1계층 — 물리 계층 (Physical Layer)
역할: 0과 1의 비트를 전기·광·무선 신호로 변환하여 물리적으로 전송
PDU: 비트 (Bit) | 장비: 허브, 리피터, 케이블, 커넥터
PDU: 비트 (Bit) | 장비: 허브, 리피터, 케이블, 커넥터
전송 매체
| 매체 | 종류 | 특징 |
|---|---|---|
| UTP | 비차폐 꼬임쌍선 | 가장 일반적. Cat5e/Cat6 |
| STP | 차폐 꼬임쌍선 | 노이즈 차폐. 비용 높음 |
| 동축케이블 | Coaxial | TV·구형 이더넷 |
| 광케이블 | SMF/MMF | 장거리·고속. 빛 신호 사용 |
장비 역할
| 장비 | 역할 |
|---|---|
| 허브 | 모든 포트에 신호 복사 (브로드캐스트) |
| 리피터 | 신호 증폭·재생 (거리 연장) |
| 케이블 | 물리적 전송 매체 |
| 커넥터 | RJ-45, BNC, LC 등 |
허브 vs 스위치: 허브=1계층(신호 무조건 복사) / 스위치=2계층(MAC 기반 선택 전달) → 스위치가 훨씬 효율적
⚙️ 처리 방법 — 이 계층이 하는 일
| 기능 | 내용 |
|---|---|
| 비트 → 신호 변환 | 0과 1을 전압·빛·전파 로 바꾼다. 반대편에서는 신호를 다시 비트로 되돌린다 |
| 전송 부호화 (Line Coding) | 비트열을 실제 전송에 적합한 파형으로 바꾼다 (NRZ · 맨체스터 · AMI 등) |
| 비트 동기 | 송·수신이 같은 시점에 비트를 읽도록 클럭을 맞춘다. 부호에 타이밍 정보를 심어 해결 |
| 전기적 규격 | 전압 레벨, 임피던스, 핀 배치, 커넥터 모양, 최대 전송 거리를 규정 |
| 전송 모드 결정 | 단방향 / 반이중 / 전이중, 직렬 / 병렬, 동기 / 비동기 |
⚠ 물리 계층은 "의미"를 모른다 — 주소도 없고 오류 검출도 하지 않는다.
그저 비트를 그대로 실어 나를 뿐이다. 오류 검출은 2계층부터 시작한다.
📶 전송 부호 (Line Code)
좋은 전송 부호의 조건 — ① 대역폭이 좁을 것 ② 부호가 간단하고 일관성 있을 것
③ 타이밍(동기) 정보를 포함할 것 ④ DC 성분이 없을 것 ⑤ 오류 검출·정정이 쉬울 것 기출
| 부호 | 표현 방식 | 동기 | DC 성분 | 비고 |
|---|---|---|---|---|
| NRZ Non Return to Zero | 1=High, 0=Low 로 구간 내내 유지 | 약함 | 있음 | 가장 단순. 0이나 1이 길게 이어지면 동기를 잃음 |
| RZ Return to Zero | 비트 중간에 0으로 복귀 | 좋음 | 있음 | 대역폭을 2배 차지 |
| 맨체스터 | 비트 중앙에서 반드시 천이 (0=하강, 1=상승) | 우수 | 없음 | 이더넷 10BASE-T 에서 사용. 대역폭 2배 |
| 차동 맨체스터 | 비트 시작점의 천이 유무로 판별 | 우수 | 없음 | 토큰링 에서 사용. 극성 반전에 강함 |
| AMI Bipolar | 1을 +, − 교대로, 0은 0V | 0 연속 시 약함 | 없음 | 3진 부호. 0이 길게 이어지는 게 약점 |
| B8ZS / HDB3 | AMI의 0 연속 문제를 보완 | 좋음 | 없음 | B8ZS = 북미 T1, HDB3 = 유럽 E1 |
| 4B/5B | 4비트를 5비트로 확장해 천이 보장 | 좋음 | — | 100BASE-TX · FDDI. 효율 80% |
📋 물리 계층 규격 · 인터페이스
| 규격 | 방식 | 특징 / 거리 |
|---|---|---|
| RS-232C | 단극성 · 불평형 | 1:1 시리얼. 최대 약 15m, 저속. DB-9 / DB-25 커넥터 |
| RS-422 | 차동 · 평형 | 1:다(1:10), 약 1.2km. 노이즈에 강함 |
| RS-485 | 차동 · 평형 · 반이중 | 다:다(32대), 약 1.2km. PTZ 제어 · Modbus 에 사용 |
| 10BASE-T | UTP Cat3↑ / 맨체스터 | 10Mbps, 100m |
| 100BASE-TX | UTP Cat5↑ / 4B5B | 100Mbps, 100m |
| 1000BASE-T | UTP Cat5e↑ / 4쌍 전부 | 1Gbps, 100m |
| 1000BASE-SX / LX | 광 (MMF / SMF) | SX 약 550m · LX 약 5km |
| 10GBASE-SR / LR | 광 | SR 약 300m · LR 약 10km |
표기 읽는 법 — 1000BASE-T = 속도 1000Mbps · BASEband(기저대역) · 매체 T(Twisted pair).
S=단파장 광, L=장파장 광, C=동축, X=부호화 방식 있음.
🔧 장비 상세
| 장비 | 역할 | 주의점 |
|---|---|---|
| 리피터 | 감쇠된 신호를 증폭·재생해 전송 거리를 늘림 | 잡음도 함께 증폭됨. 디지털은 재생(Regeneration) 이라 잡음 누적이 없음 |
| 허브 | 들어온 신호를 모든 포트에 그대로 복사 (멀티포트 리피터) | 충돌 도메인이 하나 → CSMA/CD 충돌 다발. 대역폭을 나눠 씀 |
| 모뎀 | 디지털 ↔ 아날로그 변복조 | 변조 방식이 속도를 결정 |
| 트랜시버 / SFP | 전기 ↔ 광 신호 변환 모듈 | 파장·거리별로 모듈이 다름 (SR/LR/ER) |
| 미디어 컨버터 | UTP ↔ 광 매체 변환 | 거리 연장 목적 |
| 패치 패널 | 배선 집중·정리 | 성능이 아닌 관리 편의를 위한 수동 장비 |
허브 vs 스위치 — 허브는 1계층이라 신호를 무조건 복사하고, 스위치는 2계층이라 MAC을 보고 필요한 포트로만 보낸다.
그래서 허브는 충돌 도메인 1개, 스위치는 포트마다 충돌 도메인이 분리된다.
📐 전송 계측 — 물리 계층에서 무엇을 재는가
| 측정 항목 | 무엇을 보는가 | 측정 장비 · 방법 |
|---|---|---|
| 감쇠 (Attenuation) = Insertion Loss | 거리에 따라 신호가 얼마나 약해졌는가 [dB] | 케이블 인증 시험기 · 광파워미터 |
| 누화 (Crosstalk) NEXT · FEXT | 옆 쌍선으로 새어 나간 간섭. NEXT=근단, FEXT=원단 | 케이블 인증 시험기 |
| 반사 손실 Return Loss | 임피던스 불일치로 되돌아온 신호 | TDR (동선) · OTDR (광) |
| 배선도 (Wire Map) | 8가닥이 제대로 짝지어 결선됐는지 (오결선·단선·단락) | 케이블 테스터 |
| 광 손실 · 장애점 | 광선로의 손실 분포와 절단 위치 | OTDR (광 시간영역 반사계) — 한쪽에서 쏴서 장애 지점 거리를 알아냄 |
| 아이 패턴 Eye Pattern | 눈 모양이 크고 뚜렷할수록 양호. 지터·잡음 여유를 한눈에 판단 | 오실로스코프 |
| BER | 전송한 비트 중 깨진 비율 | BER 테스터 → BER 계산 단원 |
| 지터 (Jitter) | 신호 타이밍이 떨리는 정도 | 오실로스코프 · 지터 분석기 |
아이 패턴 읽는 법 — 눈(eye)이 위아래로 크면 잡음 여유가 크고, 좌우로 넓으면 타이밍 여유가 크다.
눈이 감기면(닫히면) 오류가 급증한다는 뜻.
🔗 이 계층과 이어지는 단원
📝 1계층 시험 포인트
• PDU = 비트, 장비 = 허브 · 리피터, 주소 개념이 없다
• 전송부호 조건 = 대역폭 좁고 · 간단하고 일관성 있고 · 타이밍 포함 · DC 없음
• 맨체스터 = 이더넷, 차동 맨체스터 = 토큰링, HDB3 = 유럽 E1
• RS-485 = 반이중 · 다중 접속 · 1.2km → PTZ 제어에 사용
• 광선로 장애점 측정 = OTDR, 신호 품질 판단 = 아이 패턴
• 허브는 충돌 도메인 1개, 스위치는 포트별로 분리
• PDU = 비트, 장비 = 허브 · 리피터, 주소 개념이 없다
• 전송부호 조건 = 대역폭 좁고 · 간단하고 일관성 있고 · 타이밍 포함 · DC 없음
• 맨체스터 = 이더넷, 차동 맨체스터 = 토큰링, HDB3 = 유럽 E1
• RS-485 = 반이중 · 다중 접속 · 1.2km → PTZ 제어에 사용
• 광선로 장애점 측정 = OTDR, 신호 품질 판단 = 아이 패턴
• 허브는 충돌 도메인 1개, 스위치는 포트별로 분리