24/09/02 - OSI 7계층: 물리 계층(Physical Layer)

전 시간에 OSI 7계층에 대해 공부했다.(https://dkskfktldi.tistory.com/entry/240828-OSI-7%EA%B3%84%EC%B8%B5)

오늘은 그중 1계층인 물리 계층(Physical Layer)에 대해 알아보려고 한다.

 

물리 계층(Physical Layer)은 OSI 7계층 중에서 가장 낮은 첫번째 계층이다.

어떤 하나의 네트워크에서 기본 네트워크 하드웨어 전송기술들로 구성되어 있으며, 네트워크의 높은 수준의 기능의 논리 데이터 구조를 기초로 하는 필수 계층이다. 또한 전송에 필요한 두 장치 간의 실제 접속과 절단 등 기계적, 전기적, 기능적, 절차적 특성에 대한 규칙을 정의하고 있다. 따라서 다양한 특징의 하드웨어 기술이 접목되어 있어 OSI 아키텍처에서 가장 복잡한 계층으로 간주된다.

즉, 데이터를 물리적 매체를 통해 전송하는 데 필요한 모든 하드웨어적 요소와 그에 따른 전기적/광학적 신호 처리 방법을 다룬다.

주요 기능은 다음과 같다.

• 데이터 전송 매체
  전기적, 광학적 신호를 통해 데이터를 전송하는 매체를 정의한다. 동축 케이블, 광섬유, 트위스티드 페어 케이블 등 물리적 전송 매체가 여기에 포함된다.
• 신호 변환
  데이터를 0과 1의 이진수로 표현하고, 이를 전기 신호나 광신호로 변환하여 전송한다. 반대로, 수신 특에서는 이 신호를 다시 이진수로 변환하여 데이터를 복원한다.
• 비트 전송
  네트워크를 통해 비트를 순차적으로 전송하는 기능을 수행한다. 여기서는 데이터가 패킷이나 프레임으로 조직되지 않고, 순수하게 bit 단위로 전송된다.
• 네트워크 토폴로지
  장치 간 구조(성형Start, 버스Bus, 링형Ring 등)를 정의하고, 데이터 전송 방식(직렬 전송, 병렬 전송)을 규정한다.
• 신호 강도와 전송 속도
  신호의 강도, 전압 수준, 전송 속도 등의 물리적 특성을 의미한다.

 

여기서 네트워크 토폴로지는 잠깐 살펴보자.

 

통신망은 정보를 전달하기 위해서 통신 규약에 의해 연결한 통신 설비의 집합이다. 네트워크 설치 구조는 통신망을 구성하는 요소들을 공간적으로 배치하는 방법, 즉, 장치들의 물리적 위치에 따라서 성형, 링형, 버스형, 계층형, 망형으로 나눈다.

• 성형(Star, 중앙 집중형)
  중앙에 중앙 컴퓨터가 있고, 이를 중심으로 단말장치들이 연결되는 중앙 집중식의 네트워크 구성 형태이다.
  - 포인트 투 포인트(Point to Point) 방식으로 회신을 연결
  - 각 단말장치들은 중앙 컴퓨터를 통하여 데이터를 교환
  - 단말장치의 추가와 제거가 쉬움
  - 하나의 단말장치가 고장나더라도 다른 단말장치에는 영향을 주지 않지만, 중앙 컴퓨터가 고장나면 전체 통신망의 기능이 정지됨
  - 중앙 집중식이므로 교환 노드의 수가 가장 적음
  
  
• 링형(Ring, 루프형)
  컴퓨터와 단말장치들은 서로 이웃하는 것끼리 포인트 투 포인트(Point to Point) 방식으로 연결시킨 형태이다.
  - 분산 및 집중 제어 모두 가능
  - 단말장치의 추가/제거 및 기밀 보호가 어려움
  - 각 단말장치에서 전송 시연이 발생할 수 있음
  - 중계기의 수가 많아진다.
  - 데이터는 단방향 또는 양방향으로 전송할 수 있으며, 단방향 링의 경우 컴퓨터, 단말장치, 통신 회선 중 어느 하나라도 고장나면 전체 통신망에 영향을 미친다.
  
  
• 버스형(Bus)
  한 개의 통신 회선에 여러 대의 단말장치가 연결되어 있는 형태이다.
  - 물리적 구조가 간단하고, 단말장치의 추가와 제거가 용이하다.
  - 단말장치가 고장나더라도 통신망 전체에 영향을 주지 않기 때문에 신뢰성을 높일 수 있다.
  - 기밀 보장이 어렵고, 통신 회선의 길이에 제한이 있다.
  
  
• 계층형(Tree, 분산형)
  중앙 컴퓨터와 일정 지역의 단말장치까지는 하나의 통신 회선으로 연결시키고, 이웃하는 단말장치는 일정 지역 내에 설치된 중간 단말장치로부터 다시 연결 시키는 형태이다.
  - 분산 처리 시스템을 구성하는 방식
  
  
• 망형(Mesh)
  모든 지점의 컴퓨터와 단말장치를 서로 연결한 형태로, 노드의 연결성이 높다.
  - 많은 단말장치로부터 많은 양의 통신을 필요로 하는 경우에 유리하다.
  - 보통 공중 데이터 통신망에서 사용되며, 통신 회선의 총 경로가 가장 길다.
  - 통신 회선 장애 시 다른 경로를 통하여 데이터를 전송할 수 있다.
  - 모든 노드를 망형으로 연결하려면 노드의 수가 N개일 때, N(N - 1) / 2개의 회선이 필요하고 노드당 N - 1 개의 포트가 필요하다.

출처: http://www.ktword.co.kr/test/view/view.php?no=356

 

 

관련 장비는 다음과 같다.

• 허브(Hub)
  한 사무실이나 가까운 거리의 컴퓨터들을 연결하는 장치. 각 회선을 통합적으로 관리하며, 신호 증폭 기능을 하는 리피터의 역할도 포함한다.
  종류에는 더미 허브, 스위칭 허브가 있다.
  • 더비 허브
    - 네트워크에 흐르는 모든 데이터를 단순히 연결하는 기능만을 제공
    - LAN이 보유한 대역폭을 컴퓨터 수만큼 나누어 제공
    - 네트워크에 연결된 각 노드를 물리적인 성형 구조로 연결
  • 스위칭 허브
    - 네트워크 상에서 흐르는 데이터의 유무 및 흐름을 제어하여 각각의 노드가 허브의 최대 대역폭을 사용할 수 있는 지능형 허브
    - 최근에 사용되는 허브는 대부분 스위칭 허브이다.
• 리피터(Repeater)
  전송되는 신호가 전송 선로의 특성 및 외부 충격 등의 요인으로 인해 원래의 형태와 다르게 왜곡되거나 약해질 경우 원래의 신호 형태로 재생하여 다시 전송하는 역할을 수행한다.
  - OSI 참조 모델의 물리 계층에서 동작하는 장비
  - 근접한 네트워크 사이에 신호를 전송하는 역할로, 전송 거리의 연장 또는 배선의 자유도를 높이기 위한 용도로 사용