# 물리 계층

물리 계층(Physical Layer)은 OSI(Open Systems Interconnection) 계층 모델 가장 아래에 위치한1계층으로 데이터 통신의반이 되는 물리 연결을 담당합니다. 계층은 디지털 데이터를 전기적, 기계적, 광학 신호로 변하여 전송 매체 통해 다른 장치로 전달 역할을 수행합니다. 물리 계층은 네워크의 성능, 전송리, 대역폭, 신호 품질 등에 직접적인 영향을 미치며, 모든 상위 계층이 정상적으로 작동하기 위한 필수적인 기초를 제공합니다.

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## 개요

물리 계층은 네트워크 통신에서 "비트" 단위의 데이터를 전송하는 데 필요한 모든 물리적 요소를 다룹니다. 이 계층은 데이터를 전송할 수 있도록 하드웨어 장치들 간의 물리적 인터페이스를 정의하며, 신호의 형태, 전압 수준, 동기화 방법, 물리적 커넥터, 케이블 종류, 핀 배열, 전송 거리 등을 규정합니다.

물리 계층의 주요 목적은 다음과 같습니다:

- **비트 전송**: 0과 1의 비트 스트림을 신뢰성 있게 전송.
- **신호 변조**: 디지털 데이터를 아날로그 신호 또는 광 신호로 변환.
- **전송 매체 관리**: 유선(예: 동축 케이블, 광섬유) 또는 무선(예: 라디오파, 마이크로파) 매체를 통해 신호를 전달.
- **물리적 연결 설정**: 장치 간의 물리적 연결 방식(점 대 점, 버스, 스타 등) 정의.

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## 물리 계층의 주요 기능

### 1. **신호화(Signaling)**
물리 계층은 데이터를 전송하기 위해 디지털 신호를 아날로그 또는 전기적 신호로 변환합니다. 예를 들어, 이진 데이터(0과 1)를 전압의 변화(예: +5V는 1, 0V는 0)로 표현하는 방식을 사용합니다. 이러한 신호화 방식에는 **NRZ(Non-Return-to-Zero)**, **Manchester 인코딩**, **AMI(Alternate Mark Inversion)** 등이 있습니다.

### 2. **전송 매체 인터페이스**
물리 계층은 어떤 종류의 전송 매체를 사용할지 결정하고, 그에 맞는 인터페이스를 정의합니다. 대표적인 물리적 전송 매체는 다음과 같습니다:

| 매체 종류       | 특징 |
|----------------|------|
| **UTP(Unshielded Twisted Pair)** | 일반적인 이더넷 케이블, 저렴하고 설치 용이, 전자기 간섭에 취약 |
| **STP(Shielded Twisted Pair)** | 차폐 처리로 간섭 감소, 비용 높음 |
| **동축 케이블** | 고주파 신호 전송에 적합, 케이블 TV 등에서 사용 |
| **광섬유 케이블** | 매우 높은 대역폭, 장거리 전송 가능, 간섭 없음 |
| **무선 전파** | Wi-Fi, 블루투스, 셀룰러 네트워크 등, 물리적 케이블 불필요 |

### 3. **비트 동기화(Bit Synchronization)**
수신 장치가 송신 장치의 비트 전송 속도와 동기화되어야 정확한 데이터 수신이 가능합니다. 물리 계층은 **동기식 전송**(Synchronous)과 **비동기식 전송**(Asynchronous) 방식을 지원합니다.

- **비동기식**: 각 문자 단위로 시작 비트와 정지 비트를 사용해 동기화.
- **동기식**: 클록 신호를 공유하여 연속적인 비트 스트림 전송.

### 4. **물리적 토폴로지 및 연결 방식**
물리 계층은 네트워크의 물리적 구조(토폴로지)를 정의합니다. 예를 들어, 스타형, 버스형, 링형 등이 있으며, 각 토폴로지는 케이블 배선 방식과 장치 연결 구조에 영향을 미칩니다.

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## 물리 계층의 표준 예시

물리 계층은 다양한 국제 표준 기관(예: IEEE, ITU-T, ISO)에 의해 규격화되어 있습니다. 대표적인 예는 다음과 같습니다:

- **IEEE 802.3 (이더넷)**: 10BASE-T, 100BASE-TX, 1000BASE-T 등은 모두 물리 계층의 표준으로, 케이블 종류, 전송 속도, 거리 등을 정의합니다.
- **IEEE 802.11 (Wi-Fi)**: 무선 물리 계층에서 주파수 대역(2.4GHz, 5GHz), 변조 방식(QPSK, OFDM), 전송 속도를 규정합니다.
- **SONET/SDH**: 장거리 광섬유 통신에서 사용되는 동기식 전송 표준.
- **USB, HDMI, Thunderbolt**: 단말기 간의 물리적 연결을 위한 인터페이스 표준.

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## 물리 계층에서의 주요 기술

### 1. **변조(Modulation)**
아날로그 채널을 통해 디지털 데이터를 전송할 때, 변조 기술이 필요합니다. 주요 변조 방식은 다음과 같습니다:

- **AM (Amplitude Modulation)**: 진폭을 변화시켜 정보 전달.
- **FM (Frequency Modulation)**: 주파수를 변화시켜 정보 전달.
- **PM (Phase Modulation)**: 위상을 변화시켜 정보 전달.
- **QAM (Quadrature Amplitude Modulation)**: 진폭과 위상을 조합하여 고속 전송 가능.

### 2. **다중화(Multiplexing)**
여러 신호를 하나의 전송 매체를 통해 동시에 전송하기 위해 사용됩니다.

- **TDM(Time Division Multiplexing)**: 시간을 분할하여 각 신호에 할당.
- **FDM(Frequency Division Multiplexing)**: 주파수 대역을 나누어 사용.
- **WDM(Wavelength Division Multiplexing)**: 광섬유에서 파장을 나누어 다중화.

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## 관련 참고 자료

- **OSI 모델**: 물리 계층은 OSI 모델의 첫 번째 계층으로, 데이터 링크 계층과 인접합니다.
- **이더넷 표준**: IEEE 802.3 문서는 물리 계층의 구체적인 사양을 포함합니다.
- **ITU-T G.703**: 디지털 전송 시스템의 물리적 인터페이스 표준.

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## 결론

물리 계층은 네트워크 통신의 가장 기초적인 단계이지만, 전체 시스템의 성능과 신뢰성에 결정적인 영향을 미칩니다. 현대 통신 기술은 고속, 대용량 데이터 전송을 요구함에 따라 광섬유, 5G 무선 통신, 고주파 대역 활용 등 물리 계층 기술의 발전이 지속되고 있습니다. 네트워크 설계나 문제 해결 시 물리 계층의 상태(예: 케이블 손상, 신호 감쇠, 간섭)를 점검하는 것은 첫 번째 단계입니다. 따라서 네트워크 전문가라면 물리 계층의 원리와 기술을 정확히 이해하는 것이 필수적입니다.