신호의 전송과 충돌(1계층 - 물리계층)

1계층 - 물리계층

OSI 참조 모델의 첫 번째 계층 - 물리계층에 대해서 알아보자.

전기 / 기계적인 전송

이전에 짧게 살펴본 것처럼, 물리 계층의 역할은 “전기 / 기계적인 전송을 수행한다.” 였다. 즉, 1계층은 통신 매체(파이프)에 데이터(신호)를 보내는 것과 그 데이터가 지나는 것에 대한 순서와 규칙이라고 말할 수 있다.

케이블이 연결되어 있는 기기에 신호를 전달하는 것이 1계층의 역할이다.

그리고 그 데이터는 신호의 형태로 전송되게 된다.

통신 매체

신호가 지나는 파이프 역할을 하는 것이 통신 매체이다. 이러한 파이프는 유선과 무선으로 나누어진다. 무선은 다루지 않기로 하고 유선의 경우를 생각해보자. 유선은 케이블을 이용해 신호를 주고받는 방식인데, 이 케이블에는 전기신호를 사용하는 동선과 광신호를 사용하는 광파이버(광섬유) 두 가지가 있다.

동선은 흔히 UTP(Unshielded Twist Pair cable)라고 부르며 8개의 동선으로 이루어져 있다. UTP는 두 개가 한 쌍인 동선 네 쌍으로 이루어져 있고, 일반적으로 가장많이 사용되고 있는 통신매체이다.

광섬유는 빛 신호를 전달하는 가는 유리 / 플라스틱 섬유의 일종이다. 신호의 안정과 통신속도에서는 뛰어난 성능을 보이지만, 굽히기가 어렵다는 단점 때문에 UTP에 비하면 보급률이 떨어진다.

기기가 데이터를 송수신하는 과정에는 통신 매체 뿐만아니라 인터페이스도 필요하다. 인터페이스는 컴퓨터와 통신 매체(케이블) 사이에서 신호를 보내고 받는 역할을 수행한다. 컴퓨터가 보내고 싶은 데이터를 케이블에 맞는 신호로 변환해서 케이블로 보내고, 케이블에서 보내온 신호를 컴퓨터에서 사용할 수 있게 변환하는 기계가 인터페이스이고 보통 컴퓨터에서 사용하는 인터페이스로는 LAN용 케이블에 접속하기 위한 NIC(Network Interface Card)가 있다.

신호와 충돌

1계층에서 중요한 키워드는 통신매체와 신호라고 할 수 있다. 그리고 인터페이스를 통해 데이터를 신호로 바꾸는 것도 알아보았다. 통신매체(케이블) 속에서 왔다갔다하는 신호는 결국 데이터이며 이러한 데이터는 비트로 표현된다는 것도 공부했다. 지금부터 우리가 사용하는 컴퓨터가 데이터를 표현하기 위해서 사용하는 - 0과 1로 되어있는 - 디지털 신호에 대해서 알아볼 것이다.

신호의 종류에는 아날라그 신호 / 디지털 신호가 있다.

아날로그 신호는 연속적인 신호이며 디지털 신호는 이산적인 신호이다.

그리고 이 신호의 형태와 전송방법에 따라서 통신속도가 결정된다. 통신속도는 일반적으로 1초 동안 전송되는 비트 수로 계산되며 bps(bit per second)라는 단위를 사용한다. 언뜻 생각하면 한 개의 신호를 가능한 짧게, 그리고 되도록 많이 표현할 수 있다면 통신속도가 빨라질 것이라고 생각할 수 있다. 하지만 신호가 너무 짧아지면 수신측에서 식별하는 게 힘들어지기 때문에 전송속도에는 한계점이 존재한다.

신호에 발생하는 문제

통신 매체를 통해 신호를 주고받다보면 여러가지 문제가 발생할 수 있다. 그 중에서 일반적으로 발생하는 세 가지에 대해서 알아보자.

• 감쇠
  동선을 통해 전기신호를 보내면 저항이 발생하게 된다. 그래서 긴 케이블(동선)을 지나는 동안 신호가 약해지는데 그렇게 되면 신호의 진폭의 약해져서 수신측에서 데이터를 못 읽을 수도 있게된다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 약해진 신호를 다시 강하게 해주는 증폭기를 사용하곤 한다.

• 노이즈 / 간섭
  전기신호가 어떠한 이유로 인해 형태가 무너져버리는 것이다. 수신측에서는 노이즈가 일어난 신호의 진폭을 정확하게 읽을 수 없게 된다.
  노이즈가 발생하는 원인으로는 “근처에 큰 전원 또는 고온의 물체가 옆에 있다거나 / 근처에 신호를 보내는 또 다른 케이블이 있다거나” 하는 게 있다. 신호의 간섭을 방지하기위해 원인으로부터 멀리 두거나 케이블에 특수 가공을 하는 방법을 사용하곤한다. (하지만 광섬유를 통해 발생되는 빛 신호는 위와 같은 이유로 간섭이 발생하지 않는데 위의 노이즈는 전기적인 요인에 의해서 발생하는 것이기 때문이다.)

• 충돌
  케이블 하나에 T자 분배기(허브)를 사용해서 여러 대의 기기를 연결하는 멀티엑세스 네트워크 환경에서 발생하곤한다. 신호가 보내지고 있는 도중에 다른 신호가 발생되면 충돌이 발생하며, 충돌을 해소하기 위해서 신호를 보내는 타이밍을 엇갈리게 하거나 신호가 지나는 길을 나누는 방법을 사용한다. 또한 충돌을 방지하는 방법은 2계층과 관련된 내용이기도 하다.

허브

멀티엑세스 네트워크 환경을 의미하며 허브에 연결된 기기는 동일 케이블에 연결되어 있는 것하고 같은 환경이다. 허브의 케이블 삽입구를 포트라고 부르며 4개의 포트가 있는 허브는 총 4대의 기기를 연결할 수 있는 것이다. 허브의 첫 번재 기능은 신호의 증폭과 재생이다.

• 신호의 증폭 / 재생
  감쇠된 신호를 허브를 통해 증폭 / 재생한다. 원래 신호를 증폭하기 위한 기계로 리피터(Repeater)가 있는데, 리피터는 허브처럼 여러개의 기기들을 연결할 수 없다는 단점이 있다. 그래서 허브에 신호를 증폭하는 기능을 추가해 사용하곤 한다. 추가로 신호를 증폭 / 재생하지 않는 허브도 있는데, 이런 허브는 패시브(passive) 허브라고 부르고, 증폭기능을 하는 허브를 액티브(active) 허브라고 부른다.

• 분배기
  복수의 기기를 연결해서 네트워크를 구성해주는 역할을 한다. 허브에 연결되어 있는 기기끼리 신호를 주고받을 수 있게 된다. 8포트 허브는 총 8개의 기기들이 하나의 네트워크에 연결될 수 있다.

충돌 도메인

허브를 중심으로 여러 대의 기기가 연결되는 네트워크에는 문제점이 존재한다. 허브는 수신한 신호에 대해 어떠한 제어도 하지 않는다. 라는 점이다. 당연한 얘기 같다.. 허브는 신호 증폭 이외에는 별 다른 역할을 하지 않기 때문에 신호를 송수신함에 있어서는 어떠한 제어도 하지 않는 것이다. 허브는 수신 포트 이외의 모든 포트에 수신한 신호를 송신하며 이러한 현상을 플러딩(flooding)이라고 한다.

들어온 하나의 신호가 모든 포트를 통해 나가는게 허브가 해주는 역할(플러딩)인데 만약 두 기기가 동시에 신호를 송신하면 어떻게 될것인가? 신호가 부딪쳐서 충돌이 발생하게 될 것이다.

같은 허브에 연결되어 있다면 하나의 케이블에 연결되어 있는 것과 마찬가지이기 때문에 두 개 이상의 기기가 동시에 신호를 발생시키면 어딘가에서 신호가 부딪치는 충돌현상이 발생하는 것이다.

이처럼 충돌이 발생할지도 모르는 범위를 충돌 도메인(Collision Domain)이라고 부른다. 충돌 도메인 내에 있는 기기가 신호를 송신하면 어딘가에서 충돌이 발생할 가능성이 생기는 것이다. 그래서 같은 허브로 연결되어 있는 기기들은 같은 충돌 도메인 내에 있게 되는 것이다.

충돌 도메인은 작아야만 하는 것이고, 범위를 줄이기 위해서 컴퓨터의 수를 줄여야 하는데 이는 현실적으로 불가능한 방법이다. 그래서 스위치라는 장비를 통해 위와 같은 문제를 해결하며 스위치의 역할은 2계층에서 알아보도록 하자.

허브는 여러 대의 기기를 연결하고 신호를 증폭하고 재생하는 역할을 하며 플러딩을 일으킨다.

허브로 인해서 충돌 도메인이 발생되며, 이러한 충돌 도메인은 작아야만 한다.