1. 역할

물리 계층은 OSI 7계층 모델에서 가장 하위에 위치한 계층으로 실제로 데이터를 전송하는 데 사용되는 하드웨어와 관련된 계층이다. 주로 데이터가 전송되는 매체, 신호의 특성, 전송 방식에 대해 정의한다.
이 계층은 비트 스트림(1과 0으로 구성된 데이터)을 전기적, 광학적, 또는 무선 신호로 변환하여 물리적인 네트워크 연결을 통해 전달하는 역할을 한다.

2. 주요 기능

2.1 데이터 전송 매체

• 데이터를 전송하는 물리적인 매체를 정의한다. 이는 동축 케이블, 광섬유, UTP(비차폐 트위스티드 페어) 케이블, 무선 주파수 등 여러 종류가 있다.

• 각 매체는 전송 속도, 대역폭, 거리 제한, 신호 감쇠 등의 특성이 다르다.

• 회사에서 컴퓨터를 네트워크에 연결할 때는 UTP 케이블을 사용하여 데이터가 전기 신호의 형태로 전송된다. 이 케이블은 짧은 거리에서는 안정적으로 데이터를 전송하지만 먼 거리에선 신호 감쇠가 발생할 수 있다.

2.2 신호 변환

• 데이터는 디지털 비트(1과 0)의 형태로 저장되지만 이를 전송하려면 전기 신호나 무선 주파수로 변환해야 한다. 물리 계층은 이를 담당한다.

• 이진 데이터를 전압의 고저로 표현하거나 광섬유를 사용하여 빛의 강약으로 표현한다.

2.3 데이터 전송 속도 및 주파수

• 물리 계층은 데이터가 전송되는 속도(즉 비트 전송률)를 결정한다. 이 속도는 사용하는 매체와 신호의 특성에 따라 달라진다.

• 전송을 위한 주파수 대역과 채널을 설정하고 그에 맞는 신호는 생성한다.

2.4 동기화

• 송신 측과 수신 측이 데이터를 올바르게 주고 받기 위해서는 동기화가 필요하다. 물리 계층은 송신 측과 수신 측 간의 시간 동기화를 맞추어 데이터가 언제 시작되고 언제 끝나는지를 알 수 있도록 한다.

• 예를 들어, 컴퓨터가 데이터를 보낼 때 클럭 신호를 이용해 수신 측과 동일한 타이밍을 맞추게 된다. 클럭이 맞지 않으면 데이터가 뒤섞이거나 손실될 수 있다. 이를 해결하기 위해 송신 측과 수신 측의 클럭 신호를 동기화하여 정확한 타이밍에 비트 스트림이 전달되도록 한다. 동기화가 잘 되어야 데이터가 제대로 해석될 수 있다.

2.5 배선 규격 및 커넥터

• 물리 계층에서 사용하는 케이블과 커넥터의 표준을 규정한다.

2.6 에러 검출과 복구

• 물리 계층 자체는 에러를 검출하거나 복구하는 기능을 제고하지 않지만 신호의 왜곡이나 손실을 최소화하기 위해 전송 매체의 품질을 유지하고 신호 증폭 장치 등을 사용해 데이터를 안정적으로 전송한다.

• 장거리 전송에서 신호가 감쇠되어 데이터가 손실될 가능성이 있는데 이를 해결하기 위해 신호 증폭기를 사용해 약해진 신호를 다시 강화시킨다. 네트워크 신호가 길게 연결된 케이블을 통해 전송될 때 신호가 약해지면 리피터라는 장치를 사용하여 신호를 증폭시켜준다.

주요 전송 기술

• 전기 신호: 구리선 기반의 동축 케이블, UTP 케이블 등을 통해 데이터를 전기 신호로 변환하여 전송한다.

• 광 신호: 광섬유 케이블을 통해 빛을 사용하여 데이터를 전송한다. 이 방식은 전송 속도고 빠르고 먼 거리를 전송할 수 있지만 설치 비용이 높다.

• 무선 신호: Wi-Fi, Bluetooth, 4G/5G와 같은 무선 통신 기술은 전자기파를 사용하여 데이터를 전송한다.

물리 계층과 관련된 표준

• IEEE 802.3 (이더넷): 이더넷 네트워크에서 사용되는 물리 계층의 표준이다. 케이블의 종류, 전송 속도, 신호 전송 방식 등을 정의한다.

• IEEE 802.11 (Wi-Fi): 무선 LAN의 물리 계층과 데이터 링크 계층을 규정하는 표준으로 무선 주파수를 통한 데이터 전송 방식을 정의한다.