OSI물리계층

물리 계층은 OSI 모델에서 네트워크 통신의 가장 기본이 되는 첫 번째 계층입니다. 이 계층은 비트 전송을 담당하며, 네트워크에서 데이터를 물리적으로 전송하는 데 필요한 모든 요소를 정의합니다. 물리 계층은 실제 데이터가 전송되는 하드웨어 및 물리적 연결을 다루므로, 네트워크 통신의 기초적인 부분을 담당합니다.

물리 계층의 주요 역할

물리 계층의 주요 역할은 다음과 같습니다:

1. 비트의 표현 (Bit Representation): 물리 계층에서 데이터는 비트로 표현됩니다. 비트는 0과 1의 이진수로 표현되며, 이를 전기적 신호, 빛의 신호, 또는 무선 신호로 변환하여 전송합니다. 예를 들어, 구리선에서는 전압을 통해 1과 0을 표현하고, 광섬유에서는 빛의 유무로 데이터를 표현합니다.
2. 데이터 전송률 (Data Transfer Rate): 데이터 전송률은 네트워크의 성능을 나타내는 중요한 요소입니다. 물리 계층은 초당 비트 수(bps)로 데이터를 전송하는 속도를 정의하며, 이 속도는 사용되는 매체(구리선, 광섬유, 무선)에 따라 다릅니다.  광섬유는 매우 높은 속도의 데이터 전송을 지원합니다.
3. 비트의 동기화 (Bit Synchronization): 송신자와 수신자가 동일한 시간 기준으로 데이터를 주고받을 수 있도록 하는 것이 비트 동기화입니다. 물리 계층에서는 타이밍 신호나 클럭 신호를 사용하여 데이터를 정확하게 동기화하고 전송합니다.
4. 회선 구성 (Line Configuration): 물리 계층에서는 네트워크 장치들 간의 물리적 연결 방식을 정의합니다. 회선 구성은 점대점(Point-to-Point) 연결과 다중 접속(Multi-point) 방식으로 나뉩니다. 점대점 연결은 두 장치가 직접 연결되는 방식이며, 다중 접속은 여러 장치가 하나의 회선을 공유하는 방식입니다.
5. 물리적 접속 형태 (Physical Connection Types): 물리 계층에서의 물리적 접속 형태는 네트워크 장치들이 어떻게 실제 연결되는지를 나타냅니다. 주요 물리적 접속 형태에는 유선 접속(예: RJ45, 광섬유 커넥터)과 무선 접속(예: Wi-Fi, Bluetooth)이 있습니다.
6. 전송 모드 (Transmission Mode): 물리 계층은 데이터가 어떻게 전송될지를 정의하는 전송 모드를 관리합니다. 주요 전송 모드는 단방향(One-way), 반이중(Half-Duplex), 전이중(Full-Duplex)입니다. 전이중 모드에서는 데이터가 양방향으로 동시에 전송될 수 있습니다.

물리 계층의 성형(Topology) 및 물리적 접속 형태

물리 계층에서 다루는 또 하나의 중요한 개념은 성형(Topology)과 물리적 접속 형태입니다. 네트워크의 구성 방식과 연결 형태를 정의하는 이 두 개념은 물리 계층에서의 신뢰성, 확장성, 효율성에 큰 영향을 미칩니다.

• 성형(Topology)은 네트워크의 구성 방식을 의미하며, 각 장치들이 어떻게 배치되고 연결되는지를 정의합니다. 주요 네트워크 성형 방식에는 버스형(Bus), 스타형(Star), 링형(Ring), 트리형(Tree), 그물형(Mesh)이 있습니다.
  • 버스형: 모든 장치가 하나의 공통된 회선에 연결됩니다.
  • 스타형: 중앙 장치(허브나 스위치)에 각 장치가 연결됩니다.
  • 링형: 각 장치가 서로 연결되어 원형을 이룹니다.
  • 트리형: 여러 개의 스타형 구조가 트리처럼 연결됩니다.
  • 그물형: 모든 장치가 서로 연결된 구조로, 내구성이 뛰어나지만 설치가 복잡합니다.

• 물리적 접속 형태는 네트워크의 장치들이 실제로 어떻게 연결되어 있는지에 대한 방식을 말합니다. 물리적 접속 형태에는 점대점과 다중 접속이 있습니다. 점대점 연결은 두 장치 간의 직접 연결이고, 다중 접속은 여러 장치가 동일한 회선을 공유하는 방식입니다.

물리 계층은 또한 이전에 언급된 전송 모드를 제공합니다.

• 단 하나의 노드만 데이터를 전송하고 다른 노드는 데이터를 수신하는 단방향 모드 (One-way)
  오직 한 쪽에서만 정보가 흐르고, 반대쪽은 받을 수만 있는 상태입니다. 예로 라디오가 있습니다.
  
• 두 개의 노드가 데이터를 보내고 받을 수 있지만 동시에는 할 수 없는 반이중 모드 (Half-Duplex)
  반이중은 양방향으로 데이터 전송이 가능하지만, 한 번에 하나의 방향으로만 데이터가 전송될 수
  있습니다. 즉, 송신자와 수신자가 교대로 데이터를 주고받을 수 있습니다.예로 양방향 무전기가 있습니다.
• 두 노드에서 동시에 데이터를 보내고 받을 수 있는 풀 듀플렉스 모드 입니다 (Full-Duplex)
  전이중은 양방향으로 동시에 데이터가 전송될 수 있는 방식입니다. 송신자와 수신자가 같은
  시간에 서로 데이터를 주고받을 수 있습니다. 예로 전화통화가 있습니다.
  

 

물리 계층에서 사용되는 장비들

1. 통신 케이블 (Communication Cables)

통신 케이블은 물리 계층에서 데이터 전송을 위한 매개체입니다. 네트워크 장치 간의 물리적 연결을 제공하며, 데이터를 전기적 신호, 광학적 신호 또는 무선 신호로 전송하는 역할을 합니다. 주요 통신 케이블 종류는 다음과 같습니다:

• 트위스트 페어 케이블 (Twisted Pair Cable): 가장 널리 사용되는 케이블로, 두 가닥의 구리선을 서로 꼬아 놓은 형태입니다. UTP(Unshielded Twisted Pair)와 STP(Shielded Twisted Pair)가 있으며, UTP는 비용이 저렴하고 STP는 신호 간섭을 줄이는 데 효과적입니다. 대표적으로 이더넷 케이블(Cat 5, Cat 6 등)이 트위스트 페어 케이블을 사용합니다.
• 광섬유 케이블 (Fiber Optic Cable): 광섬유는 빛을 이용하여 데이터를 전송하는 케이블로, 매우 빠른 전송 속도와 긴 거리 전송을 지원합니다. 단모드(Single-mode)와 다중모드(Multimode) 광섬유로 구분되며, 단모드는 장거리 전송에, 다중모드는 짧은 거리에서 더 적합합니다.
• 동축 케이블 (Coaxial Cable): 한 개의 구리선이 절연체와 금속 스크린으로 둘러싸인 케이블로, 예전에는 TV와 인터넷 연결에 사용되었습니다. 현재는 고속 데이터 전송보다는 주로 텔레비전 신호에 사용됩니다.

2. 리피터 (Repeater)

리피터는 네트워크에서 신호를 증폭하고 재전송하는 장치로, 물리 계층에서 중요한 역할을 합니다. 리피터는 신호가 멀리 전송되면 감쇠되어 신호가 약해지거나 왜곡될 수 있기 때문에, 이를 증폭하여 더 먼 거리로 전송할 수 있도록 돕습니다.

리피터의 주요 기능:

• 신호 증폭: 리피터는 수신한 신호를 증폭하여 다시 보내므로, 네트워크의 전송 범위를 확장할 수 있습니다.
• 비트 단위 신호 처리: 리피터는 데이터를 해석하거나 조작하지 않고, 신호를 단순히 증폭하여 기존의 신호를 다시 전송합니다.
• 감쇠된 신호 처리: 신호가 약해지거나 왜곡된 경우 이를 복구하고 재전송하여 신호 품질을 유지합니다.

사용 예시:

• 장거리 네트워크에서 데이터가 너무 멀리 가면 감쇠되므로 리피터를 사용해 신호를 증폭하고, 네트워크가 더 먼 거리까지 확장될 수 있도록 합니다.

3. 허브 (Hub)

허브는 물리 계층에서 네트워크 장치들을 연결하는 장치입니다. 허브는 여러 포트를 통해 연결된 장치들 간에 데이터를 브로드캐스트하는 방식으로 동작합니다. 허브는 단순한 데이터 중계 장치로, 각 장치에 데이터를 전달하는 역할을 합니다.

허브의 주요 기능:

• 데이터 전송: 허브는 들어오는 데이터를 모든 포트로 전달합니다(브로드캐스트 = 방송하다 라는 의미처럼 연결된 모든 포트로 전달한다.). 즉, 하나의 장치에서 전송된 데이터는 허브를 통해 다른 모든 장치로 전송됩니다.
• 물리적 연결: 허브는 네트워크의 물리적 연결을 제공하며, 각 장치가 데이터를 송수신할 수 있도록 합니다.
• 반이중(Half-Duplex): 허브는 반이중 모드에서 작동하기 때문에 한 번에 한 장치만 데이터를 전송할 수 있습니다.

장점과 단점:

• 장점: 허브는 설치와 관리가 간단하고 저렴합니다.
• 단점: 모든 장치로 데이터를 전송하므로 네트워크 효율성이 떨어지고, 충돌이 발생할 수 있습니다. 또한, 데이터 전송이 많을 경우 대역폭이 낭비될 수 있습니다.

4. 모뎀 (Modem)

모뎀은 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하거나 그 반대로 변환하는 장치입니다. 이 장치는 물리 계층에서 중요한 역할을 하며, 인터넷 연결에 사용됩니다. 모뎀의 이름은 Modulator-Demodulator의 줄임말로, 디지털 데이터를 아날로그 신호로 변조하고, 아날로그 신호를 디지털 데이터로 복조하는 기능을 합니다.

모뎀의 주요 기능:

• 디지털 신호와 아날로그 신호 변환: 모뎀은 인터넷 데이터가 아날로그 전화선 또는 전화 회선을 통해 전송될 수 있도록, 디지털 데이터를 아날로그 신호로 변환하고, 수신된 아날로그 신호를 다시 디지털 데이터로 변환합니다.
• 인터넷 연결: 모뎀은 특히 전화 회선을 이용한 다이얼업 인터넷 연결에서 사용됩니다. 현재는 ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line) 등의 고속 인터넷 서비스에서도 사용되며, 광섬유 또는 케이블 모뎀과 같은 고속 인터넷 연결에도 사용됩니다.
• 속도 및 안정성: 현대 모뎀은 고속 데이터 전송을 지원하며, 데이터 전송 속도와 안정성을 높이기 위한 여러 기능을 탑재하고 있습니다.

사용 예시:

• 전화 회선이나 케이블을 통한 인터넷 연결에 사용됩니다. 가정이나 소규모 사무실에서 다이얼업 연결이나 ADSL 인터넷 연결을 위한 장비로 사용됩니다.

 

물리 계층의 역할을 이해하는 중요성

물리 계층은 네트워크의 기초적인 부분으로, 데이터가 어떻게 전송되고 각 장치들이 어떻게 연결되는지에 대한 기본적인 규칙을 정의합니다. 물리 계층을 이해하는 것은 네트워크 설계와 문제 해결에 매우 중요한 부분입니다. 각 네트워크 성형과 물리적 접속 형태는 성능, 내구성, 확장성에 영향을 미치기 때문에, 이를 바탕으로 더 효율적이고 안정적인 네트워크를 구축할 수 있습니다.