[모두의 네트워크]03. 물리계층: 데이터를 전기 신호로 변환하기 + 랜 카드, 케이블, 허브

오늘의 키워드

• 물리 계층
• 전기 신호
• 디지털 신호
• 랜 카드
• 케이블
• 허브

 

오늘의 목표

• 전기 신호를 이해한다.
• 랜 케이블을 이해한다.
• 리피터를 이해한다.
• 허브를 이해한다.

 

•전기 신호

0과 1만으로 이루어진 비트열을 전기 신호로 변환하려면 다음 그림과 같이 맨 아래 계층인 물리 계층의 기술이 필요하다.

네트워크를 통해 데이터를 주고 받을 대는 0과 1의 비트열을 전기 신호로 변환해야한다.

전기 신호의 종류에는 아날로그 신호와 디지털 신호가 있다.

 

다음 그림에서 물결 모양 전기 신호를 아날로그 신호라고 하며, 아날로그 신호는 전화 회선이나 라디오 방송에 사용되는 신호이다.

아래쪽 모양 전기 신호를 디지털 신호라고 한다.

그럼 데이터는 어떻게 이런 전기 신호로 변환 될까?

다음 그림과 같이 데이터 송신 측 컴퓨터가 전송하는 0과 1의 비트열 데이터는 전기 신호로 변환되어 네트워크를 통해 수신 측 컴퓨터에 도착한다. 수신 측 컴퓨터에서는 전기 신호를 0과 1의 비트열 데이터로 복원한다.

 

• 랜 카드

그런데, 0과 1을 어떻게 전기 신호로 변환할까?

→ 컴퓨터는 네트워크를 통해 데이터를 송수신 할 수 있도록, 랜 카드가 메인 보드에 포함되어 있는 내장형 랜 카드나, 별도의 랜 카드를 가지고 있다. 0과 1의 정보가 컴퓨터 내부에 있는 랜 카드로 전송되고, 랜 카드는 0과 1을 전기 신호로 변환한다.

물리 계층은 컴퓨터와 네트워크 장비를 연결하고, 컴퓨터와 네트워크 장비 간에 전송되는 데이터를 전기 신호로 변환하는 계층이다.

 

• 케이블의 종류와 구조

네트워크 전송 매체의 종류에는 유선과 무선이 있다. 그중 유선 전송 매체로 사용되는 네트워크 케이블 커넥터에 대한 내용이다.

네트워크의 “전송 매체”란, 데이터가 흐르는 물리적인 선로로, 종류가 크게 유선, 무선이 있다. 유선에는 트위스트 페어 케이블, 광 케이블 등이 있고, 무선에는 라디오파, 마이크로파, 적외선등이 있다.

 

◦ 트위스트 페어 케이블

가장 많이 사용되는 케이블이다. 트위스트 페어 케이블에는 UTP케이블과 STP 케이블이 있다.

 

▪ UTP 케이블 : Unshielded Twist Pair → 비차폐 연선

▪ STP 케이블 : Shielded Twist Pair → 차폐 연선

UTP 케이블은 실드로 보호되어 있지 않은 케이블이다. 실드는 금속 호일이나 금속의 매듭과 같은 것으로 외부에서 발생하는 노이즈를 막는 역할을 한다. UTP 케이블은 실드로 보호되어 있지 않아서 노이즈의 영향을 받기 쉽지만 저렴하기 때문에 일반적으로 많이 사용한다.

반면 STP 케이블은 실드로 보호한 케이블이기 때문에, 노이즈의 영향을 매우 적게 받지만 비싸기 때문에 보편적으로 사용하지는 않는다.

 

노이즈는 케이블에 전기 신호가 흐를 때 발생하며, 노이즈의 영향을 적게 받도록 구리 선 두개를 비틀어 꼬아서 케이블을 만든다. 노이즈의 영향을 받으면 다음 그림과 같이 전기 신호의 형태가 왜곡된다.

UTP 케이블은 데이터 전송 품질에 따라 다음 표와 같이 분류 할 수 있다.

트위스트 페어 케이블(UTP, STP)은 일반적으로 랜 케이블(랜 선)이라고 한다. 보통은 랜 케이블이라는 용어들 더 많이 사용한다. → 앞으로는 트위스트 페어 케이블을 랜 케이블이라고 부르겠다.

 

랜 케이블은 보통 가전용품점이나 인터넷에서 살 수 있지만, 목적에 맞게 잘 확인하고 사야한다. 예를 들어, Cat5(카테고리 5)와 Cat5e(카테고리 5e)는 지원하는 속도가 다르므로 주의해야한다.

위의 표에서 규격과 속도가 있는데, 이는 다음 포스팅에서 알아보도록하자!

 

랜 케이블의 양쪽 끝에는 RJ-45라고 하는 커넥터가 붙어있다. 이 커넥터를 컴퓨터의 랜 포트나 나중에 설명할 네트워크 기기에 연결 한다.

 

◦다이렉트 케이블과 크로스 케이블

위에서 설명한 랜 케이블의 종류에는 다이렉트 케이블과 크로스 케이블이 있다.

▪다이렉트 케이블

다음 그림처럼 구리 선 여덟 개를 같은 순서로 커넥터에 연결한 케이블이다.

 

▪크로스 케이블

구리 선 여덟 개 중 한쪽 커넥터의 1번과 2번에 연결되는 구리선을 다른 쪽 커넥터의 3번과 6번에 연결한 케이블이다.

 

다이렉트 케이블이나 크로스 케이블 모두 실제로는 1, 2, 3, 6 번 구리 선을 사용한다.

나머지 선 네개(4, 5, 7, 8)는 사용하지 않는다.

다이렉트 케이블은 컴퓨터와 스위치를 연결할 때 사용하고, 크로스 케이블은 컴퓨터 간에 직접 랜 케이블로 연결할 때 사용한다. 컴퓨터 간에 직접 데이터를 보낼 때는 양쪽 컴퓨터 모두 1번과 2번 선을 사용하기 때문에, 다이렉트 케이블을 이용하면 데이터간에 충돌이 발생한다. 그래서 크로스 케이블은 일부러 중간에 전선을 교차시켜서 송신 측과 수신 측이 올바르게 연결 되도록 한다.

 

•리피터와 허브의 구조

물리 계층에서 동작하는 네트워크 장비인 리피터와 허브에 대해 알아보자.

◦리피터

다음 그림과 같이 전기 신호를 정형하고, 증폭하는 기능을 가진 네트워크 중계 장비이다.

▪정형 → 일그러진 전기 신호를 복원

통신하는 상대방이 멀리 있을 때 리피터를 사이에 넣는다. 멀리 있는 상대방과도 통신할 수 있도록 파형을 정상으로 만드는 기능을 하기 때문. 하지만 요즘은 다른 네트워크 장비가 리피터의 기능을 지원하기 때문에, 리피터를 따로 쓸 필요가 없다. 최근에는 보기 힘들고 앞으로도 사용할 일이 없겠지만, 리피터라는 네트워크 장비가 있었다는 것 정도는 기억할만 하다.

 

◦허브

리피터 이외에도 물리 계층에서 동작하는 네트워크 장비에는 허브(hub)라는 장비가 있다.

허브는 다음 그림과 같이 포트(실제로 통신하는 통로)를 여러 개 가지고 있고 리피터 허브라고도 불린다. 리피터는 일대일 통신만 가능하지만, 허브는 포트를 여러 개 가지고 있어서 컴퓨터 여러 대와도 통신할 수 있다.

랜 케이블을 사용해, 컴퓨터와 허브를 연결할 수 있다.

허브는 리피터와 마찬가지로, 전기 신호를 정형하고 증폭하는 기능을 한다. 컴퓨터에서 보낸 전기 신호가 허브에 도착하는 동안 노이즈의 영향으로 파형이 변경될 때, 허브가 파형을 정상으로 되돌리는 기능을 한다.

물론 허브는 위의 그림 처럼 컴퓨터 여러 대를 서로 연결하는 장치이기도 하다. 컴퓨터 여러 대가 데이터를 주고 받을 때 유용한 장비이다.

 

하지만, 다음 그림 처럼 허브는 어떤 특정 포트로부터 데이터를 받을 때 해당 포트를 제외한 나머지 모든 포트로도 받은 데이터를 전송하는 특징이 있다.

컴퓨터 2에서 컴퓨터 2로 데이터를 전송하면, 컴퓨터 2만 데이터를 받는게 맞지만, 실제로 허브를 사용하면 컴퓨터 3, 4, 5 에도 데이터가 전송되고, 이는 3,4,5 에게는 불필요한 데이터 이므로, 네트워크에 전송 되지 않는 편이 더 좋을 것이다.

 

이처럼, 허브는 스스로 판단하지 않고, 전기 신호를 모든 포트로 보내서 더미 허브 라는 이름으로 불리기도 한다. 이런 단점을 보완하기 위해 나온 것이 스위치 라는 네트워크 장비이다.

 

auto MDIX?

auto MDIX(auto Medium-Dependent Interface crossover)는 다이렉트 케이블과 크로스 케이블을 자동으로 판단하는 기능이다. 컴퓨터나 라우터의 인터페이스는 MDI라고 하고, 스위치나 허브의 인터페이스는 MDI-X(Media Dependent Interface crossover)라고 한다.

일반적으로 MDI와 MDI-X를 연결할 때는 다이렉트 케이블을 사용하고, MDI 끼리나 MDI-X끼리 서로 연결할 때는 크로스 케이블을 사용한다.

하지만 최근에는 케이블 배선 실수로 인한 통신 문제를 해결하기 위해, MDI와 MDI-X 차이를 자동으로 판단하여 연결 신호를 전환하는 기능을 가진 스위치나 허브를 많이 사용하기 때문에, 컴퓨터와 허브를 연결하거나 허브 간을 연결한다면 케이블의 차이를 고려하지 않아도 된다.

 

 

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참고자료 : 모두의 네트워크