안녕하세요. D.U.T 입니다.
방문해주셔서 감사합니다.
이번 포스팅은 기가비트 이더넷(Gigabit Ethernet) 정리 및 구현 기초입니다.
기본적으로 알고 있는 내용과 다시 공부한 내용을 정리한 자료이므로 틀릴 수 있으니 이점 참고해주시기 바랍니다.
◆ 기가비트 이더넷(Gigabit Ethernet) 기초
기가비트 이더넷(Gigabit Ethernet) 하드웨어 설계에 앞서 간략하게 통신 프로토콜인 OSI 모델(Open Systems Interconnection Reference Model)을 살펴보겠습니다.
Q. OSI 모델이란?
OSI 모델(Open Systems Interconnection Reference Model)은 다양한 통신 시스템이 표준 프로토콜을 사용하여 통신할 수 있도록 국제 표준화 기구(ISO)에서 개발한 모델입니다. OSI 모델은 다양한 컴퓨터 시스템의 상호 통신을 가능하게 하도록 하는 표준을 평이한 영어로 제공합니다. 그리고 컴퓨터 네트워크 프로토콜 디자인과 통신을 계층(Layer)으로 나누어 설명할 수 있습니다.
● 이더넷(Ethernet)
이더넷(Ethernet)은 아래 그림에서 볼 수 있듯이 OSI 모델 계층 중 일부를 4개의 계층(Layer)으로 결합합니다.
하드웨어 설계자의 관심 영역은 물리적 계층(Physical Layer)의 이더넷 PHY와 데이터 링크 계층(Data link Layer)입니다. 다른 계층(Layer)은 펌웨어 개발자나 응용 프로그램 개발자, 사이버 보안 전문가가 담당하는 영역입니다.
이더넷 데이터(Ethernet data)는 모두 잘 알고 계신 LAN Cable(Twisted Pair Cable 구조)을 사용하여 정보를 주고받습니다. 그리고 장치에 도달할 때까지 물리적 계층(Physical Layer)의 일부입니다.
데이터 링크 계층(Data link Layer)에서 데이터는 네트워크/통신 IC에 의해 통신이 가능한 형식으로 분해됩니다. 네트워크/통신 IC 예로는 Network Controller & Processor IC, Ethernet IC 등이 있습니다.
정리해서 말씀드리면 물리적 계층(Physical Layer)은 우편물을 운반하는 도로와 집배원과 유사합니다. 상대적으로, 데이터 링크 계층(Data link Layer)은 각 우편물 항목을 다른 우편물 항목과 구별하기 위해 필요한 주소 정보가 있는 봉투에 해당한다고 볼 수 있습니다.
● 기가비트 이더넷(Gigabit Ethernet) 장점
기가비트 이더넷 장점에대해 간략하게 말씀드리겠습니다.
1. 속도: 안전한 100Mbps 이상 속도 가능
2. 보안: 데이터를 가로채기가 어려운 유선 연결을 사용하므로 트래픽 안전!
3. 신뢰성: 케이블 끊김이나 소켓 오류가 없고 네트워크 트래픽이 중단될 가능성이 없음
◆ 기가비트 이더넷(Gigabit Ethernet) 구현 기초
기가비트 이더넷을 하드웨어 설계로는 어떻게 구현해야 하는지 알아보겠습니다.
● 기가비트 이더넷(Gigabit Ethernet) 인터페이스 설계
기가비트 이더넷을 하드웨어 적으로 구현하는 방법은 일반적으로 3가지로 알려져 있습니다.
1. 인터페이스 설계 방법(1)
일반적으로 LAN 포트라고 알고 있는 RJ-45 커넥터와 이더넷 컨트롤러/브리지, FPGA/MCU/MPU 등을 이용하여 MDI와 PCI/PCIe 통신 연결로 인터페이스 설계를 할 수 있습니다. 참고로 MDI는 Medium-Dependent Interface입니다. 그리고 첫 번째 방법은 선호도가 높은 인터페이스 연결 방법은 아닙니다.
2. 인터페이스 설계 방법(2)
두 번째 방법으로는 개별 PHY IC를 사용하고 MAC은 FPGA, MCU, MPU에 통합한 인터페이스 연결 방법입니다. 가장 일반적으로 많이 사용하는 방법입니다. 케이블부터 PHY IC까지는 앞에서 보았던 물리적 계층(Physical Layer)입니다. PHY IC부터 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러까지는 데이터 링크 계층(Data link Layer)입니다. PHY가 작업을 완료 후에 MII(Medium-Independent Interface)를 통해 MAC 컨트롤러로 직접 전송합니다. 마지막으로 MAC 컨트롤러는 정의된 프로토콜에 따라 프레임 구조를 생성하고 검증합니다.
3. 인터페이스 설계 방법(3)
마지막 인터페이스 설계 방법은 개별 PHY IC, 개별 MAC IC를 사용한 방법입니다. 마지막 방법을 보시면 눈치채셨겠지만 첫 번째 인터페이스 설계 방법에서 IC에 통합되지 않고 계속 세부적으로 나누어지고 있습니다. 그러므로 앞서 말씀드린 내용처럼 각 IC들과 개별적인 인터페이스로 데이터를 주고받습니다. 개인적인 생각으로 이 방법은 하나의 IC안에 기능을 통합시키는 반도체 회로 설계 기술이 없을 시절에 많이 사용했을 거라고 생각합니다. 반도체 집적 회로 기술이 발전하면서 개별적인 기능을 하나의 IC에 통합하면서 첫 번째 인터페이스 설계 방법으로 발전했다고 생각해 볼 수 있습니다.
● 기가비트 이더넷(Gigabit Ethernet) PCB 설계
앞에서는 기가비트 이더넷 인터페이스 설계 방법을 알아보았습니다. 기가비트 이더넷 PCB 설계 방법은 크게 다르지 않습니다. 앞서 봤던 인터페이스 연결에서 RJ-45 커넥터와 PHY IC 사이에 변압기(Ethernet Magnetic Transformers)만 추가해주면 됩니다. 그 이유로는 IEEE 802.3 이더넷 표준(Ethernet standard)은 PHY가 전송 매체로부터 전기적으로 절연되어야 한다고 명시하고 있기 때문입니다. 그러므로 변압기(Ethernet Magnetic Transformers)를 추가하여 절연을 해야 합니다.
설계 스펙에 필요한 변압기(Ethernet Magnetic Transformers)를 선택하고 설계를 하면 됩니다.
기초적인 내용만 정리를 해봤습니다. 긴 글 읽어주셔서 감사합니다.
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