[네트워크 기초 쌓기] 3. 물리계층

안녕하세요. 취업한 공대누나입니다.

오늘부터는 계층 별로 공부해보도록 하겠습니다.

오늘은 가장 아래층이라고 할 수 있는 물리 계층에 대해서 보도록 하겠습니다.

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1. 물리 계층 (Physical Layer)

OSI 7계층 모델에서 가장 낮은 첫 번째 계층입니다.

이 계층의 구현 이름은 PHY(파이)라는 용어로도 불립니다.

통신기기와 전송매체 사이의 물리적 인터페이스를 정의하고 전기 신호의 변환 및 제어하는 역할을 담당합니다. 물리 계층에서는 아날로그 신호가 아닌 디지털 신호를 사용합니다.

 

물리 계층은 미디어 타입, 커넥터 타입, 신호표현 방법, 속도 등을 정의한다고 생각하시면 되는데요.

이름에서부터 알 수 있듯이 우리는 전기 신호를 보내고 받을 수 있는 매체가 필요합니다.

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2. 전송 매체

데이터가 흐르는 물리적인 선로는 유선과 무선이 있습니다.

 

유선에는 크게 트위스트 페어 케이블과, 광 케이블이 있습니다.

그리고 무선에는 라디오파, 마이크로파 등이 있습니다.

 

저는 특히 유선 LAN(IEEE802.3)에 관심이 있는 상태이기 때문에 유선을 위주로 알아보도록 하겠습니다.

 

1) IEEE802.3 프로토콜

전송 속도나 사용하는 케이블에 따라 다양한 프로토콜을 표준화하고 있습니다.

[전송 속도] BASE - [전송 매체나 레이저의 종류]

표기	전송 속도
100	100Mbps
1000	1Gbps
10G	10Gbps
25G	25Gbps
40G	40Gbps
100G	100Gbps

 

표기	의미
T	트위스트 페어 케이블
S	단파장 레이저
L	장파장 레이저
C	동축 케이블

 

예를 들어 LAN 케이블(트위스트 페어 케이블)로 10Gbps의 전송 속도를 구현하는 프로토콜의 정식 명칭은 IEEE802.3an이지만 실제 현장에서는 10GBAST-T라는 이름으로 많이 부르고 있습니다.

 

현재 네트워크에서 사용되는 케이블은 구리로 만든 트위스트 페어 케이블과 유리로 만든 광섬유 케이블 중 하나입니다.

 

2) 트위스트 페어 케이블

00BASE-T의 "T"는 트위스트 페어 케이블을 의미합니다.

트위스트 페어 케이블은 Shield 유무에 따라 UTP(Unshielded Twisted Pair) 케이블과 STP(Shielded Twisted Pair) 케이블로 분류할 수 있습니다.

 

이미지 출처 : https://benlee73.tistory.com/16

 

(1) UTP 케이블

UTP 케이블은 소위 LAN 케이블을 의미합니다.

Unshielded Twisted Pair Cable을 줄인말로 절연체로 감싸여 있지 않은 두 가닥씩 꼬여있다는 의미입니다.

전자석 노이즈에 약한 특성이 있기 때문에 공장 등 전자석 노이즈가 많은 환경에서 사용하기는 적합하지 않습니다.

 

(2) STP 케이블

STP 케이블은 Shielded Twisted Pair의 약자로 전자석 노이즈에 약한 UTP 케이블의 단점을 보완한 차폐 케이블입니다. 위의 그림에서 볼 수 있다시피 구리선을 알루미늄 포일이나 금속으로 감싸 실드 처리를 해 전자 노이즈를 차단하는 역할을 합니다.

 

 

트위스트 페어 케이블은 이 구리선을 나열하는 순서에 따라 스트레이트 케이블과 크로스 케이블로 분류할 수 있습니다.

이미지 출처 : https://realforce111.tistory.com/7

다이렉트 케이블은 말 그대로 시작과 끝이 다이렉트로 1:1 맵핑이 되어 있습니다. 하지만 크로스 케이블은 그렇지 않습니다.

 

그렇다면 다이렉트 케이블은 언제 쓰고 크로스 케이블은 언제 사용하는 걸까요?

 

물리 포트는 MDI 포트와 MDI-X 포트 2종류가 있습니다.

UTP 케이블은 MDI 규격에 맞춰서 1,2번은 송신 3,6번은 수신에 사용합니다.

PC, 라우터나 방화벽의 물리 포트는 MDI 포트입니다.

그에 비해 MDI-X 포트는 1번과 2번 핀을 수신, 3번과 6번 핀을 송신에 이용합니다. L2 스위치와 L3 스위치의 물리 포트는 MDI-X 포트입니다.

 

즉, MDI와 MDI-X 포트는 서로 반대인 것입니다.

한쪽 장비는 MDI를 사용하고 다른 장비도 MDI를 사용한다고 가정해보도록 하겠습니다.

송신과 수신이 서로 연결이 되어야 하는데 이럴 경우 송신 핀은 같이 송신 핀과 수신 핀은 같이 수신 핀과

연결이 되기 때문에 둘은 통신이 불가능합니다.

따라서 이렇게 같은 타입의 장비 일 때는 크로스 케이블을 사용해주어야 하는 것입니다.

 

즉, 같은 타입의 물리 포트끼리 연결할 때는 크로스 케이블, 다른 타입의 물리 포트끼리 연결할 때는 스트레이트 케이블을 사용하는 것입니다.

이미지 출처 : https://sengsung.tistory.com/39

 

(3)MDI/MDI-X 자동 감지 기능

다이렉트 케이블을 연결하던 크로스 케이블을 연결하던 알아서 이것을 감지하고 케이블에 맞춰 TX/RX를 바꿔 주는 기능이 등장하였습니다.

2018년 기준 대부분의 컴퓨터/스위치 등은 이 기능을 탑재하고 있습니다. 그래서 다이렉트 케이블을 사용하던 크로스 케이블을 사용하던 아무거나 사용해도 통신이 잘 됩니다.

 

3) 카테고리에 따른 분류

트위스트 페어 케이블에는 카테고리라는 개념이 있습니다.

가전 판매접이나 LAN 케이블의 스펙 테이블을 잘 보면 카테고리 6나 카테고리 5e 처럼 표기된 것을 볼 수 있습니다. 카테고리는 전송 속도와 관계가 있는데요. 자세한 내용은 아래 표를 참고해주세요.

	CAT.5	CAT.5e	CAT.6	CAT.6A	CAT.7
전송 속도	100Mbps	1Gbps	1Gbps	10Gbps	10Gbps
대역폭	100MHz	100MHz	250MHz	500MHz	600MHz
규격	100BASE-TX	1000BASE-T	1000BASE-TX	10GBASE	10GBASE