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네트워크 자료실
  이더넷 물리계층(PHY) 이란 ?
  2017-08-10 16:43:06   3621
  EXA 통신몰

이더넷 물리계층(PHY) 이란 ?  

출처: http://blog.naver.com/cisluser/10003311843

 

우리가 쉽게 사용하는 LAN, Ethernet, 네트워크 등의 용어가 엄밀히 말하면 우리가 쉽게 사용할 때 사용하는 의미인 Copper 인터페이스(요즘은 광모듈 인터페이스도 많이 사용하지만..)와 다르기는 하지만 여기에서는 우리가 쉽게 사용하는 의미에서의 LAN의 물리 계층(PHY)에 대해서 알아보기로 한다.

 

보통 물리 계층이란 용어는 OSI-7 layer에서 가장 하층부(Layer 1 - Physical Layer)를 담당하는 부분으로 실제로 전기/광 신호의 전송에 대한 부분을 담당하고 상부의 Layer 2와의 인터페이스를 담당하는 역할을 한다. 우리가 쉽게 파이(PHY)라고 지칭을 하는데 이는 Physical Layer에 대한 줄임말로 PHY를 사용하고 우리 말로 파이로 부르는 것이다.

 

실제로 PHY가 담당하는 역할이나 기능, PHY를 별개로 나눈 이유 등은 매우 복잡하겠지만 여기에서는 단순화시켜서 쉽게 PHY의 기능을 알아보는 것을 목표로 해보자.

 

네트워크 시스템에서 PHY가 하는 역할은 크게 두 가지로 생각해 볼 수 있다.

 

첫 번째는 L2 layer에서 받은 데이터를 encoding하거나 전송 매체를 통해 수신한 encoding된 데이터를 일반 raw 데이터로 decoding하는 data coding의 기능이다. 이를 두고 endec(Encoder/Decoder)이니 PCS(Physical Coding Sublayer)이니 하는 등의 용어를 사용하기도 하지만...

 

두 번째는 서로 다른 전송 방식에 맞도록 신호를 변환하고 실제로 구동(송신/수신 - Transceiver)하는 기능이다. 지금 우리가 가장 많이 사용하는 UTP cable 방식의 copper 방식이나 광모듈을 사용하는 방식에 맞도록 신호를 변환해 주어야 하는데 이 기능을 담당하는  것이 PHY이다.(Line coding이라고 볼 수 있다.)

 

 

먼저 첫 번째 기능에 대해서 자세히 살펴 보기로 하자. 원본 데이터를 그냥 보내지 않고 encoding하는 이유는 데이터의 전송 시 에러율을 줄이기 위해서이다. 초창기 ethernet에서 사용한 Manchester coding 방식은 전송 효율은 좋지 않지만(2baud 1bit를 담당하므로) 평균값이 항상 zero이므로 DC offset 에러를 줄일 수 있는 장점이 있다. (계속해서 0 또는 1의 신호가 전송될 경우에 신호 전체의 level이 변하는 에러)

 

요즈음의 10/100Mbps 이더넷 방식(MII 인터페이스를 사용하는 경우)에서 사용하는 4B/5B라는 방식은 4bit(nibble) 데이터를 5bit mapping시키는 방식이다. 이 방식은 기존의 Manchester coding 기법보다 coding 효율이 좋으면서도 전송 에러를 충분히 낮출 수 있는 방법인데, 25%정도의 overhead를 추가하여 16가지 데이터를 32가지 숫자로 표현할 수 있기 때문에 0 1이 충분히 반복되도록 신호를 사용하고 남는 16개의 신호는 제어 신호로도 활용할 수 있다는 장점이 있다. 이와 같이 encoding되어 있기 때문에 100Mbps Ethernet의 경우에는 실제로 125Mbaud의 속도로 신호를 전송해야 유효한 데이터로 100Mbps의 속도가 나올 수 있게 된다.(10Mbps의 경우에는 12.5Mbaud)

 

1000Mbps(Gigabit Ethernet)에서는 좀 더 규모가 큰 8B/10B 방식을 사용한다. 이 방식을 사용하게 되면 256개의 신호 영역을 1024개 영역으로 mapping할 수 있으므로 좀 더 넓은 영역의 제어 신호를 활용할 수 있다. 8B/10B방식을 사용할 경우에 원래 전송 속도를 유지하기 위해서는 1.25Gbaud의 속도로 전송을 해야 하는데 UTP cable bandwidth가 이 정도를 감당할 수 없기 때문에 고안한 것이 기존의 10/100방식과 달리 UTP cable 4pair를 모두 다 사용하고 Tx Rx를 공유하는 방식이다. Tx Rx를 공유해야 하기 때문에 기술적으로 어려운 점은 있지만 신호의 baud-rate을 떨어뜨리기 위해서 부득이한 선택이었다. 이로 인해서 실제로 1000Base-T 규격에서 전송에 사용되는 신호의 baud rate은 약 312.5Mbaud(1.25Gbaud/4) 정도로 감소시킬 수 있었다. Gigabit 장비라고는 하지만 이와 같은 수법(?)을 통해 실제 신호의 물리적인 속도는 많이 낮출 수 있었다. 하지만 광모듈일 경우에는 그럴 필요가 없기 때문에 1.25Gbaud를 사용한다.

 

 

 

두 번째 기능인 신호의 송/수신부(Transceiver)에 대해서 자세히 살펴 보자.

우선 실제 전송 선로는 직렬(Serial) 전송을 사용하는 경우가 대부분이다. 이는 cable에 제한적인 경우가 많고 잡음에 대한 우려가 상대적으로 작아지기 때문이다.(인접한 선로에서 발생하는 잡음 - Cross talk - 이 줄어드는 반면에 전송 속도는 그만큼 빨라져야 한다.) 이를 위해서 5bit, 혹은 10bit 단위의 데이터를 직렬화(Serialize)시키는 기능이 있어야 하고 반대로 Serialize되어 있는 데이터를 병렬화?(Deserialize)시키는 기능이 있어야 한다. 이를 두고 줄여서 흔히 부르는 말로 SerDes라고 흔히들 부르곤 한다.

 

이와 같이 serialize된 신호는 실제로 전송을 하기 위한 전기 신호 혹은 레이저에 의한 광(Light)신호로 변환이 되게 된다. 이 과정에서도 전송에 의한 손실을 최대한 줄이고 에러를 줄이기 위한 기법들이 사용된다. 우선 Copper 인터페이스에서는 모든 신호를 differential signaling을 사용해서 에러를 줄이는 방법을 고안하였다. 보통 고속 serial 신호의 전송에 사용되는 범용 기법인 LVDS(Low Voltage Differential Signaling)을 활용하여 + 전압과 - 전압을 하나로 묶어 전송하고 전송하는 측에서 전류를 구동하여 전체 통신이 이루어지게 한다. 실제로 신호의 크기는 매우 작은 편이어서 200~300 mV정도의 범위에서 신호가 송/수신된다.(Spec자체가) 보통의 digital신호와 비교해 보았을 때 매우 작은 신호임을 알 수 있고 잡음에 얼마나 민감할 지도 예측이 된다. 10/100 Copper 인터페이스에서는 이러한 신호 전송을 위해서 NRZ방식으로 signal을 변환해서 실제 전송에 사용한다.

 

Gigabit Copper 인터페이스에서는 기존의 10/100Mbps급에 비해서 전송 속도도 빠르고 단순하게 하나의 신호선에 전송할 수 없기 때문에 4D-5PAM이라는 modulation 기법을 사용해서 신호를 전송한다. NRZ는 단순하게 1 +전압으로, 0 -전압으로 mapping시키는 방법인데 반해서 4D-5PAM 4D(4 Dimensional : 4 pair를 사용해서 전송) - 5PAM( 5 Pulse Amplitude Modulation : +전압, -전압에 +2, -2, 0을 함께 사용해서 사용하는 방법)과 같이 넓은 범위의 신호를 사용해서 전송하는 방식이다.

 

 

이와 같이 물리 계층(PHY)은 고속 신호를 전송하고 기본적으로 잡음이 생길 확률이 매우 높기 때문에 설계 시 매우 주의를 기울여야 한다. 요즘 네트워크 장비의 물리 계층 설계 시에는 PCB상의 trace의 두께를 net단위로 control한다거나 서로 다른 층에 이웃하는 신호에도 영향을 받지 않도록 신경을 써야 하는 등의 까다로운 점이 많아진 것 같다. 하지만 이럴수록 더 중요한 점은 항상 기본에 충실해야 한다는 점이다. 알다시피 모든 하드웨어의 기본은 안정적인 전원과 clock, 기본 spec에 충실한 설계라는 점을 항상 잊지 말아야 할 것이다.

[출처] 이더넷 물리계층(PHY) 개관|작성자 패션리더


 Auto Negociation 이란 (Copper 통신과 광통신 차이점)
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