3. OSI 1계층 : 물리 계층(Physical)
개요
네트워크는 결국 먼 거리에 있는 누군가와 내 자신이 쉽게 소통을 하기 위해 만든 우편같은 것이다.
이 우편을 상대방에게 보내기 위해서 기본적으로 보내는 매체를 OSI 1계층인 물리 계층이 담당을 한다.
물리 계층(Physical) 이란?
컴퓨터 네트워킹의 OSI 7계층 모델에서 가장 낮은 첫 번째 계층이다.
비트형태의 신호를 전기적 신호로 변환해 전달을 한다.
통신 장비로는 케이블(Cable), 커넥터(Connector) / 중계기(Repeater), 허브(Hub)... 가 있다.
케이블 & 커넥터
> 네트워크에서 물리적으로 장비를 연결하는 매체(media)
> 네트워크 장비나 컴퓨터들 사이에 전기적 신호를 전송
> 네트워크 종류에 적합한 케이블을 선택해야 한다.
> 케이블 종류에 따라 사용되는 커넥터의 종류가 달라진다.
> 케이블의 종류 : 동축 케이블, 꼬임쌍선 케이블, 시리얼 케이블, 광 케이블
통신 Cable 종류
1) 동축 케이블 (Coaxial cable)
> 동심원의 중심에 있는 구리선이 매체가 되는 케이블
> 10Mbps를 지원하는 Ethernet환경에서 사용 되었다.
> 종류 : ThinNet, ThickNet
2) 꼬임쌍선 케이블 (Twisted-Pair cable)
> 현재 LAN구성에 일반적으로 사용되는 케이블
> 내부에 8가닥의 구리선이 한 쌍씩 꼬여져서 구성 됨
> 종류 : STP, UTP
상세 내용
1. 꼬임 쌍선 케이블 종류
1) Shieded TP(STP)
> 은박지를 이용해 외부 저하을 줄여주는 기능을 추가
> 신호 손상을 줄여 더 먼 거리로 데이터 전송 가능
> 단가가 높음
> 신호 간섬이 많은 공장이나 야외, 또 빠른 통신 속도가 필요한 곳에 쓰인다.
> 유럽에서는 STP가 주로 사용됨
2) Unshielded TP(UTP)
> shield 기능이 없는 TP Cable (일반적인 TP Cable)
> 단가가 저렴
> 처리가 간단하고 값이 싸서 빠른 전송이 필요 없는 Ethernet의 LAN 용도에 표준으로 사용
> EIA(Environmental Impact Assessment)에서 Cable Category라는 표준 규격을 제시 함
2. 꼬임 쌍선[TP] 케이블 용 커넥터 = RJ45
> 8개의 구리선을 연결 할 수 있게 8개의 핀으로 구성되어 있다.
> 계층 별 핀 배열이 다르기 때문에 케이블을 만드는 방법이 다르다.(최근 장비는 구분 없이 사용 가능)
> 암 커넥터의 내부 핀은 장비가 만들어질 때 역할이 정해 짐
- TD(Transmit Data) : 데이터를 전송하는 역할
- RD(Receive Data) : 데이터를 받는 역할
- TD+로 전송되는 데이터는 RD+로, TD-로 전송되는 데이터는 RD-로 받아야 함
> 계층 별 핀 배열이 다르기 떄문에 케이블을 만드는 방법이 다름(최근 장비는 구분 없이 사용 가능)
3. 핀 배치에 따른 Cable 종류
1) Straight Cable
- 핀 배열이 다른 장비끼리 연결할 때 양쪽 수 커넥터를 똑같이 핀 배치
2) Crossover Cable
- 핀 배열이 같은 장비끼리 연결할 때 양쪽 수 커넥터를 반대로 핀 배치
3) 시리얼 케이블 (Serial cable)
> 직렬 포트를 서로 연결하여 통신
> 일반적으로 WAN 연결에 사용
> 종류 : D860, smart serial,...
상세 내용
1.시리얼 케이블 (Serial cable)
> 직렬 케이블
> 예전 WAN통신에서 모뎀과 네트워크 장비를 연결하기 위해 사용
> WAN을 구성하는 장비의 연결에 사용
> Connector의 역할이 DCE 와 DTE로 정해져 있음
- DCE : Clock Signal을 보내는 장비
- DTE : Clock Signal을 받는 장비
2. 클럭 신호(Clock signal)
> 논리상태 H(high, 논리 1)와 L(low, 논리 0)이 주기적으로 나타나는 방형파 신호
> 한 Bit의 크기를 알려주기 위해 사용
> LAN : 맨체스터 코드(Manchester Encoding) 방식을 사용해 클럭 신호 와 데이터 신호를 한번에 전송
> WAN : 데이터 신호와 DEC(데이터 회선 종단 장치)에서 클럭 신호를 주기적으로 전달하여 Bit간격을 동기화
4) 광 케이블 (Fiber-Optic cable)
> 빛 신호를 이용하여 데이터를 전달하는 케이블
> 코어라는 빈 유리섬유의 공간으로 빛을 전달 함
> 종류 : SMF, MMF
상세 내용
1. 광케이블이란?
> 빛의 전반사 특징을 이용하여 정보를 전송
> 고속, 대용량 전송에 적합
> 신호 감쇠가 상대적으로 덜하며 전자파 간섭이 거의 없음
> 설치가 어려우며 연결장치와 케이블 가격이 고가
2. 광케이블 종류
1) SMF (Single Mode Fiber)
> 레이저, LED가 만들어낸 파형을 직경 10 micron 이내의 좁은 코어를 통해 전송
> 장거리 전송과 고속 전송에 많이 사용
> 비용이 비싸므로 주로 통신회사에서 사용
2) MMF (Multi Mode Fiber)
> 레이저, LED가 만들어낸 여러 파형을 직경 50~115 micron 정보의 넓은 코어에 각각 다른 각도로 전송
> 10Gbps 이상의 속도가 보장 된다.
> 고속의 네트워크를 구성하기 위한 산업 표준
> 150 ~ 40,000m까지 연결 가능
케이블 종류 명명 법
> 케이블의 종류, 속도, 신호의 종류를 알 수 있게 Type을 분류
10 BASE T
1 2 3
1) 대역폭 [Bandwidth(Mbps)]
> 케이블을 통해 초당 전달할 수 있는 데이터의 양
> 전송 속도를 측정하는 단위
> 기본 단위 : Mbps(bps : bit per second)
2) 신호 종류 [Signal Type]
> 기저 대역 (Basband) : 디지털 신호 → LAN, WAN (전용선)
> 광대역 (Broadband) : 아날로그 신호 → WAN(공용선)
3) 케이블 타입 [Cable Type(Max Distance)]
> 케이블의 종류와 단일 케이블로 연결할 수 있는 최대 연장 거리
> 숫자(2 or 5) → 동축케이블( 2 : 185m, 5 : 500m)
> T, Tx → 꼬임쌍선(Twisted-Pair)[100m]
> F, Fx → 광섬유(Fiber-optic)[변수(Variable)]
허브(Hub) & 중계기(Repeater) 이란 ?
> 신호를 재생시켜 좀더 먼 거리까지 신호를 전달하기 위한 장비
1) 허브(Hub)
> Port의 개수 : 여러 개
> 한쪽 port로 전달받은 신호를 재생시켜 나머지 포트로 모두(flooding) 전달
> 다수의 포트를 이용하여 장비의 연결을 집중시키는 집선 장비로 사용
※ 집선 장비 : 선을 집중해서 모아 주는 장비
상세 내용
1. 통신 방식
> 모든 회선을 연결된 호스트들이 공유
> Hub에 연결된 호스트들은 회선을 사용하기 위해 경쟁
> Hub는 Inbound Packet을 모든 포트로 Flooding함
2. 충돌 가능 영역(Collision Domain)
1) Hub 통신의 문제점
- 반 이중 전달방식Half-Duplex 통신만 지원되므로 경쟁을 통해 매체를 이용하는 환경에서는
신호의 충돌(Collsion)이 발생할 가능성이 존재 한다.
2) 충돌 가능 영역(Collision Domain)
- 반 이중 전달방식(Half-Duplex)환경에서 동시에 양뱡향으로 데이터가 전송되는 경우 충돌이 발생
- 신호 충돌이 발생 가능한 영역을 충돌 가능 영역이라 함
- 허브, 중계기 등 1계층 장비는 기본 반 이중 전달방식(Half-Duplex)
3) 해결 방안
- CSMA/CD 기법
- Switch 등 Layer 2 이상 장비 사용
> 이중 전달방식(Full-Duplex) 동작
3. 신호전달방식
- 단방향 통신(Simplex)
> 단 방향 신호 전달 방식
> 한 방향으로만 신호 전달 가능
> Ex) 방송국, 일방통행 도로
- 반이중 통신(Half-Duplex)
> 반 이중 신호 전달 방식
> 양쪽 전송이 가능하지만 한 방향으로 신호전달 가능 [※동시 신호 전송시 충돌 발생]
> Hub의 기본 신호 전달 방식
> Ex) 무전기, 1차선 도로
- 양방향 통신(Full-duplex)
> 전 이중 신호 전달 방식
> 동시에 양 방향으로 신호 전달 가능
> Switch의 기본 신호 전달 방식
> 전화기, 2차선 도로
2) 중계기 (Repeater)
> Port의 개수 : 2개
> 한쪽 port로 전달받은 신호를 재생시켜 반대쪽 포트로 전달
> 주로 거리 연장을 위해 사용
CSMA/CD
1. CSMA/CD 란? [반송파 감지 다중 접속 및 충돌 탐지 (Carrier-sense multiple access with collision detection)]
> CSMA(Carrier Sense Multiple Access - 매체 사용 감지)
- 충돌 예방
- 매체 감지 신호를 통해 매체 사용 가능 여부를 확인하고 신호를 전달
- 매체 사용(busy)을 감지하면 일정한 대기 시간 후 다시 확인하고 전달
> CD(Collision Detection - 충돌 감지)
- 충돌이 감지된 경우 재 충돌을 방지
- 충돌을 감지한 장비에서 충돌 감지 신호(JAM신호)를 전달하여 호스트에게 데이터 전송 중지를 알림
- 충돌 감지 신호(JAM 신호)를 전달받은 모든 장비는 임의의 대기 시간 후 순서에 따라 신호를 전달
2. CSMA/CD 동작방식
> CSMA 기법으로 네트워크에 전송중인 데이터가 있는지 검사한 후 데이터를 전송
> CD 기법으로 충돌을 감지
- 충돌 발생 시 충돌감지신호를 만들어 Flooding으로 모든 Collision Domain(충돌 영역)에 전송
- 충돌감지신호가 들어오면 모든 컴퓨터에서 랜덤시간으로 대기한 후 데이터를 전송
<패킷트레이서 실습>
- Packet Tracer를 이용한 Hub 망 구축
- PC 4대
> 네트워크 영역 : 192.168.5.0/24
> 할당 IP : 192.168.5.1~192.168.5.4
- 확인 사항
> 시뮬레이션 모드
> PC0 에서 PC1로 Ping 전송
> ICMP 메세지 확인
참고자료