[Network] OSI 7 Layer - Physical Layer

in Development on Client, Network, Osi7layer
[Network] OSI 7 Layer - Physical Layer

“해당 포스팅은 우아한Tech의 [10분 테코톡] 🔮 히히의 OSI 7 Layer을 참고하여 포스팅하였습니다. 영상을 제작해주신 우아한Tech와 히히님에게 감사드립니다.”

#목차

Physical Layer

Physical Layer

두 대의 컴퓨터가 통신하려면?

모든 파일과 프로그램은 0과 1의 나열

Two Computer Communications

“두 대의 컴퓨터를 전선 하나로 연결한다고 가정”

  • 모든 파일과 프로그램은 0과 1의 나열이다.
  • 1을 보낼 때는 +5V의 전기를, 0을 보낼 때는 -5V의 전기를 전선으로 보낸다고 가정해 보자.
  • 이렇게 하면 0과 1의 전송이 가능할 것이다.
  • 하지만, 위 방법은 문제가 있는데, 실제론 잘 작동하지 않는다.

실제론 잘 작동하지 않는 문제 발생

Sin Graph

“전자기파를 표현하는 Sin 함수 그래프”

  • 주파수란? 1초당 진동한 진동 횟수. 단위 : Hz(헤르츠)
  • 1초당 진동한 진동 횟수를 Hz(헤르츠)라고 하고, 위 예시는 1초에 4번의 사이클이기 때문에 4Hz(헤르츠)가 된다.
  • 위 그래프는 파동이 진행되는 내내 주파수가 4Hz(헤르츠)이다.

만약, 일정하지 않은 주파수이면?

Irregular Sin Graph

“이런 전자기파는 주파수 값이 숫자 하나로 고정되지 않고, 파동이 진행되는 동안 주파수 값이 계속 변하게 된다.”

  • 하지만, 위 그림처럼 일정하지 않은 주파수이면 어떻게 되는 것일까?
  • 위 전자기파의 주파수 최솟값이 1Hz, 최댓값이 10Hz라고 생각해 보자.
  • 그런데, 모든 전선에는 저항이 있어 전선에 맞는 허용 범위의 전류와 전압이 있다.
  • 즉, 전선은 모든 전류, 그리고 모든 주파수를 다 통과시키지 못하고 허용 범위가 생긴다.

모든 전선에는 저항이 있어 전선에 맞는 허용 범위의 전류와 전압이 존재

Electric Wire

“KS C IEC - IEC(국제 전기 표준화 기구)를 KS(한국 산업 표준)에 맞게 표준화”
“2CX 2.5SQ MM - 2core(2가닥의 전선)와 각 전선의 굵기는 2.5SQ (MM) 2.5mm”
“300(상전압)/500(선간전압)V - 허용 범위의 전압(Volt), 국내 가정용 220V 표준”
“KS C IEC 53 - 케이블의 종류(해당 케이블은 VCTF)”

  • 우리나라의 허용범위 주파수는 60Hz이다.
  • 이유는 우리나라 주파수는 왜 60Hz일까? 자료를 참고해 주시길 바란다.
    • 간단하게 설명하자면, 우리나라는 그 당시 미국의 영향을 많이 받아 미국 방식을 채택하게 된 것.

잘못된 데이터 수신

Problem

“Hz의 허용 범위가 다른 전선의 사용한 경우 잘못된 데이터를 수신할 수 있게 되는 문제점 발생”

  • 보내는 쪽에서는 1~10Hz의 데이터 안녕을 보낸다.
  • 하지만, 전선의 주파수 허용 범위가 5~8Hz여서 1~4Hz, 9~10Hz의 데이터가 손상이 된다.
  • 그래서 받은 데이터는 전혀 다른 데이터를 받게 되는 문제가 발생한다.
  • 그런데, 앞에서 두 대의 컴퓨터가 통신하려면 0과 1을 주고받을 수 있으면 된다고 했는데, 그 방법은 두 대의 컴퓨터에 다음과 같은 전자기파를 주고받을 수 있으면 된다.

수직/수평선이 있는 전자기파

Vertical Horizontal_Wave

“그런데, 수직선과 수평선이 있는 전자기파는 항상 0~무한대 Hz의 주파수 범위를 갖는다?”

“수직선과 수평선이 있는 전자기파는 편파(polarized) 전자기파이며, 편파 전자기파는 진폭이 한 방향으로 고정되어 있고, 이러한 편파 전자기파는 하나의 평면에서 전파가 진행된다.”
“따라서, 수직선과 수평선이 있는 전자기파의 주파수 범위는 항상 0 ~ 무한대(Hz)를 갖는다. 왜냐하면 편파 전자기파는 진폭이 한 방향으로 고정되어 있으며, 주파수는 전파의 진동수를 나타내기 때문이다.”

“따라서, 수직선과 수평선이 있는 전자기파는 특정한 주파수 범위에서만 발생하는 것이 아니라, 전체 주파수 범위에서 발생할 수 있다.”

무한 vs 유한 전자기파

Vertical Horizontal_Wave

  • 위 내용을 나만의 해석을 통해 조금 더 쉽게 이해하자면…
  • 왼쪽 그래프에서는 0초에서 0.1초의 전압은 0V이기 때문에 전자기파가 생겨나지 않는다. 즉, 0Hz의 주파수를 갖는다.
  • 0.1초에서부터 +5V 이상의 수직적 전압이 발생하여 전자기파가 생겨났다.
  • 시간의 흐름에 따라 서서히 증가 또는 감소하는 것이 아니라 해당 시간에 수직으로 생겨난 전압이기 때문에 0.1초에는 측정 불가한 무한대의 Hz를 갖는다.
  • 오른쪽 그래프에서는 시간에 따라 서서히 전압이 증가 또는 감소하는 것을 볼 수 있다.
  • 따라서, 왼쪽 그래프는 시간이 변하지 않고 해당 시간에 수직적이고 무한한 전압이 생성되었기 때문에 측정 불가한 무한대의 Hz를 갖는 전자기파가 생성된다.

  • 오른쪽 그래프는 시간에 따라 변화하는 전압이 발생하므로 측정 가능한 유한대의 Hz를 갖는 전자기파가 생성된다.

  • 결론은, 이러한 무한한 Hz의 전기신호를 통과시킬 수 있는 전선은 없다.
  • 그렇다면 0과 1의 신호를 어떻게 전송해야 할까?

디지털 신호를 아날로그 신호로

Digital to Analog

“디지털 신호를 아날로그 신호로 바꿔서 전송해야 한다.”

아날로그 신호의 특징

  • 아날로그 신호는 끊김 없이 연속된 신호로 이루어져 있다.
  • 신호의 세기를 아주 정밀하게 표현이 가능하다.
  • 거리에 따라 신호의 세기가 약해지면서 결국 소멸되는 특징을 가지고 있다.
  • 전자기파의 스펙트럼을 통해 다양한 데이터들을 송/수신할 수 있게 되었다.

디지털 신호의 특징

  • 디지털 신호는 1로 표현하고 싶을 땐 특정 전압 이상을 가하고, 0으로 표현하고 싶을 땐 특정 전압의 미만로 가해 표현한다.
  • 즉, 1을 5V라고 가정할 때 1로 표현하고 싶으면 5V 이상의 전압을 가하고, 0으로 표현하고 싶을 땐 5V 미만의 전압을 가하게 된다.
  • 디지털 신호 그래프의 0은 끊어진 것처럼 보이지만 사실 끊어진 게 아니라 특정 전압 미만이기 때문에 0으로 그래프상 표시한 것뿐이다. 실제론 계속 전류는 흐른다.

아날로그 신호와 디지털 신호를 합치면

Digital And Analog

  • 위 그림처럼 컴퓨터는 특정 전압(예 5V)을 기준으로 미만은 0으로, 이상은 1로 인식하여 2진수의 데이터를 송/수신하게 된다.
  • 그렇게 송/수신한 데이터를 가지고 어떠한 기능((예) 해석, 출력, 등등)을 실행하게 된다.

아날로그 신호의 데이터화

Data Collection Graph

“1byte는 8bit이다.”

  • 위 그래프는 1초 동안 발생한 아날로그 신호를 디지털 신호로 해석한 그래프이다.
  • 위 그래프에서 볼 수 있듯이 200ms는 1btye의 데이터를, 100ms는 2btye의 데이터를, 50ms는 3btye의 데이터를 수집할 수 있는 것을 볼 수 있다.
  • 1초의 시간을 촘촘히 측정할 수 있게 된다면 더 많은 양의 데이터를 주고받을 수 있게 된다.
  • 또한, 조금 더 촘촘히 많은 데이터를 수집할 수 록 아날로그 데이터에 굉장히 가까워진다.
  • 하지만, 아무리 아날로그 신호를 디지털 신호로 바꾸어도 어쩔 수 없이 데이터 왜곡은 생기기 마련이다.

가정에서 많이 사용하는 CAT5.E Cable

CAT.5E Cable

CAT.5E vs CAT.6 차이

CAT.5E vs CAT.6 Cable

“bps = bit per second(1초당 몇 비트를 전송하는가?) 즉, 100메가 인터넷 속도는 100Mbps이고 이는 1초에 100Megabit 즉, 12.5MB(메가 바이트)의 데이터를 다운로드할 수 있다는 이야기다.
또한 100MHz(100 메가헤르츠) 주파수의 전파는 1초에 100만 번 진동한다는 의미이다.”

  • 1초에 100MHz의 데이터 전송이 가능한 케이블이다.
  • 참고로, 1초에 진동하는 주파수가 많을수록 주파수가 높다고 표현을 한다.
  • 주파수가 높을수록 빛과 같이 직진성이 강해서 특정 방향으로 송신하는데 유리하고 많은 정보를 실을 수 있다는 장점이 있다.
  • 하지만, 비가 오거나 안개가 많이 낀 날은 공기 중에 물방울과 수증기가 많아지기 때문에 전파가 흡수되어 멀리 전파될 수 없다는 단점이 있다.
  • 반대로 주파수가 낮은 전파는 직진성은 약하지만 장애물을 뛰어넘는 특성이 있어 넓은 지역을 커버하는데 유리다. 하지만 주파수가 낮을수록 실을 수 있는 데이터 정보량은 적다.
  • 위에서 예시로 든 50ms(1초에 2번의 주파수)와 1초에 100MHz(1초에 1,000,000번 - 100만 번의 주파수)의 데이터 수집 양에 엄청난 차이를 느낄 수 있다.
    • 참고로, “현재 통신사에서 1기가 인터넷을 최대 속도로 서비스하고 있는 상황에서 케이블의 종류에 따른 속도의 차이는 없다.”
    • 다만, 차후 2.5G나 5G의 속도가 상용화되면 지금의 1Gbps보다 빠른 속도를 제공받을 수 있다는 이야기.

위 전파(전자기파) 신호를 담당하는 하드웨어 PHY 칩

Phy 칩

  • Physical Layer는 하드웨어적으로 구현되어 있다.
  • PHY 칩이 아날로그 신호를 디지털 신호(decoding)로,
  • 디지털 신호를 아날로그 신호(encoding)로 변환해 주는 하드웨어이다.

그래서 결국 Physical Layer란?

  • 물리적인 전선과 Phy 칩을 통해 0과 1의 나열된 신호를 통신하는 계층이다.
  • 0과 1의 나열된 디지털 신호를 아날로그 신호로 바꾸어 전선을 통해 송신하게 된다. -> encoding
  • 아날로그 신호가 들어오면 0과 1의 나열로 해석한다. -> decoding
  • 물리적으로 연결된 두 대의 컴퓨터가 0과 1의 나열을 주고받을 수 있게 해주는 모듈(module)이다.

Reference