도 실제로는 컴퓨터 3, 4, 5에도 같은 데이터가 모두 전달됩니다. 허브는 목적지 주소(MAC 주소 등)를 이해하지 못하고, 수신한 전기 신호를 무조건 전체 포트로 뿌리는 방식으로 동작합니다. 이 때문에 허브는 스스로 판단하지 못하는 장비라는 의미에서 더미 허브(dummy hub) 라고 불리기도 합니다.
이러한 허브의 한계를 해결하기 위해 등장한 장비가 스위치(Switch) 입니다. 스위치는 단순히 신호를 뿌리는 것이 아니라, 목적지 MAC 주소를 기준으로 필요한 포트에만 데이터를 전달합니다.
다만 스위치는 물리 계층이 아닌 데이터 링크 계층(Layer 2) 장비이므로, 이에 대한 자세한 설명은 다음 글에서 데이터 링크 계층과 함께 다루는 것이 적절합니다.
Conclusion
이번 글에서는 OSI 모델의 1계층인 물리 계층(Physical Layer) 을 중심으로, 데이터가 네트워크를 통해 전달되기 위해 어떤 형태의 신호로 변환되고, 어떤 전송 매체를 통해 이동하는지를 살펴보았습니다.
특히 다음과 같은 점들을 이해하는 것이 중요합니다.
- 물리 계층은 데이터의 의미를 해석하지 않고, 비트(0과 1)를 실제 전송 가능한 물리적 신호로 변환하는 역할을 담당한다.
- 전기 신호, 광 신호, 무선 신호 등 신호의 형태는 전송 매체에 따라 달라지며, 이는 물리 계층의 핵심 책임에 해당한다.
- 트위스트 페어 케이블과 같은 유선 매체와 무선 전파와 같은 무선 매체는 각각 특성과 사용 목적이 다르다.
- 리피터와 허브는 신호를 정형·증폭하는 물리 계층 장비로, 데이터의 목적지를 판단하지 못한다는 한계를 가진다.
다음 글에서는 OSI 모델의 2계층인 데이터 링크 계층(Data Link Layer) 을 다루며, 물리 계층을 통해 전달된 비트들이 프레임 단위로 묶이고, 오류 검출과 MAC 주소를 기반으로 신뢰성 있는 전송이 어떻게 이루어지는지를 살펴볼 예정입니다. 물리 계층 위에서 실제 “통신”이 시작되는 계층인 만큼, 네트워크의 동작 원리를 이해하는 데 중요한 단계가 될 것입니다.
Reference
