물리 계층(Physical Layer)

2024. 11. 29. 16:48ㆍLinux*security/Network

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물리 계층(Physical Layer)은 OSI 7계층의 1계층으로, 네트워크에서 데이터 전송을 위한 하드웨어적인 측면을 담당한다. 

1. 물리 계층의 역할

  1. 전기적, 기계적 속성과 전송 수단 정의
    • 네트워크 장치 간 통신을 가능하게 하는 전기적 신호, 물리적 연결, 전송 매체 등을 정의한다.
    • 예: 전압 수준, 신호 속도, 커넥터 종류 등.
  2. 데이터링크 계층의 프레임 처리
    • 데이터링크 계층에서 전달된 프레임을 비트(bit)로 변환하고, 이를 신호(signal)로 인코딩하여 전송한다.
    • 수신 시에는 신호를 다시 비트로 변환하여 상위 계층으로 전달한다.
  3. 송수신 장치 간 데이터 전송
    • 송신(Tx): 데이터를 신호로 변환해 네트워크로 전송.
    • 수신(Rx): 신호를 데이터로 복원해 상위 계층으로 전달.

2. 주요 구성 요소 및 기능

  • Connector
    • 네트워크 장치를 물리적으로 연결하는 하드웨어.
    • 예: RJ45, USB, 광섬유 커넥터.
  • Media
    • 데이터 전송에 사용되는 물리적 매체.
    • 유형:
      • 유선: 동축 케이블, 트위스티드 페어, 광섬유.
      • 무선: 전파, 적외선.
  • Encoding (비트 -> 신호 변환)
    • 디지털 데이터를 아날로그 또는 디지털 신호로 변환하여 전송.
    • 예: Manchester Encoding, NRZ(Non-Return-to-Zero).
  • Tx/Rx 회로
    • 송수신을 위한 하드웨어 회로.
    • 송신 회로는 데이터를 신호로 변환하며, 수신 회로는 신호를 데이터로 복원.

 

 

물리 계층은 네트워크의 기본이 되는 하드웨어 및 신호 처리와 관련된 모든 것을 담당하여  상위 계층이 하드웨어를 신경 쓰지 않고도 데이터를 주고받을 수 있도록 지원한다.

 

 

 

Signaling의 종류 및 IEEE 802.3 표준

1. Signaling의 종류

Signaling은 데이터를 전달하기 위해 사용하는 신호 방식을 의미한다. 이더넷에서는 전기적, 광학적 신호 방식을 사용하며, 이를 통해 데이터를 물리 계층에서 전송한다. 주요 Signal 종류는 다음과 같다:

  • 전기적 신호: 구리선 케이블(UTP, STP)에서 사용.
  • 광학 신호: 광섬유(Fiber)에서 사용.
  • 무선 신호: 와이파이 등의 무선 매체에서 사용(802.11 기준).

2. IEEE 802.3

  • IEEE 802.3은 이더넷 표준을 정의하며, 물리 계층과 데이터 링크 계층(MAC, 매체 접근 제어 포함)을 다룬다.
  • 주로 사용되는 이더넷의 1 Gbps 규격을 중심으로 정리하면 다음과 같다.

3. 이더넷 케이블 유형

  1. UTP (Unshielded Twisted Pair)
    • 차폐되지 않은 꼬임쌍선.
    • 설치 및 비용이 저렴.
    • 전기적 간섭에 취약.
  2. STP (Shielded Twisted Pair)
    • 차폐된 꼬임쌍선.
    • 외부 간섭을 차단하여 성능 향상.
    • 설치 비용이 더 높음.
  3. Fiber (광섬유)
    • 빛을 통해 데이터 전송.
    • 대역폭이 높고 긴 거리 전송 가능.
    • 설치 비용이 가장 높음.

4. 주요 1 Gbps 이더넷 표준 (802.3 규격)

구분 속도 케이블 종류 표준 최대 전송 거리

구분 속도 케이블   최대전송거리
1000BASE-T 1 Gbps UTP/STP IEEE 802.3ab 100m
1000BASE-CX 1 Gbps STP (꼬임쌍선, 단거리) IEEE 802.3z 25m
1000BASE-SX 1 Gbps 멀티모드 광섬유 IEEE 802.3z 500m
1000BASE-LX 1 Gbps 싱글모드 광섬유 IEEE 802.3z 5km

5. 규격별 특징

  • 1000BASE-T
    • UTP/STP 케이블을 사용하며, 주로 데이터 센터, 일반 네트워크 환경에서 사용.
    • 최대 전송 거리: 100m.
  • 1000BASE-CX
    • STP 케이블을 사용하며, 주로 단거리(25m) 연결에 적합.
    • 서버 또는 장비 간 직접 연결에 사용.
  • 1000BASE-SX
    • 멀티모드 광섬유를 사용하며, 전송 거리는 최대 500m.
    • 짧은 거리의 고속 네트워크 구성에 적합.
  • 1000BASE-LX
    • 싱글모드 광섬유를 사용하며, 최대 전송 거리는 5km.
    • 장거리 데이터 전송에 적합하며 주로 백본 네트워크에서 사용.

6. 명명 규칙

  • 첫 번째 숫자: 속도(예: 1000은 1 Gbps).
  • BASE: Baseband 전송을 의미(단일 채널로 데이터 전송).
  • T, CX, SX, LX: 사용되는 매체의 종류를 나타냄.
    • T: Twisted Pair (꼬임쌍선).
    • CX: Short Copper (단거리 구리 케이블).
    • SX: Short Wavelength Fiber (짧은 파장의 광섬유).
    • LX: Long Wavelength Fiber (긴 파장의 광섬유).

 

 

 

1. 주요 개념

  1. 대역폭 (Bandwidth)
    • 네트워크가 데이터를 전송할 수 있는 최대 용량.
    • 단위: bps (bits per second), Kbps, Mbps, Gbps, Tbps.
  2. 처리량 (Throughput)
    • 네트워크가 실제로 데이터를 전송하는 속도.
    • 패킷 크기 및 네트워크의 물리적 상태에 따라 성능이 달라짐.
    • 일반적으로 패킷 크기가 커질수록 처리량 증가.
  3. Backplane
    • 네트워크 백본 장비(스위치, 라우터 등)의 내부 데이터 전송 속도를 의미.
    • 백본의 성능을 측정하는 지표로 사용.

2. 예시

a. 전용선 대역폭

  • 인터넷 전용선 대역폭: 2 Gbps.
    • 의미: 이 네트워크는 초당 최대 2기가비트의 데이터를 전송할 수 있다.

b. 방화벽 (Firewall) 처리량

  • 방화벽의 처리량(Throughput)은 패킷 크기에 따라 달라짐.
    • 1024바이트 패킷: 3 Gbps 처리 가능.
    • 512바이트 패킷: 2 Gbps 처리 가능.
    • 64바이트 패킷: 1 Gbps 처리 가능.
    • → 패킷 크기가 작을수록 처리량이 감소.

c. 백본 (Backbone)

  • Backplane 처리량: 총 100 Gbps.
    • 백본 네트워크는 고속 데이터 전송을 위해 설정되며, 이는 스위치 또는 라우터의 백플레인 속도를 나타냄.

d. 네트워크 연결 예시

  • PC1, PC2, Server가 동일 네트워크에 연결.
    • 대역폭 및 처리량 제한:
      • PC1 → PC2 데이터 전송: 최대 2 Gbps (전용선 대역폭에 따라).
      • Server와 통신: 방화벽 처리량 및 백본 성능에 따라 성능 결정.

3. 분석

  1. 방화벽 처리량 제한
    • 패킷 크기에 따라 처리량이 달라지므로, 대량 데이터를 전송할 때 큰 패킷 크기를 사용하는 것이 더 효율적이다.
  2. 백본의 역할
    • 백본의 100 Gbps 처리 능력은 네트워크의 중앙 허브 역할을 수행하며, 고속 전송과 다중 연결을 지원한다.
  3. 인터넷 전용선의 대역폭 제한
    • 외부와의 연결은 전용선의 2 Gbps 대역폭에 의해 제한되므로, 내부 처리량이 아무리 높아도 외부 연결 속도는 2 Gbps를 초과하지 않다.

4. 정리

  • 대역폭은 네트워크의 전송 용량을 나타내며, Throughput은 실제 데이터 전송 속도를 의미한다.
  • 방화벽 처리량과 백본의 백플레인 성능은 네트워크의 실제 성능에 큰 영향을 미친다.
  • 네트워크 설계 시, 대역폭, 처리량, 백본 성능, 패킷 크기를 고려하여 최적의 성능을 낼 수 있도록 조율해야 한다.

 

 

무선 LAN 구성

무선 LAN(Wireless Local Area Network)은 인터넷 연결을 무선 신호로 제공하는 네트워크 기술이다. 

1. 주요 구성 요소

  1. 인터넷
    • 글로벌 네트워크로, ISP를 통해 접근 가능.
  2. ISP (Internet Service Provider)
    • 인터넷 서비스 제공 업체로, 사용자가 인터넷에 접속할 수 있는 통신망(전용선, 광대역 등)을 제공.
    • 예시: KT, SK Broadband, LG U+ 등.
  3. 라우터 (Router)
    • 유선 또는 무선 네트워크를 구성하며, ISP와 로컬 네트워크를 연결.
    • IP 주소 할당과 데이터 패킷 라우팅 역할 수행.
    • 무선 네트워크 기능이 내장된 Wi-Fi 라우터도 포함.
  4. WIPS (Wireless Intrusion Prevention System)
    • 무선 네트워크 보안을 담당.
    • 무선 침입 탐지 및 방지, 비인가 장치 차단.
    • 예: Rogue AP 감지, DoS 공격 방지.
  5. AP (Access Point)
    • 무선 클라이언트(컴퓨터, 스마트폰 등)가 네트워크에 연결할 수 있도록 중계.
    • 라우터의 신호를 확장하거나 새로운 연결 지점을 생성.
    • 예: 사무실이나 대형 건물에서 Wi-Fi 확장용으로 사용.
  6. 컴퓨터 또는 무선 장치
    • 클라이언트 디바이스로, AP를 통해 네트워크에 연결.
    • Wi-Fi 어댑터를 사용해 무선 신호를 수신.

2. 무선 LAN 구성 흐름

  1. 인터넷 → ISP
    • ISP는 사용자에게 인터넷 연결 제공.
    • 연결 형태: 전용선, 광케이블 등.
  2. ISP → 라우터
    • ISP가 제공하는 인터넷을 라우터가 받아 LAN 네트워크로 분배.
    • 무선 및 유선 연결 지원.
  3. 라우터 → WIPS
    • WIPS는 무선 네트워크의 보안 위협을 방지 및 탐지.
    • 비인가 무선 네트워크 접속 차단.
  4. 라우터 또는 WIPS → AP
    • AP는 무선 신호를 생성하여 클라이언트 장치가 네트워크에 연결할 수 있도록 지원.
  5. AP → 컴퓨터 또는 무선 장치
    • 컴퓨터나 스마트폰 등 무선 장치가 AP에 연결해 인터넷에 접속.

3. 정리

무선 LAN은 인터넷 서비스(ISP)와 라우터를 통해 Wi-Fi 신호를 제공하며, AP와 같은 중계 장치를 통해 신호를 확장할 수 있다. WIPS는 네트워크 보안을 강화하며, 최종적으로 컴퓨터와 같은 클라이언트 장치가 네트워크에 접속하여 데이터를 주고받는다.

 

 

UTP (Unshielded Twisted Pair)

UTP는 근거리 통신망(LAN)에서 널리 사용되는 케이블로, 네트워크 연결에 필수적이다. 아래는 UTP의 주요 특징과 관련 개념이다.

1. UTP의 주요 특징

  1. RJ-45 커넥터 사용
    • UTP 케이블은 RJ-45 커넥터를 사용하여 네트워크 장치에 연결.
  2. TIA-568A와 TIA-568B 배열
    • 네트워크 케이블 배열을 정의하여 다이렉트 케이블 또는 크로스오버 케이블을 구분.
    • 크로스오버 없이도 통신이 가능하도록 Auto MDI-X 기술이 발전.
  3. Auto MDI-X 기술
    • 장치가 자동으로 케이블 타입을 감지하여, 다이렉트 또는 크로스오버 관계없이 통신 가능.
    • 최신 스위치와 네트워크 장치에서 기본적으로 지원.
  4. 회선 속도 및 용도에 따른 분류
    • Cat 5e, Cat 6, Cat 6a 등 다양한 카테고리로 분류.
    • 주로 전송 속도와 간섭 억제 성능에 따라 결정.
    • 예: Cat 6은 최대 1Gbps 속도 지원, Cat 6a는 최대 10Gbps 속도 지원.

2. Wi-Fi와 무선 LAN의 관계

  1. Wi-Fi
    • 비영리 기구인 Wi-Fi Alliance가 상표로 보유.
    • Wi-Fi는 무선 LAN 기술을 기반으로 하며, 다양한 전자기기가 네트워크에 연결 가능.
    • IEEE 802.11 표준에 기반.
  2. 무선 LAN 구성 요소
    • WIPS (Wireless Intrusion Prevention System): 보안 관리를 담당하여, 비인가 장치와 침입 시도를 차단.
    • AP (Access Point): 무선 신호를 생성해 단말이 네트워크에 연결할 수 있도록 지원.
    • AP의 반경과 동시 접속 단말 수는 네트워크 설계 시 중요한 고려 요소.

3. 설계 시 고려 사항

  • AP 배치: 적절한 무선 신호 커버리지와 간섭 최소화를 위해 위치 조정.
  • 대역폭 요구: 다수의 동시 접속 시 성능 저하 방지를 위해 충분한 대역폭 제공.
  • 보안 강화: WIPS로 Rogue AP를 탐지하고 네트워크 보호.

 

 

 

 

 
 

 

 

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