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물리 계층 개요
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물리 계층 개요

물리 계층은 OSI(Open Systems Interconnection) 모델의 하위에 위치한 컴퓨터 네트워크의 계층으로, 케이블, 광섬유, 무선 채널 등 물리적 매체에서 원시 비트스트림(비트스트림)을 전송하는 역할을 담당합니다. .

물리 계층의 주요 임무는 한 노드에서 다른 노드로 데이터를 전송하여 전송 매체에서 데이터의 안정적인 전송을 보장하는 것입니다.

다음은 물리 계층의 몇 가지 중요한 개념입니다.

1. 전송 매체

물리 계층은 전선(예: 연선, 동축 케이블), 광섬유 및 무선 채널(예: 전파, 적외선 등)을 포함한 전송 매체를 처리합니다.

1.1 트위스트 페어

연선은 널리 사용되는 전송 매체로 UTP(Unshielded Twisted pair)와 STP(Shielded Twisted pair)로 구분됩니다. 두 개의 절연 구리선을 꼬아서 전자기 간섭을 줄입니다. 연선 케이블은 이더넷과 같은 로컬 및 광역 네트워크 연결에 사용됩니다.
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1.2 동축 케이블

동축 케이블은 내부 도체, 절연체, 금속 실드 및 외부 재킷으로 구성됩니다. 이는 TV 케이블 전송, 근거리 통신망 및 광대역 액세스에 널리 사용됩니다.

1.3 광섬유

광섬유는 전송 속도가 매우 높고 간섭 방지 기능이 강한 전송 매체입니다. 단일 모드 광섬유와 다중 모드 광섬유로 나눌 수 있는 광 신호를 통해 데이터를 전송합니다. 광섬유는 고속 광대역 네트워크, 장거리 통신 및 데이터 센터 상호 연결에 사용됩니다.
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1.4 무선 채널

무선 채널은 전파, 전자레인지, 적외선 등을 통해 전송하는 매체입니다. 일반적인 무선 전송 기술에는 Wi-Fi, Bluetooth, 셀룰러 네트워크(예: 4G 및 5G) 등이 포함됩니다. 무선 전송은 모바일 장치, 모바일 통신 및 사물 인터넷과 같은 애플리케이션에 적합합니다.

1.5 전력선통신(PLC)

PLC는 전력선을 이용하여 데이터 신호를 전송하며, 추가적인 네트워크 배선 없이 가정, 사무실 등에서 네트워크 연결을 구현할 수 있습니다.

1.6 적외선

적외선은 적외선 리모컨, 적외선 데이터 전송 등 근거리 무선 통신에 사용할 수 있는 전자파입니다.

1.7 격광 통신

레이저 통신은 레이저 빔을 이용해 데이터를 전송하는 것으로 위성통신, 광섬유통신 등 장거리, 고속 통신 연결에 주로 사용된다.

2. 신호 전송

시그널링(Signaling)은 통신 시스템에서 송신자로부터 수신자에게 데이터를 전송하는 프로세스를 의미합니다. 신호 전송 중에 디지털 데이터는 아날로그 신호로 변환(변조)된 다음 전송 매체를 통해 전송되고 마지막으로 수신단에서는 아날로그 신호가 다시 디지털 데이터로 변환됩니다(복조).

2.1 전송 매체

전송 매체는 아날로그 신호 전송을 위한 물리적 매체로 케이블, 광섬유, 무선 채널 등이 될 수 있습니다. 전송 매체마다 전송 거리, 대역폭, 신호 감쇠 및 잡음 등과 같은 특성이 다릅니다.

2.2 전송 및 배포

전송 중에 아날로그 신호는 전송 매체를 통해 전파됩니다. 전송 중에 신호 감쇠, 왜곡, 간섭 등의 문제가 발생하여 신호 품질에 영향을 미칠 수 있습니다.

신호 전송은 통신 품질과 신뢰성에 영향을 미치는 통신 시스템의 중요한 링크입니다. 적절한 변조 기술과 전송 매체 선택을 통해 전송 중에 데이터가 손실되지 않고 수신 측에서 원본 데이터가 정확하게 복원될 수 있습니다. 다양한 유형의 통신 시스템과 애플리케이션은 특정 통신 요구 사항을 충족하기 위해 다양한 변조 방법과 전송 매체를 사용할 수 있습니다.

3. 전송률

비트 전송률(Bit Rate) 또는 데이터 전송률이라고도 하는 전송 속도는 디지털 통신에서 단위 시간당 전송되는 비트 수(이진수)를 나타냅니다. 데이터 전송 속도를 측정하는 지표로 일반적으로 초당 전송되는 비트 수로 표시되며 단위는 bps(bits per second)이다. 전송 속도는 통신 시스템에서 데이터의 전송 속도와 대역폭 활용을 설명하는 데 사용됩니다.
전송 속도는 신호 변조 방식, 전송 매체의 특성, 인코딩 기술, 통신 시스템 설계 등 다양한 요소의 영향을 받습니다. 다음은 몇 가지 일반적인 전송 속도 관련 개념입니다.

3.1 물리적 속도

물리적 속도는 일반적으로 초당 비트(bps) 단위로 채널의 원시 전송 속도를 나타냅니다. 변조 방식과 채널 특성에 따라 다릅니다.

3.2 유효비율

유효 전송률은 오류 정정 코드, 프레임 동기화 등과 같은 통신 프로세스의 일부 오버헤드를 고려하며, 전송되는 실제 데이터 비트 수는 물리적 전송률보다 약간 낮을 수 있습니다.

3.3 기호율

심볼레이트는 단위시간당 전송되는 심볼의 수를 의미하며, 심볼은 여러 비트의 조합이 될 수 있다. 일부 변조 방식에서는 심볼이 여러 비트를 나타낼 수 있으므로 심볼 속도가 전송 속도와 다를 수 있습니다.

3.4 전송 속도

보오율(baud rate)은 단위 시간당 신호 변화 횟수를 의미하며, 일반적으로 아날로그 변조에 사용됩니다. 디지털 통신에서 전송 속도와 기호 속도는 동일하거나 관련될 수 있습니다.

전송 속도는 통신 시스템 설계에서 중요한 매개변수 중 하나입니다. 전송 속도가 높으면 더 많은 데이터 전송량을 지원할 수 있지만 더 넓은 대역폭과 더 강력한 신호 품질이 필요합니다. 다양한 애플리케이션과 시나리오에는 다양한 전송 속도가 필요할 수 있으므로 안정적이고 효율적인 데이터 전송을 달성하려면 통신 시스템을 설계할 때 대역폭, 신호 대 잡음비, 신호 대 간섭과 같은 요소를 포괄적으로 고려해야 합니다.

4. 변조 및 복조

변조는 디지털 데이터를 아날로그 신호로 변환하는 프로세스이고, 복조는 아날로그 신호를 디지털 데이터로 변환하는 프로세스입니다. 이 두 프로세스는 아날로그 전송에서 특히 중요합니다.

4.1 변조

변조는 디지털 데이터를 아날로그 신호로 변환하는 프로세스입니다. 디지털 신호는 일반적으로 이산적이지만 아날로그 신호는 연속적입니다. 변조의 목적은 전송 매체를 통한 전송을 위해 디지털 신호를 아날로그 신호로 매핑하는 것입니다.

4.2 복조

복조는 아날로그 신호를 다시 디지털 데이터로 변환하는 프로세스입니다. 수신기는 복조기를 사용하여 아날로그 신호의 변화를 감지하고 이를 디지털 신호로 변환합니다.

5. 코딩

물리 계층은 데이터 전송의 신뢰성과 면역성을 향상시키기 위해 데이터를 인코딩할 수 있습니다. 일반적인 인코딩 방법에는 패리티 검사, CRC(순환 중복 검사) 등이 있습니다.
다음은 몇 가지 일반적인 인코딩 방법입니다.

5.1 패리티(패리티 인코딩)

패리티는 데이터의 총 비트 수가 홀수 또는 짝수가 되도록 데이터에 추가 비트(홀수 또는 짝수)를 추가하는 기본적인 오류 감지 방법입니다. 수신기는 패리티 비트를 기반으로 단일 비트 오류를 감지할 수 있습니다.

5.2 순환 중복 검사(CRC, 순환 중복 검사)

CRC는 데이터에 다항식을 추가하여 중복 데이터를 생성하는 보다 강력한 오류 감지 방법입니다. 수신기는 수신된 데이터와 첨부된 CRC 값을 기반으로 오류를 감지할 수 있습니다.

5.3 해밍 코드(Hamming Code)

해밍 코드는 여러 비트 오류를 감지하고 수정할 수 있는 오류 수정 코드입니다. 단일 비트 오류를 감지하고 복구할 수 있도록 데이터에 중복 비트를 추가합니다.

5.4 변조 코딩

디지털 통신에서 변조 기술에는 일반적으로 디지털 데이터를 아날로그 신호로 매핑하는 작업이 포함됩니다. 다양한 변조 방법(예: ASK, FSK, PSK)은 데이터 인코딩 및 전송에서 서로 다른 신호 변조 방법을 사용합니다.

5.5 데이터 압축 코딩

데이터 압축 코딩은 데이터의 저장 및 전송 오버헤드를 줄이기 위해 사용됩니다. 전송되는 데이터의 양을 줄이기 위해 데이터를 더 짧은 코드나 기호로 변환합니다.

5.6 차등 코딩

차등 인코딩은 데이터 자체를 직접 인코딩하는 대신 데이터의 변경 사항을 기록하여 데이터를 인코딩합니다. 이는 연속 프레임 간의 중복성을 줄이기 위해 오디오 및 비디오 코딩에 일반적으로 사용됩니다.

6. 채널 다중화

물리 계층에는 여러 통신 장치 간의 동시 전송을 가능하게 하기 위해 전송 매체를 적절하게 분할하고 공유하는 작업이 포함됩니다. 일반적인 채널 다중화 기술에는 FDM(주파수 분할 다중화) 및 TDM(시분할 다중화)이 포함됩니다.

6.1 주파수 분할 다중화(FDM)

주파수 분할 다중화에서는 서로 다른 사용자 또는 통신 장치에 통신을 위해 서로 다른 주파수 대역폭이 할당됩니다. 각 사용자는 주파수 스펙트럼이 겹치지 않는 서로 다른 주파수 하위 대역을 사용하여 데이터를 전송합니다. FDM은 라디오 방송국, TV 신호, 이더넷 등과 같은 무선 통신 및 유선 통신에 자주 사용됩니다.

6.2 시분할 다중화(TDM)

시분할 다중화에서는 서로 다른 사용자나 통신 장치가 시간 분할에 따라 채널을 공유합니다. 각 사용자는 서로 다른 시간 간격으로 데이터를 전송하며 시간 조각이 차례로 전환됩니다. TDM은 일반적으로 디지털 전화 시스템, 센서 네트워크 등에 사용됩니다.

채널 다중화 기술의 장점은 동시에 여러 통신 연결을 지원할 수 있어 스펙트럼 활용도가 향상되고 통신 비용이 절감되며 통신 효율성이 향상된다는 것입니다.

실제 응용 분야에서는 주파수 분할 다중화와 시분할 다중화를 결합하여 주파수 시분할 다중화(Frequency Time Division Multiplexing, FTDM) 또는 코드 분할 다중화(Code Division Multiplexing, CDM) 등과 같은 보다 유연한 채널 다중화 기술을 형성할 수도 있습니다. .

7. 전송거리 및 손실

물리 계층에서는 전송 중 데이터의 신뢰성을 보장하기 위해 전송 거리, 신호 감쇠, 잡음 등 전송 매체의 특성을 고려해야 합니다.

7.1 전송거리

전송 거리는 신호가 전송 매체에서 전파되는 거리를 나타내며 일반적으로 단위는 미터(m) 또는 킬로미터(km)입니다. 전송 거리의 거리는 신호의 강도와 품질에 직접적인 영향을 미치며 장거리 전송은 신호 감쇠 및 기타 문제에 직면할 수 있습니다.

7.2 신호 감쇠

신호 감쇠란 전송 중에 신호가 점차 약해지는 현상을 말합니다. 전송 매체에서는 신호가 감쇠되어 신호 강도가 점진적으로 감소합니다. 신호 감쇠는 일반적으로 전송 매체의 특성과 전송 거리에 따라 결정됩니다.

7.3 전송 손실 및 신호 대 잡음비(SNR)

전송 손실은 감쇠 및 기타 요인을 포함하여 전송 중 신호의 총 손실을 의미합니다. 신호 대 잡음비는 신호 강도와 배경 잡음 강도 간의 비율을 나타냅니다. 신호 대 잡음비가 낮으면 신호 왜곡 및 디코딩 오류가 발생할 수 있습니다.

7.4 손실 보상 기법

어떤 경우에는 프리코딩, 등화, 순방향 오류 정정 코드와 같은 보상 기술을 사용하여 전송 손실을 방지할 수 있습니다.

통신 시스템을 설계하고 구현할 때 전송 거리와 손실의 영향을 충분히 고려할 필요가 있습니다. 전송 매체의 합리적인 선택, 적절한 신호 증폭 기술의 사용 및 신호 대 잡음비의 감소는 신호 전송 프로세스의 문제를 극복하고 다양한 거리와 환경에서 안정적인 신호 전송을 보장하는 데 도움이 될 수 있습니다.

8. 물리적 토폴로지

물리 계층에는 스타 토폴로지, 버스 토폴로지, 링 토폴로지 등과 같은 네트워크의 물리적 레이아웃 및 연결 모드가 포함됩니다.
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다음은 몇 가지 일반적인 유형의 물리적 토폴로지입니다.

8.1 스타 토폴로지

스타 토폴로지에서는 모든 장치가 중앙 장치(일반적으로 스위치나 허브)에 연결됩니다. 이 토폴로지는 연결 및 유지 관리를 단순화하는 데 도움이 되지만 중앙 장치에 오류가 발생하면 전체 네트워크가 영향을 받을 수 있습니다.

8.2 버스 토폴로지

버스 토폴로지에서는 모든 장치가 공유된 메인 라인(버스)에 연결됩니다. 이 토폴로지는 비교적 간단하지만, 메인 라인에 장애가 발생하면 전체 네트워크가 중단될 수 있습니다.

8.3 링 토폴로지

링 토폴로지에서는 장치들이 링 형태로 연결되며, 각 장치는 전후에 두 개의 장치와 연결됩니다. 이 토폴로지는 흔하지 않지만 안정성 향상을 위해 중복 경로를 제공할 수 있습니다.

8.4 트리 토폴로지

트리 토폴로지는 스타와 버스 토폴로지의 조합이며 일반적으로 서로 연결된 여러 개의 스타로 구성됩니다. 이 토폴로지는 약간의 중복성과 확장성을 제공할 수 있습니다.

8.5 메시 토폴로지

메시 토폴로지에서는 각 장치가 다른 장치에 직접 연결되어 복잡한 상호 연결된 네트워크를 형성합니다. 이 토폴로지는 중복성과 신뢰성이 높지만 유지 관리가 복잡할 수 있습니다.

8.6 하이브리드 토폴로지

하이브리드 토폴로지는 여러 토폴로지를 결합합니다. 예를 들어 대규모 네트워크에서는 데이터 센터에서는 스타 토폴로지를 사용하고 지점에서는 버스 토폴로지를 사용할 수 있습니다.

적절한 물리적 토폴로지를 선택하는 것은 네트워크 크기, 성능 요구 사항, 안정성 요구 사항 및 예산 제약에 따라 달라집니다. 또한, 무선 네트워크, 클라우드 컴퓨팅 등 지속적인 기술 발전에 따라 물리적 토폴로지의 개념도 끊임없이 진화하고 있습니다. 네트워크를 설계할 때 특정 요구 사항을 충족하려면 물리적 토폴로지를 신중하게 고려해야 합니다.

9. 커넥터 및 플러그

커넥터와 플러그는 다양한 장치, 케이블 또는 구성 요소를 연결하는 데 사용되는 물리적 부품입니다. 전자, 전기, 통신 및 컴퓨터 시스템에서 중요한 역할을 하며 다양한 장치가 서로 통신하고 데이터와 에너지를 전송할 수 있도록 해줍니다. 다음은 몇 가지 일반적인 커넥터 및 플러그 유형입니다.

9.1 USB 커넥터 및 플러그

USB(범용 직렬 버스) 커넥터 및 플러그는 컴퓨터, 주변 장치, 모바일 장치 등을 연결하는 데 사용됩니다. USB 커넥터는 USB-A, USB-B, 마이크로 USB, 미니 USB, USB-C 등 다양한 크기로 제공됩니다.

9.2 RJ45 커넥터 및 플러그

RJ45 커넥터 및 플러그는 LAN(근거리 통신망) 연결 및 네트워크 케이블과 같은 이더넷 네트워크 연결에 일반적으로 사용됩니다. 일반적으로 컴퓨터, 라우터, 스위치 등과 같은 장치를 연결하는 데 사용됩니다.

RJ45 크리스탈 헤드는 이더넷(Ethernet) 케이블을 연결하는 데 사용되는 커넥터로 일반적으로 근거리 통신망(LAN)과 광역 통신망(WAN)에서 사용됩니다. 네트워크를 설치하고 유지 관리할 때 안정적인 네트워크 연결과 고속 데이터 전송을 보장하려면 RJ45 크리스탈 헤드를 올바르게 만드는 것이 매우 중요합니다.
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9.2.1 T568A 표준

: T568A 표준은 RJ45 크리스탈 플러그의 라인 순서 배열 표준입니다. T568A 표준에 따라 RJ45 플러그의 라인 순서는 다음과 같습니다.

Pin 1: 白绿
Pin 2: 绿
Pin 3: 白橙
Pin 4: 蓝
Pin 5: 白蓝
Pin 6: 橙
Pin 7: 白棕
Pin 8: 棕

9.2.2 T568B 표준

T568B 표준은 일반적으로 사용되는 또 다른 RJ45 크리스털 커넥터 라인 시퀀스 표준입니다. T568B 표준에 따라 RJ45 플러그의 라인 순서는 다음과 같습니다.

Pin 1: 白橙
Pin 2: 橙
Pin 3: 白绿
Pin 4: 蓝
Pin 5: 白蓝
Pin 6: 绿
Pin 7: 白棕
Pin 8: 棕

두 표준 모두 실제 응용 분야에서 일반적입니다. 네트워크에서는 연결의 일관성을 보장하기 위해 일반적으로 RJ45 크리스탈 헤드 생산을 위한 표준이 선택됩니다. 또한 두 대의 컴퓨터를 연결하는 데 사용되는 "크로스오버(Crossover)" 또는 "크로스오버(Crossover)"라는 와이어맵을 만드는 방법이 있습니다.

9.3 HDMI 커넥터 및 플러그

HDMI(고화질 멀티미디어 인터페이스) 커넥터 및 플러그는 고화질 TV, 모니터, 프로젝터 등 간에 오디오 및 비디오 신호를 전송하는 데 사용됩니다.

9.4 오디오 커넥터 및 플러그

오디오 커넥터 및 플러그는 스피커, 헤드폰, 마이크 및 사운드 시스템과 같은 오디오 장비를 연결하는 데 사용됩니다. 일반적인 오디오 커넥터에는 3.5mm(1/8") 스테레오 플러그가 포함됩니다.

9.5 VGA 커넥터 및 플러그

VGA(비디오 그래픽 어레이) 커넥터 및 플러그는 컴퓨터를 모니터, 특히 과거에는 더 일반적이었던 CRT 모니터에 연결하는 데 사용됩니다.

9.6 DisplayPort 커넥터 및 플러그

DisplayPort 커넥터 및 플러그는 컴퓨터, 모니터 및 기타 멀티미디어 장치를 연결하는 데 사용되며 고해상도 비디오 및 오디오 전송을 지원합니다.

9.7 전원 커넥터 및 플러그

전원 커넥터와 플러그는 전자 장비를 전원에 연결하는 데 사용됩니다. 다양한 크기와 형태로 제공되며 노트북, 데스크톱 컴퓨터, 모바일 장치 등과 같은 다양한 유형의 장치에 사용됩니다.

9.8 SC, LC, ST 및 기타 광섬유 커넥터

이 커넥터는 광섬유 케이블을 연결하여 고속 데이터 및 통신 신호를 전송하는 데 사용됩니다. 현재 주류는 LC 유형 광섬유 인터페이스입니다.

플랫 케이블 및 플러그

플랫 케이블과 플러그는 컴퓨터 내부의 하드 드라이브, 마더보드 등과 같은 내부 전자 장치를 연결하는 데 자주 사용됩니다.

센서 커넥터 및 플러그

자동화, 측정 및 제어에서 다양한 센서에는 특정 유형의 커넥터와 플러그가 필요한 경우가 많습니다.

요약하다

물리 계층은 컴퓨터 네트워크의 기본 계층으로, 전송 중 데이터의 "신뢰성"과 "무결성"을 보장하면서 한 장소에서 다른 장소로 데이터를 전송하는 역할을 담당합니다. 여기에는 물리적 매체에서 데이터를 효율적으로 전송하기 위한 다양한 기술과 개념이 포함됩니다.

네트워크의 기본 학습을 마스터해야 합니다: 네트워크의 물리적 계층 개요(풀 버전)