물리 계층과 매체

학습 목표

물리 계층이 비트·신호를 전송 매체 위로 올리는 역할을 설명할 수 있다.

대역폭(bandwidth)·전송 지연·전파 지연을 구분하고 크기를 추정할 수 있다.

처리량(throughput) 이 경로상 병목 링크에 의해 제한됨을 설명할 수 있다.

유선·무선 전송 매체의 특성을 비교할 수 있다.

문제 상황

• 회사 LAN은 1 Gbps인데 speedtest는 100 Mbps다
  • 링크 속도와 엔드투엔드 처리량은 다르다
• 서버는 서울, 클라이언트는 미국 — ping RTT는 150ms인데 파일 전송은 더 느리다
  • 전파 지연 + 전송 지연 + 큐잉이 합쳐진다
• Wi‑Fi 신호는 좋은데 영상이 끊긴다
  • 물리 계층 SNR·간섭·공유 매체 — 이더넷과 다른 제약
• ethtool eth0에 Speed: 1000Mb/s — 이게 앱이 받는 속도는 아님

이더넷·MAC까지 프레임 단위를 봤다. 그 아래 케이블·광·전파 위에서 0과 1을 실어 나르는 물리 계층이다.

1. 물리 계층이 하는 일

물리 계층은 상위 계층이 만든 비트열을 전기·광·전파 신호로 바꿔 매체 위로 보내고, 수신 측에서 다시 비트로 복원한다.

Application  →  TCP segment  →  IP packet  →  Ethernet frame  →  bits on medium

역할	설명
비트 전송	0/1을 신호 펄스·전압·광 펄스로 인코딩
동기	송수신 클럭·프레임 경계 맞춤 (preamble 등)
매체 규격	커넥터·거리·속도 등급 (Cat6, 1000BASE-T …)
오류	링크 FCS 등 — 물리 노이즈로 비트 깨짐 가능

• 상위는 프로토콜 — 물리는 하드웨어·케이블·스펙트럼
• NIC·스위치 포트가 물리+링크 경계 — ethtool, LED 링크 업
• 오리엔테이션에서 본 지연·손실 — 물리·큐·버퍼에서 시작

2. 전송 매체

매체	예	대역폭(대략)	특징
트위스티드 페어	Cat5e/Cat6, RJ-45	100M ~ 10G	LAN·서버 랙, 거리 제한 (~100m)
광섬유	싱글/멀티모드	1G ~ 100G+	장거리·ISP 백본, 전자기 간섭 적음
동축	케이블 모뎀	~1G (지역)	레거시·HFC 인터넷
무선(전파)	Wi‑Fi, LTE, 5G	수십 Mbps ~ Gbps	공유 매체·간섭·이동성

• full-duplex 유선 — 송수신 동시 (현대 이더넷)
• half-duplex — 옛 허브·일부 무선 — 충돌·재전송
• 스펙트럼 — Wi‑Fi 2.4/5/6 GHz 채널 — 대역폭은 채널 폭·변조에 따라 달라짐

3. 대역폭과 두 가지 지연

대역폭(transmission rate, R) — 링크가 초당 실을 수 있는 비트 수 (bps). 1 Gbps = 10⁹ bit/s.

지연	공식(개념)	의미
전송 지연 (transmission)	L / R	L비트 패킷을 와이어에 밀어 넣는 시간
전파 지연 (propagation)	d / s	비트가 거리 d를 전파 속도 s로 이동
처리 지연	—	스위치·라우터 헤더 검사 (보통 μs)
큐잉 지연	—	버퍼 대기 — 혼잡 시 커짐

L = 12 000 bit (1 500 B frame × 8)
R = 1 Gbps
transmission delay = 12 000 / 10^9 = 12 µs

d = 5 000 km fiber, s ≈ 2×10^8 m/s
propagation delay ≈ 25 ms one-way

• 근거리 LAN — 전송 지연이 지배 (패킷 크기·R)
• 장거리 WAN — 전파 지연이 지배 (ping RTT)
• RTT ≈ 2×전파 + 전송 + 큐잉 + 처리 — TCP는 RTT에 민감

4. 처리량 (throughput)

처리량 — 송신자가 수신자에게 실제로 전달하는 데이터 속도 (bps). 경로의 가장 느린 링크(병목) 가 상한을 정한다.

Server --Rs=100 Mbps--> WAN --Rc=10 Mbps--> Client

end-to-end throughput ≈ min(Rs, Rc, ...) ≈ 10 Mbps

개념	설명
병목 링크	경로 중 최소 R — 처리량 상한
공유 링크	Wi‑Fi·ISP 업링크 — 여러 흐름이 R을 나눔
TCP	혼잡 제어로 가용 대역에 맞춤 — 12편
앱 체감	TTFB·다운로드 속도 — 전 구간 병목·재전송·TLS

• Last mile — 가입자↔ISP 구간이 병목인 경우 많음
• CDN — 콘텐츠를 가까운 엣지로 — 전파·홉 줄임
• iperf3·speedtest — 특정 경로 처리량 측정 (다른 목적지와 다를 수 있음)

5. 무선 물리 계층 (개요)

Wi‑Fi·셀룰러는 공유 스펙트럼 — 같은 채널 동시 사용 시 간섭.

요소	영향
신호 강도 (RSSI)	멀수록·벽 많을수록 비트 오류↑
간섭	이웃 AP·블루투스·전자레인지
변조·채널 폭	802.11ax 등 — 이론 최대 vs 실측 괴리
재전송	링크 계층·TCP 재시도 — 처리량 급락

• 유선 — 상대적으로 예측 가능한 R
• 무선 — 시간에 따라 R 변동 — 버퍼링·적응 스트리밍이 필요한 이유

6. 관측

# 유선 링크 속도·듀플렉스 (Linux)
ethtool eth0
# Speed: 1000Mb/s  Duplex: Full

# 인터페이스 통계 — errors, drops (물리·드라이버 이슈)
ip -s link show eth0

# Wi‑Fi (Linux)
iw dev wlan0 link
# signal: -55 dBm  tx bitrate: 866.7 MBit/s

# 처리량 측정 예 (서버·클라이언트)
iperf3 -s                    # server
iperf3 -c server.example.com -t 10

# macOS 유선
networksetup -getMedia ethernet

• errors / dropped 증가 — 케이블·포트·협상(100M fallback) 의심
• Speed 100Mb/s 기대 1G — 케이블 Cat등급·스위치 포트·auto-negotiation
• ping은 지연 — 처리량과 별개 (iperf로 구분)

7. 정리

• 물리 계층 — 비트를 신호로, 매체 위로 전송
• 대역폭 R — 링크 용량; 전송 지연 L/R, 전파 지연 d/s
• 처리량 ≈ 경로 병목 링크 속도
• 유선·광·무선 — 거리·간섭·공유 방식이 다름
• 상위 계층을 이해해도 링크 속도·지연·병목 없으면 운영 감이 안 선다

다음에 다룰 것

• Wireshark로 HTTP/TCP 보기
• 캡처 필터, 시퀀스 다이어그램 읽기

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해당 내용은 Computer Networking: A Top-Down Approach, 8/E (James Kurose, Keith Ross) 의 내용을 기반으로 합니다.