물리 계층
물리 계층
개요
물리 계층(Physical Layer)은 OSI(Open Systems Interconnection) 7계층 모델의 가장 아래에 위치한 첫 번째 계층으로, 데이터 전송의 물리적 기반을 담당합니다. 이 계층은 디지털 데이터를 전기적, 광학적, 혹은 무선 신호 형태로 변환하여 물리적인 매체를 통해 전송하는 역할을 수행합니다. 물리 계층은 단순히 신호를 송수신하는 것을 넘어서, 신호의 전압 수준, 동기 방식, 전송 속도, 연결 방식, 케이블 종류, 핀 배열 등과 같은 하드웨어 수준의 세부 사항을 정의합니다.
물리 계층은 네트워크의 신뢰성과 성능에 직접적인 영향을 미치며, 전송 매체(예: 동축 케이블, 광섬유, 무선 주파수)와 장비(예: NIC, 허브, 리피터) 간의 호환성을 보장하는 데 핵심적인 역할을 합니다.
물리 계층의 주요 기능
물리 계층은 다음과 같은 핵심 기능을 수행합니다:
1. 신호 변환
디지털 데이터(0과 1의 비트열)를 전송 매체에 맞는 아날로그 신호 또는 디지털 신호로 변환합니다. 예를 들어, 전기 신호는 전압의 변화로, 광 신호는 빛의 존재/부재로, 무선 신호는 전자기파의 주파수 변조로 표현됩니다.
2. 전송 매체 정의
물리 계층은 데이터 전송에 사용되는 매체의 종류와 특성을 명시합니다. 주요 전송 매체는 다음과 같습니다: - 유선 매체: 비차폐 트위스트 페어(UTP), 차폐 트위스트 페어(STP), 동축 케이블, 광섬유 케이블 - 무선 매체: 라디오 주파수(RF), 마이크로파, 적외선, 위성 통신
3. 비트 전송 및 동기화
물리 계층은 비트 단위로 데이터를 직렬 전송하며, 송신자와 수신자 간의 비트 동기화(bit synchronization)를 담당합니다. 동기식 전송에서는 클록 신호를 공유하여 정확한 타이밍을 유지하고, 비동기식 전송에서는 시작 비트와 정지 비트를 사용해 프레임을 구분합니다.
4. 전기적 및 기계적 인터페이스
- 기계적 특성: 커넥터의 형태, 핀 수, 크기, 배열 (예: RJ-45, BNC, SC 커넥터)
- 전기적 특성: 전압 레벨, 신호 펄스 형태, 최대 전송 거리
- 기능적 특성: 각 핀의 역할 (예: 송신, 수신, 접지)
5. 전송 방식
물리 계층은 데이터 전송 방식도 정의합니다: - 단방향(Unidirectional): 한 방향으로만 전송 (예: 라디오 방송) - 반이중(Half-duplex): 양방향 전송이 가능하지만 동시에 불가능 (예: 무전기) - 전이중(Full-duplex): 동시에 양방향 전송 가능 (예: 전화 통화)
물리 계층의 예시 기술
다음은 물리 계층에서 사용되는 주요 기술 및 표준의 예입니다:
| 기술/표준 | 설명 |
|---|---|
| Ethernet (IEEE 802.3) | 가장 널리 사용되는 LAN 기술. 10BASE-T, 100BASE-TX, 1000BASE-T 등 다양한 속도 지원 |
| Wi-Fi (IEEE 802.11) | 무선 LAN 표준. 2.4GHz 및 5GHz 대역에서 작동하며, 물리 계층에서 변조 방식(OFDM 등) 정의 |
| Bluetooth | 짧은 거리 무선 통신. 주로 2.4GHz ISM 대역 사용 |
| USB (Universal Serial Bus) | 장치 간 직렬 통신 인터페이스. 물리적 커넥터와 전기적 신호를 포함 |
| SDH/SONET | 고속 광섬유 네트워크에서 사용되는 동기식 전송 기술 |
| DSL (Digital Subscriber Line) | 기존 전화선을 이용한 고속 인터넷. 물리 계층에서 신호 주파수 대역 분할 수행 |
물리 계층 장비
물리 계층에서 주로 사용되는 네트워크 장비는 다음과 같습니다:
- 리피터(Repeater): 약해진 신호를 증폭하여 재전송하는 장치. 신호의 왜곡은 수정하지 않음.
- 허브(Hub): 여러 장치를 연결하는 중심 장치. 모든 포트에 동일한 신호를 브로드캐스트.
- 네트워크 인터페이스 카드(NIC): 컴퓨터와 네트워크 간의 물리적 연결을 제공.
- 모뎀(Modem): 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환(변조)하고, 수신 시 복원(복조)하는 장치.
⚠️ 주의: 이들 장비는 데이터 링크 계층 이상의 기능을 수행하지 않으므로, MAC 주소나 패킷 필터링과 같은 기능은 없습니다.
물리 계층의 한계와 중요성
물리 계층은 네트워크의 기반이 되는 계층이지만, 자체적으로는 에러 검출, 흐름 제어, 라우팅 등의 기능을 수행하지 않습니다. 이러한 고급 기능은 상위 계층(예: 데이터 링크 계층)에서 처리합니다.
그럼에도 불구하고, 물리 계층의 안정성은 전체 네트워크 성능에 결정적인 영향을 미칩니다. 예를 들어, 전자기 간섭(EMI)이 심한 환경에서 차폐가 제대로 되지 않은 케이블을 사용하면 비트 오류가 빈번하게 발생하며, 이는 상위 계층에서 재전송을 유발해 네트워크 지연을 초래합니다.
관련 표준 및 조직
물리 계층의 기술 규격은 다음과 같은 국제 표준 기관들에 의해 정의됩니다:
- IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers): IEEE 802 시리즈(예: 802.3, 802.11)
- ITU-T (International Telecommunication Union - Telecommunication Standardization Sector): DSL, SDH 등 통신 표준
- ISO (International Organization for Standardization): OSI 모델의 기초 정의
- TIA/EIA (Telecommunications Industry Association / Electronic Industries Alliance): 케이블링 표준(TIA-568)
참고 자료
- Tanenbaum, A. S., & Wetherall, D. J. (2011). Computer Networks. Pearson Education.
- IEEE 802.3-2018 - Ethernet Standard
- Stallings, W. (2020). Data and Computer Communications. Pearson.
이 문서는 네트워크 기술의 핵심 기반인 물리 계층의 개념, 기능, 기술, 장비 및 표준에 대해 종합적으로 설명합니다. 물리 계층을 이해함으로써 네트워크 설계 및 문제 진단의 기초를 마련할 수 있습니다.
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