2.1물리 계층

10. 물리 계층의 역할

OSI 7 계층 중 1 계층인 물리 계층은 컴퓨터들을 물리적으로 연결하거나 데이터를 전기 신호로 변환하고 제어하는 역할을 담당한다.

전기 신호란 전압의 변화에 의한 신호로, 컴퓨터들이 서로 주고 받는 데이터들은 모두 이러한 전기 신호로 만들어진다.

전기 신호는 아날로그 신호와 디지털 신호로 나뉠 수 있는데, 아날로그 신호는 연속적으로 변하는 물결 모양의 신호로 유선 전화나 라디오 방송 등에서 사용된다.

반면, 디지털 신호는 특정한 값을 기준으로 불연속적으로 변하는 펄스(직사각형 모양 막대) 신호로, 우리는 주로 이 디지털 신호를 사용해 데이터를 전달한다. 이는 디지털 신호가 멀리 보내고, 자주 저장하고, 여러번 복사하는 등의 정보를 처리하는데 압도적으로 유리하기 때문이다.

디지털에 대한 내용은 예전에 다른 책, Understanding the Digital World의 2장에서 보다 상세하게 다루었다.

물리 계층에서 데이터는 비트로 표현되는데, 비트는 컴퓨터가 데이터를 처리하는 최소 단위로서 0과 1로 구성된다. 디지털 신호에서는 올라가는 막대를 1로, 평면인 곳을 0으로 표현한다.

따라서 네트워크에서 일어나는 통신은 이런 식이다.

1. 송신자가 수신자에게 메시지를 보내면, 메시지는 0과 1의 비트로 변환된다.
2. 해당 비트는 전기 신호로 변환되어, 디지털 신호로 수신자에게 전달된다.
3. 수신자는 전기 신호가 1과 0의 비트로 변환되고, 이후 메시지로 변환된다.

여기서, 컴퓨터가 어떻게 메시지를 전기 신호로 변환하는 걸까?

이는 랜 카드(LAN Card)라는 장치를 통해 이루어진다. LAN은 2대 이상의 컴퓨터가 통신하기 위한 네트워크 환경이고, 랜 카드는 내 컴퓨터와 인터넷을 연결하는 필수 장치다. 랜 카드에는 랜 케이블을 연결할 수 있는 구멍(LAN Port)이 있어 데이터가 컴퓨터 밖으로 나갈 수 있게 된다. 따라서, 랜 카드는 데이터가 내 컴퓨터 밖으로 나가는 출발점이다.

이미지 출처 : #

또, 랜 카드는 물리 계층에서 비트를 전기 신호로 바꾸는 역할 뿐 아니라 데이터 링크 계층(2 계층)에서 MAC 주소를 붙이고 프레임을 처리하는 역할도 함께 수행한다.

11. 케이블의 종류와 구조

랜 카드가 0과 1의 비트를 전기 신호로 변환하여 밖으로 내보내는 출발점이라면, 케이블은 그렇게 변환된 전기 신호를 전달하는 역할을 한다. 보다 확장해서 말하면, 케이블은 네트워크 장치 간 데이터 신호를 전달하는 역할을 담당한다.

케이블은 일반적으로 구리선이나 광섬유로 구성되며, 내부 전선의 종류 및 구성에 따라 다양한 종류가 있다.

컴퓨터에서 주로 사용되는 케이블은 꼬임선 케이블로, 몇 개의 전선을 꼬아서 만든 것이다. 전선을 꼬는 이유는, 일반적으로 전선에 전류가 흐를 때 전파 간섭이 생기는데 이 간섭을 줄여주는 효과가 있기 때문이다.

꼬임선 방식에는 UTP, FTP, STP가 있다.

• UTP(Unshielded Twisted Pair): 말 그대로 선을 감싸지 않고 꼬은 형태다. 일반적 가정/사무실 네트워크에서 가장 흔하게 쓰인다.
• FTP(Foiled Twisted Pair): 전선을 알루미늄 은박으로 감싼 케이블로, 이렇게 감싸게 되면 차폐(외부 전자기 잡음 차단) 기능이 좋아져 공장의 배선 용도로 사용된다.
• STP(Shielded Twisted Pair): 케이블 겉면에 외부 피복으로 보호한 것으로, 외부의 잡음을 차단하거나 전기적 신호의 간섭을 줄여준다. 가격이 UTP 보다 비싸다. 데이터 센터 등에서 사용된다.

절연 기능이 좋은 FTP를 제외한 UTP와 STP가 주로 컴퓨터 통신에 사용되는데, 일반적인 가정/사무실 환경에선 UTP가, 전자기 간섭이 많은 데이터 센터 등에선 STP가 쓰여 노이즈를 줄이기도 한다.

이미지 출처 : #

12. 리피터와 허브가 통신하는 방법

물리 계층에서 사용되는 장비로 리피터와 허브가 있다.

12-1. 리피터

이미지 출처 : #

리피터(Repeater)는 전기 신호를 증폭하는 네트워크 장치다.

전기 신호는 거리가 멀어지면 신호가 감쇠(전기/전자적 신호가 전달되는 동안 에너지 손실이 발생하는 것으로, 전선, 광섬유, 공기 등 전송 매체를 통해 이동할 때 발생한다)하기 때문에 이 감쇠된 신호를 재생하여 전달하는 장치가 필요한데, 리피터가 그 기능을 한다.

12-2. 허브

이미지 출처 : #

허브(Hub)는 전송되는 데이터 신호를 정형(일그러진 전기 신호를 복원)하고 증폭하여 데이터 왜곡을 보정하며, 하나의 입력 신호를 여러 디바이스로 복제해 데이터 분배 및 네트워크 확장을 지원한다.

리피터가 일대일 통신만 가능하다면 허브는 포트가 여러 개이기 때문에 여러 대의 컴퓨터와 연결할 수 있다. 다만, 각각의 컴퓨터가 허브로 보내는 데이터는 허브에 연결된 모든 컴퓨터에게 전달되고 특정 컴퓨터를 지정하여 데이터를 보낼 수는 없다. 이런 성질 때문에 허브는 Dummy Hub라고도 불린다. 그리고 이를 보완하기 위해, 오늘날엔 허브가 드물고 다음 장에서 살펴볼 2 계층 장비인 스위치가 주로 쓰인다.

정리하면, OSI 1 계층에선 랜 카드를 이용해 데이터를 전기 신호로 변환한다. 이 전기 신호는 디지털 신호로, STP 또는 UTP 케이블을 통해 컴퓨터와 연결된 허브로 이어져 전송된다.