요약

선을 직접 깔 때는 거리와 속도를 보고 구리선이나 광케이블을 고른다. 꼬인 구리선은 싸고 흔하지만 100 m 정도가 한계이고, 광케이블은 빛을 유리 속에 가두어 수십 km를 빠르게 간다. 광케이블도 가운데 심이 굵은 멀티모드는 빛이 여러 길로 퍼져서 짧은 거리용이고, 심이 가는 싱글모드가 더 멀리 더 빠르게 간다. 직접 깔 수 없으면 전화 회사에서 정해진 속도의 선을 빌린다.

예시로 보기

선을 직접 깔 때는 거리를 기준으로 매체를 고른다.

매체 속도 최대 거리
Category 5 twisted pair (UTP) 10~100 Mbps 100 m
(Cat 7) 10 Gbps 100(?) m
50옴 동축 케이블 (ThinNet) 10~100 Mbps 200 m
75옴 동축 케이블 (ThickNet) 10~100 Mbps 500 m
멀티모드 광케이블 100 Mbps 2 km
싱글모드 광케이블 100~2,400 Mbps 40 km

같은 건물의 PC와 스위치(수십 m)는 UTP로 충분하다. 1.5 km 떨어진 두 건물은 멀티모드 광케이블, 30 km 떨어진 두 지사는 싱글모드 광케이블이 필요하다. UTP는 노드와 노드 사이의 짧은 거리(100 m 안쪽)에 쓴다. 동축 케이블은 구리가 많이 들어 두꺼워서, 요즘은 UTP를 더 많이 쓴다.

정의

광케이블. 빛을 가두는 가운데 심을 코어, 그 둘레를 감싼 층을 클래딩이라 한다. 굴절률은 진공에서의 빛의 속도를 매체에서의 속도로 나눈 값이다. 값이 클수록 그 안에서 빛이 느리다. 신호 속도가 \(2.0 \times 10^8\) m/s인 광케이블의 굴절률은 \(3.0 / 2.0 = 1.5\)다. 코어의 굴절률이 클래딩보다 커서, 경계에 비스듬히 닿은 빛은 빠져나가지 못하고 모두 되돌아온다(전반사). 빛은 이렇게 코어 안에서 튕기며 나아간다1.

빛이 새지 않으려면 경계에 충분히 비스듬히 닿아야 한다. 코어의 굴절률을 \(n_{\text{core}}\), 클래딩의 굴절률을 \(n_{\text{clad}}\)라 하자. 경계의 수직선에서 잰 각이 임계각 \(\theta_c = \arcsin(n_{\text{clad}} / n_{\text{core}})\)(\(\arcsin\)은 사인값에서 각도를 구하는 함수)보다 크면 빛이 전부 되돌아온다. 예를 들어 \(n_{\text{core}} = 1.50\), \(n_{\text{clad}} = 1.48\)이면 \(\theta_c \approx 80.6°\)다. 케이블 축에서 9.4°보다 덜 기운 빛은 모두 갇힌다는 뜻이다. 거친 면에서 빛이 여러 방향으로 흩어지는 난반사와는 다르다. 흩어진 빛은 코어 밖으로 새어 나간다1.

  멀티모드 (Multimode) 싱글모드 (Single Mode)
코어 비교적 굵다 비교적 가늘다
빛의 길 여러 각도의 길(모드)로 튕기며 간다 거의 곧은 길 하나로 간다
결과 길마다 도착 시간이 달라 신호가 퍼진다. 느리고 짧은 거리용 덜 퍼져서 빠르고 멀리 간다

그림

위가 멀티모드, 아래가 싱글모드다. 멀티모드에서는 같은 순간 들어간 빛이 기울기에 따라 다른 길로 튕기며 간다. 많이 기운 빛일수록 길이 길어 늦게 도착한다. 싱글모드는 코어가 가늘어 빛이 축을 따라 거의 한 길로만 간다2.

빌리는 선. 전화 회사로부터 선을 임대할 때는 정해진 속도를 고른다.

서비스 대역폭
ISDN 64 Kbps
T1 1.544 Mbps
T3 44.736 Mbps
STS-1 51.840 Mbps
STS-3 155.520 Mbps
STS-12 622.080 Mbps
STS-24 1.244160 Gbps
STS-48 2.488320 Gbps

STS-\(n\)의 속도는 STS-1의 정확히 \(n\)배다. 예를 들어 STS-3은 \(51.840 \times 3 = 155.520\) Mbps, STS-12는 \(51.840 \times 12 = 622.080\) Mbps다3.

검증: STS-\(n\) 규칙, 굴절률 1.5, 임계각 80.6°, UTP 100 m의 전파 지연 0.43 μs — 32_wired-links_verify.py

활용

  • 링크 길이가 짧으면 전파 지연도 작다. UTP 100 m는 약 0.43 μs다(소요시간).
  • 흔한 실수는 광케이블이 “빛의 속도”라서 구리보다 전파 지연이 훨씬 작다고 보는 것이다. 신호 속도로 보면 광케이블(\(2.0 \times 10^8\) m/s)이 구리 케이블(\(2.3 \times 10^8\) m/s)보다 오히려 조금 느리다. 광케이블의 장점은 속도와 거리(대역폭, 적은 손실)다.

연결

확인 문제

C1 다음 연결에 위 표의 매체 중 무엇을 쓰겠는가? (a) 같은 사무실의 PC와 스위치 30 m, 100 Mbps (b) 1.5 km 떨어진 두 건물, 100 Mbps (c) 30 km 떨어진 두 지사, 1 Gbps

답: (a) Category 5 UTP (100 m, 10~100 Mbps). (b) 멀티모드 광케이블 (2 km, 100 Mbps). 동축은 500 m까지다. (c) 싱글모드 광케이블 (40 km, 100~2,400 Mbps). 멀티모드는 2 km까지다.

C2 싱글모드 광케이블이 멀티모드보다 멀리, 빠르게 보낼 수 있는 이유를 코어의 굵기로 설명하라.

답: 코어가 굵으면 빛이 여러 각도의 길로 튕기며 가고, 길마다 길이가 달라 같은 순간에 보낸 빛이 서로 다른 때에 도착한다. 그래서 신호가 퍼지고, 비트 사이가 좁으면(고속이면) 앞뒤 비트가 섞인다. 코어가 가늘면 길이 거의 하나라 덜 퍼진다.

C3 STS-1이 51.840 Mbps일 때 STS-12의 속도를 구하라. 어떤 표에 STS-3이 155.250 Mbps로 적혀 있다. 이 값이 맞는지 검산하라.

답: STS-12 \(= 51.840 \times 12 = 622.080\) Mbps로 표와 같다. STS-3은 \(51.840 \times 3 = 155.520\) Mbps여야 한다. 155.250은 숫자 2와 5의 자리가 바뀐 틀린 값이다.

  1. 표준적인 광학 내용이고, Peterson & Davie, Computer Networks: A Systems Approach, 2.1절의 광케이블 설명과 같다. ↩ ↩2

  2. 32_wired-links_plot.py로 그렸다. 굴절률은 본문의 임계각 예(\(n_{\text{core}} = 1.50\), \(n_{\text{clad}} = 1.48\))를 썼다. 그린 빛의 기울기(축에서 4°, 8°)가 임계각 80.6°에서 나오는 한계 9.4°보다 작아 모두 전반사된다는 것과, 8° 기운 길이 곧은 길보다 약 1% 길다는 것을 같은 코드로 확인했다. 코어 굵기와 케이블 길이의 비율은 보기 좋게 바꿨다. ↩

  3. STS-\(n\)이 STS-1의 \(n\)배라는 규칙은 SONET 표준(ANSI T1.105)의 정의다. ↩