[네트워크] OSI 7계층 - 물리 계층

이번 공부에서는 OSI 7계층중에서도 「물리 계층」  에 대하여 다루며, 다음의 목표를 설정하였다.

 

• 물리 계층의 역할
• 케이블 종류와 구조
• 리피터와 허브

 

1. 물리계층의 역할

OSI 7계층에서 최하위 레이어에 해당하는 물리 계층은 컴퓨터들을 물리적으로 연결하거나 데이터를 전기 신호로 변환하고 제어하는 역할을 담당한다. 여기서 전기 신호는 전압이 일정한 패턴으로 변하여 생기는 일련의 흐름을 의미한다. 즉, 전압의 변화에 의한 신호라 할 수 있다. 2대의 컴퓨터는 이러한 전기 신호들을 주고 받음으로써 사진이나 문서등을 주고 받을 수 있다.

 

*데이터를 주고 받기 위한 전기 신호

• 아날로그 신호
  • 빛, 소리 등과 같이 연속적으로 변하는 물결 모양의 신호
  • Ex. 전화, 라디오 방송
• 디지털 신호
  • 특정한 값을 기준으로 불연속적으로 변하는 막대 모양의 신호
  • Ex. 컴퓨터, 스마트폰

 

앞선 포스팅에서 물리 계층의 데이터는 비트로 표현되었는데, 여기서 비트란 컴퓨터가 데이터를 처리하는 최소 단위로서 0과 1로 구성된다. 

1) 랜 카드 

랜 카드는 내 컴퓨터와 인터넷을 연결하는 필수 장치이다. 예를 들어서, 송신자가 수신자에게 메시지를 보낼 때, 이러한 메시지들은 0과 1로된 전기신호로 변환한다. 이러한 변환을 도와주는 역할을 하는 것이 랜 카드(LAN Card)라는 장치이다.  랜 카드에는 랜 케이블을 연결할 수 있는 구멍(랜 포트)이 있고 데이터가 컴퓨터 밖으로 나가는 출발점이라고 할 수 있다.

 

랜 카드(LAN Card)

 

 

 

2. 케이블의 종류와 구조

랜 카드가 0과 1의 비트를 전기 신호로 변환하여 밖으로 내보내는 출발점이라면, 케이블은 그 신호를 전달하는 역할을 한다. 즉, 케이블은 컴퓨터, 서버, 라우터 및 다른 네트워크 장치 간에 데이터 신호를 전달하는 역할을 합니다.

 

 

랜 카드와 케이블

 

 

케이블은 일반적으로 구리선이나 광섬유로 구성되며, 내부 전선의 종류 및 구성에 따라 다양한 종류가 있다. 먼저, TV 케이블로 많이 사용된느 동축 케이블이 있다.

동축 케이블

동축 케이블은 중앙의 구리선에 흐르는 전기 신호로 데이터를 주고 받는다.

 

꼬임선 케이블

 

꼬임선 또는 이중나선 케이블은 몇 개의 점선을 꼬아서 만든 것으로, 대표적으로 UTP, FTP, STP, SFTP가 있다. 

 

• UTP(Unshielded Twisted Pair) : 케이블을 감싸지 않은 쌍으로 꼬인 선
• FTP(Foiled Twisted Pair) : 알류미늄 은박이 네 가닥 전선을 감싸고 있는 케이블
• STP(Shielded Twisted Pair) : 케이블 겉명에 외부 피복이 추가된 것으로 이는 외부 잡음 차단이나 외부 간섭을 줄이는 역할한. 
• SFTP(Shielded Foiled Twisted Pair) : FTP와 STP의 장점을 결합한 케이블로, 이중 차폐(Shielding) 구조를 가지고 있어 외부 간섭과 전자기적 간섭(EMI, RFI)에 대한 보호 기능이 가장 강력한 케이블 유형이다.

 

 

3. 리피터와 허브가 통신하는 방법

물리 계층에서는 사용하는 장비로는 리피터와 허브가 있다.

 

1) 리피터

리피터는 전기 신호를 증폭하는 기능을 가진 네트워크 장치이다. 전기 신호를 전송할 때 거리가 멀어지면 신호가 감쇠되는 성질이 있는데 이때 감쇠된 신호를 재생하여 전달하는 장치가 리피터이다. 최근에는 이러한 기능을 허브에서 대신하고 있다.

 

a. 리피터 역할

• 신호 증폭 (Amplification)
  • 네트워크에서 전송되는 신호는 거리가 멀어질수록 감쇠(약해짐)됩니다.
  • 리피터는 약해진 신호를 원래의 강도로 증폭하여 다음 구간으로 전달합니다.
• 신호 재생 (Regeneration)
  • 단순 증폭이 아니라, 원래 신호를 분석하여 깨끗한 상태로 재생한 후 전송합니다.
  • 디지털 신호는 0과 1을 다시 명확하게 복원하여 노이즈 영향을 줄입니다.
• 전송 거리 연장
  • 네트워크에서 하나의 케이블이 지원할 수 있는 최대 거리를 넘어설 때, 리피터를 사용하여 신호를 중계하면 더 먼 거리까지 데이터 전송이 가능합니다.
  • 예: 이더넷(10Base-T)에서는 최대 100m 거리에서 신호가 감쇠하지만, 중간에 리피터를 사용하면 100m를 추가로 연장할 수 있습니다.

 

b. 리피터 특징

• 물리계층에서만 동작 → MAC 주소를 인식하지 않음.
• 네트워크 트래픽을 구분하지 않음 → 모든 데이터를 증폭/재전송함.
• 반이중(Half-Duplex) 방식 사용 → 두 개의 장치가 동시에 통신하지 못하고, 한 번에 한 방향으로만 데이터가 흐름.
• 브로드캐스트 도메인(Broadcast Domain) 분할 X → 네트워크 충돌(Collision) 방지 기능 없음.

 

2) 허브

 

허브는 리피터의 확장 버전이라 볼 수 있다. 즉, 허브(Hub)는 전송되는 데이터 신호를 정형하고 증폭하여 데이터 왜곡을 보정하며, 하나의 입력 신호를 여러 디바이스로 복제하여 데이터 분배 및 네트워크 확장을 지원한다. 또한, 데이터 충돌을 처리하여 데이터를 정상적으로 전달하도록 돕는다. 

허브

 

리피터가 일대일 통신만 가능하다면, 허브는 포트를 여러 개 가지고 있기 때문에, 여러 대의 컴퓨터와 연결할 수 있다. 그래서 요즘에는 리피터 대신 허브를 사용하고 있다. 각각의 컴퓨터가 허브로 데이터를 보낼 수 있다.

 

 

허브에 연결된 컴퓨터 허

 

 

a. 허브의 역할

• 데이터 분배 (Broadcasting)
  • 허브에 연결된 한 장치가 데이터를 보내면, 허브는 이를 모든 포트(장치)로 동일하게 전송합니다.
  • 수신 대상이 아닌 장치는 데이터를 무시하지만, 트래픽이 불필요하게 증가할 수 있습니다.
• 물리적 네트워크 확장
  • 여러 개의 컴퓨터나 장치를 유선으로 연결하여 네트워크를 구성할 수 있도록 해줍니다.
  • 허브를 사용하면 네트워크의 물리적 연결 범위를 늘릴 수 있습니다.
• 신호 증폭 (일부 모델)
  • 패시브 허브(Passive Hub)는 단순히 데이터를 전송만 하지만,
  • 액티브 허브(Active Hub)는 신호를 증폭하여 더 먼 거리까지 전송할 수 있도록 도와줍니다.

 

b. 허브의 특징

• 물리계층(1계층)에서 동작 → 데이터를 단순히 전달하는 역할만 수행.
• 모든 포트로 데이터 전송 (Broadcast 방식) → 네트워크 부하 증가.
• MAC 주소를 인식하지 못함 → 목적지를 구분하지 않고 무조건 모든 장치로 전달.
• 반이중(Half-Duplex) 방식 → 동시에 송수신이 불가능하여 데이터 충돌 가능성 증가.
• 브로드캐스트 도메인 분할 불가 → 네트워크 트래픽이 많아질수록 속도 저하 발생.

 

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정리.

• 전기 신호: 전압이 일정한 패턴으로 변하여 생기는 일련의 흐름
• 랜 카드(LAN Card): 랜 카드는 네트워크 환경에 내 컴퓨터와 인테넛을 연결하는 필수 장치
• 케이블(Cable): 보호 외피나 외장 안에 2개 이상의 전선이나, 광섬유로 묶여 있는 선
• 리피터(Repeater): 리피터는 전기 신호를 정형하고 증폭하는 기능을 가진 네트워크 장비
• 허브(Hub): 리피터와 마찬가지로 전기 신호를 정형하고 증폭하는 기능으로 하나의 립력 신호를 여러 디바이스로 복제하여 데이터를 전달한다.