[CCAN] 물리 계층

연결 유형

- 유선 연결과 무선 연결이 있다.

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네트워크 인터페이스 카드 ( NIC )

- NIC는 장치를 네트워크에 연결할 때 사용된다.

- 유선 LAN : 유선 NIC , 무선 LAN : 무선 NIC

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물리 계층

- 데이터 링크 계층 프레임을 구성하는 비트를 네트워크 미디어로 전송하는 수단을 제공한다.

- 데이터 링크 계층으로부터 완전한 프레임을 받아들여, 로컬 미디어로 전송되는 일련의 신호로 인코딩한다.

- 프레임으로 구성된 인코딩 된 비트는 엔드 장치 또는 중간 장치에서 수신된

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물리 계층의 매체

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Electrical Signals - 구리선 ( 전파 )

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Light Pluse - 광케이블 ( 광 )

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Microwave Signals - 무선 ( 전파 )

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물리 계층의 특징

- Encoding

· 데이터 비트 스트림을 미리 정의된 "코드"로 변환하는 방법

· 프레임을 코드로 나타낼 때 인코딩이라고 한다.

· 전파가 내려가면 0 올가라면 1을 의미한다.

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- 신호 방식

· 비트를 나타내는 방법

· 물리적 계층 표준은 어떤 유형의 신호가 "1"을 나타내고 어떤 유형의 신호가 "0"를 나타내는지 정의할 수 있다.

· 긴 펄스는 1을 나타낼 수 있고 짧은 펄스는 0을 나타낼 수 있다.

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대역폭

- 데이터를 전송할 매체 용량

- 디지털 대역폭은 주어진 시간 내에 한 장소에서 다른 곳으로 흐를 수 있는 데이터의 양을 측정한다.

- 대역폭은 때떄로 비트가 이동하는 속도로 생각되지만, 항상 일정하지 않아서 속도로 보면 안 된다.

- 매체가 같은 속도는 똑같으므로 이것을 나타낼 때는 속도로 표현한다.

- 대역폭은 속도가 아닌 데이터 양이다

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처리량

- 주어진 시간 동안 미디어를 통해 전송된 비트를 측정한다. 이것을 속도라고 보면 된다.

- 한 시간 동안 지나갈 수 있는 데이터의 양은 밴 드윗이라고 부른다.

- 일반적으로 많은 요인 때문에 물리적 계층 구현에 지정된 대역폭과 일치하지 않는다.

  · 교통량

  · 트래픽 유형

  · 소스와 대상 간에 발생한 네트워크 디바이스에 의해 생성된 지연 시간

- Throughput : 지정된 시간 내에 전송된, 혹은 처리된 전체의 유효한 정보량

- Goodput : 지정된 시간 내에 전송된, 혹은 처리된 전체의 유효한 정보량에서 처리된 실제 데이터량

- Deadput : 정보량(Throughput) - 처리된 실제 데이터량(Goodput)을 데드 풋이라고 한다.

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물리적 미디어 유형

- 포트마다 역할이 정해져 있고 포트마다 대역폭 또한 다르다 ( fa, giga )

- 스위치 포트는 2 계층의 역할을 하고 기가 포트는 3 계층의 역할도 한다.

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구리 케이블 : 구리 매체의 특성

- 구리 케이블을 통해 전기 펄스가 전송된다.

- 감쇠 : 저항 때문에 신호가 길어질수록 신호가 약화된다.

- 모든 구리 매체는 엄격한 거리 제한을 따라야 한다.

- 전자기 간섭 또는 무선 주파수 간섭 : 구리 매체가 전달하는 데이터 신호를 왜곡 및 변조한다.

  · 전자기 간섭(EMI) : crt모니터 옆에 컴퓨터를 켜면 화면이 지지직 거리는 것은 생각하면 된다.

  · 무선주파수 간섭(RFI) : 마이크를 쓰고 있을 때 문자를 보내면 마이크 소리가 튀는 현상이다.

- 누화 : 한 접속로의 신호가 다른 접속로에 전자기적으로 결합되어 영향을 미치는 현상

  -> 서로 반대 방향의 회로 선(와이어) 쌍이 꼬아 효과적으로 누화를 무효화한다.

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UTP 케이블

- 일반적인 네트워킹 매체

- 서로 색이 다른 꼬인 선 4쌍이고 RJ-45 커넥터로 마감한다.

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특징

- 내부에 꼬여진 4쌍의 케이블이 각기 다른 꼬임 수로 꼬여져 있고 꼬임수를 다르게 하고 전기 회로의 두 전선을

가까이 배치하면 자기장이 서로 정확하게 반대가 되며 EMI 및 RFI 외부 신호가 무효화된다.

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연결 표준

- UTP 케이블은 TIA/EIA가 제정한 표준을 준수한다.

Category 3 Cable

- 전화선(음성 통신)에 사용된다.

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Category 5 and 5e Cable

- 데이터 전송에 사용한다.

-Cat5는 100Mb / s를 지원하며 1000Mb / s를 지원할 수 있지만 권장되지는 않는다.

-Cat 5e는1000 Mb / s를 지원한다

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Category 6 Cable

- 데이터 전송에 사용한다.

- 추가된 분리기는 각 쌍의 선 사이에 있어 고속으로 작동할 수 있다

- 1000 Mb / s - 10 Gb / s 지원, 10 Gb / s 권장되지 않는다

 

케이블 유형

Ethernet Straight-through(이더넷 스트레이트 쓰루) : 다른 장비끼리 연결하는 경우

ex) 스위치와 PC, 라우터와 PC

Ethernet Crossover (이더넷 크로스오버) : 비슷한 장비끼리 연결하는 경우

ex) 스위치와 스위치, PC와 PC, 라우터와 라우터)

Rollover(롤 오버) : 이는 뒤집어서 꼬다리를 꼽은 상태로 콘솔 포트 전용이다.

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STP케이블

- 꼬인 선을 한쌍씩 감싸는 포일 실드와 전체를 다시 금속 끈이나 포일로 감싼 형태이기 때문에

UTP보다 노이즈 방지 기능이 우수하다.

- 비용이 비싸고 설치하기가 어렵다.

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동축 케이블

- 외부 재킷 하나와 구리 실드, 플라스틱 실드 하나와, 내부 구리로 된 코어 하나가 있으며 요즘에는 찾아보기 힘들다.

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구리 매체 안정성

- 구리 매체는 화재 및 전기 위험의 영향을 받기 쉽다.

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광섬유 케이블 특성

- 장거리 및 고 대역폭에서 데이터를 전송한다.

- 감쇠가 적은 신호를 전송하고 EMI 및 RFI에 영향을 받지 않는다.

- 비트는 빛 펄스(파동/점멸)로 광섬유에 인코딩 된다.

- 기업 네트워크, FTTH(집에서 쓰는 용), 장거리 네트워크, 해저케이블 네트워크 등등에 사용된다.

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광섬유 매체 케이블 디자인

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Core : 빛이 지나가는 부분

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Cladding : 빛의 확산을 막는 부분

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Buffer : 코어 및 Cladding이 손상되지 않도록 보호하는 데 사용

 

 

섬유 매체의 유형

- 멀티모드 : 코어의 직경이 크기 때문에 빛의 각도를 여러 방향으로 조정이 가능하여 여러 신호를 넣을 수 있다.

- 싱글모드 : 얇고 멀티모드에 비해 5배 코어가 얇다.

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- 코어는 보통 여러 개가 들어가고 8개가 들어간 경우 8 코어 광케이블이라고 부른다.

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광섬유 커넥터

- 빛은 광섬유를 통해 한 방향으로 만 이동할 수 있으며 전이중 작동을 지원하려면 두 개의 광섬유가 필요하다.

Straight-Tip (ST) 커넥터

- 돌려서 잠그고 푸는 1세대 광케이블

 

Subsciber Connector(SC) 커넥터

- 정사각형 표준 커넥터

 

Lucent LC Simplex 커넥터

- 작은 크기의 SC와 크기 때문에 인기가 많다.

 

DuplexMultimode LC 커넥터

- LC와 유사하지만 이중 커넥터를 사용한다.

 

보통 주황색 케이블은 다중 모드 케이블이고 노란색은 단일 모드 광섬유 케이블이다.

광섬유 케이블은 사용하지 않을 때는 작은 플라스틱 뚜껑으로 보호해야 한다.

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섬유 케이블 테스트 ↓

광섬유 터미네이션(마감) 및 접합 오류

- Misalignment(오정렬) : 광섬유 매체는 결합 시 정확하게 정렬되지 않는다.

- End gap(끝 간격) : 매체가 스플라이스(붙인 부분)나 연결부에 완전히 닿지 않는다.

- End finish(끝마감) : 매체 끝이 잘 연마되지 않았거나 끝 부분에 먼지가 있다.

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섬유 VS 구리

구현 문제	UTP 케이블	광섬유 케이블
대역폭 지원	10 Mb/s - 10 Gb/s	10 Mb/s - 100 Gb/s
거리	상대적으로 짧음 (1-100 미터)	상대적으로 김 (1-100,000 미터)
EMI 및 RFI에 대한 내성	낮음	높음 (완전 면역)
전기 위험에 대한 내성	낮음	높음 (완전 면역)
매체 및 커넥터 비용	가장 낮음	가장 높음
설치 기술 필요	가장 낮음	가장 높음
안전 예방 조치	가장 낮음	가장 높음

무선 매체의 속성

- 무선 매체는 라디오 또는 마이크로 웨이브 주파수를 사용하는 데이터 통신의 2진수를 나타내는 전자기 신호를 전달

- 무선 관련 영역

  · 적용 범위 : 건물 및 구조물 및 현시 지형에 사용되는 건축 자재는 적용 범위를 제한한다.

  · 간섭 : 형광등, 전자레인지 및 기타 무선 통신과 같은 일반적인 장치로 인해 장애가 발생한다.

  · 보안 : 네트워크에 대한 액세스 권한이 없는 장치 및 사용자는 전송에 액세스 할 수 있다.

  · 공유 매체 : 한 번에 하나의 장치만 보내거나 받을 수 있으며 무선 매체는 모든 무선 사용자 간에 공유된다.

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Wireless LAN

- Wireless Access Point(AP) : 사용자의 무선 신호를 집중화하고 이더넷과 같은 기존 구리 기반 네트워크 인프라 연결

- Wirelsee NIC adapters : 각 네트워크 호스트에 무선 통신 기능을 제공한다.

- 무선통신의 표준안은 802.11이며 b, a, g, n 식으로 발전해왔고 지금 현재는 2.4g와 5g 모두를 호환하는 ac가 많이 사용되고 있다.

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데이터 링크 하위 계층

- 논리적 링크 제어 ( LLC )

 · 네트워크 계층과의 소통한다.

 · 프레임에 사용 중인 네트워크 계층 프로토콜을 식별한다.

 · IPv4 및 IPv6와 같은 여러 개층 3 프로토콜이 동일한 네트워크 인터페이스와 미디어를 활용할 수 있도록 해야 한다.

 · 즉, 이 영역은 소프트웨어적인 개념이 강하다.

- 미디어 액세스 제어

 · 하드웨어에서 수행하는 미디어 액세스 프로세스를 정의한다.

 · 데이터 링크 계층 주소 지정 및 다양한 네트워크 기술 액세스를 제공한다.

 · 이더넷과 통신하여 구리 또는 광섬유 케이블을 통해 프레임 전송 및 수신한다.

 · Wi-Fi 및 블루투스와 같은 무선 기술과의 통신이다.

 · 즉, 이 영역은 하드웨어적인 개념이 강하다.

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미디어 액세스 제어

- 패킷이 소스 호스트에서 대상 호스트로 이동함에 따라 다른 물리적 네트워크를 통해 이동한다.

- 매체가 달라질 때마다 프레임의 헤더와 꼬리가 달라진다.

- 물리적 네트워크는 구리선, 광섬유 및 전자기파 신호, 라디오 및 마이크로파 주파수 및 위성 링크로 구성된

  무선과 같은 다양한 유형의 물리적 매체로 구성될 수 있다.

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미디어에 대한 액세스 제공

- 경로에 따라 각 홉에서 라우터

  · 매체에서 프레임 수락

  · 프레임 캡슐화

  · 패킷을 새 프레임으로 다시 캡슐화

  · 해당 세그먼트의 매체에 적합한 새 프레임 전달

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미디어 접근 제어

- 미디어 접근 제어는 도로로 들어가는 자동차의 입구를 규제하는 교통법규와 같다.

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물리적 토폴로지

- 물리적 연결을 참조하고 라우터, 스위치 및 무선 액세스 지점과 같은 최종 장치와 인프라 장치가 상호 연결되는 방법을 식별

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Point-to-Point : 두 엔드포인트 간의 영구 링크

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허브 앤 스포크 : 중앙 사이트는 지점 간 링크를 사용하여 분기 사이트를 상호 연결한다.

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Mesh : 고가용성을 제공하지만 모든 엔드 시스템을 다른 모든 시스템과 상호 연결해야 함 행정 비용과 물리적 비용은 상당할 수 있다.

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논리적 토폴로지

- 네트워크가 한 노드에서 다른 노드로 프레임을 전송하는 방식을 말한다.

이러한 논리적 신호 경로는 데이터 링크 계층 프로토콜에 의해 정의된다.

Star : 엔드 장치는 중앙 중간 장치에 연결된다.

가운데에 스위치가 존재, 이더넷 스위치를 사용한다.

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Extended Star : Star형 2개를 이어 붙인 형태

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Bus : 레거시 네트워크에서 사용됨 전형적인 콜리전 도메인을 보여주는 토폴로지

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Ring : Bus형과 달리 흐름 제어 기능이 있는 토폴로지

토큰을 사용하는 형식이라 콜리 전이 없다는 것이 큰 특징

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이중 통신과 전이중 통신

- 반이중 통신 : 두 장치 모두 통신과 수신을 할 수 있지만 동시에 송수신은 불가능하다.

WAN이 해당 방식으로 동작

ex) 무전기

- 전이중 통신 : 동시에 송수신이 가능하다.

ex) 서버에 달린 스위치, 전화기

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미디어 접근 제어 메서드들

- 우발적 접근

  · 노드는 반 이중 방식으로 작동

  · 한 번에 하나의 장치만 보낼 수 있기 때문에 매체의 사용을 위해 경쟁한다.

  · 버스형 토폴로지와 동일한 형태

- 제어 접근

  · 각 노드는 매체를 사용할 수 있는 고유한 시간이 있다.,

  · 링형 토폴로지의 설명과 동일한 형태

- 우발적 접근 ( CSMA/CD )

  · 반이중 이더넷 LAN망에서 사용된다.

  · 먼저 사용 여부를 확인한 뒤 사용하는 방식이며 충돌 발생 시 랜덤 한 대기시간을 부여하여 접근을 제어하는 방식이다.

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Contention-based Access - CSMA/CA

- CSMA/CA

  · 미디어가 명확한지 탐지하는 방법 사용

  · 충돌을 감지하지 않고 전송하기 전에 기다림으로써 충돌을 피하려고 시도한다.

- 스위치를 사용하는 이더넷 LAN은 스위치와 호스트 NIC가 전이중 모드에서

작동하기 때문에 경쟁 기반 시스템을 사용하지 않는 것이다.

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프레임 영역

- Header, Data(3 계층에서 패킷이 된다), Trailer

- 프레임 구조와 헤더, 트레일러에 포함된 필드는 3 계층 프로토콜에 따라 달라진다.

Frame Start, Stop : 프레임의 시작 한계와 끝 한계 식별

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Addressing : 데이터 필드에서 3 계층 프로토콜 식별

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Control : QoS와 같은 특수 흐름 제어 서비스를 식별

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Data : 프레임 페이로드 (ex: 패킷 헤더, 세그먼트 헤더 및 데이터 포함)

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Addressing : 목적지 MAC 주소 6Byte, 송신지 MAC 주소 6Byte

Type : 2Byte

Error Detection : 4Byte

총 18바이트 + Data(패킷의 최대량 1500Byte) -> 1518Byte

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Layer 2 Addresses

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옆 그림은 CRC는 보낼 때 한번 라우터 1에 도달할 때 1번, 라우터 1에서 보낼 때 1번

라우터 2에서 받을 때 한번 라우터 2에서 보낼 때 1번

목적지에 도달할 때 1번 총 6번 계산된다. 몇 번 계산되는지 잘 알아두자

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