들어가며

오늘은 OSI 모델의 7계층 중 가장 하위 계층인 물리 계층(Physical Layer)에 대해서 알아보겠습니다.

물리 계층(Physical Layer)

물리 계층은 데이터 링크 계층으로 부터 수신한 데이터를 전기 신호로 변환하는 역할을 합니다. 물리 계층의 주요 네트워크 기기는 허브와 리피터이며, 데이터 단위는 비트입니다.

예를 들어보겠습니다. A 네트워크에서 B 네트워크로 데이터를 전달하려고합니다. A네트워크의 물리 계층은 데이터 링크 계층으로 부터 0101로 이루어진 비트열을 전달받아 이를 전기 신호로 변환합니다. 비트열을 전기신호로 변환해야 통신케이블을 통해 B 네트워크로 데이터를 전송할 수 있기 때문입니다. A 네트워크로부터 전기 신호를 수신한 B 네트워크의 물리계층은 이를 다시 0101로 이루어진 비트열로 변환하여 데이터 링크 계층이로 보냅니다.

물리 계층을 더 자세히 이해하기 위해서 케이블과 같은 네트워크 전송 매체, 물리 계층의 주요 네트워크 기기인 리피터와 허브 그리고 네트워크의 접속 형태(네트워크 토폴로지)에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

네트워크 전송 매체

물리 계층에의해 변환된 전기 신호를 다른 네트워크에 전달하기 위해서는 전기 신호를 전달하는 전송 매체가 필요할 것입니다. 위 예시에서는 이를 통신 케이블이라는 단어로 설명했는데요, 통신 케이블은 크게 유선 케이블과 무선 케이블로 나눠볼 수 있습니다.

유선 케이블

UTP 케이블 : LAN 케이블이라고도 불리며, 8개의 나선이 두개씩 짝을 네쌍을 이루는 모양을 가진 케이블입니다. 선을 연결하는 순서에 따라 다이렉트 케이블과 크로스 케이블로 나뉩니다.
동축 케이블 : 아날로그와 디지털 신호를 전송할 수 있는 매체입니다. 높은 주파수 대역과 전송률을 가지고 있습니다.
광섬유 케이블 : 광섬유를 이용한 통신 매체입니다. 빛을 이용하기 때문에 전송 속도가 매우 빠르고, 데이터 전송 손실이 매우 낮으며, 누화나 잡음 등에 영향을 받지 않아 보안성이 뛰어납니다.

무선 케이블

라디오파 : 방향성 없이 전방향으로 전파가 가능하며, 데이터 송수신시 벽을 통과할 수 있습니다. 별도의 수신장치가 필요없으며 빛의 속도로 데이터를 전송합니다.
위성 마이크로파 : 인공위성을 띄워 지상의 여러 송수신 국을 통해 양방향 전송을 합니다. 데이터 전송에 장애가 적고 거리에 상관없이 비용이 일정하지만, 전송 지연 문제가 생길 수 있습니다.

리피터와 허브

리피터와 허브는 물리계층의 주요 네트워크 기기입니다.

리피터

리피터는 네트워크 통신을 하는 기기가 서로 멀리 있어 전송 신호의 세기가 약해진 경우, 신호를 다시 복원하거나 증폭시켜주는 역할을 합니다. 그러나 요즘은 리피터의 기능을 이미 포함하고있는 네트워크 기기들이 등장해서 리피터만은 잘 사용하지 않습니다.

허브

허브는 여러 컴퓨터들을 서로 연결시켜 데이터를 주고 받을 수 있도록 돕는 네트워크 기기입니다. 리피터와 마찬가지로 전기 신호를 증폭시켜주는 역할도 합니다. 허브의 종류에는 더미 허브와 스위칭 허브(스위치)가 있습니다.

더미 허브 : 네트워크의 전체 대역폭을 각 컴퓨터들이 분할해서 사용하는 허브입니다. 예를들어, 더미 허브가 100Mbps 속도의 대역폭을 가지고 있고, 4대의 컴퓨터에 연결되어 있다면 각 컴퓨터는 1/4인 25Mbps의 대역폭을 가지게 됩니다. 더미 허브에 연결된 컴퓨터의 수가 많을수록 네트워크 속도는 떨어지기 때문에 소규모 환경에 적합합니다. 더미 허브는 데이터를 송신된 데이터를 모든 포트에 전달하기 때문에 비효율적입니다. 이를 보완하기 위해 스위칭 허브가 등장했습니다.
스위칭 허브(스위치) : 허브가 가진 여러 포트 중에서 실제로 통신이 발생한 포트에만 데이터를 전송하는 스위칭 기능을 가진 허브입니다. 따라서 다른 포트는 동시에 다른 통신을 할 수 있습니다.

네트워크 토폴로지(Network Topology)

네트워크 토폴로지는 컴퓨터가 네트워크에 연결된 형태를 의미하며, LAN의 연결 형태에 따라 스타형, 버스형, 링형, 망형 등이 있습니다.

스타형

스타형은 허브를 중심으로 모든 컴퓨터가 연결되어 있는 형태입니다. 스타형의 장점은 한 네트워크에 장애가 발생했을때 다른 네트워크에는 영향을 주지 않으며, 고속의 대규모 네트워크에 적합하다는 것입니다. 단점으로는 중앙 시스템이 고장나면 전체 네트워크가 중단되며, 연결된 네트워크의 수가 많아지면 제어가 복잡해지고 설치 비용도 높아진다는 점이 있습니다.

버스형

버스형은 한 개의 케이블에 모든 컴퓨터가 연결되어있는 형태로, 네트워크 토폴로지 중 가장 간단한 구조를 가지고 있습니다. 케이블의 양쪽 끝에는 터미네이터라는 종단 장치가 연결되어 있습니다.버스형의 장점은 구조가 간단한 만큼 설치가 쉽고 비용이 저렴합니다. 단점은 한 네트워크에 에러가 발생하면 모든 네트워크에 영향을 준다는 것입니다. 또한, 데이터 충돌로 인해 여러 네트워크가 동시에 데이터를 전달할 수 없습니다.

링형

링형은 링 모양으로 모든 컴퓨터가 연결되어있는 형태입니다. 장점은 케이블 비용이 저렴하며, 네트워크 전송 시 충돌이 없다는 것입니다. 단점은 한 네트워크에 오류가 나면 전체 네트워크에 영향을 준다는 것입니다.

망형

망형은 그물 모양으로 컴퓨터를 각각 연결해 놓은 네트워크 형태로, 공중 전화망과 공중 데이터 통신망에 적합합니다. 장점은 한 네트워크에서 오류가 발생해도 다른 회선을 사용할 수 있기 때문에 신뢰성이 높다는 것입니다. 단점은 회선의 길이가 길기 때문에 설치 비용이 높고, 어느곳에서 에러가 발생했는지 추적하거나 유지보수하기 어렵습니다.

맺으며

OSI 모델의 7계층 중 가장 하위 계층인 물리 계층(Physical Layer)에 대해서 알아보았습니다. 새로운 세계를 알게 된 기분이라 재밌었는데요, 남은 계층들도 재미있었으면 좋겠습니다~🥳!

참고

네트워크, 그림으로 이해하자 강의와 그림으로 이해하는 네트워크 용어(기타미 류지 지음/성창규 옮김/길벗) 도서를 참고하여 정리한 글입니다.
본 글에 첨부된 이미지는 모두 제가 직접 그린 것으로 참고용으로만 봐주시면 감사하겠습니다.

네트워크에 대해서 알아보자 2 - 물리 계층 편