TCP/IP (2) 물리계층 프로토콜

 

1. 유선LAN (IEEE802.3)

 

 

전송 속도 및 사용하는 케이블에 따라 다양한 프로토콜을 표준화하고 있다.

각 IEEEE802.3 뒤에 알파벳을 붙인 문자를 사용하며, 알아보기 쉽지 않기 때문에 전송 속도를 앞에, 전송 매체 및 레이저의 종류를 뒤에 붙인 Shorthand Name이 주로 사용된다.

 

ex) 10BASE-T : 10Mbps 속도의 Twist pare cable

 

가장 큰 기준은 사용하는 케이블이며, 트위스티드 페어 케이블과 광섬유 케이블로 나뉜다.

X는 광섬유 케이블, T는 트위스티드 페어 케이블을 의미한다.

 

 

1-1. 트위스트 페어 케이블 (Twist pare cable)

 

 

겉보기에는 하나의 케이블이지만 내부에는 8가닥씩 구리선을 2가닥씩 꼬아서 묶은 것으로 이루어져 있다.

실드, 핀, 카테고리로 분류할 수 있으며 100M의 길이 제한이 있다는 치명적인 단점이 있다.

(100M가 넘어갈 경우 패킷 손실이 발생한다.)

 

(1) 실드 유무에 따른 분류

 

실드 유무에 따라 UTP(Unshielded Twisted Pare) 케이블과 STP(Shielded Twisted Pair) 케이블로 분류된다.

- UTP 케이블 : 일반적인 LAN 케이블의 형태로 전자석 노이즈에 약하여 공장 등 전자석 노이즈가 많은 환경에서는 비적합하다.

- STP 케이블 : 구리선을 알루미늄 포일 혹은 금속으로 감싸 실드 처리를 하여 전자 노이즈를 차단하고 전기 신호의 감쇠 및 산란을 방지한다. 가격이 비싸기 때문에 특수한 경우에만 사용된다.

 

(2) 커넥터 핀 할당에 따른 분류

 

- 스트레이트 케이블 (Straight cable)

: 양 커넥터 기준으로 각 구리선이 들어가는 위치와 나오는 위치가 같은 형태로, 다른 타입의 물리 포트끼리 연결 시 사용한다.

 

- 크로스 케이블 (Cross cable)

: 양 커넥터 기준으로 각 구리선이 들어가는 위치와 나오는 위치가 다른 형태로, 같은 타입의 물리 포트끼리 연결 시 사용한다.

이는 한 쪽은 수신, 한 쪽은 송신하게하기 위함이다.

(ex L2스위치와 L2스위치)

 

(3) 카테고리에 따른 분류

 

 

트위스트 페어 케이블의 경우 카테고리 개념이 있으며 제품에 표기된 6, 5e 등이 그것이다.

현재 가정에서 주로 사용되는 것은 카테고리 5e 이상으로, 1~5는 현재 주로 사용되는 IEEE802.3ab 이상에 대응하지 않는다.

 

 

 

 

1-2. 광섬유 케이블

유리(석영)을 가느다란 관으로 만든 것으로 광 신호를 전달한다.

빛 굴절율이 높은 core와 굴절율이 낮은 cladding을 2중 구조로 만들어 빛을 가두는 mode라는 전송 통로를 만든다.

트위스트 페어 케이블과 달리 거리가 늘어도 신호가 잘 감쇠되지 않아 광대역을 유지할 수 있는 것이 장점이다.

 

(1) 케이블에 따른 분류

 

- 다중 모드 광섬유 케이블(MMF)

: 10GBASE-SR, 40GBASE-SR 등 단파장을 사용하는 프로토콜에서 사용한다.

코어 지름이 크기 때문에 mode가 분산되며 비교적 저렴하고 다루기 쉬워 LAN 같은 비교적 근거리 연결 시 사용한다.

 

- 단일 모드 광섬유 케이블(SMF)

: 1000BASE-LX, 10GBASE-LR에서 사용하낟.

코어 지름을 작게하고 코어와 클래딩의 굴절율 차를 적절하게 제어하여 mode를 하나로 만든다.

장거리 전송 및 대용량 데이터 전송이 가능하여 데이터 센터 혹은 ISP 백본 설비에 주로 사용된다.

 

- MPO(Multi-fiber Push On) 케이블

 

(2) 커넥터에 따른 분류

 

- SC 커넥터

: 플러그를 눌러 고정하고 당기는  psuh-pull 구조로 다루기 쉽고 저렴한 커넥터.

플러그가 큰 것이 단점으로 현재는 집약 효율을 위해 LC 커넥터로 대체되고 있다.

 

- LC 커넥터

: 형태와 사용성 자체는 SC 커넥터와 유사하나 플러그가 작아 더 많은 포트를 장치에 연결할 수 있다.

SFP+, QSFP+ 모듈 등에 연결 시 사용한다.

 

- MPO 커넥터

: SC 커넥터, LC 커넥터와 마찬가지로 push-pull 구조를 가지고 있다.

40GVASE-SR4의 QSFP+, 100GBASE-SR4의 QSFP28, 100GBASE-SR10의 CXP모듈 등과 연결할 때 사용한다.

 

 

 

1-3. 통신 방식

(1) 반 이중화 통신

: 송신할 때와 수신할 때 통신 방향을 전환해서 사용하는 방식을 의미한다.

양측이 같은 타이밍에 패킷을 송신하거나, 송신 중 수신하는 경우 충돌이 발생하여 jam 신호라는 비트 패턴을 송신해 무작위 시간동안 기다린 뒤 다시 송신하는 것을 반복한다.

이런 기술을 CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access With Collision Detection)이라고 부르며, 고속 통신에는 대응하기 어려워 10Gbps 이상의 프로토콜에서는 사용하지 않는다.

 

(2) 전 이중화 통신

: 송신용 전송로와 수신용 전송로를 별도로 준비하고 송신과 수신을 동시에 수행하는 방식이다.

현대의 고속 이더넷은 기본적을 전이중화 통싱 방식을 따른다.

 

(3) 오토 니고에이션(auto negotiation)

: 물리 포트에서 사용하는 프로토콜이나 통신 방식을 자동으로 식별하는 기능이다.

FLP(Fast Link Pulse)라는 신호 패턴으로 지원하는 프로토콜이나 통신 방식을 교환하여 호환 가능한 방식을 채택한다.

단, 사용하려는 기기의 모든 물리 포트에도 오토 니고에이션이 설정되어 있어야하며 한 쪽에만 설정되어 있으면 무조건 반이중화 통신으로 통신한다.

 

 

 

 

 

 

2. 무선LAN (IEEE802.11)

 

 

WIFI는 무선 LAN 제품을 보급하기 위한 목적으로 미국 업계 단체인 와이파이 얼라이언스가 수행하는 상호 연결 설정으로, IEEE802.11 대응 제품 대다수가 와이파이 설정을 지원하나 같은 개념은 아니다.

 

 

2-1. 주파수 대역

무선 LAN의 주파수 대역은 2.4GHz와 5.0GHz 중 하나로, 대역을 Channel이라는 형태로 나누어 사용한다.

 

(1) 2.4GHz 대역

: ISM(Industry Science and Medical) band라고 불리며, 전자레인지나 블루투스 등에도 사용되고 있다.20MHz씩 13개의 채널로 나누어 사용하나, 실제로는 각 채널의 파장에 간섭이 있기 때문에 동시에 사용 가능한 것은 3개 뿐이다.장애물에 강하여 옥내외에서 사용 가능하나 전자레인지, 블루투스 등의 기기와 전파 간섭을 일으켜서 패킷이 손실되는 경우가 많다.

 

(2) 5GHz 대역

W52, W53, W56의 3개 대역으로 구성되며 W52, W53은 20MHz씩 3개 채널, W56 20Mhz씩 11개 채널로 구성되어 있다.각 채널이 모두 완전히 다른 파장을 사용하기 때문에 19개의 채널을 동시에 사용 가능하다.장애물에 약하며 옥외 사용에 제한이 있다.또한, W53과 W56은 레이더파 검출 시 채널을 변경하는 DFS(Dynamic Frequency Selection)기능을 의무적으로 구현해야하며, 이 때 일시적으로 통신이 멈춘다.

 

 

2-2. 변조 방식

디지털 데이터를 아날로크 전파로 변환하는 것을 변조(Modulation)이라고 한다.변조는 데이터를 전파로 보낼 수 있게하는 1차 변조와, 전파를 노이즈에 강해지도록하는 2차 변조로 나뉜다.무선랜 프로토콜은 2차 변조 방식과 주파수 대역의 조합에 따라 결정된다.

 

(1) 1차 변조

반송파와 디지털 데이터를 조합해 전파에 싣기 위한 변조파를 만든다.무선LAN 기기는 반송파에서 전파 진폭을 바꾸거나 어긋나게하여 최대한 많은 0과 1을 보낼 수 있도록 한다.변조 방식은 BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM, 256QAM 등이 있으며 1차 변조 방식은 프로토콜의 전송 속도와 관계가 있다.

 

(2) 2차 변조

파형이 노이즈에 망가지지 않도록 하기 위한 변조로, 전파를 확산시켜 노이즈에 강하게 만든다.DSS, OFDM, MIMO-OFDM 방식이 있다.

 

 

 

 

2-3. 통신 방식

무선LAN은 같은 채널로 통신하므로 반이중화 통신으로만 작동한다.이런 단점을 극복하기 위해 CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access/ Collision Avoidance)를 사용한다.CSMA/CD와 달리 충돌하는 것 자체를 미연에 방지하는 것이 목적인 기술이다.순서는 다음과 같다.

 

(1) 무선 LAN 단말에서 프레임 전송 전 다른 단말이 전파를 사용 중인지 확인(DCF InterFrame Space)하고 확인처리한다.(Carrier Sense)(2) Idle 상태라면 무작위 시간동안 대기한다.(Back-Off)(3) Back-off가 짧은 단말부터 우선적으로 프레임을 전송하고, Busy 상태로 변경된다.(4) 액세스 포인트는 프레임을 받았다는 확인 응답 프레임을 전송하고, 그 외 단말은 전송을 보류한다.(Short InterFrame Space)(5) 모든 단말이 확인 응답 프레임을 수신한 뒤 처음부터 다시 반복한다.

 

동시에 패킷 전송하는 단말은 반드시 1대로, 20대의 단말이 1대의 엑세스 포인트를 경유해 파일 업로드 시 모든 단말이 동시에 송신하는 것처럼 보이나 한 순간에 실제로 통시하는 단말은 1대 뿐이다.

 

 

 

2-4. 고속화 기술

 

(1) 숏 가드 인터벌

무선 LAN으로 직접 들어오는 직접파와 건물 벽 등에 반사되어 도달하는 반사파(간접파)가 어긋나거나 겹쳐서 파형이 어그러지는 다중 경로 간섭(multi path interference) 발생 시 원래 전파로 복원할 수 없어서 통신이 두절되는 문제가 발생한다.이를 방지하기 위해 가드 인터벌(Guard Interval)이라는 기술로 비트를 실은 전파의 가장 마지막 부분을 일정 시간 복사하여 전파 앞부분에 붙이고, 앞뒤 전파가 다소 겹치더라도 원래 전파를 추출할 수 있도록 하는데, 숏 가드 인터벌은 여기에 필요한 복사 시간을 짧게 하는 기능이다.IEEE802.11n에서 선택 기능으로 추가되었으며 가드 인터벌 기준 2배, 전체 전송시간 기준 최대 1.1배 속도를 향상시킬 수 있다.

 

(2) 채널 본딩

인접한 채널을 동시에 사용함으로써 전송 속도를 향상하는 기술이다.IEEE802.11n부터는 채널 본딩으로 여러 채널을 동시에 사용하여 패킷을 전송할 수 있게 되었다.대역폭을 2배로 만들면 전송 속도는 2배가 되며, 2.4GHz는 채널 본딩 시 채널을 배치할 수 없기 때문에 5Ghz 대역에서 사용해야 한다.

 

(3) MIMO(Multi-input Multi-output)

무선 LAN에서 bit의 전송로인 공간 스트림(space stream)을 여럿 사용함으로써 전송 속도를 높이는 기술이다.IEEE802.11n부터 최대 4개 안테나, 4공간 스트림을 사용할 수 있게 되었으며 IEEE802.11ac부터 최대 8개 안테나, 8공간 스트림을 동시에 사용해 더 많은 비트를 전송할 수 있게 되었다.채널 본딩과 마찬가지로 대역폭을 늘리면 전송 속도 또한 비례해서 늘어난다.

 

(4) 빔 포밍

스마트폰 혹은 PC 등 무선 LAN 단말에 pin point로 전파를 보내는 기능으로 IEEE802.11ac부터 표준 기능으로 내장되었다.위상 제어를 통해 전파에 지향성을 만들고 무선 LAN 단말에 대해 핀 포인트로 전파를 보내 전송 속도가 향상되고, 간섭 범위가 좁아져 통신 품질도 향상된다.

 

 

 

2-5. 기타 무선 프로토콜

 

 

(1) 블루투스

IEEE802.15.1로 표준화된 저전력 근거리 무선 통신 프로토콜이다.2.4GHz대역을 79개 채널로 나누고 1초에 1600회 채널을 바꾸며 통신하는 FHSS(Frequency Hopping Spread Spectrum)이라는 변조 방식을 채용한다.AFH(Adaptive Frequency Hopping)으로 에러가 많이 발생하는 채널을 검출하여 해당 채널을 회피하는 방식으로 전파 간섭이 없도록 통신한다.

 

(2) 지그비

IEEE802.15.4에서 표준화된 저넌력 근거리 무선 통신 프로토콜이다.속도나 전송 거리가 굉장히 열악하나, 그만큼 소비 전력과 대기 전력이 굉장히 적기 때문에 스마트홈 가전이나 제조공종 센서 등 필요할 때만 사용하는 IoT에서 주로 이용한다.2.4GHz 대역을 16개 채널로 사용하며 최대 250kbps의 전송 속도를 낸다.