물리 계층의 역할과 랜 카드의 구조
물리 계층의 역할과 랜 카드의 구조
1. 물리 계층 (Physical Layer) 개요
정의
- OSI 7계층 중 최하위 계층 (1계층)
- 데이터를 전기 신호로 변환하여 전송
- 물리적인 연결과 신호 전송을 담당
물리 계층의 역할
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 물리 계층의 역할 │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ 1. 비트(0, 1)를 전기/광/무선 신호로 변환 │
│ 2. 전송 매체를 통해 신호 전달 │
│ 3. 물리적 연결 설정 (케이블, 커넥터) │
│ 4. 전송 속도, 신호 타이밍 정의 │
│ 5. 신호 동기화 │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘데이터 흐름
송신 측:
[비트열: 10110100] → [전기 신호로 변환] → [케이블로 전송]
↓
┌─┐ ┌─┐ ┌─┐
│ │ │ │ │ │ 전기 신호
──┘ └─┘ └─┘ └──
수신 측:
[전기 신호 수신] → [비트열로 복원] → [10110100]2. 전기 신호의 종류
아날로그 신호 (Analog Signal)
특징
- 연속적인 파형으로 표현
- 시간에 따라 연속적으로 변화
- 무한한 값을 가질 수 있음
파형 특성
전압
^
│ ╭───╮ ╭───╮ ╭───╮
│ ╱ ╲ ╱ ╲ ╱ ╲
│ ╱ ╲ ╱ ╲ ╱ ╲
──│─╱─────────╲╱─────────╲╱─────────╲──→ 시간
│╱
│
- 진폭 (Amplitude): 파형의 높이, 신호 세기
- 주파수 (Frequency): 1초당 파형 반복 횟수 (Hz)
- 위상 (Phase): 파형의 시작점사용 예시
| 분야 | 예시 |
|---|---|
| 음성 통신 | 전화 회선 (PSTN) |
| 방송 | 라디오, TV |
| 오디오 | 마이크, 스피커 |
디지털 신호 (Digital Signal)
특징
- 불연속적인 값 (0 또는 1)
- 펄스 형태로 표현
- 노이즈에 강함
파형 특성
전압
^
│ ┌──┐ ┌──┐ ┌──┐ ┌──┐
│ │ │ │ │ │ │ │ │
HIGH├──┤ │ │ │ │ │ │ │
│ │ │ │ │ │ │ │ │
LOW ├──┴──┴──┴──┴─────┴──┴──┴──┴──→ 시간
│
비트: 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0사용 예시
| 분야 | 예시 |
|---|---|
| 컴퓨터 통신 | 이더넷, USB |
| 데이터 전송 | 네트워크 |
| 저장 매체 | HDD, SSD |
아날로그 vs 디지털 비교
| 항목 | 아날로그 | 디지털 |
|---|---|---|
| 신호 형태 | 연속적 파형 | 불연속적 펄스 |
| 값의 범위 | 무한 | 0과 1 |
| 노이즈 영향 | 민감 | 강함 |
| 복원력 | 어려움 | 쉬움 |
| 장거리 전송 | 감쇄 심함 | 재생 가능 |
| 대역폭 활용 | 비효율적 | 효율적 |
3. 신호 변환과 인코딩
디지털-디지털 인코딩 (라인 코딩)
NRZ (Non-Return to Zero)
비트: 1 0 1 1 0 0
┌────┐ ┌─────────┐
전압: │ │ │ │
──┘ └────┘ └────────
HIGH LOW HIGH HIGH LOW LOW- 가장 단순한 방식
- 1 = HIGH, 0 = LOW
- 동기화 문제 발생 가능
맨체스터 인코딩 (Manchester Encoding)
비트: 1 0 1 1 0 0
┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐
전압: │ └──┘ │──┘ └──┘ └──┘ │──┘ │
──┘ └── └── └──
- 1: HIGH→LOW 전환 (하강 에지)
- 0: LOW→HIGH 전환 (상승 에지)- 매 비트마다 전환 발생
- 자체 동기화 가능
- 이더넷 10BASE-T에서 사용
4B/5B 인코딩
- 4비트를 5비트로 변환
- 100BASE-TX에서 사용
- 연속된 같은 비트 방지
디지털-아날로그 변환 (모듈레이션)
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 변조 방식 │
├─────────────┬─────────────┬─────────────────────────────────┤
│ ASK │ FSK │ PSK │
│ 진폭 변조 │ 주파수 변조 │ 위상 변조 │
├─────────────┼─────────────┼─────────────────────────────────┤
│ ╭─╮ │ ∿∿∿∿∿ │ ╭─╮ ╭─╮ │
│ │ │ │ ∿∿∿ ∿∿∿ │ │ │────│ │ │
│ ──┴─┴── │ │ ──┴─┘ └─┴── │
│ │ │ 0° 전환 │
│ 1=큰진폭 │ 1=높은주파수 │ 1=위상변화 │
│ 0=작은진폭 │ 0=낮은주파수 │ 0=위상유지 │
└─────────────┴─────────────┴─────────────────────────────────┘| 변조 방식 | 특징 | 사용 예 |
|---|---|---|
| ASK | 진폭 변화 | 광통신 |
| FSK | 주파수 변화 | 모뎀 |
| PSK | 위상 변화 | Wi-Fi, 위성 |
| QAM | 진폭 + 위상 | ADSL, 케이블 |
4. 랜 카드 (NIC)
랜 카드란?
- NIC (Network Interface Card)
- 네트워크 인터페이스 카드
- 컴퓨터를 네트워크에 연결하는 하드웨어
랜 카드의 역할
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 랜 카드의 역할 │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ 1. 데이터를 전기 신호로 변환 (송신) │
│ 2. 전기 신호를 데이터로 변환 (수신) │
│ 3. MAC 주소를 통한 기기 식별 │
│ 4. 프레임 송수신 │
│ 5. 오류 검출 (CRC 체크) │
│ 6. 버퍼링 (데이터 임시 저장) │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘랜 카드 구조
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 랜 카드 │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ │ │
│ │ ┌─────────┐ ┌─────────┐ ┌─────────┐ │ │
│ │ │ 컨트롤러 │ │ 버퍼 │ │ ROM │ │ │
│ │ │ (PHY) │ │ (RAM) │ │(MAC주소)│ │ │
│ │ └─────────┘ └─────────┘ └─────────┘ │ │
│ │ │ │ │
│ │ ┌────┴────┐ │ │
│ │ │트랜시버 │ ←─ 신호 변환 │ │
│ │ │(MAU) │ │ │
│ │ └────┬────┘ │ │
│ │ │ │ │
│ │ ┌────┴────┐ │ │
│ │ │ RJ-45 │ ←─ 케이블 연결 포트 │ │
│ │ │ 포트 │ │ │
│ │ └─────────┘ │ │
│ │ │ │
│ │ ════════════════════════════════════ │ │
│ │ │ PCI/PCIe 인터페이스 (메인보드 연결) │ │ │
│ │ ════════════════════════════════════ │ │
│ └─────────────────────────────────────────────────────┘ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘주요 구성 요소
| 구성 요소 | 역할 |
|---|---|
| 컨트롤러 (PHY) | 신호 처리, 프로토콜 제어 |
| 트랜시버 (MAU) | 전기 신호 ↔ 디지털 신호 변환 |
| 버퍼 (RAM) | 송수신 데이터 임시 저장 |
| ROM | MAC 주소 저장 |
| RJ-45 포트 | 케이블 연결 |
| LED 표시등 | 링크/활동 상태 표시 |
랜 카드 종류
연결 방식별
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 1. 내장형 (Onboard) │
│ - 메인보드에 통합 │
│ - 대부분의 현대 PC에 기본 장착 │
│ │
│ 2. PCI/PCIe 카드형 │
│ - 확장 슬롯에 장착 │
│ - 고성능, 서버용 │
│ │
│ 3. USB 타입 │
│ - 외장형, 휴대 가능 │
│ - 노트북용 │
│ │
│ 4. 무선 랜 카드 │
│ - Wi-Fi 지원 │
│ - 내장/USB/PCIe 형태 │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘속도별
| 규격 | 속도 | 케이블 |
|---|---|---|
| 10BASE-T | 10 Mbps | Cat3 |
| 100BASE-TX | 100 Mbps | Cat5 |
| 1000BASE-T | 1 Gbps | Cat5e/Cat6 |
| 2.5GBASE-T | 2.5 Gbps | Cat5e |
| 5GBASE-T | 5 Gbps | Cat6 |
| 10GBASE-T | 10 Gbps | Cat6a/Cat7 |
5. MAC 주소
MAC 주소란?
- Media Access Control 주소
- 랜 카드에 부여된 고유한 물리적 주소
- 데이터 링크 계층(2계층)에서 사용
MAC 주소 구조
AA : BB : CC : DD : EE : FF
└──────┬──────┘ └──────┬──────┘
OUI (제조사) 일련번호
(24bit) (24bit)
총 48비트 (6바이트)| 부분 | 크기 | 설명 |
|---|---|---|
| OUI | 24bit | 제조사 식별 코드 (IEEE 할당) |
| 일련번호 | 24bit | 제조사가 부여한 고유 번호 |
주요 제조사 OUI
| OUI | 제조사 |
|---|---|
| 00:00:0C | Cisco |
| 00:1A:2B | Ayecom |
| 00:50:56 | VMware |
| 08:00:27 | VirtualBox |
| 3C:5A:B4 | |
| DC:A6:32 | Raspberry Pi |
MAC 주소 확인 방법
# Windows
ipconfig /all
# 결과: 물리적 주소 . . . . . . : AA-BB-CC-DD-EE-FF
# Linux/Mac
ifconfig
# 또는
ip link show
# 결과: ether aa:bb:cc:dd:ee:ff특수 MAC 주소
| 주소 | 용도 |
|---|---|
| FF:FF:FF:FF:FF:FF | 브로드캐스트 (모든 장치) |
| 01:00:5E:xx:xx:xx | IPv4 멀티캐스트 |
| 33:33:xx:xx:xx:xx | IPv6 멀티캐스트 |
6. 데이터 송수신 과정
송신 과정
[응용 프로그램]
│
↓ 데이터
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 운영체제 │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ 네트워크 스택 │ │
│ │ 응용 → 전송 → 네트워크 → 데이터링크 │ │
│ │ (프레임 생성) │ │
│ └─────────────────────────────────────────────────────┘ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
│
↓ 프레임
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 랜 카드 │
│ 1. 프레임을 버퍼에 저장 │
│ 2. 케이블 사용 가능 여부 확인 (CSMA/CD) │
│ 3. 프레임을 전기 신호로 변환 │
│ 4. 케이블로 신호 전송 │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
│
↓ 전기 신호
═══════════════ 네트워크 케이블수신 과정
═══════════════ 네트워크 케이블
│
↓ 전기 신호
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 랜 카드 │
│ 1. 전기 신호 수신 │
│ 2. 디지털 데이터(프레임)로 변환 │
│ 3. 목적지 MAC 주소 확인 │
│ - 자신의 MAC? → 수신 │
│ - 브로드캐스트? → 수신 │
│ - 다른 MAC? → 폐기 │
│ 4. FCS로 오류 검사 │
│ 5. 버퍼에 저장 후 인터럽트 발생 │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
│
↓ 프레임
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 운영체제 │
│ 역캡슐화: 데이터링크 → 네트워크 → 전송 → 응용 │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
│
↓ 데이터
[응용 프로그램]7. 물리 계층 장비
리피터 (Repeater)
[PC] ───── 100m ───── [리피터] ───── 100m ───── [PC]
- 약해진 신호를 증폭/재생
- 전송 거리 연장
- 현재는 거의 사용하지 않음허브 (Hub)
┌─────────────┐
[PC1]─┤ ├─[PC2]
│ HUB │
[PC3]─┤ ├─[PC4]
└─────────────┘
- 다중 포트 리피터
- 한 포트로 들어온 신호를 모든 포트로 전송 (플러딩)
- 콜리전 도메인이 하나
- 반이중 통신만 가능
- 현재는 스위치로 대체됨물리 계층 장비 특징
| 장비 | 역할 | OSI 계층 | 콜리전 도메인 |
|---|---|---|---|
| 리피터 | 신호 증폭 | 1계층 | 확장 |
| 허브 | 다중 연결 | 1계층 | 확장 |
| 스위치 | 프레임 전달 | 2계층 | 분리 |
8. 전송 매체 (Transmission Media)
유선 매체
UTP 케이블 (Unshielded Twisted Pair)
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ UTP 케이블 구조 │
│ │
│ ┌─────────────────────────────────────────┐ │
│ │ ╱╲ ╱╲ ╱╲ ╱╲ ← 꼬인 쌍선 (4쌍) │ │
│ │ ╱ ╲╱ ╲╱ ╲╱ ╲ │ │
│ │ 차폐 없음 │ │
│ └─────────────────────────────────────────┘ │
│ │
│ - 가장 일반적인 네트워크 케이블 │
│ - 구리선을 꼬아서 전자기 간섭 감소 │
│ - 100m 이내 전송 거리 │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘광케이블 (Fiber Optic)
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 광케이블 구조 │
│ │
│ 클래딩 (Cladding) │
│ ┌─────────────────────────────────────────┐ │
│ │ ┌─────────────────────────────────────┐ │ │
│ │ │ 코어 (Core) │ │ │
│ │ │ ────→ 빛 ────→ │ │ │
│ │ └─────────────────────────────────────┘ │ │
│ └─────────────────────────────────────────┘ │
│ │
│ - 빛을 이용한 데이터 전송 │
│ - 전자기 간섭 없음 │
│ - 장거리 고속 전송 (수십 km) │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘| 종류 | 코어 직경 | 전송 거리 | 용도 |
|---|---|---|---|
| 싱글모드 (SMF) | 9μm | 수십 km | 장거리, 백본 |
| 멀티모드 (MMF) | 50/62.5μm | 수백 m | 건물 내부 |
무선 매체
| 기술 | 주파수 | 범위 | 속도 |
|---|---|---|---|
| Wi-Fi 6 | 2.4/5GHz | ~100m | ~9.6Gbps |
| Bluetooth | 2.4GHz | ~10m | ~3Mbps |
| 5G | 600MHz~39GHz | 수 km | ~20Gbps |
핵심 정리
| 개념 | 설명 |
|---|---|
| 물리 계층 | 비트를 전기/광 신호로 변환하는 계층 |
| 아날로그 신호 | 연속적인 파형, 라디오/전화 |
| 디지털 신호 | 불연속적 펄스 (0, 1), 컴퓨터 통신 |
| 랜 카드 (NIC) | 컴퓨터를 네트워크에 연결하는 장치 |
| MAC 주소 | 랜 카드의 고유한 물리적 주소 (48bit) |
| 인코딩 | 비트를 신호로 변환하는 방식 |
| 리피터/허브 | 물리 계층 장비 (신호 증폭/분배) |
물리 계층 핵심 기능
송신: [비트열] → [전기 신호] → [케이블 전송]
수신: [전기 신호 수신] → [비트열 복원] → [상위 계층 전달]물리 계층 요약
- 0과 1의 비트열을 전기 신호로 변환하여 전송하는 계층
- 랜 카드가 이 역할을 수행하며, 각 랜 카드는 고유한 MAC 주소를 가짐
- 전기 신호는 아날로그(연속적)와 디지털(불연속적)로 구분
- 네트워크에서는 주로 디지털 신호 사용