[네트워크 스터디] 3 물리 계층 : 데이터를 전기 신호로 변환하기 (랜 카드, UTP/ FTP/STP 케이블, 커넥터, 리피터, 허브, 스위치)

물리 계층에서 하는 일

데이터는 전기 신호로 변환되어 네트워크를 통해 전송된다. 이때 전기신호는 아날로그 신호와 디지털 신호가 있다.

• 아날로그 신호 : 물결 모양(sin 함수)의 전기 신호로, 전화 회선이나 라디오 방송에 사용되는 신호이다. 자연의 모든 소리, 인간이 만든 음악도 아날로그 형식으로 저장이 가능하다.
• 디지털 신호 : 막대 모양의 전기 신호로, 특정 데이터를 표현하고자 할 때 전압을 올리고, 데이터가 없을 때 전압을 낮춘다. 기준이 되는 전압이 5v라 했을 때, 이 특정 전압 이상이 되어야 데이터가 존재한다고 이해되며, 그 이하의 전압은 데이터가 없다고 간주된다. (단, 전류는 끊어지지 않고 이어져 있다.)

즉, 네트워크를 통해 데이터가 전달되는 과정은 아래와 같다.

1. 데이터 송신 측 컴퓨터가 전송하는 0과 1의 비트열 데이터는 전기 신호(아날로그 신호)로 변환되어

2. 네트워크를 통해 수신 측 컴퓨터에 도착하고

3. 수신 측 컴퓨터에서는 전기 신호(아날로그 신호)를 0과 1의 비트열 데이터로 다시 복원한다.

 

랜 카드

그렇다면 어떻게 이런 네트워크를 통한 데이터 송수신이 가능한 것일까? 0과 1의 비트열 데이터는 컴퓨터의 랜 카드를 통해 전송되고, 이 랜 카드가 바로 0과 1을 전기 신호로 변환해주는 역할을 한다.

랜 카드는 여러 가지 모습을 하고 있는데, 메인 보드에 내장된 내장형 랜 카드나, 랜 선이 없이도 통신이 가능한 무선 랜 카드, 혹은 USB 포트에 꽂아 사용하는 USB 형 랜 카드도 존재한다.

 

즉, OSI 모델의 제일 아래 계층인 물리 계층에서는 랜 카드라는 네트워크 장비를 통해 주고받는 데이터가 전기 신호로 변환된다.

 

케이블과 커넥터

이번에는 또 다른 중요한 네트워크 장비인, 케이블이라는 네트워크 전송 매체 그리고 네트워크 케이블 커넥터에 대해 알아보자. 평소에 우리가 마치 공기나 물처럼 자연스럽게 이용하는 네트워크를 통한 데이터 전달은 사실 물리적으로 존재하는 선로인 '케이블'을 통하고 있었다. 네트워크 전송 매체에는 유선, 무선 모두 존재하지만 여기서는 유선 전송 매체인 케이블에 대해서만 짚어본다.

 

랜 케이블에서 자주 쓰이는 것으로 트위스트 페어 케이블(Twisted Pair Cable)이 있다. 이 하위 카테고리로 여러 종류가 또 나뉜다. (따라서 여러 종류의 랜 케이블 중 목적에 맞게 지원하는 속도 등을 고려하여 구매한다.) 종류가 나뉘는 이유는 데이터가 흐르는 물리적인 선로인 '케이블'이 얼마나 안정적이고 빠르게 데이터를 전달할 수 있는지 그 능력에 있다. 이를 위해서는 금속 포일이나 금속 매듭, 알루미늄 등 다양한 실드(shield)로 케이블 안에 두 개씩 꼬아 총 네 개의 페어를 이루는 전선이 얼마나 잘 보호되어 외부 간섭(노이즈)을 덜 받는지를 보아야 한다.

 

노이즈는 케이블의 전기 신호가 흐를 때 발생한다. 그래서 노이즈의 영향을 적게 받게 하기 위해 구리선 두 개를 비틀고 꼬아 케이블을 만드는 것이다. 노이즈의 영향을 받으면, 전기 신호의 형태가 왜곡되기 때문이다.

 

트위스트 페어 케이블의 종류

트위스트 페어 케이블의 종류는 대략 아래와 같다.

• UTP 케이블(Unshielded Twisted Pair; 비차폐 연선) : 각 구리 선 페어가 실드로 보호되어 있지 않고, 단순히 꼬아진 상태 그대로의 케이블이다. UTP 케이블은 실드로 보호되어 있지 않아, 노이즈의 영향을 받기 쉽지만, 저렴해서 일반적으로 많이 쓰인다. (차폐 : 공간의 특정 부분을 도체로 둘러싸서 내부가 외부 전자기장으로부터 영향을 받지 않도록 하는 것)

 

• FTP 케이블(Foiled Twisted Pair) : 랜 케이블의 피복 아래 알루미늄 호일로 보호되어 있다. 이 포일 안에 여덟 가닥의 구리선 네 쌍이 있다. UTP 케이블과 다르게 접지선(어스선)이 하나 더 들어가 있다. 아무래도 포일로 한 번 더 보호를 해주기 때문에 UTP 케이블보다 데이터 전송이 보다 더 안정적이다. (어스선 : 전기 기기에서 손에 닿는 부분의 전위가 올라가 감전되는 사고를 막기 위해 이 부분과 땅을 연결하는 선)
• STP 케이블(Shielded Twisted Pair; 차폐 연선) : 두 개씩 꼬아 만든 선을 실드로 보호한 케이블이다. 실드는 나중에 접지 역할로도 쓸 수 있다. 알루미늄 차폐막도 존재한다. UTP 케이블과 달리 노이즈 영향을 매우 적게 받지만, 비싸기 때문에 보편적으로 많이 쓰이지는 않는다.
• 이외에도 SSTP(Shielded Shielded Twisted Pair) 등이 있다.

커넥터

랜 케이블의 끝에는 RJ-45 혹은 8P8C라고 부르는 커넥터가 연결되어 있다. 이 커넥터를 컴퓨터의 랜 포트나 네트워크 기기에 연결한다.

 

랜 케이블 또 다른 구분 : 다이렉트 케이블/크로스 케이블

일반적으로 '랜 케이블(랜 선)'이라고 부르는 이러한 케이블은 다이렉트 케이블과 크로스 케이블이 있다.

• 다이렉트 케이블 : 구리선 여덟 개를 같은 순서로 커넥터에 연결한 케이블
• 크로스 케이블 : 구리선 여덟 개 중 한쪽 커넥터의 1번-2번에 연결되는 구리 선을 다른 쪽 커넥터의 3번-6번에 연결한 케이블이다.

둘 다 모두 실제로는 1, 2, 3, 6번 구리 선을 사용하고 있으며, 나머지 네 개는 사용하지 않는다.

다이렉트 케이블은 컴퓨터와 스위치를 연결할 때, 컴퓨터와 공유기 혹은 허브를 연결할 때 등 기기의 종류가 다를 때 사용하고, 크로스 케이블은 컴퓨터 간에 직접 랜 케이블로 연결할 때 사용한다 (예: PC-PC, PC-노트북, Hub-Hub) 이렇게 직접 컴퓨터끼리 데이터를 보낼 때는 양쪽 컴퓨터 모두 1번과 2번 선을 사용한다.

 

그런데, 만일 다이렉트 케이블 구조에서 양쪽 컴퓨터가 1번, 2번으로 데이터를 전송한다고 생각해보자. 데이터가 서로 충돌할 가능성이 생긴다. 이를 방지하기 위해 크로스 케이블이 일부러 중간에 전선을 교차해 송신 측과 수신 측이 올바르게 연결되도록 하는 것이다.

 

리피터와 허브

지금까지 케이블과 커넥터라는 네트워크 장비를 살펴보았다면, 이제는 물리 계층의 또 다른 네트워크 장비인 리피터와 허브를 살펴보자.

리피터

리피터(Repeater)는 이전에 사용하던 장비인데, 전기 신호를 정형하고 복원, 증폭하는 역할을 하던 중계 장비이다. 신호가 약해지면 리피터로 신호를 증폭하는 것이다. 즉, 멀리 있는 상대방 하고도 잘 통신할 수 있도록 일그러진 전기 신호를 복원해 파형을 정상으로 되돌리는 것이다. 하지만, 현재는 허브가 이 기능을 대신하고 있어 리피터를 쓸 필요가 없게 되었다.

허브

허브(Hub)는 포트(실제 통신하는 통로)를 여러 개 가지고 있다. 리피터의 기능을 분담하고 있어 리피터 허브라고도 불린다. 리피터가 일대일 통신만 가능했다면, 허브는 포트를 여러 개 가지고 있는 덕에 컴퓨터 여러 대와도 통신이 가능하다. 랜 케이블을 이용해 컴퓨터-허브를 서로 연결한다.

 

그런데 허브는 더미 허브(dummy hub)라고도 불린다. 특정 포트로부터 데이터를 받으면, 해당 포트가 아닌 다른 포트로도 데이터를 받기 때문이다. 허브가 스스로 판단해 목적지가 아닌 포트에 데이터를 보내지 말아야 한다고 결정하지 못하므로 이런 이름이 붙었다. 이런 문제는 스위치(switch)라는 네트워크 장비가 해결해준다.

 

참고

<모두의 네트워크>, 길벗 (2018)

같아 보이지만 완전히 다른 인터넷 케이블 종류들