[네트워크] 혼공네트 독서 #2 - 이더넷과 통신매체, 케이블 NIC

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[네트워크] 혼공네트 독서 #1 - 네트워크 개관, 네트워크 참조모델 기초

저번에는 네트워크 참조모델에 대해서 간략하게 알아보았다.

이번 장부터는 네트워크 참조모델의 각 계층에 대해서 자세히 다뤄보는 시간을 가질 예정이다. 그 시작은 물리계층과 데이터계층.

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이더넷

물리계층과 데이터계층에서는 이더넷이라는 기술을 사용한다.

이더넷(Ehternet)은 LAN, 그 중에서도 유선 LAN 환경에서 널리 쓰이는 기술로, 다양한 통신매체(케이블 같은)들의 규격들과 송수신되는 프레임의 형태, 프레임을 주고받는 방법 등을 정의한 네트워크 기술이다.

 

현재 이더넷은 IEEE802.3이라는 이름으로 국제적인 표준화가 완료되었다. 이더넷을 기반으로 한 표준을 의미하며, 이 표준을 준수하는 네트워크 장비들은 제조사가 다르더라도 통신이 가능한 것이다. 이외에도 IEEE802.3ab, IEEE802.3u 등의 또다른 표준들이 있다.

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통신매체

이더넷은 통신매체의 규격과 프레임의 형태를 정의한다고 했다. 그 중에서 통신매체에 대해서 알아보자면 이더넷 표준에 따라서 통신매체의 종류와 전송속도가 달라질 수 있다. 그렇다면 이더넷 표준에 맞는 통신매체는 어떻게 표기될까?

 

전송속도 BASE - 추가특성

 

형태로 표시한다. 예시로는 1000BASE-CS, 1000BASE-LX, 25GBASE-LR 등...

 

1. 전송속도

그냥 숫자만 써있으면 단위가 Mbps (초당 메가비트 수) 다. 즉, 1000이면 1초당 1000 * 1백만 비트를 전송한다는 뜻. G가 있으면 Gbps, 즉 초당 기가비트 수이다. 메가가 1백만이고 기가가 십억이다.

 

2. BASE

변조타입 중의 하나인 베이스밴드 (BASEband)의 약어. 변조타입은 비트신호로 변환된 데이터를 통신매체로 전송하는 방법을 의미한다. 일반적인 LAN환경, 대부분의 이더넷 통신매체는 BASE를 사용한다. BASE 이외에는 BROAD와 PASS 가 있다.

 

3. 추가특성

통신매체의 특성을 의미한다.

 

10BASE-2, 10BASE-5와 같이 전송 가능한 최대 거리를 나타내기도 한다. 여기서 단위는 100m. 즉 베이스밴드를 변조타입으로 사용하고, 10Mbps의 전송속도를 가지며, 200m의 최대전송거리를 가지는 통신매체이다.

또는 데이터가 비트신호로 변환되는 방식이나 비트 신호를 옮길 수 있는 전송로 수를 뜻하는 레인 수가 표기되기도한다.

 

처음 이더넷을 학습하는 입장에서는 이런 종류와 원리를 다 알 필요는 없고, 통신매체의 종류에 대해서 아는 것이 중요한다.

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통신매체 종류

통신매체의 종류는 추가특성에 표기되는데,

 

10BASE-CX, 10BASE-TX에서 C와 T. 그러니까 추가특성의 앞부분의 알파벳에 해당하는 것이 통신매체의 종류이다. 종류로는

 

C - 동축케이블

위 사진에서 보이다시피 하나의 구리선이 있고 그 주위를 플라스틱으로, 다시 그 주위를 구리선으로 감싼 다음에 피복을 씌우는 케이블. 구리선이 정보를 전송하고 외부의 구리선이 주변 자기장의 방해를 막아준다. 현재는 좀 더 싼 기술이 생겨서 이더넷에는 잘 사용되지 않는다.

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T - 트위스티드 페어 케이블

구리선을 통해서 전기신호를 주고받는다. 트위스티드 페어 케이블의 한 종류인 UTP가 LAN 통신의 주류 케이블로 자리잡았다.

 

 

 

흔히 '랜선'이라고하는 커넥터가 트위스티드 케이블에서 주로 사용되는 커넥터다. 이러한 커넥터를 RJ-45 커넥터라고 칭한다.

커넥터와 연결된 케이블 본체에는 위의 사진처럼 구리 선이 두 가닥씩 꼬여있다. 위 사진에서는 8가닥의 구리선을 두 개씩 꼬아 총 네 쌍의 꼬인 구리선이 있다.

 

이처럼 구리선을 여러 개를 사용하면 일부를 수신용, 일부를 송신용으로 사용하여 동시 송수신에 사용하거나, 8개 가닥을 모두 데이터 전송에 사용해 속도를 향상시킬 수 있다.

다만 8개 가닥을 그대로 전선으로 사용하면 외부자기장이 특정 선에만 영향을 끼쳐 데이터가 불균형해지거나 인접한 선들끼리 영향을 받을 수 있기 때문에 전선을 꼬아서 사용한다. 이 때문에 동축케이블보다 외부자기장 차폐가 훨씬 쉬워 가격도 저렴한 편이다. 그래서 동축케이블을 밀어내고 주류로 사용되었다.

 

다만 여전히 외부자기장의 간섭을 받아 노이즈가 생길 수 있기 때문에, 트위스티드 페어 케이블은 구리 선을 그물 모양의 철사 또는 포일로 감싸 보호한다. 전자를 브레이드 실드, 브레이드 실드를 사용한 트위스티드 페어 케이블을 STP, 후자를 포일 실드, 포일 실드를 사용한 트위스티드 페어 케이블을 FTP라고 한다. 아무것도 감싸지 않으면 UTP라고 한다.

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이 실드 방식은 "꼬인 구리 선 쌍에 적용되나"와 "꼬인 구리 선 각각이 아니라 케이블 전체에 적용되나"로 나뉜다. 93쪽을 확인하면 좋다. 그래서 트위스티드 페어 케이블을 명칭표기 시에는

 

XX/YTP

방식을 사용할 수 있다. XX가 외부 케이블을 감싸는 실드의 종류를 (하나 또는 두 개), Y는 꼬인 구리 선 쌍을 감싸는 실드의 종류이다.

 

S/FTP라고하면 케이블 외부를 브레이드 실드, 구리선 쌍은 포일 실드를 사용한 케이블

SF/FTP라고하면 케이블 외부를 브레이드 실드와 포일실드를 이용해 감싸고 각 구리선 쌍은 포일 실드를 이용한 것이다.

 

이렇게 실드가 나뉘는 이유는 포일 실드는 탄탄한 편에 속하기 때문에 고주파 간섭을 억제하는데 효과적이나 내구성이 낮고, 브레이드 실드는 저주파를 효과적으로 흡수하고 내구성도 탄탄하지만 고주파를 막기 어렵다는 단점이 있다.

 

따라서 어떤 파장을 막고 싶은가에 따라서 알맞은 실드를 사용하면 되고, 두 가지 기능을 모두 합친 것이 S/FTP (외부를 브레이드 실드, 구리가닥을 포일실드), SF/FTP (외부를 브레이드 실드와 포일실드를 사용하고, 내부를 다시 포일실드를 사용함) 다. F/STP는 이미 케이블 외부를 포일실드를 사용했기 때문에 내부에 STP를 적용시키는 의미가 없어서 잘 안쓴다고.

 

다만 S/FTP나 SF/FTP를 사용하면 실드가 많기 때문에 선이 딱딱해지고 설치비용이 매우 비싸지기 때문에 산업용, 초고속 데이터 센터 등 매우 정밀한 기술이 필요할 때나 쓰이고 보통은 값이 싸고 간편한 UTP나 FTP를 주로 사용한다.

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트위스티드 페어 케이블은 카테고리에 따라서도 구분할 수 있다. 카테고리는 트위스티드 페어 케이블의 성능을 구분하는 역할을하며, 더 높은 카테고리에 속한 케이블일수록 성능이 좋다.

 

카테고리는 Cat + 숫자를 사용해 Cat5, Cat5e, Cat6, Cat6e, Cat7, Cat8의 카테고리로 나뉜다. Cat8로 갈수록 전송속도가 아주 높은 편이다. 이렇게 전송속도가 높다면 노이즈의 위험이 높으므로 주로 S/FTP나 SF/FTP를 사용하는 편이다. 가정용으로는 Cat6을 주로 사용한다.

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S - 단파장 광섬유 케이블 / L - 장파장 광섬유 케이블

매질에 따라서 빛의 속도가 변하고, 그렇기 때문에 매질이 변하면 빛은 굴절한다. 그런데 만약 두 매질의 속도 차이가 아주 커지기 시작하면 어느 순간부터 빛은 굴절하지 않고 기존 매질로 반사되는데, 이를 전반사라고 칭한다.

광섬유케이블은 이러한 빛의 전반사를 이용한 케이블이다.

광섬유케이블의 한 가닥은 빛이 이동하는 코어, 그리고 코어를 둘러싼 클래딩이 있다. 이 코어와 클래딩에서 전반사가 일어난다.

 

코어의 지름에 따라서 광섬유 케이블은 두 가지로 나뉘는데

 

1. 싱글모드 케이블

지름이 작다. 약 8~10㎛ 정도로, 지름이 작기 때문에 빛이 이동할 경로가 적어 빛의 이동경로가 하나 이상을 갖기 어렵다.

그래서 신호손실이 적은 편이기 때문에 장거리전송에 적합하지만 이를 사용하려면 많은 비용이 든다는 단점이 있다. L모드가 이에 해당하며, 싱글모드 케이블에서는 주로 장파장의 빛을 사용한다.

이는 빛이 굴절될 때 손실되는 비중이 가장 적은 파장이 장파장영역에 해당하기 때문이다. 또한 얇은 코어에서 장파장은 회절이나 굴절이 잘되기 때문에 신호가 정상적으로 도달할 가능성이 높다.

 

2. 멀티모드 케이블

지름이 50~62.5㎛ 정도로, 지름이 큰 편이기 때문에 빛이 여러 경로로 이동할 수 있다. 신호손실일 클 수 있고 단거리에 적합하다. S모드에 이에 해당하며, 주로 단파장의 빛을 사용한다. 왜냐하면, 싸다. 단파장의 빛을 내는 장비는 장파장보다 싼 편에 속하고, 단거리 통신 목적으로 사용하기 때문에 손실이 그렇게 문제가 되지 않기 때문에 단파장의 빛을 사용한다. 즉, 싱글모드는 얼마나 멀리 보낼 수 있는가에, 멀티모드는 거리를 포기한 대신 저렴하게 데이터를 보내는 것에 집중한 것이다.

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위와 같은 케이블 종류가 있다. 그래서 다시 정리해보자면,

 

10BASE-T 케이블은 10Mbps 속도를 지원하는 트위스티드 페어 케이블,

1000BASE-SX 케이블은 1000Mpbs 속도를 지원하는 단파장 광섬유 케이블에 해당한다.

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NIC

통신매체 얘기가 나온 김에 NIC에 대해서 다뤄보자면, NIC (Network Interface Conroller)는 호스트와 통신매체를 연결하고, MAC 주소가 부여되는 네트워크 장비다. 케이블은 NIC에 연결되는 유선 통신매체다.

 

위에서 봤듯이, 통신매체로 사용되는 케이블은 여러 종류가 있다. 그러면 이 종류에 맞춰서 전달된 신호를 컴퓨터가 이해할 수 있도록 바꿔야한다. 이것을 NIC가 담당한다.

 

흔히 LAN카드, 네트워크 어댑터 등으로 사용된다. '카드'라는 명칭이 붙은 이유는 초기 NIC이 위의 사진처럼 확장 카드형태로 사용되었기 때문.

 

요즘에는 USB 형태의 NIC도 나오는 추세다.

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이처럼 NIC는 통신매체에 흐르는 신호를 호스트가 이해할 수 있는 프레임으로 변환하거나 그 반대과정의 변환을 담당한다.

뒤에 나오겠지만 NIC는 자기주소와 수신되는 프레임의 수신지 주소를 인식한다. 따라서 어떤 프레임이 자신과 관련없는 프레임일 경우에는 폐기할 수 있다.