[Network] OSI 7계층 #2. 물리 계층, 데이터 링크 계층

유의사항: 해당 글은 공부한 내용을 정리하는 용도이므로, 수정이 필요할 경우 내용의 수정이 있을 수 있습니다.

물리 계층

OSI 7계층 모델에서 물리계층(Physical Layer)은 데이터 통신 시스템의 가장 낮은 계층으로, 실제로 데이터를 전송하는 역할을 담당합니다. 

1. 물리적 매체(Physical Medium) 정의

물리계층은 데이터를 전송하는 데 사용되는 물리적 매체를 정의합니다. 이는 전기적 신호, 광학적 신호, 또는 무선 주파수 신호를 포함할 수 있습니다. 물리적 매체는 다음과 같은 형태로 존재할 수 있습니다:

• 유선 케이블: 동축 케이블, 트위스트 페어 케이블(UTP, STP), 광섬유 케이블 등
• 무선 통신: 라디오 주파수, 마이크로파, 위성 통신 등

2. 신호 변환과 전송

물리계층은 데이터를 신호로 변환하고, 이 신호를 전송 매체를 통해 전달합니다. 신호는 디지털 신호(0과 1의 이진 데이터) 또는 아날로그 신호(연속적인 파형)일 수 있습니다.

• 변조(Modulation): 아날로그 신호를 변조하여 디지털 데이터를 전송
• 인코딩(Encoding): 디지털 데이터를 전송하기 위해 특정 방식으로 변환

3. 전송 속도와 대역폭

물리계층은 전송 속도와 대역폭을 정의합니다. 전송 속도는 초당 전송할 수 있는 비트 수로, 대역폭은 주파수 대역폭으로 측정됩니다.

• 전송 속도: bps(bits per second)
• 대역폭: Hz(Hertz)

4. 물리적 토폴로지

물리계층은 네트워크의 물리적 구조, 즉 네트워크가 어떻게 배치되고 연결되는지를 정의합니다. 이는 네트워크의 효율성과 성능에 큰 영향을 미칩니다.

• 버스 토폴로지: 모든 장치가 하나의 중앙 케이블에 연결
• 스타 토폴로지: 모든 장치가 중앙 허브 또는 스위치에 개별적으로 연결
• 링 토폴로지: 장치들이 링 형태로 연결
• 메시 토폴로지: 모든 장치가 서로 직접 연결

5. 물리적 전송 기술

물리계층은 다양한 물리적 전송 기술을 사용하여 데이터를 전송합니다. 여기에는 다음이 포함됩니다:

• 전기 신호 전송: 전류나 전압 변화를 이용한 신호 전송
• 광 신호 전송: 광섬유를 통해 빛 신호 전송
• 무선 신호 전송: 전자기파를 통한 신호 전송

6. 장비와 소자

물리계층에서 사용하는 장비와 소자에는 다음이 포함됩니다:

• 리피터(Repeater): 신호를 재생성하여 더 먼 거리로 전송
• 허브(Hub): 여러 네트워크 장치를 연결하고 데이터 전송
• 네트워크 어댑터(Network Adapter): 컴퓨터를 네트워크에 연결
• 모뎀(Modem): 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하여 전화선 등을 통해 전송

7. 물리적 규격 및 표준

물리계층은 다양한 규격과 표준을 준수합니다. 이는 호환성과 안정성을 보장하기 위함입니다.

• IEEE 802.3: 이더넷(Ethernet) 표준
• IEEE 802.11: 무선 LAN(WLAN) 표준
• ITU-T: 국제 전기통신 연합 표준

물리계층은 네트워크의 기초적인 부분을 형성하며, 데이터 통신이 이루어질 수 있도록 물리적 기반을 제공합니다. 네트워크 성능과 안정성에 중요한 역할을 하며, 상위 계층의 데이터 전송을 위한 기반을 제공합니다.

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데이터 링크 계층

데이터 링크 계층(Data Link Layer)은 OSI 7계층 모델의 두 번째 계층으로, 물리계층 위에 위치하여 네트워크의 신뢰성 있는 데이터 전송을 하기 위해  기기간 데이터 전송 흐름 제어와 오류 검출 및 제어 등을 담당합니다. 데이터 링크 계층의 주요 기능과 역할을 자세히 설명하면 다음과 같습니다.

1. 데이터 프레이밍(Framing)

데이터 링크 계층은 물리계층에서 전달된 원시 데이터를 관리하기 위해 프레임(Frame)이라는 단위로 나눕니다. 프레임은 데이터 패킷의 시작과 끝을 나타내는 특별한 비트 패턴을 포함하며, 오류 검출을 위한 정보도 포함합니다.

2. 물리 주소 지정(Physical Addressing)

데이터 링크 계층은 네트워크 장치에 물리적 주소(MAC 주소)를 할당하여 데이터가 올바른 목적지에 도달할 수 있도록 합니다. MAC 주소는 네트워크 인터페이스 카드(NIC)에 내장된 고유한 식별자입니다.

3. 흐름 제어(Flow Control)

흐름 제어는 송신자와 수신자 간의 데이터 전송 속도를 조절하여 수신자가 데이터를 처리할 수 있는 속도를 초과하지 않도록 합니다. 이를 통해 데이터 손실을 방지하고 네트워크 효율성을 유지합니다.

4. 오류 검출 및 수정(Error Detection and Correction)

데이터 링크 계층은 전송된 데이터의 무결성을 보장하기 위해 오류 검출 및 수정 기법을 사용합니다.

• 오류 검출: 프레임에 오류 검출 코드를 추가하여 전송 중 발생한 오류를 감지합니다. 예를 들어, 체크섬(Checksum), 패리티 비트(Parity Bit), CRC(Cyclic Redundancy Check) 등이 사용됩니다.
• 오류 수정: 간단한 오류 수정 메커니즘을 통해 작은 오류를 수정하거나, 오류가 발생한 프레임을 재전송 요청합니다.

5. 접속 제어(Media Access Control, MAC)

MAC 서브계층은 여러 장치가 공유된 네트워크 매체에 접근할 수 있도록 조정합니다. 이는 충돌을 방지하고 효율적인 데이터 전송을 보장합니다.

• CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection): 이더넷에서 사용되는 방식으로, 충돌이 발생하면 재전송합니다.
• CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance): 무선 네트워크에서 사용되는 방식으로, 충돌을 미리 회피합니다.

6. 논리 링크 제어(Logical Link Control, LLC)

LLC 서브계층은 상위 계층(네트워크 계층)과 하위 계층(물리 계층) 간의 인터페이스를 제공하며, 프레임의 흐름 제어 및 오류 검출 기능을 수행합니다. LLC는 다양한 네트워크 프로토콜을 지원하기 위한 다중화 기능도 제공합니다.

7. 브리지와 스위치

데이터 링크 계층은 네트워크 장비인 브리지(Bridge)와 스위치(Switch)를 통해 네트워크 세그먼트를 연결하고 데이터를 전달합니다.

• 브리지: 두 개 이상의 네트워크 세그먼트를 연결하고, 네트워크 트래픽을 필터링 및 전달합니다.
• 스위치: 여러 장치를 네트워크에 연결하고, 각 장치의 MAC 주소를 기반으로 데이터 프레임을 전달합니다.

8. 표준 및 프로토콜

데이터 링크 계층은 다양한 표준과 프로토콜을 따릅니다.

• IEEE 802.3: 유선 이더넷 표준
• IEEE 802.11: 무선 LAN(WLAN) 표준
• PPP (Point-to-Point Protocol): 점대점 연결을 위한 프로토콜
• HDLC (High-Level Data Link Control): 데이터 링크 계층의 오류 검출 및 흐름 제어 프로토콜

데이터 링크 계층은 네트워크 통신의 신뢰성과 효율성을 보장하기 위해 다양한 기능을 수행하며, 물리계층의 불완전성을 보완하여 안정적인 데이터 전송을 지원합니다.

 

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